Sommario (risultati preliminari alla data 7/5/2008) - draft rev.2

I problemi:

FTU ha avuto seri problemi nelle ripartenze delle operazioni di plasma dopo la C1 2007 (teminata il 12/06/2007 a causa dell'incidente del sistema introduzione campioni) a partire dalla C2 2007 (iniziata il 23/10/2007). In particolare dalla C2 2007 in poi non si e' riusciti ad ottenere plasmi stabili. Sono stati effettuati 4 tentativi nel 2007 (iniziati rispettivamente il 23/10, 30/10, 20/11 e 18/12) e 2 tentativi nel 2008 (iniziati rispettivamente il 5/2, 12/3).

Le carattersistiche tipiche delle difficolta' nelle ripartenze sono: necesita' di utilizzare bassi preriempimenti, ottenimento solo di disruzioni in rampa di corrente, frequenti soli breakdown, rilascio all'interno della camera da vuoto di massa 44 (osservata con lo spettrometro di massa). Problemi analoghi nelle operazioni di plasma si sono osservati anche nella campagna C2 2006 (iniziata il 12/09/2006) e C1 2003 (iniziata il 5/3/2003).

L'ultimo plasma che si puo' considerare sicuramente "buono" e che puo' essere preso come riferimento rispetto ai periodi successivi risale alla C1 2006 (iniziata il 27/03/2006 e terminata il 30/06/2006).

Da notare, comunque, che oltre ai problemi intrinseci di plasma, FTU ha recentemente avuto anche seri problemi che riguardano le alimentazioni elettriche con svariate sospensioni (guasto MFG3 24/10/2007, avviatore MFG3 20/11/2007, mancanza fusibili 08/02/2008) culminate poi nel guasto definitivo al rotore di MFG3 (18/03/2008). Questo puo' aver contribuito, almeno in parte, alle difficolta' nell'ottenere plasmi stabili per l'interruzione forzata in alcuni casi dopo pochi giorni di tentativi di ripartenza.

Le azioni diagnostiche finora eseguite con la macchina sotto vuoto:

1) prove di accensione dei nastri riscaldatori interni: sono stati accesi in sequenza tutti i gruppi di alimentazione dei nastri riscaldatori interni preimpostando le temperature a 130 C e monitorando le masse con lo spettrometro di massa. Si sono riscontrate varie anomalie (FIG).

In particolare:

a) i nastri riscaldatori interni alimentati dai gruppi 6 e 16 hanno attualmente un funzionamento anomalo e nonostante vengano impostati durante il baking a 130 C, raggiungono rispettivamente 280 C e 250 C (FIG.1). In particolare, dalle prove di accensione dedicate si e' osservato che l'accensione del gruppo 6 (22/4/2008 ore 10:00) che riscalda i port 1, 7, 9 e 11 (FIG.2) interni inferiori provoca un enorme desorbimento di CO2 ma anche di C, H2, H2O, e altro (FIG.3). Da notare che una volta raggiunta la temperatura di regime (250 C) il desorbimento si mantiene quasi costante mostrando solo una lieve diminuzione nel tempo. Il malfunzionamento del gruppo 6 si e' verificato nei 2 baking da novembre 2007 (12-15/11/2007, circa 26 ore a 260 C, 28-30/01/2008, circa 68 ore a 270-280 C) ed in un'altra occasione il 18-20/02/2008 (circa 36 ore a 245-265 C). Ci sono stati altri 2 malfunzionamenti di questo gruppo nel recente passato (25-27/02/2003, circa 52 ore a 250-280 C (FIG.4) e 3-4/7/2006, circa 22 ore a 220-235 C (FIG.5)). Come possibile correlazione con questi aumenti di temperatura da notare che si e' osservata (ad un controllo effettuato l'11/04/2008 e ripetuto il 24/04/2008) una perdita di isolamento dopo il 19/09/2006 di molti cavi in rame smaltati in Kapton delle bobine di Mirnov con cavi che scendono lungo i port 7 e 9 inferiori: in particolare, assenza di isolamento per le bobine 26 (cavi lungo il port 7 inferiore, lato destro), 33, 37, 39, 40, 41 (cavi lungo il port 9 inferiore, lato destro), basso isolamento per le bobine 23 (cavi lungo il port 7 inferiore, lato destro) e 36 (cavi lungo il port 9 inferiore, lato destro). Il malfunzionamento del gruppo 16 che riscalda i tubicini equatoriali dei port 3, 5, 9, 11 fino a 280 C e' iniziato il 26/06/2003 e dura tuttora, anche non in correlazione con il baking ma con ogni semplice accensione di tali nastri. Va anche segnalato il fatto che nelle ripartenze con plasma successivi ai malfunzionamenti dei nastri interni del 2003 e 2006 si e' verificato un andamento delle scariche assolutamente simile a quello avutosi da novembre 2007 ad oggi, ovvero con problemi a formare il plasma (soli breakdown e disruzioni) ed e' stato in entrambi i casi necessario sospendere la sperimentazione, riscaldare la macchina, fare un baking (questa seconda volta con temperature che non superano i 130 C) e poi ripartire senza problemi.

b) i sensori di alcuni nastri riscaldatori interni indicano il non raggiungimento della temperatura impostata di 130 C durante i baking 2006, 2007 e 2008. Alcuni port quindi non raggiungono le temperature preimpostate di 130 C ma rimangono ben sotto (a temperature comprese fra 0 C e 50 C (FIG.6). In particolare non hanno raggiunto le temperature impostate i sensori dei seguenti gruppi: nel 2007 e 2008 il gruppo 2 (FIG.7) che accende i port equatoriali interni 1, 3, 5 e 11; nel 2006, 2007 e 2008 il gruppo 3 (FIG.8) che accende i port superiori interni 3, 5; nel 2006, 2007 e 2008 il gruppo 13 che accende i port equatoriali esterni 1, 3, 5 e 11; nel 2006, 2007 e 2008 il gruppo 21 che accende i tubi superiori esterni nei port 2, 4, 6, 8, 12; nel 2007 il gruppo 7 che accende i tubicini dei port equatoriali 3, 5, 9, 11; nel 2008 il gruppo 17 che accende i tubicini equatoriali dei port 1, 3, 5, 11.

Da notare infine che anche alcuni nastri esterni (le cui temperature non vengono acquisite) hanno malfunzionato e le temperature di alcune flange sono arrivate a 80 C (port 7 superiore): tuttavia dopo febbraio 2008 i termostati non funzionanti sono stati riparati.

2) estrazione del limiter poloidale: il limiter e' stato estratto il giorno 11/4/2008. I due funghetti piu' bassi sono stati rimossi per successive analisi. In mancanza di funghetti di ricambio si sono decise analisi non distruttive per verificarne la composizione superficiale. In particolare i funghetti verranno analizzati con il LIBS. Si e' raccolta della polvere bianca dal funghetto inferiore che verra' analizzata chimicamente (gascromatografia). Sul funghetto superiore si e' osservata in fotografia una colorazione blu.

3) glow discharge: una prima prova di glow discharge utilizzando due elettrodi inseriti nei port 12 verticale basso e 4 vertiale alto e' stata eseguita prima in deuterio e poi in elio (14/04/2008). Dagli spettri di quadrupolo si sono osservati idrocarburi (FIG.9) in quantita' maggiore durante la glow in deuterio (questo forse perche' in deuterio oltre allo sputtering fisico c'e' anche l'effetto chimico). Una seconda glow discharge (28/04/2008) e' stata effettuata in deuterio con lo scopo di veificare la capacita' di pulizia di questa tecnica. Dalle misure di quadrupolo (FIG.10) si osserva un aumento di masse corrispondenti a composti di metano (deuterio con carbonio): questo conferma l'efficacia della glow nella rimozione di carbonio dalle pareti. Aggiungere risultati conto carbonio emesso (Maria Laura).

Le possibili (con)cause dei problemi:

1) baking non completamente efficace a causa delle alte temperature (250-280 C almeno) raggiunte da alcuni port e delle basse temperature alle quali altri port sono rimasti; le alte temperature possono aver provocato in varie occasioni contaminazioni da CO2, C, ecc.

2) inquinamento gas deuterio immesso nella macchina

Una bombola di gas deuterio possibilmente inquinata e' stata utilizzata dal 23/10/2007 al 07/02/2008: questa bombola non passava attraverso il filtro al palladio normalmente usato. Dai dati della spettroscopia visibile (OMA) si e' osservato che a preriempimenti crescenti e' aumentato l'ingresso di azoto nella giornata del 06/02/2008. Non e' stato possibile effettuare un'analisi del gas contenuto all'interno della bombola, trovata vuota dopo il distacco dal sistema immissione gas.

3) accumulo e successivo rilascio di massa 44 (con buona probabilita' CO2)

L'accumulo puo 'essere provocato da: a) degasamento per forte riscaldamento di componenti all'interno della macchina (ad esempio Kapton dei fili delle bobine di Mirnov); b) ingresso di aria dovuto a perdite di vuoto quali, ad esempio, la rottura della finestra del port 7 verticale basso durante il baking (il 2/10/2007), il peggioramento della tenuta della finestra di Be della tomografia soft-X orizzontale (varie operazioni eseguite sul vuoto del sistema dal 14/01/2008; il problema era peraltro gia' noto dal 1997), la perdita individuata (il 15/01/2008) sulla flangia del port 1 basso (limiter di Li), le perdite sulla bolometria (port 5 orizzontale) e flangia del Li port 1 alto (sistemate il 08/02/2008).

Il rilascio si puo' spiegare tenendo conto che la temperatura di passaggio dallo stato solido a gassoso del CO2 alla pressione di circa 1E-7 mbar e' intorno a -190 C (FIG.11). Queste temperature sono state sicuramente raggiunte in vari punti all'interno della camera da vuoto durante le fasi di raffreddamento come testimoniato dai rilevamenti di alcuni sensori dei nastri riscaldatori (FIG.12). Cio' puo' spiegare i rilasci di CO2 in corrispondenza anche di piccole variazioni di temperatura della camera (in genere leggeri riscalamenti alla fine di una giornata sperimentale (FIG.13)) o in corrispondenza di scariche di plasma (grande variazione in corrispondenza di una disruzione a 1.1 MA (FIG.14). Si osserva che all'inizio di una giornata sperimentale il livello di CO2 e' basso: ad ogni sparo si ha un rilascio di CO2 e nel corso della giornata la baseline di CO2 leggermente aumenta. In questa fase una parte di CO2 liberato si condensa la' dove le basse temperature lo consentono. Alla fine della giornata, quando le temperature della camera e dei port vengono fatte risalire, il CO2 condensato si libera come visibile dall'aumento del segnale corrispondente sul quadrupolo. Inoltre, il rilascio di CO2 e' possibile anche dal carbonato di Li: la presenza di Li nella camera (dovuto all'inserimento di un limiter di Li dal port 1 verticale inferiore durante le operazioni di plasma dal 2005 ad oggi) puo' portare alla formazione di carbonato di Li (anche a temperatura ambiente e pressione atmosferica; l'umidita' ne e' poi catalizzatore). Va pero' notato che il carbonato di Li si puo' decomporre e rilasciare CO2 solo a temperature molto alte (circa 1000 C).

4) presenza di altre impurezze: dalle misure della riga dell'ossigeno della spettroscopia McPherson durante gli spari di plasma (a 0.1 s) si osserva una brillanza della riga (a 173 Ang., OVI) dell ossigeno (FIG.15) piu' elevata nel periodo C2 2006 e 2007 rispetto ai plasmi "buoni" della C1 2006. Il McPherson e' stato sfortunatamente non disponibile durante la campagna 2008.

5) peggiormento della tenuta del vuoto della macchina del tempo: come visibile dalle misure di decremento c'e' stato un peggioramento dal 2003 (FIG.16) forse in concomitanza del montaggio di qualche diagnostica. Dopo gli ultimi controlli sul vuoto e riparazioni di perdite il decremento e' comunque migliorato nel 2008.

Le raccomandazioni:

azioni immediate:

1) riparazione urgente di tutti i nastri riscaldatori guasti; il malfunzionamento di alcuni nastri impedisce allo stato attuale di effettuare un baking corretto con la camera a circa 100 C ed i port a temperature leggermente superiori (circa 130 C).

2) apertura della macchina con: a) ispezione visiva di tutto l'interno ed in particolare dei port interessati dagli aumenti anomali di temperatura durante l'accensione dei nastri riscaldatori interni malfunzionanti, ovvero: port verticali inferiori 1, 7, 9, 11 (da ispezionare mediante endoscopio); tubicini equatoriali 3, 5, 9, 11 (da ispezionare mediante apertura diretta); b) verifica dell'eventuale presenza di materiali all'interno della camera (per esempio risucchiati in qualche port) che possano provocare contaminazioni durante l'innalzamento della temperatura fino a 280 C.

3) raccolta di campioni di materiali superficiali mediante tampone dall'interno della macchina per analisi della loro composizione chimica.

4) esecuzione di un baking a temperature corrette come step iniziale per una pulizia completa della macchina poi seguito da una prolungata glow discharge (durata.......) ad alta temperatura (..... C).

azioni a breve termine:

1) inserimento di allarmi se le temperature dei nastri interni vanno fuori dal range prestabilito (ad esempio ±5 C).

2) messa in funzione di un sistema di acquisizione automatica e inserimento in archivio compatibile con le misure di macchina gia' acquisite (temperature, pressioni) del decremento e dell'andamento delle masse del quadrupolo nel tempo; il quadrupolo deve diventare un sottosistema di macchina permanentemente attiva (anche fuori dalle campagne sperimentali).

3) acquisizione e inserimento in archivio delle temperature dei nastri esterni (e inserimento di allarmi come al punto 1).

4) riparazione definitiva con tenuta perfetta della finestra di Be della tomografia soft-X orizzontale.

5) collegamento diretto dell'anello immissione gas al quadrupolo, in modo da poter facilmente monitorare il gas da immettere nella macchina.

6) rinnovo di tutte le guarnizioni di viton presenti nella macchina (incluse quelle dei sistemi di riscaldamento addizionale) e rimozione dell'unica guarnizione in neoprene (port 7 basso).

7) istituzione di un archivio in formato eletronico i tutti gli interventi relativi al vuoto macchina (montaggio diagnostiche, sostituzione guarnizioni, sistemi di pompaggio, immissione gas, ecc.).