This paper presents experimental studies of plasma-surface interactions during powerful plasma impacts of a quasi-stationary plasma accelerator (QSPA) on the Sn capillary porous systems (CPSs) in conditions simulating disruption and edge localized modes (ELM) like loads. Experiments were carried out using two QSPA devices. ELM-like plasma exposures were performed with QSPA-M test-bed facility. A large-scale QSPA Kh-50 device was used to simulate plasma disruptions and giant ELMs. Variation of the plasma stream energy density has been performed to study the onset of vapour shield. It is shown that during plasma exposures of a Sn-CPS target with the QSPA plasma load <1 MJ m−2, single dust particles traces have been registered. A further increase in the heat load leads to the splashing of the eroded material. For ELM-like impacts, a rather weak melt motion was observed on the target surface. A post-mortem analysis has shown that the CPS structure was not destroyed in the course of many repetitive ELM-like pulses. Surface morphology has changed from a smooth surface to corrugation structures with the formation of some cavities in mesh cells due to the influence of the surface tension and capillary effects. Spectral lines of Sn I and Sn II have been identified by optical emission spectroscopy in the near-surface plasma. A plasma shield, that consists mostly of Sn neutrals appears at Q ∼ 0.1 MJ m−2. An increase in the surface heat load resulted in the intensive emission of Sn II lines, which started to be observed at Q ∼ 0.3 MJ m−2. The plasma electron density near the surface increases significantly at Q > 0.5 MJ m−2, which corresponds to the strong vapour shielding of the exposed surface. A comparison between the obtained results on the vapour shielding of Sn CPS and available numerical simulation using the TOKES code has been performed.
本論文は、擾乱およびエッジ局在モード（ELM）様負荷を模擬する条件下での、準定常プラズマ加速器（QSPA）による強力なプラズマ衝撃時のSn毛細管多孔質システム（CPS）におけるプラズマ表面相互作用の実験研究を提示する。実験は2台のQSPA装置を用いて実施された。ELM様プラズマ曝露はQSPA-M試験設備で実施された。大規模QSPA Kh-50装置は、プラズマ擾乱および巨大ELMの模擬に使用された。プラズマ流のエネルギー密度の変化は、蒸気シールドの発生開始を研究するために実施された。QSPAプラズマ負荷<1 MJ m−2でのSn-CPSターゲットのプラズマ曝露中に、単一のダスト粒子痕跡が記録されたことが示されている。熱負荷のさらなる増加は、侵食された材料のスプラッシングをもたらす。ELM様衝撃では、ターゲット表面にかなり弱い溶融移動が観察された。事後分析により、多数の反復ELM様パルスの過程でCPS構造は破壊されなかったことが示された。表面形態は、表面張力および毛細管効果の影響により、滑らかな表面から、メッシュセル内にいくつかの空洞の形成を伴う起伏構造へと変化した。Sn IおよびSn IIのスペクトル線は、近表面プラズマにおける発光分光法により同定された。主にSn中性原子からなるプラズマシールドは、Q ∼ 0.1 MJ m−2で出現する。表面熱負荷の増加は、Sn II線の強い発光をもたらし、これはQ ∼ 0.3 MJ m−2で観察され始めた。表面近傍のプラズマ電子密度はQ > 0.5 MJ m−2で有意に増加し、これは曝露表面の強い蒸気シールディングに対応する。Sn CPSの蒸気シールディングに関する得られた結果と、TOKESコードを用いた利用可能な数値シミュレーションとの間の比較が実施された。