Эрозия углеродсодержащих материалов под действием ионного облучения и высоких температур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

¡*7.-2 91

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО - ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЭРОЗИЯ УГЛЕРОДОСОДЕШЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ И ВЫСШИХ ТЕМПЕРАТУР

01.04.08 - физика и химия плазмы 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

НИКОЛЬСКИЙ Михаил Вадимович

Москва - 1991

- г -

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте.

Научный руководитель - доктор физико-матеттических наук,

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Мирнов С.В. кандидат физико-математических наук Цыплаков В.Н.

Ведущая организация - Институт атомной энергии им. П.В.Курчатова

на заседании специализированного совета К-053.03.08 в Московском инженерно-физическом институте по адресу: П5409, г.Москва, Каширское шоссе, д.31. Телефон: 324-84-98.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке й'ФИ.

Просим принять участке в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

профессор Тельковский В.Г.

Защита состоится

_1992 г. в час. О^мин.

Автореферат диссертации

Ученый секретарь специализированного совета к.ф.-м,к. -

С.Т.Корнилов

л':!-»..... -

! .... " Ч ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Взаимодействие плазмы со стенкой -одна из наиболее важных проблем при создании установок управляемого термоядерного синтеза. Разрушение под действием плазменного облучения поверхности лимитеров, диверторов, экранов, элементов вакуумной камеры термоядерных установок приводит к уменьшении срока их службы, вызывает загрязнение плазмы продуктам/ распыления твердого тела. Это ухудшает условия удержания плазмы и повышает ее радиационные потери. Без понимания физических закономерностей процесса взаимодействия плазмы с элементами первой стенки невозможны их успешная эксплуатация в термоядерных установках(ТЯУ) и получение термоядерных параметров плазмы.

Наиболее существенный вклад в процесс поступления примесей в замагниченную горячую плазму установок типа "Токамак" вносит распыление лимитеров и пластин дивертора ионами плазмы. С целью уменьшения радиационных потерь плазмы изготовление такого рода узлов термоядерного реактора (ТЯР) целесообразно осуществлять из термостойких материалов с небольшими значениями атомного номера и коэффициента распыления легкими ионами. К ним относятся различные углеродосодержащие материалы. Температура поверхности знергонапрдаенных элементов вакуумной камеры узе в реакторах первого поколения будет достигать величины 1200°С и выше. В связи с вышесказанным особую важность приобретают знания эрозионных характеристик углеродосодержащих материалов, перспективных для использования в ТЯР, под действием ионного облучения в условиях высоких температур.

Изучение процессов высокотемпературного распыления представляет большой интерес и с чисто научной точки зрения. Увеличение

-А-

температуры в условиях ионного облучения может приводить к так называемым синергическим эффектам, заключающимся в том, что эффект от воздействия на материал двух и более факторов носит неаддитивный характер. Для угдеродосодержащих материалов примерами проявления синергического эффекта при повышенных температур являются химическое распыление ионами водорода /I/ и аномально высокий рост коэффициента распыления при Т> 1000 К /2/. Выяснение механизмов такого рода явлений важно для понимания физических принципов взаимодействия атомных частиц с поверхностью твердого тела.

Несмотря на научную и практическую значимость, проблема изучена недостаточно. Нет ясности в представлениях о физике процесса высокотемпературной ионно-стимулированной эрозии графита. Сведения о характере и механизмах высокотемпературного распыления многокомпонентных и многофазных углеродеодеркащих материалов носят фрагментарный характер либо совсем отсутствуют.

Целью работы было экспериментальное исследование процессов эрозии поверхности углеродсодержадих материалов при ионном облучении в условиях высоких температур. В задачу диссертационной работы входило изучение закономерностей высокотемпературного распыления графита, карбидов тугоплавких металлов, композитов на основе углерод-углеродной связки легкими ионами, а также исследования возможности подавления аномально высокой эрозии графита при высоких температурах.

Научная новизна работы I. Установлено, что в широком диапазоне температур скорость высокотемпературной эрозии графита под действием лонного облучения определяется ионно-стимулированной десорбцией (ИСД) с

поверхности слабосвязанных углеродных атомов. Измерены сечения десорбция ионами I/ и Не средних энергий и температурный интервал действия ИСД в качестве механизма, определяющего скорость эрозии графита.

2. Проведены исследования характеристик высокотемпературной ионно-стимулированной эрозии графита при различных дозах облучения. Показано, что их изменение связано с развитием микрорельефа поверхности.

3. Изучено влияние кислорода остаточного газа на эрозионные характеристики карбидов тугоплавких металлов при ионной бомбардировке и высоких температурах. Обнаружена стимулирующая роль ионного облучения в процессе образования оксикарбидной фазы. Показано, что разложение оксикарбида, сопровоздающееся выделением окиси углерода и, в случае ТиС , испарением титана, межет быть источником судестзенного загрязнения плазмы ТЯУ примесями.

Л. Исследованы закономерности распыления новых композитных углеродных материалов легкими ионами при высоких температурах. Показана принципиальная возможность подавления аномально высокой ионно-сгимулироваиной высокотемпературной эрозии углеграфитовых материалов их объемной пропиткой тугоплавкими металлами, в частности, титаном.

Практическая ценность работы определяется важностьп полученных результатов для оптимизации условий эксплуатации углерод-содержащих материалов в установках термоядерного синтеза и создания новых графитовых материалов для ТЯР.

Совместно с ШИ "Графит" на основе полученных в диссертационной работе результатов создан графитовый материал (КУП ВМ +Т1) с малым коэффициентом высокотемпературного распыления, используемый в настоящее время в качестве экранных пластин в Токамаке

с сильным полем (ТСП) Филиала Института атомной энергии им.И.В.Курчатова.

На зациту выносится

1. Закономерности процесса высокотемпературного распыления графита легкими ионами. Определение механизмов эмиссии с поверхности графита слабосвязанных атомов углерода. Изменение характеристик высокотемпературного распыления графита с увеличением дозы ионного облучения.

2. Закономерности высокотемпературной эрозии карбидов тугоплавких металлов под действием облучения ионами и плазмой. Механизм повышенной эрозии карбидов "пс и тс при ионной бомбардировке и высоких температурах в присутствии кислорода остаточного газа, заключающийся в образовании и разложении оксикарбидной фазы. Роль ионного облучения в процессе формирования оксккарбида на поверхности карбидов. Определение состава эмитированных частиц при разложении оксинарбидов ниобия и титана в условиях облучения ионами плазмы.

3. Создание углеродосодержацнх материалов с низким значением коэффициента высокотемпературного распыления ионами и плазмой.

4. Принципы подавления высокотемпературной ионно-стимулирован-ной эрозии графита.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Ш Всес.конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (Ленинград, 1284), П Всес.семинаре "Взаимодействие ионных пучков с атомами и поверхностью твердого тела" (Новгород, 1986), I Всес.совезании^-семинаре "Ускорители заряженных частиц и радиационная физика" (Ш5И, 1987), заседаниях рабочей группы по

взаимодействию плазмы с поверхностью материалов для ТЯР (Москва, 1985,1937), Советско-американском совещании по С1Т (Ленинград, 1988), Всес.конференции "Вторично-ионная и ионно--фоитонная эмиссия" (Харьков, 1988), П Всес.совещании "Физико--химия взаимодействия ионного и фотонного излучения с поверхностью твердых тел" (Звенигород, 1988), IX и X Всес.конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым толом" (Москва,1991, 1989)т 1У Международной конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза (Дубна, 1990), Всес.конференции "Радиационное воздействие на материалы ТЯР" (Ленинград, 1990), заседании международной группы по управлению примесями в ИТЭРе (Гархинг, ФРГ, 1989).

Публикации По теме диссертация опубликовано 9 печатных работ.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Полный объем 143 стр., в том числе 104 стр. текста, 58 рис., 5 табл., список литературы содержит 81 работу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность темы, цель, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.

В пеовой главе диссертации проведен литературный обзор имеющихся работ по теме диссертации и определены ее задачи.

Втооая глава посвяцена описанию экспериментального оборудования и методик экспериментов. Основная часть работы про-

водилась на установке "Сильноточный ионный монохроматор", предназначенный для моделирования процессов взаимодействия плазмы с конструкционными материалами ТЯР и состоящей из источника ионов типа дуоплазматрон, масс-сепаратора первичных ионов, вакуумной системы и экспериментального прибора с энерго-масс--анализатором вторичных ионов и системой управления. Использовались пучки ионов D+ и Не с энергией соответственно 13 кэВ и 20 кэВ. Безмасляный вакуум в рабочей камере установки, в которой размещался экспериментальный прибор и мишень, создавался магниторазрядными насосами 1!МД-0,4 и его предельное значе-

п

ние составляло I'IO Тор. Размещение в объеме рабочей камеры плазменной коробки, в которой зажигался не-самостоятельный га. зовый разряд в подогревным катодом, давало возможность облучать мишень ионами плазмы низких энергий и напылять на ее поверхность материал образцов, распыляемых в плазменном разряде.

Анализ процессов, происходящих на поверхности твердых тел под действием бомбардировки ионами и плазмой, производился методом вторично-ионной энерго-масс-слектрометрии (ВИЗКС). Экспериментальный прибор включал в себя /3/ энергоанализатор ионизованных распыленных частиц типа плоского электростатического зеркала с разрешающей способностью RE = 30 и диапазоном анализируемых энергий до 100 эВ и магнитный масс-сепаратор от серийного спектрометра МИ 1305 с фокусировкой второго порядка по углу горизонтальной расходимости. Разрешающая способность масс-анализатора в совокупности с энергоанализатором составля-. ла RM = 250. Особенностью экспериментального прибора являлось отсутствие электромагнитных полей в пространстве ыевду мишенью и энергоанализатором, что позволяло регистрировать невозмущенные энергораспределения вторичных ионов и повыпало разрешающую

способность в области малых энергии. Такое нетрадиционное размещение элементов спектрометра давало возможность получать информацию о состоянии на поверхности эмитированных под действием ионов и плазмы частиц.

Использование мощной электронной пушки с гексаборидланта-новым катодом, установленной позади исследуемого образца, позволяло нагревать его до температуры 1800°С. Контроль за температурой осуществлялся и Р1- Р£./ЙК термопарами.

В качестве количественных методов анализа поверхноаи применялись рентгеновский микроанализ, методы термодесорбции и растровой электронной микросхопии. Коэффициент распыления материалов определялся гравиметрическим способом.

В третьей главе методом ВИЭМС исследовались закономерности высокотемпературной эрозии графита МПГ-8 под действием бом-

4" I +

бардировки ионами В и Не . Анализ энергораспределения ионизованных распыленных этомоб углерода показал, что в нем при температурах 400-500°С основным является пик колоколообразной формы с пологим максимумом в районе 45 эВ (рис.1), соответствующий каскадному механизму распыления. С повышением температуры растет и становится превалирующим узкий пик с максимумом на 7 эВ, что свидетельствует об увеличении поверхностной концентра--ции атомов углерода, находящихся в состоянии хемосорбции (т.е. связанных с поверхностью одной-двумя связями). При этом эмиссия таких атомов в вакуум происходит за счет механизма ионно--стимулированной десорбции (ИСД) в результате неупругой передачи энергии перзичных ионов /4/.

По потере массы образца были измерены коэффициенты эрозии графита Бз , соответствующие различным температурам образца

Рис Л. Трансформация энергораспределений вторичных ионов С+,эмитированных из графита МПГ-8 при бомбардировке ионами Не"1",

20 кэВ, и различных температурах: — 500°С, ---ПОО°С,

...... 1550°С

Рис.2. Высокотемпературная эрозия графита МПГ-8 при облучении ионами Не+,20 кэВ, и Д+,13 кэВ; о в - температурная зависимость выхода "вторичных иоков С+ с энергией 7 эВ,---- зависимость от температуры разности коэффициентов высокотемпературной эрозии и физического распыления 1? ионами Ке+.

при облучении ионами Не4. Результаты показаны на рис.2, где по оси ординат отложена разность полученных значений и коэффициента физического распыления 33-,2 . Они хорошо коррелируют? с зависимостью от температуры интенсивности сигнала вторичной ионов С4" с анергией 7 эВ, характерных для ионно-стиму-лированной десорбции.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что высокотемпературную эрозию графита при ионном облучении в достаточно широком интервале температур можно представить совокупностью двух процессов: во-первых, формированием на поверхности хемосорбированных атомов в результате диффузии из глубины образца межузельных атомов углерода, создаваемых ионной бомбардировкой /5/ и, во-вторых, десорбцией этих атомов ионным пучком.

В работе были измерены сечения процесса ионно-стимули-рованной десорбции. Дня этого на анализируемую поверхность графита МПГ-8 осаждались атомы углерода, распыленные в плазменном разряде также с образца МПГ-8. При последующем облуче-+

нии ионами Ке+ и И в энергетическом спектре вторичных ионов С+ появлялся все тот же узкий пик с максимумом на 7 эВ, что свидетельствовало о наличии на поверхности атомов углерода в слабосвязанном состоянии. Сечение десорбции для таких атомов определялось по уменьшению их концентрации Пс в процессе ионной бомбардировки. Характер спада кривой (I) указывал на существование по меньшей мере двух типов сорбции с различной энергией связи сорбированных частиц и в силу этого с различными сечениями их десорбции. Наибольшие значения

сечений десорбции для случая облучения ионами Не+ и X? СОСЦе г/» р

тавили соответственно <5 = (1,4 1 0,2) * 10 см" и

G'0 - (3,5 ¿ 0,5) • 1(Г17 СЫ2.

Дальнейшее повышение температуры выше некоторого значения

т*

I вызывало появление в энергетическом спектре вторичных ионов С+ узкого низкоэнергетического пика в районе 3 эВ(рисЛ), соответствующего радиационно-стимулированному испарению (РСИ) углеродных атомов. Его интенсивность резко увеличивалась с ростом температуры. Наблюдавшаяся экспериментально зависимость температуры появления "испарительного" пика I от плотности тока и сорта бомбардирующих ионов качественно описывалась выражением: £

' (I)

полученным из условия равенства потоков эмитирующих с поверхности графита углеродных атомов за счет механизмов ЙСД и РСИ. Здесь Q -энергия активация испарение хемосорбированных углеродных атомов, ^ - плотность тока первичного пучка, \)0 - частота колебаний атомов на поверхности, е - заряд электрона,

И - коэффициент Больцмана. -г-*"

Величина I является верхней границей температурного диапазона действия ИСД в качестве механизма, определяющего скорость высокотемпературной ионно-сгимулированной эрозии графита. Ее численные значения были получены из анализа зависимостей интенсивности сигнала вторичных ионов С+ от плотности тока бомбардирующих ионов и составили 1350°С и 1300°С соответственно для случаев облучения ионами Не+ и D . Выше этих температур скорость эрозии графита контролируется радиационно--стимулированным испарением с энергией активации Q~4,4 эВ, значение которой, было оценено из формулы (I).

Длительная ионная бомбардировка при высоких температурах . вызывала значительные изменения характеристик эрозии графита. Так, увеличение дозы облучения ионами Не+ с 3 ион/см^

то р

до 9 '10 ион/см приводило к снижению коэффициента распыления примерно в 2 раза. Исследования, проведенные на растровом электронном микроскопе, выявили связь этого явления с развитием микрорельефа поверхности: появлением глубоких впадин, ямок травления, выступов. В таких условиях существенную роль в поверхностных процессах, управляющих концентрацией сорбированных атомов, начинает играть диффузия к внешним стокам-поверхностным дефектам. В результате этого концентрация слабосвязанных с поверхностью углеродных атомов уменьшается, что приводит и к снижению скорости эрозии графита.

Представляет интерес исследование эрозионных характеристик при высоких температурах двухфазных углеродосодержащих материалов, имеющих в своем составе тугоплавкие металлы. В связи с этим, в четвертой главе диссертации изучались процессы разрушения поверхности карбидов ТиС И л'¿С под действием ионного облучения в широком интервале температур.

Согласно полученным экспериментальным результатам карбиды М1С и ЪС до температур соответственно 1350 и 1500°С обладают высокой стойкостью к распылению легкими ионами. Выше этих температур скорость их эрозии определяется наличием в приповерхностной области оксикарбидной фазы. Разложение последней в вакууме сопровождается бурным выделением газообразной окиси углерода и, в случае ТиС , испарением титана. Оценки, полученные из анализа кривых термодесорбции СО, показали, что скорость эрозии /^¿С э результате разложения оксикарбида.

Л/^ГД может быть более чем на порядок превосходить скорость

Л- 4

физического распыления ионами V и Не при комнатной температуре. Скорость эрозии океккарбвда ТиС,вше, чем (¿ЬС^О^ что определяется высокой упругостью пара титана при температуре разложения

В связи с вышесказанным особую важность приобретают сведения об условиях образования оксикарбидной фазы. Вследствие высокого сродства к кислороду карбида ТсС образование окси-карбида на его поверхности под действием иенкого облучения в вакууме 1'10~® Тор происходило существенно легче, чем на ъИС и наблюдалось уже при температурах 400-500°С. Для формирования в этих условиях достаточного для регистрации количества /ЛСцОу требовались либо длительная выдержка при Т ^1200°С, либо режим термоциклирования (нагрев до 1200°С - охлаждение до &00-600°С).

Влияние ионного облучения на процесс окисления поверхности А/¿С в вакууме изучалось методами вторично-ионной йасс--спектрометрии и терыодееррбции при парциальном давлении кислорода Р0г-1,5 ' 10 Тор, соответствующем содержанию кислорода в плазме современных ТЯУ. Анализ профилей распределения ■ кислорода по глубине исследуемых образцов и кривых газоввде-ления СО показал, что при повышенных температурах формирование вблизи поверхности насыщенного кислородом оксикарбидного слоя происходит и в отсутствии ионного облучения. Его распространение вглубь образца определяется скоростью диффузии в нем кислорода. Ионная бомбардировка стимулирует процесс образования оксикарбидной фазы за счет создания дополнительного количества вакансий в углеродной подрешетке карбида и увеличения толщины окисленной пленки по меньоей мере на величину про-

ективного пробега ионов. Измеренный при Т = 800°С коэффициент радиационно-стимулированной диффузии кислорода в аУЕС при облучении ионами Не+ Ъ* = 1,6 см^/сек в 27 раз пре-

восходит коэффициент термической диффузии. Выравнивание этих величин достигается при температурах П50-1200°С.

Количество образующегося на поверхности оксикарбида

зависит от соотношения потоков на нес бомбардирующих ионов и атомарного кислорода и для случая облучения ионами Не+ максимально при их примерном равенстве. Большие потоки ионов вызывают образование пор, являющихся стоками для вакансий и препятствующих их движению вглубь образца, что в итоге замедляет рост оксикарбидного слоя на поверхности карбида. Увеличение потока атомарного кислорода при постоянстве ионного тока приводит к формированию окислов ниобия-окалины.

В заключении главы даны рекомендации по использованию карбидов тугоплавких металлов в установках термоядерного синтеза. Отмечено, что эмиссия в плазму большого количества титана при разложении ТиСхОу может сделать применение ТсС в термоядерных установках менее выгодным по сравнению с л>'Ь С несмотря на меньший атомный номер титана. .

Весьма перспективным представляется разработка углеродосо-деркащих материалов для ГЯР, имеющих в своем составе небольшие, но достаточные для подавления ускоренного распыления графита при высоких температурах,количества тугоплавких карбидообразую-щих элементов. Исходя из этого, в пятой главе диссертационной работы были изучены закономерности высокотемпературной эрозии различных модификаций углеродных композитных материалов при бомбардировке легкими ионами.

Чисто углеродные тканевые композиты КУП ВМ характеризуются увеличением с температурой коэффициента эрозии под действием облучения ионами Не+. Особенностью для них является повышенная по сравнении с графитом МЛГ-8 скорость распыления уже при Т = 400°С, вызванная высокой концентрацией слабосвязанных с поверхностью углеродных атомов. В таких условиях существенную роль играет ионно-стимулированная десорбция таких атомов, вносящая дополнительный вклад в скорость распыления.

Введение в объем композита 6^7 ат% кремния замедляет рост эмиссии углеродных атомов вплоть до Т = 1200°С. Однако подъем температуры выше этого значения приводил к быстрому нарастанию уровня эрозии углерода за счет ИСД, сопровождающееся при Т 1350°С испарением кремния.

Интересные результаты были, получены на образцах КУП ВМ, объемно пропитанных титаном и кремнием до концентраций (15^5)$. Без предварительной термической и ионно-лучевой обработки образцы КУП ВМ+5^71 характеризовались большими значениями коэффициента эрозии при что было вызвано в основном испарением свободного (не связанного с . углеродом) кремния. С увеличением дозы облучения ионами Не* и длительности прогрева образцов при Т = 1500°С коэффициент высокотемпературного распыления уменьшался. На поверхности образцов наблюдались спад концентрации и и увеличение относительной концентрации Ти , а также формирование в области, подверженной ионной бомбардировке, сильноразвитого микрорельефа, состоящего из тесно расположенных друг к другу игольчатых выступов. При дозах (54-7) 10*^ ион/см^ плотность

9 ТО ?

игольчатых выступов составляла 10 - 10 см , а их высота

2^3 мкм. В этих условиях концентрация в приповерхностной области снизилась болео чем на порядок относительно исходного образца, а концентрация Т1 увеличилась в 1,5 - 2 раза. Микрорентгеновский анализ показал, что распространение игольчатой структуры по всей поверхности облучаемого участка образца происходило вследствие поверхностной миграции атомов "Т1 , занимающих в итоге в виде соединений Тс С положения на вершинах микровыступов. Предположительно графит находится на дне впадин и крутых склонах выступов, в результате чего эмиссия атомов углерода с его поверхности затруднена и происходит преимущественно из фазы ТьС . Об этом свидетельствуют независимость от температуры вплоть до 1500°С уровня сигнала вторичных ионов С+ выбитых из КУЛ ВМ+31*Ти конами Но+ при дозах, превышающих (5^6)-10^ ион/см^, а также изменение энергетического спектра вторичных ионов С+, принимающего форму, характерную для эмиссии С+ из карбида ТсС , Значение коэффициента эрозии при Т = 1450°С под действием облучения ионами Не+, измеренный гравиметрическим способом, снизилось до (ЗМ) Ю-2 ат/ион, что близко к величине коэффициента распыления графита при комнатной температуре. Образованная игольчатая структура на поверхности КУП ВМ оставалась устойчивой к ионной бомбарди-

?о ?

ровке, по крайней мере, до дозы облучения 1,1*10 ион/см .

На образцах КУП ВЫ * +- 8 подобного снижения коэффициента высокотемпературной эрозии добиться не удалось. Значение Ъэ при 1450 С и дозе облучения ионами Не+ 6 Ю19 ион/см2 составляло (2,1 ^ 0,5) 10"^ ат/ион, что соответствует' величине коэффициента распыления 51С при комнатной температуре. При этом наблюдалось сравнительно небольшое увеличение с температурой уровня ионно-стимулированной десорбции хемосорбированных '

-ig-

углеродних атомов. На поверхности также развивался микрорельеф, имещий примерно такую же плотность игольчатых выступов, как и на КУП ВМ *-Si.+"n. но высоту на 1-2 порядка меньше. С

повышением дозы облучения игольчатая структура постепенно раз-

Т9 /2

рушалась и полностью исчезала при набранной дозе 1,2-10 ион/см , что приводило к росту скорости орооии материала,

В табл. I приведены сравнительные характеристики высокотемпературного распыления композитных материалов и графита МПГ-8 ионами Не+ при Т - 1450°С. В ней S I - парциальные коэффициенты распыления, 2;. - заряд ядра. Табл.1

1атериал ! Состав ! SL ! ! ат/ион 1 f ^ ! ! ат/ион ! Sl г,2 t A. ^^¿i ' t.

МПГ-8 С 0,25 0,25 9 9

КУП ВМ С 0,27 0,27 9,7 9,7

С 0,025 2,4

КУП ВМ -SuTi SL _ 3 Ю"2 - 3,3

TL 5 Ю-3 0,9

КУП BM*SfB С 0,26 9,36

Si 0,074 0,37 14,5 24,8

в 0,037 9,25

Параметр 2. характеризует радиационные потери плазмы

в установках термоядерного синтеза, а его минимум является критерием отбора материала для использования в ТЯР. Среди исследованных графитов композит КУП ВЫ +51+Т1 обладает минимальным

-192

значенном .3? S¿z?¿ , что позволяет рассматривать его, после соответствуюцоЯ доработки технологии изготовления, как весьма перспективный материал для применения в качестве энергонапряженных элементов вакуумной камеры ТЯУ.

ВИВОДЦ РА.БО'Ш

1. Для графита МПГ-3, вироко применяемого в современных термоядерных установках (ТЛУ) и качестве материала лимитера, установлено значительное повышение коэффициента распыления ионами Но+ и I) с ростом температуры вьгио 800°С. Расширены представления о механизме этого яплення. Показано, что в достаточно широком интервале температур процесс высокотемпературной эрозии графита под цеЕствмем ионного облучения можно представить совокупностью двух процессов: во-первых, образованием под действием ионной бомйзрдирошм поверхностного слоя атомов углерода, находящихся в слабосвязанном состоянии; во-вторых, ионно-стимулированной десорбцией ШСД) в вакуум этих атомов.

2. На основании измеренных сечений ионно-стимулированноя десорбции атомов С установлен температурный диапазон действия ИСД как определяющего механизма эмиссии углерода с поверхности графита. Показано, что при более высоких температурах скорость эрозии графита контролируется радиационно-стимули-

рованным испарением.

3. Обнаружен эффект снижения коэффициента распыления графита при высоких температурах с ростом дозы облучения легкими ионами, связанный со значительным развитием микрорельефа поверхности и происходящими на ней под действием ионной бомбарди-

ровки рекристаллизацнонными процессами.

4. Определены интервалы температур, в которых карбиды тугоплавких металлов ТсС и обладают высокой стойкостью к распылению, а таюке температурные режимы их возможной эксплуатации в ТЯУ ы ТЯР в качестве материалов первой стенки. Обнаружено, что одним из факторов, ограничивающих применение карбидов металлов в установках термоядерного синтеза, является образование на их поверхности под действием ионной бомбардировки

и последующее разложение кислородосодержащой фазы - оксикарби-да. Разложение оксикарбида сопровождается выделением окиси углерода, а также, в случае Т¿С , испарением титана. Показано, что поток загрязняющих плазму примесей в результата этого процесса может более чем на порядок величины превосходить поток атомов, покидающих поверхность карбидов металлов в результате физического распыления.

5. Установлено, что образование оксикарбида происходит

в результате диффузионного проникновения кислорода в приповерхностную область карбида. Выявлена стимулирующая роль ионного облучения в этом процессе. Она заключается в увеличении скорости роста оксикарбидного слоя и повышении содержания кислорода в нем за счет . ... создания дополнительного количества вакансий в углеродной подрепетке карбида.

6. Показано, что количество образованного под действием ионного облучения одсикарбида зависит от соотношения потоков на поверхность карбида бомбардирующих ионов и кислорода остаточного газа, и для случая Л/АС максимально при их примерном равенстве. Большие потоки ионов вызывают образование пор, препятствующих движению вакансий вглубь образца. Повышение потока на поверхность Л/&С кислорода приводит к формироза-

ншз на ней пленки окислов ниобия-окалины.

7. С целью выбора и создания материалов для исппльзования в ТЯР, обладающих малым коэффициентом распыления при высоких температурах, впервые проведен цикл исследований эрозионных характеристик различных модификаций углеродных композитов. Показано, что для чистого С-С композита КУП ВМ, как и для графитов, наблюдается характерный рост коэффициента распыления с увеличением температуры. В то »е время введение в объем материала б кремний подавляет его аномально высокий уровень эрозии вплоть до температуры 120О°С. Выше этого значения происходит разное увеличения коэффициента эрозии, обусловленное как КСД атомов углерода из состояния хемосорбции, так и испарением кремния.

8. Обнаружена принципиальная возможность подавления ускоренного высокотемпературного распыления графитовых материалов их объемной пропиткой тугоплавкими карбидообразующими металлами, в частности титаном. Установлено, что присутствие в объеме композита КУП ВМ 15 ат.% приводит к снижению его эрозии при практически до уровня, определяемого физическим распылением. Для использования в термоядерных установках разработана модификация графита, скорость распыления которого

не возрастает с увеличением температуры.

9. Исследован механизм подавления высокотемпературной ионно-стимулированной эрозии графита, связанный с формированием на поверхности сильноразвитого рельефа,, состоящего из

теснорасположенных друг к другу игольчатых выступов высотой

тп ?

2-3 мкм и плотностью до 10 см . Распространение игольчатой структуры по всему облучаемому ионами участку поверхности образца вызвано поверхностной миграцией атомов титана, занимающих в

итоге в виде тугоплавких соединений TIC положения на вершинах микровыступов. В результате этого эмиссия углеродных атомов из впадин между выступами сильно затруднена и происходит, в основном из карбида титана.

Проведен сравнительный анализ эрозионных характеристик при высоких температурах исследованных углеродосодержа:цих материалов, даны рекомендации по их использованию в ТЯУ.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Л.Б.Беграмбеков, М.В.Никольский, Н.Н.Ретпиков и др. - Разрушение карбидов металлов при ионном облучении в условиях высокой температуры - Ат.энергия, 61, вып.б (1986), с.418-422.

2. Л.Б.Беграмбеков, М.В.Никольский, В.Г.Тельковский, О.В.Федоров - Разрушение карбидов металлов при ионном облучении - Физика и химия обраб. материалов, 1987, № 4, с.24-28.

3. J1. Б. Беграмбеков, М.В.Никольский, В.Г.Тельковский, Ю.В.Федо-" ров - Применение вторично- ионной энерго-масс-спектрометрии для исследования разрушения твердых тел ионной бомбардировкой - В кн. "Вторично-ионная и ионно-фотонная эмиссия", Харьков, 1988, Труды конференции, ч.2, с.9-11.

4.Л.Б.Беграмбеков, М.В.Никольский, В.Г.Тельковский, Ю.В.Федоров - 0 механизме высокотемпературной эрозии графита под действием ионного облучения - Ат.Энергия, 1989, т.67, вып.2, с.108-111.

5. М.В.Никольский, Л.Б.Беграмбеков, И.А.Шленов, Ю.В.Федоров -Трансформация рельефа поверхности и эрозия графитов под действием ионного облучения и высоких температур - В сб."Взаимод. ат. частиц с тв.телом", Москва, 1989, Труды 9-ой Всес.конф., т.1, ч.2, с.336-338.

6. Ь. В. öi^ram/ewk-, О. Г. Bmhinsky t M.V. Mlkoisk-y e.i.auL- j)e.vC-ic^mivit oj C'C ccrnfics/ies ulitU ■¿cu/ oci-fficit^-L^ oj- sjiiscifbrlbtj to«S a.1 kig L ■U.mfcvccciure.s - Muti. Ma.izt.f 13 9Q, л//f>. LPl' LOS.

-237. Л.Б.Беграмбеков, М.В.Никольский, В.А.Суховейко и др. - Поведение термостойких двухкомпонентных соединений - конструкционных материалов ТЯУ под ионным облучением - В сб."Пристеночные процессы в ТЯУ", М.; Энергоатомиздат, 1991, с. 66-71.

8. М.В.Никольский, Л.Б.Беграмбеков, В.Г.Тельковский, Ю.В.Федоров - Влияние ионного облучения на взаимодействие карбидов металлов с кислородом - В сб."Взаимод. ионов с поверхностью", Москва, 1991, Труды 10 Всес. конф., г. i, с./49-151.

9. Л.Б.Беграмбеков, О.И.Бужинский, М.В.Никольский и др. - Уг-леродосодержащий материал - Авторское свидетельство Г» 4719407.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. И.Рот "Химическое распыление"- В кн.Распыление твердых тел ионной бомбардировкой/ Ред.Р.Берии - М.:Мир, 1986,вып.2, с.134.

2. з: R<TÍht Т. fioManilCLf, U.U. Wcíson - s^bt-arUig <s>/ дгл-pblte A.I hijli ilrf>}> LtP-tu.T es - -T.tJ^d. Ma-itr^ Í9S 2, HL-II2/ p.

3. Л.Б.Беграмбеков, В.П.Йвлев, В.Г.Тельковский, Ю.В.Федоров -Автоматизированная установка для изучения взаимодействия ионов и плазмы с поверхностью твердых тел методом зкерго-масс-спектромет^ ри вторичных ионов - ВАКТ, Радиац.техн., 1986, вып.1(32), с.58.

4. Л.Б.Беграмбеков, В.Г.Тельковский, Ю.В.Федоров - Механизм формирования характеристических знергораспределений ВШЭ - В кн. Матер.7-ой Всес.конф."Взаимод.ат.частиц с тв.телом", 1984, Минск, т.Г, с.184.

5. Я. &olh ¡ W. И ó£Cer - Mlihan'ism of Enhanced ípi^tí-ctU^ oj--.oslo* ■U^j.tfa.itues a.iove. Lloo°C - Int+r. M&ih^ 13¡LS/ by¿J PatIILj p.