МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Харківськийнаціональний університет
іменіВ. Н. Каразіна
Фізико-технічний факультет
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
БАКАЛАВРА З ФІЗИКИ
Використання установки ДСМ-2 для моделювання поведінки перших дзеркал у термоядерному реакторі ИТЕР
Харкiв 2010
СОДЕРЖАНИЕ
АННОТАЦИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Медные зеркала
1.2 Зеркала из нержавеющей стали
1.3 Аморфные зеркала
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Общие сведения и цельисследований
2.2 Экспериментальная установка
2.3 Результаты экспериментов сзеркалами из аморфных сплавов
2.4 Методика и проведениеэксперимента
2.4.1 Рабочий цикл. Данныеэксперимента для образцов из меди и нержавеющей стали
2.4.2 Данные эксперимента дляаморфных образцов
ВЫВОД
ЛИТЕРАТУРА
АННОТАЦИЯ
дейтериевый плазма аморфный гидридообразующий
В работе приведены результаты исследований деградациикоэффициента отражения для металлических зеркал и зеркал из аморфных сплавовпод действием распыления ионами дейтерия с энергиями 0.1 – 1.5 КэВ.
Приведены особенности влияния бомбардировки ионамидейтериевой плазмы на зеркала из аморфных сплавов. Установлены причиныпоглощения дейтерия зеркалами из аморфных сплавов.
Экспериментально проверена гипотеза о зависимости поглощениидейтерия от наличия или отсутствия гидридообразующих компонент.
Сделаны выводы о факторах, влияющих на поглощение дейтерия.
Вступление
Управляемый термоядерный синтез (УТС) на основе изотоповводорода – практически неисчерпаемый источник энергии. На Солнце уже миллиардылет происходит неуправляемый термоядерный синтез – из тяжелого изотопа водородадейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии.
Впервые, задача по УТС была предложена в Советском Союзе.Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. В СоветскомСоюзе была предложена магнитная ловушка ТОКАМАК (сокращённое названиеТОроидальной КАмеры с МАгнитными Катушками). В ноябре 1985 года было приняторешение о проектировании Международного термоядерного реактора на основе такоймагнитной конфигурации (ИНТОР). Этот проект впоследствии был сильно пересмотрен(ИТЭР), и в нестоящее время его реализация ведется в кооперации 34 стран.
Задача ИТЭР заключается в демонстрации принципиальной возможностидлительного поддержания режима горения дейтериевой смеси и решение физических итехнологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Следующимшагом должно стать создание реактора ДЕМО, цель сооружения которого –демонстрация возможности коммерческого использования термоядерного реактора.
Одной из важнейших задач является проблема оптическойдиагностики плазмы термоядерного реактора. Оптическая диагностика позволяетбесконтактными методами исследовать состояние плазмы в реакторе, а значитполучать объективную информацию о температуре, плотности и элементном составеплазмы. В будущем термоядерном реакторе (в частности в ИТЭРе) внутренняя часть системыоптической диагностики будет состоять из перископической системы зеркал [1],которая позволит выводить излучение плазмы из реактора наружу, длянепосредственного измерения и анализа его характеристик и получения информациио параметрах плазмы. При этом, возникает проблема первых зеркал (ПЗ) – зеркал,которые будут размещены в реакторе в прямой видимости плазмы. Эти зеркалаокажутся примерно в тех же условиях, что и первая стенка вакуумной камеры: онибудут принимать на себя поток всех видов излучения плазмы – корпускулярного,электромагнитного и нейтронного. Задача ПЗ состоит в том, чтобы передатьэлектромагнитное излучение в анализирующую часть системы диагностики.
Под воздействием электромагнитного излучения, зеркала будутподвергаться только тепловой деформации, что может сказаться на их отражающейспособности, и во избежание этого достаточно включить ПЗ в системупринудительного охлаждения.
Нейтронное излучение плазмы также может оказать воздействиена отражательную поверхность зеркал. При достаточно большом флюенсе нейтроновбудут возникать структурные изменения материала зеркала.
Был проведен ряд исследований по имитации влияния нейтронногоизлучения на отражательную поверхность металлических зеркал. При облучениистального зеркала ионами Cr,медного – ионами Cu c энергией 1и 3 МэВ и бериллиевого –ионами Ne с энергией до 100 кэВ [2], былопоказано, что коэффициент отражения не меняется.
Наиболее опасным для зеркал, помещенных в прямой видимостиплазмы, является бомбардировка нейтральными частицами («атомамиперезарядки»)[3]. Атомы перезарядки имеют широкий энергетический спектр(10 ¸ 103 эВ), что более чем напорядок превышает энергию связи атомов любого материала, поэтому будетпроисходить распыление поверхности первого зеркала. Средний поток атомовперезарядки на стенки вакуумной камеры ожидается порядка 2∙1015ат/см2, в то время как полная доза атомовперезарядки, из расчета на единицу площади, составит
Dап~ (1021 – 1022) ат /см2.(1.1)
На основе данных о потоках атомов перезарядки на стенку ирезультатов расчетов[4], был сделан вывод о возможности имитации потоканейтральных частиц на поверхность ПЗ с помощью потока ионов водорода илидейтерия, имеющих широкий энергетический спектр, качественно подобный спектруатомов перезарядки.
В данной работе приведены результаты исследования деградациикоэффициента отражения (за счет развития микрорельефа) для металлических зеркалпри бомбардировке ионами различных газов, выполненных на установке ДСМ-2.
1. Аналитический обзор
Главным критерием, по которому можно сравнивать зеркала, являетсякоэффициент отражения. Деградациякоэффициента отражения зависит от толщины распыленного слоя. В свою очередь,толщина распыленного слоя зависит от энергии бомбардирующих частиц,длительности экспозиции, рода материала и др. Были проведены эксперименты, вкоторых зеркала из разных металлов подвергали ионной бомбардировке. Результатыданных экспериментов для зеркал из меди (Cu) и нержавеющей стали (SS) представлены ниже.
1.1 Медные зеркала
Поликристаллические медные зеркала [7], обработанные алмазнымточением, и имеющие среднюю шероховатость поверхности не больше 20 нм, былипомещены на специальном держателе в камеру. Измерение коэффициента отражения (R) производилось пошагово, примногократных экспозициях; средняя толщина распыленного слоя (h) определялась по потере массы прикаждой экспозиции в плазме. В описываемых экспериментах использовали три идентичныхмедных зеркала.
/>
Одно из них было подвержено распылению ионами с широкимспектром энергий (0.1 – 1.5 кэВ). Другое бомбардировалось ионами с энергией 1.5кэВ, и третье, с энергией 0.65 кэВ (средняя энергия). График зависимостикоэффициента отражения от средней толщины распыленного слоя показан на рис. 2.1.Как видно, имеет место деградация отражательной способности – за счетнарастания шероховатости поверхности. Из графика видно, что зеркало,бомбардируемое ионами с энергией 1.5 кэВ, потеряло около 40% отражательнойспособности при распыленном слое 1.5 мкм. При той же средней толщинераспыленного слоя, зеркало, бомбардируемое ионами с широким спектром энергий(0.1 – 1.5 кэВ), потеряло немногим больше 25%. Наиболее хорошие результатыпоказало зеркало, которое бомбардировали ионами с энергией 0.65 кэВ: потеря коэффициентаотражения составила 15%. Соответственно, шероховатость для зеркала,бомбардированного ионами 1.5 кэВ, оказалась существенно выше, чем для двухдругих образцов. Из графиков видно, что имеет место небольшое увеличениекоэффициента отражения после начальных экспозиций. Данный эффект связан сраспылением оксидной пленки с поверхности зеркала, которая возникает придлительном хранении образца на воздухе. Рис. 2.1 показывает, что знание спектраэнергий ионов также важно, если мы хотим правильно предсказать влияние атомовперезарядки на первые зеркала. Такой сильный эффект влияния энергии ионов наотражательную способность, по-видимому, объясняется тем, что скоростьраспыления зерен с разной ориентацией увеличивается с ростом энергии ионов.
1.2 Зеркала из нержавеющей стали (SS)
Зависимость R(h) от энергии бомбардирующих ионов былаисследована также для однотипных поликристаллических (ПК) SS [8]– зеркал (рис.2.2).Зеркала распылялись при различных напряжениях: -300 В, -650 В, -1500 В и сшироким распределением ионов по энергиям (W.S.).
Для сравнения, на графике [9]помещены зависимости, полученныедля медных зеркал. Видно, что качественно коэффициент отражения для SS ведет себя так же, как и для Cu – с ростом энергии ионов,уменьшается.
При фотографировании [10] поверхности меди сканирующимэлектронным микроскопом (SEM),было замечено, что шероховатость поверхности медного зеркала увеличиваетсябыстрее, причем с нарастанием энергии ионов увеличивается и эта скорость. Посравнению с Cu, результаты бомбардировкиповерхности SS образцов существенно отличаются. Прирассмотрении фотографий, заметно, что независимо от энергии ионов сохраняетсямозаика гладких плато без признаков хаотического микрорельефа даже при толщинераспыленного слоя 4.5 мкм. Но с увеличением энергии ионов увеличиваетсяразность между глубинами плато, что приводит к снижению отражательнойспособности.
/>
Основываясь на вышеописанных результатах, можно сказать, чтодля любых ПК зеркал скорость деградации коэффициента отражения будет возрастатьс ростом энергии бомбардирующих ионов. Важную роль будет играть средняя энергияатомов перезарядки. По расчетам, эта энергия будет составлять 300 – 400 эВ. Втаких условиях отражательная способность зеркал не может сохраняться наприемлемом уровне в течение всего срока эксплуатации реактора, если их изготавливатьиз ПК материалов
1.3 Аморфные зеркала
В моделирующих экспериментах было проведено сравнение приионной бомбардировке зеркал из поликристаллических, монокристаллических иаморфных материалов. Из результатов следует, что поверхность зеркал из аморфныхматериалов сохраняет гладкую структуру при длительной бомбардировке.
Эксперименты проводились с тремя типами зеркал [11] изготовленнымив разных местах:
1) LiquidmetalTechnology Corporation (LTC) в США
2) Институт физикитвердого тела, материалов и технологий ННЦ ХФТИ (ISSPMT)
3) Hahn-Meitner-Institute(HMI) в Германии.
Зеркала прошли механическую полировку и плазменную очистку.Эксперимент проводился при следующих параметрах: ne≈1010 см-3и Te ≤5 эВ. После бомбардировки былиобнаружены неоднородности, видимые в сканирующем электронном микроскопе и в оптическоммикроскопе. Эти неоднородности составляли всего лишь 1-2 % от поверхностиобразца и не сильно влияли на оптические свойства. SEM фотографии неоднородностей показаны на рис. 2.3, аданные микрозондового анализа показывают превалирование элементов с меньшиматомным числом, по сравнению с основной матрицей образца. Анализ другихобразцов также выявил образование неоднородностей.
/>
Бомбардировка образцов проводилась ионами дейтерия и аргона.Было замечено, что все аморфные материалы поглощают большое количество дейтерия.Бомбардировка зеркал ионами дейтерия с энергиями порядка keV, привела к резкому падениюотражательной способности, а также росту глубины неоднородностей.
/>
На рис. 2.4 представлена зависимость отражательнойспособности от времени экспозиции ионами дейтериевой плазмы [12]. Видно, чтопосле короткой экспозиции широким спектром энергий отражательная способностьрезко падает. Однако, после длительной бомбардировки образцов ионами с низкойэнергией отражательная способность восстанавливается до первоначального уровня.Последующая бомбардировка высокоэнергетичными ионами снова вновь ухудшаетотражательную способность, а низкими — восстанавливает. Похожее явление былозамечено и на ISSPMT зеркалах. Повторяемость такогоповедения отражательной способности означает, что падение отражательнойспособности вызвано не образованием шероховатости поверхности, а из-за каких-тохимических реакций.
Заключая это короткое описание экспериментов с аморфнымизеркалами, следует отметить, что исследованные аморфные зеркала содержатгидридообразующие металлы, и поэтому поглощают большое количество дейтерия вовремя бомбардировки ионами дейтериевой плазмы.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Общие сведения и цельисследований
Основная задача исследований –изучение изменения отражательной способности первых зеркал, при распылении ихповерхностями ионами с широким спектром энергий (0,1-1,5) кэВ.
В ходе исследований, также,определялась скорость распыления поверхности. Данная характеристика зеркалалегко определяется с помощью формулы 3.1:
/>,(3.1)
где r и S – площадь образцазеркала и плотность его материала.
При фиксированной плотностиионного тока j (А/см2) поток ионов наобразец будет величиной постоянной, следовательно полученная доза Di:
Di= Ni×t, (3.2)
где Ni–поток ионов на ед. площади, t – время экспозиции.
Таким образом, знаязависимость m(t), мы можем определитьсоответствие распыленной толщины h и полученной дозы Di.
Ещё одна характеристика, важнаядля поведения зеркала, является коэффициент распыления (КР) зеркал,определяемый, как отношение числа распыленных атомов к полученной дозе:
/> (3.3)
2.2 Экспериментальнаяустановка
Впервые, эксперименты по исследованию влияния атомовперезарядки на отражательную способность зеркал, были проведены в ИФП ХФТИ наустановке ДСМ-2 [13].
/>
/>
В ДСМ-2 используется простая схема, обеспечивающаябомбардировку образцов зеркал ионами с фиксированным или широким спектром поэнергиям.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 3.1, а нарис 3.2 показана схема подачи напряжения на образец.
/>
Рис. 3.2 схема подачи напряжения наобразец
Установка представляет собой цилиндрическую камеру,изготовленную из нержавеющей стали, длиной 0,5 м и диаметром в центральной части 0,5 м. На торцах камеры расположены водоохлаждаемые магнитныекатушки. Они включены последовательно так, что образуют зеркальную ловушку(пробкотрон) с магнитной индукцией 0,5 кГс в центре камеры и 2,25 кГс в областипробок.
Камера используется, как многомодовый резонатор для СВЧ — мощности, которая вводится в камеру через тефлоновое окно, посредствомпрямоугольного волновода от СВЧ–генератора типа «Хазар», (на основе магнетронаМ-571, с частотой 2,375 ГГц). Мощность генератора может плавно меняться вдиапазоне (200¸2500) Вт.Источником ионов в эксперименте служит плазма СВЧ разряда в условияхэлектронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), на указанной частоте при вводимой СВЧ- мощности 200 — 400 Вт. Плотность плазмы составляет ne~ 1010 см -3,при электронной температуре Тe » 5 эВ. В этих условиях температура ионов соответствует газупри комнатной температуре. Таким образом, установка, практически, представляетсобой плазменный источник «холодных» ионов.
Откачка рабочей камеры на высокий вакуум осуществляетсятурбомолекулярным насосом ТМН-500 и магниторазрядным насосом НОРД-250,включенными параллельно. Вакуум в рабочей камере перед напуском рабочего газа достигает2×10-6 торр, в то время какдавление рабочего газа во время экспозиции составляет (7¸8)×10-5 Торр. Непосредственно перед напуском водорода(дейтерия) НОРД отключается, вакуум снижается до (4¸5)×10-6 Торр, и поэтому примеси на момент началаэкспозиции составляют около 5¸6%. Давление в камере измерялось по ионизационной лампеПМИ-2.
Измерение состава остаточных газов проводится с помощьюомегатронного анализатора ИПДО-2, при давлении в рабочей камере не хуже 10-7Торр.
/>
Эксперименты проводились при давлении 2·10-5¸10-3 Торр. На рис.3.3представлена зависимость плотности плазмы ne и электроннойтемпературы Te от давления в камере. Как видно из графика,температура электронов монотонно убывает с увеличением давления. Плотностьэлектронов максимальна при давлении (7¸8)·10-5 Торр, что является оптимальным режимом подавлению.
/>
На рис.3.4 представлено радиальное распределение электроннойтемпературы и плотности плазмы в области «пробки». Как видно,неоднородность плазмы не превышала ±10% в области ~10 см, это значит, что потокплазмы на тестируемый образец был однороден.
Специфика установки ДСМ-2 позволяет подавать на образецотрицательное напряжение двух типов: постоянное (0,1-1,5 кВ) и пульсирующее,представляющее собой суперпозицию постоянного отрицательного смещения иположительной полуволны от двухполупериодного выпрямителя. Обработка образцов(зеркал) ведется в плазменном потоке, вытекающем из магнитной ловушки вдольсиловых линий, ионами, ускоренными отрицательным потенциалом, приложенным кобразцу.
На рис.3.5 представлена временная развертка напряжения иионного тока на тестируемое зеркало. Видно, что напряжение и ток быстроменяются в области высоких значений и медленно в области низких. Такоераспределение позволяет создать поток ионов с широким спектром энергий.
/>
/>
Временная зависимость ускоряющего напряжения и функцияраспределения ионов />по энергиям представлена на рис.3.6.Данная зависимость была получены путем графического дифференцирования временнóйразвертки тока по напряжению. Светлыми точками на графике показана поправка,связанная с вторичной электронной эмиссией.
2.3 Результаты экспериментов с зеркалами из аморфных сплавов
Ранее, на установке ДСМ-2, были проведены работы поисследованию зеркал из аморфных сплавов, а также установлены некоторые факторы,влияющие на поглощение аморфными зеркалами водорода (дейтерия).
Были изучены эффекты при бомбардировке ионами дейтериевойплазмы аморфных зеркал (АЗ) и эакристаллизованных зеркал (КрЗ), изготовленныхиз сплава Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5.
/>
На рис. 3.7 показаны результаты измерений рентгеновскогодифрактометра. Видно, что зависимость относительной интенсивности отражениягамма-лучей от угла в аморфном зеркале, характеризуется «горбом»,типичным для аморфной структуры. Вакуумный отжиг образца значительно изменяетрезультаты дифракции: вместо распространяющегося максимума на отожженномобразце острые появляются пики, которые являются специфическими длякристаллизованной структуры.
При проведении эксперимента с аморфными и кристаллизованнымиобразцами, в одинаковых условиях, было замечено, что их поведение сильноотличается. Бомбардировка ионами аргона привела к развитию шероховатости исоответствующему уменьшению коэффициента отражения для кристаллизованныхобразцов, но никак не отразилась на микрорельефе или на оптических свойствахаморфных образцов.
Бомбардировка кристаллизованных зеркал ионами дейтерияпривела к появлению трещин на поверхности образца (рис3.8).
/>
/>
На рис.3.9 показан спектральныйкоэффициент отражения кристаллизованного образца. После бомбардировки ионами Ar с энергией 1 кэВ, отражательнаяспособность резко падает. Бомбардировка ионами дейтерия с энергией 1 кэВ,вызвало добавочное падение коэффициента отражения, наиболее вероятно из-за химическихпроцессов на поверхности. Кроме того, это дополнительное снижение былофактически полностью восстановлено длительной бомбардировкой ионами дейтериевойплазмы с энергией 60 эВ. Невозможность вернуть коэффициент отражения на начальныйуровень доказывает, что причина этого — поверхностная неровность, развитаяиз-за бомбардировки ионами Ar.
В табл. 1 приведены условия ирезультаты последовательных экспозиций ионами дейтериевой плазмы (энергия ионов60 эВ, плотность ионного потока j=2.09мA/см2) для двух образцов(АЗ – АМА-3; КрЗ – АМК-3) с одинаковым элементным составом.
Табл.1 Условия и результаты последовательныхэкспозиций ионами дейтериевой плазмы Номер экспозиции Полное время экспозиции, мин
Доза ионов
1024 ион/м2 Увеличение веса, мкг АМА-3 АМК-3 1 60 0.47 30 40 2 360 2.82 620 -20 (трещины на краях) 3 660 5.17 920 640 4 960 7.52 820 Разрушение образца (рис. 3.9) 5 1160 9.09 325 - 6 1460 11.45 825 - 7 1760 13.80 870 -
/>
На рис. 3.10 показана фотография,свидетельствующая о том, что кристаллизованный образец разрушился, в то времякак на поверхности аморфного образца не обнаружили никаких видимых изменений.Дальнейшая бомбардировка аморфного зеркала до потока 13.8·1024 ион\см2не привела ни к каким видимым изменениям.
/>
Зависимость общего привеса от полногофлюенса ионов дейтериевой плазмы для двух аморфных зеркал можно увидеть нарис.3.11. Видно, что оба образца ведут себя одинаково, и вес растетпропорционально полному ионному флюенсу.
Из данных результатов видно, что аморфные сплавы, содержащиегидридообразующие элементы, поглощают дейтерий, хоть и в разной степени.
Целью дальнейших экспериментов, в которых я принималнепосредственное участие, стала проверка поглощения аморфными сплавами дейтерия,при отсутствии в нем гидридообразующих компонент.
2.4 Методика и проведение эксперимента
2.4.1 Рабочий цикл. Данные эксперимента для образцов из медии нержавеющей стали
Перед экспериментом производится установка образца вдержатель. Держатель с образцом помещается в шлюзовую камеру, котораяоткачивается форвакуумным насосом до давления 3-4 мВ по шкале вакуумметра ВИТ-1.Параллельно со шлюзовой камерой откачивается камера магнитной ловушки додавления ~ 10-5торр. После предварительной откачки шток с образцом вводится в камеру черезскользящее уплотнение, так, что образец оказывается в потоке плазмы, вытекающемиз магнитной ловушки вдоль силовых линий. Производится откачка камеры навысокий вакуум – (2-3)´10-6 торр, одновременно с откачкой в камере зажигаетсяСВЧ-разряд, с целью обезгаживания стенок камеры. Контроль и измерения вакуумаведутся с помощью вакуумметра ВИТ-1. По достижении необходимого вакуума, вкамеру из баллона напускается дейтерий. Напуск производится при помощипьезонатекателя до рабочего давления (7-8) ´ 10-6 торр.
Затем в камере зажигается СВЧ ЭЦР разряд. Экспозиция проводиласьс двумя разными энергиями потока ионов: низкая энергия (ускоряющее напряжение –60 эВ) и высокая энергия (1 кэВ). Измерение напряжения и тока на образецпроизводится с помощью вольтметра и миллиамперметра. После экспозиции образецизвлекается из вакуумной камеры и взвешивается. Измерения массы производятся наравноплечих весах ВЛР-2 с точностью до 20 мкг. Из нескольких измеренийвычисляется среднее значение Δm.
Перед основным экспериментом с аморфными зеркалами,производился вывод установки на рабочий режим. Проверка рабочих параметров осуществляласьпосредством стандартной совместной тестовой экспозиции двух зеркал – медь инержавеющая сталь.
Перед экспозицией были измерены начальные массы m0: m0(Cu) = 8,507205г, m0(SS) = 6.481005г. Бомбардировка проводилась при плотности тока наобразец j=6.3∙1015мА/см2иускоряющем напряжении 1 кэВ в течение 30 минут. После экспозиции зеркалаповторно взвешивались и вычислялась Δm.
Δm(Сu) = 845∙10-6 г, Δm(SS) = 270∙10-6 г.
По измеренному току и времениэкспозиции вычисляется флюенс ионов, полученный образцом, в пересчете на ед.площади:
Di = Ni´t = j (А/см2)´6,25´1018 (e/сек.)´t (сек) (3.4)
В нашем случае поток ионов на поверхность образца равнялся
Ni = 0.26∙1018 (ион/см2с).
Таким образом флюенс ионовдейтерия на образец
Di= 3.12∙1020 (ион/ см2 с)
Количество распыленных втечение экспозиции атомов с ед. поверхности
/> (ат./см2) (3.5)
где Dm – потеря массы, mат – масса атома данного элемента.
Для медного зеркала инержавеющего зеркала:
/>(Сu) = 0.15∙1021 (ат/см2),
/>(SS) = 0.34∙1020 (ат/см2) (3.5а)
Коэффициент распылениявычислялся как отношение количества вылетевших частиц /> к количеству упавших:
/> (3.6)
Для меди Y(Cu) = 0.4, для нержавеющей стали Y(SS) = 0.1.
Данные величины соответствуют типичным КР для меди инержавейки в условиях достаточных для проведения стандартного эксперимента.
Результаты экспериментов представлены в табл. 2.
Табл.2 Результаты экспериментовдля Cu и SSCu SS
Di = 3.12∙1020(ион/см2с)
Di = 3.12∙1020(ион/см2с)
Δm = 845∙10-6 г
Δm = 270∙10-6 г Y = 0.4 Y = 0.1
2.4.2 Данные эксперимента для аморфных образцов
Как было выше сказано, при бомбардировке ионами дейтериевойплазмы, наблюдалось поглощение дейтерия зеркалами из аморфных сплавов.
В эксперименте использовались зеркала с одинаковым элементнымсоставом, но разной микроструктурой. Возник вопрос: в чем причина поглощениядейтерия зеркалами – в микроструктуре или элементном составе?
В ходе эксперимента было замечено, что АЗ поглощает дейтерийв больших количествах, чем КрЗ. Причём, в отличие от последнего, (после экспозиции№4 [табл.1], КрЗ рассыпалось), на АЗ не наблюдалось каких-либо заметных измененийоптических свойств. Причина данного явления, видимо, в том, что в КрЗпроисходит накопление дейтерия в межзёренном пространстве, а в АЗ происходитдиффузия и равномерное накопление дейтерия во всем объеме. Вторая, возможная,причина поглощения дейтерия АЗ и КрЗ – наличие в зеркалах гидридообразующихкомпонент, таких как Ti и Zr.
Для проверки данной гипотезы были проведены эксперименты саморфной фольгой, которая не содержит гидридообразующих компонент.
Конкретной целью работы порученной мне, являлось исследованиепоглощения дейтерия зеркалами из аморфных сплавов в зависимости от наличия илиотсутствия гидридообразующих компонент.
Были сделаны экспозиции с низкой и высокой энергиями.
Низкая энергия:
Плотность тока на образец j=5.03∙1015 мА/см2, ускоряющеенапряжение -60 эВ. Время экспозиции составило 60 минут. До и после экспозиции,образцы были взвешены и по полученным данным вычислена Δm= 55∙10-6 г.
Поток ионов на поверхность образца составил
Ni= 0.41∙1018(ион/ см2с)
По формуле (3.4) был вычислена флюенс ионов
Di = 1,49∙1020(ион/ см2с) (3.4б)
Количество распыленных втечение экспозиции атомов с ед. поверхности
/> = 1.6∙1018(ат/см2) (3.5б)
По полученным данным был вычислен коэффициент распыления
Y = 0.01
Высокая энергия:
А) U = -1500В
Плотность тока на образец j=8.04∙1015 мА/см2, ускоряющеенапряжение -1 КэВ. Время экспозиции составило 30 минут. До и после экспозиции,образцы были взвешены и по полученным данным вычислена Δm= 480∙10-6 г.
Поток ионов на поверхность образца составил
Ni= 0.47∙1018(ион/ см2с)
По формуле (3.4) была вычислена доза ионов
Di = 1∙1021(ион/ см2с) (3.4б)
Количество распыленных втечение экспозиции атомов с ед. поверхности
/> = 0.8∙1019(ат/см2) (3.5б)
По полученным данным был вычислен коэффициент распыления
Y = 0.04
Б) = -650В
Плотность тока на образец j=8.04∙1015 мА/см2, ускоряющеенапряжение = -650 В.Время экспозиции составило 30 минут. До и после экспозиции, образцы быливзвешены и по полученным данным вычислена Δm= 375∙10-6 г.
Поток ионов на поверхность образца составил
Ni= 0.47∙1018(ион/ см2с)
По формуле (3.4) был вычислена флюенс ионов
Di = 0.8∙1021(ион/ см2с) (3.4в)
Количество распыленных втечение экспозиции атомов с ед. поверхности
/> = 0.64∙1019(ат/см2) (3.5в)
По полученным данным был вычислен коэффициент распыления
Y = 0.032
При бомбардировке аморфных зеркал, не содержащихгидридообразующих компонент, не наблюдалось прибавки веса, следовательно,дейтерий не поглощался.
Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
Табл.3 Результаты экспериментовдля аморфной фольгиU = -60 В U = -1500 В = -650В
Di= 1,49∙1020 (ион/см2с)
Di= 1∙1021 (ион/см2 с)
Di= 0.8∙1021 (ион/см2 с)
Δm= 55∙10-6 г
Δm= 480∙10-6 г
Δm= 375∙10-6 г Y = 0.01 Y = 0.04 Y = 0.032
Вывод
Результаты показали, что аморфная фольга, не содержащаягидридообразующие металлы, не поглощает дейтерий при экспонировании к потокуионов дейтериевой плазмы, в отличие от зеркал из сплава Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5. Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод:определяющим фактором поглощения дейтерия аморфными и закристаллизованнымизеркалами, является наличие гидридообразующих компонент в элементном составезеркал (цирконий и титан). Вторичным фактором, влияющим на поглощение дейтерия,является микроструктура образца, то есть, образцы с аморфной структурой имеютсущественно более высокую поглощающую способность по сравнению с образцами изтого же материала, но имеющими нано-кристаллическую структуру.
ЛИТЕРАТУРА
1. NuclearFusion 49 (2009)/ Progress in research and development of mirrors for ITERdiagnostics.
2. V.S.Voitsenya et. al./ Simulation of radiation effects on reflectors using heavyion beams/ Journal of Nuclear Materials1994. №212-215. P. 443
3. H.Verbeek, J. Stober, D.P. Coster, W. Eckstein, R. Schneider/ interaction ofcharge exchange neutrals with the main chamber walls of plasma machines.
4. V.S.Voitsenya et.al./ Imitation of fusion reactor environment effects on opticalproperties of metallic mirrors/ 7th Int. Conf. on Fusion Reactormaterials, Obninsk, Russia, September 1995.
5. V.S.Voitsenya et.al./ Overview metal mirrors prospects in Fusion Reactors/ PlasmaPhysics Reports Vol. 20 № 2 (1994).
6. V.S.Voitsenya et. al./ On the choice of material for the first mirrors of fusionreactor plasma diagnostics/ Plasma Devices and Operations, 1999, Vol. 7, pp.243-254.
7. V.S.Voitsenya et. al./ Ion energy distribution effects on degradation of opticalproperties of ion-bombardment copper mirrors/ Surface and Coating Technology103 – 104 (1998) 365 – 369.
8. V.S.Voitsenya et.a./ Erosion of steel under bombardment with ions of a deuteriumplasma/ Vacuum 58 (2000) 10 – 15.
9. V.S.Voitsenya et. al./ Erosion of steel under bombardment with ions of a deuteriumplasma/ Vacuum 58 (2000) 10-15.
10. V.S.Voitsenya et. al./ On the choice of material for the first mirrors of fusion reactorplasma diagnostics/ Journal of Nuclear Materials 258-263 (1998) 1919-1923.
11. V.S.Voitsenya et.al. Behavior of amorphous metal alloy mirrors under ionbombardment.
12. V.S.Voitsenya et. al./ Modification of optical characteristics of metallic amorphousmirrors under ion bombardment/ Plasma devices and operations Vol. 17, No. 2,June 2009, 144-154
13. В.С. Войценя,В.Г. Коновалов и др./ Очистка поверхности медных зеркал в водородной плазме/Доклад на конференции " Физика и техника плазмы" Минск 13-15 сентября1994.