Физические процессы при очистке материалов стенок термоядерных установок от кислорода в водородной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

005007057

КУЗЬМИН Арсений Александрович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ОЧИСТКЕ МАТЕРИАЛОВ СТЕНОК ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК ОТ КИСЛОРОДА В ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ

01.04.08 - «Физика плазмы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

1 гтт

Москва-2011

005007057

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

Беграмбеков Леон Богданович

доктор физико-математических наук Будаев Вячеслав Петрович

кандидат физико-математических наук Городецкий Александр Ефимович

Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита состоится 27 января 2012 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 при НИЯУ МИФИ

по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, ауд. К-608. тел. 8 (495)323-95-26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан «27» декабря 2011 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, НИЯУ МИФИ, диссертационный совет Д 212.130.05.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.В. Евсеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТЕКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Наличие кислородной примеси в плазме термоядерных установок существенно снижает их энергетические и эксплуатационные параметры, усложняет управление установками и интерпретацию получаемых результатов. Большие количества кислорода накапливаются в процессе работы токамака в графитовых элементах первой стенки в осаждённых углеродных и углеродо-вольфрамовых слоях, что является фактором, препятствующим его удалению из плазмы в процессе подготовительных процедур. При последующем взаимодействии потока частиц и излучения плазмы с поверхностью графита в плазме оказывается большое количество кислорода. Это приводит к увеличению радиационных потерь из плазмы и, соответственно, к необходимости увеличить вкладываемую в плазму мощность. Другим отрицательным явлением в токамаках, обусловленным присутствием в плазме кислорода, является интенсивное распыление ионами кислорода поверхности первой стенки и загрязнение плазмы продуктами распыления. Эти и ряд других явлений, связанных с захватом и накоплением кислорода в контактирующих с плазмой графитовых элементах первой стенки определяют важность решения проблемы кислорода в плазме для современного этапа термоядерных исследований.

Данная работа является чрезвычайно актуальной, поскольку в ней проведено систематическое исследование параметров, закономерностей и механизмов захвата кислорода и водорода в графиты, облучаемые в водородной плазме с примесью кислорода, изучаются закономерности формирования углеродных и вольфрам-углеродных слоев и захват в них кислорода и водорода и на этой основе разрабатывается методика удаления кислорода (кондиционирования первой стенки) с помощью облучения плазмой «чистящих» разрядов.

Объект исследования

В качестве объекта исследования служили углеграфитовый композит СИС N11 (Франция), пиролитический графит (Рв 99), напылённые углеродные и углеродо-вольфрамовые слои на подложки из нержавеющей стали (12Х18Н10Т), графита МПГ-8 и вольфрама (ВА)

Предмет исследования

Закономерности захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы при облучении в водородной плазме с примесью кислорода; закономерности и методики удаления кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевой плазме; формирование углеродных и углеродо-вольфрамовых плёнок и захват водорода в них при облучении в плазме.

Цели и задачи исследования

Основной целью проведенной работы являлось исследование закономерностей захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы облучаемые в водородной плазме с примесью кислорода; исследование процессов, определяющих удаление кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевой плазме и разработка методики его удаления; исследование формирования углеродных и углерод-вольфрамовых слоев, напыляемых в плазме, и особенностей захвата ими кислорода и водорода.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Измерение параметров и изучение закономерностей захвата водорода в углеграфитовый композит СРС и пиролитический графит при облучении в водородной плазме с примесью кислорода.

2. Выявление закономерностей формирования углеродо-вольфрамовых плёнок, напылённых в плазме.

3. Исследование закономерностей захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродо-вольфрамовые плёнки.

4. Изучение закономерности и разработка методики удаления кислорода из графитов при облучении в дейтериевом разряде.

Методы исследования

Для выполнения поставленных в данной работе задач в качестве основного метода экспериментальных исследований был выбран метод термодесорбционной спектрометрии, позволяющий измерять спектры термодесорбции (температурную зависимость десорбции газов), количество кислорода и изотопов водорода, удерживаемых в исследуемых образцах, и, анализируя полученные результаты, делать выводы о закономерностях захвата, удержания и десорбции водорода. Метод растровой электронной микроскопии был выбран для изучения морфологии поверхности напыляемых углеродных и углеродо-вольфрамовых слоев.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности захвата водорода и кислорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой с примесью кислорода. В частности, экспериментально определены

- зависимость захвата кислорода и водорода от концентрации кислородной примеси в плазме,

- зависимость захвата кислорода и водорода от энергии облучающих ионов плазмы,

- характер распределения захваченного кислорода по глубине.

2. Определён механизм захвата водорода в углеграфитовые материалы при появлении кислородной примеси в плазме.

3. Установлено, что удаление кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы, при их облучении ионами водорода происходит, в основном, за счёт распыления поверхностного слоя, содержащего атомы кислорода.

4. Определены закономерности удаления кислорода из углеграфитовых материалов. В частности, определены зависимости времени процесса и глубины распыляемого слоя от энергии ионов, температуры и типа материала.

5. Определены закономерности формирования углеродо-вольфрамовых слоев, напыляемых в плазме, на подложки из нержавеющей стали, вольфрама и углерода. Определены толщины, после которых напыляемые слои начинают разрушаться, превращаясь, в конечном итоге, в пыль в условиях термоядерных установок.

6. Показано, что в тех случаях, когда углеродные и углеродо-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Захват стимулируется ионами плазмы, активирующими поверхность слоев.

7. Обнаружено, что захват кислорода и водорода из сорбированных молекул воды в углеродные слои увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода, способствующего уменьшению концентрации молекул воды в поверхностном слое. Выявлена зависимость захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродо-вольфрамовые слои от давления водорода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Захват водорода и кислорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой, а также в углеродные и в углеродо-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, растёт при увеличении в ней концентрации кислородной примеси до определенной величины и спадает при дальнейшем её увеличении

1.1. Рост захвата водорода при появлении в плазме кислородной примеси обусловлен тем, что атомы и ионы кислорода активируют поверхность углеграфитовых материалов и интенсифицируют потенциальный механизм захвата атомов водорода из водородосодержащих молекул, сорбированных на их поверхности.

1.2. Уменьшение захвата водорода при увеличении концентрации кислородной примеси в плазме выше определённой величины

5

происходит, по-видимому, в результате того, что увеличивающийся поток кислорода на контактирующую с плазмой поверхность вытесняет с неё водородосодержащие молекулы, являющиеся основным источником захватываемого водорода.

2. При облучении графитов ионами водородной плазмы с примесью кислорода максимум распределения кислорода смещается на глубину, сравнимую с проективным пробегом ионов водорода, в результате его участия в каскадах смещения, создаваемых последними.

3. Удаление кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы, при их облучении ионами водорода происходит, в основном, за счёт распыления поверхностного слоя, содержащего атомы кислорода.

4. Толщина слоя, который необходимо распылить ионами водорода для удаления кислорода, имплантированного в графит, может оказаться значительно большей толщины слоя, содержащего кислород до начала облучения, в результате того, что максимум распределения кислорода, постоянно смещаясь по мере распыления поверхности, остаётся на примерно постоянном удалении от поверхности.

5. В тех случаях, когда углеродные и углеродо-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Захват стимулируется ионами плазмы, активирующими поверхность слоев.

6. Захват кислорода и водорода из сорбированных молекул воды в углеродные слои увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода, способствующего уменьшению концентрации молекул воды в поверхностном слое.

Достоверность представленных результатов обеспечивается тем, что при проведении экспериментов использовалось современное исследовательское оборудование (спектрометры, датчики давления и др. оборудование), предварительно откалиброванное. Результаты проведённых экспериментов, в основном, согласуются с экспериментальными результатами ряда других авторов при их наличии.

Научная и практическая ценность.

В диссертационной работе впервые экспериментально определены основные закономерности захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой с примесью кислорода. Определены закономерности захвата. Выявлены закономерности удаления

кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевом разряде.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней разработана методика удаления кислорода (кондиционирования) элементов первой стенки токамаков, выполненных из графита, с помощью облучения плазмой «чистящих» разрядов.

Апробация работы и публикации:

Основные экспериментальные результаты, приведенные в настоящей работе, были представлены на следующих конференциях: Европейская ядерная конференция - 2010 (European Nuclear Conference - 2010); Взаимодействие плазмы с поверхностью - 2008, 2010 (Plasma-Surface Interaction - 2008, 2010); Взаимодействие Ионов с поверхностью - 2009, 2011; Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами -2008, 2009. Результаты также докладывались на Научной Сессии МИФИ 2007-2011; Курчатовской молодежной научной школе - 2008, 2009; Международной школе молодых ученых и специалистов "Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM-Junior" - 2008, 2009; Международной школе-семинаре по вакуумным, электронным и ионным технологиям - 2011 (Болгария); Всероссийской школе-семинаре «Функциональные наноматериалы для энергетики» - 2010,2011.

Результаты опубликованы в виде статей в журналах «Вопросы атомной науки и техники», «Journal of Nuclear Materials», а также в трудах упомянутых конференций. По теме диссертационной работы было опубликовано 15 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах, включенных ВАК РФ в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, и 8 тезисов докладов, опубликованных в сборниках тезисов национальных и международных конференций.

Личный вклад соискателя.

Автор лично проектировал, разрабатывал и изготовлял отдельные узлы экспериментальной Установки плазменного облучения и ТДС-анализа, провел ее модернизацию, принимал участие в разработке методики проведения экспериментов и обработке результатов. Автор лично проектировал, разрабатывал и изготавливал отдельные узлы экспериментальной Установки плазменного облучения и осаждения покрытий. Лично проводил эксперименты и обработку результатов экспериментов. Ему принадлежит основная роль в проведении анализа полученных результатов и составлении моделей. Постановка задач исследования и их интерпретация проведена совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы из 82 наименований литературных источников. Общий объем работы составляет 120 страниц и включает в себя 63 рисунка и 3 таблицы.

Основное содержание работы.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели работы, указана научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор работ, посвященных изучению захвата и удержания кислорода и дейтерия в различных графитовых материалах при совместном облучении ионами кислорода и дейтерия в плазменных и ионно-пучковых установках. Проведённый анализ литературных данных показал, что, несмотря на всю важность проблем, связанных с присутствием малых примесей кислорода в плазме токамаков, до сих пор остаются слабо изученными особенности захвата и удержания водорода и кислорода в углеграфитовых элементах первой стенки термоядерных установок. Не разработаны физические основы и не предложены методы эффективного удаления кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы. Поэтому, было решено в диссертационной работе определить основные закономерности захвата водорода и кислорода в углеграфитовые материалы в водородной плазме с примесью кислорода, изучить формирование углеродных и углеродо-вольфрамовых плёнок и захват в них водорода и кислорода, а также исследовать механизм и разработать методику удаления кислорода из углеграфитовых материалов облучением в водородной плазме.

Вторая глава содержит описание экспериментов по изучению влияния кислородной примеси на захват дейтерия и кислорода в углеграфитовый композит (СБС) и обсуждение результатов экспериментов. Эксперименты проводились на установке Плазменного облучения и ТДС-анализа [1].

В этой установке проводилось облучение исследуемых образцов в плазме газового разряда, зажигаемом в установке с накальным катодом (плотность плазмы ~М016 м"3, температура электронов ~5 эВ, степень ионизации ~1-10'4), и анализ десорбции газов из них методом термодесорбционной спектрометрии. Образцы из углеграфитового композита и пиролитического графита облучались в дейтериевой плазме потоком ионов (-85% общего потока составляли ионы 02+, -15% - и Б3+) с энергией от ~12 до

ЛЛ Л | Л | 1 л

1000 эВ/ат, дозой 5-10 ат м" с", с плотностью потока 10 атм" с' и 2-10 1 1

ат м' с" (для углеграфитового композита), при температурах 400 К (для углеграфитового композита), электронами со средней энергией 10 эВ, дозой 5-Ю2 е'-м'2 и плотностью потока 1-Ю21 е'-м' с"1, потоком ионов 02+ (при

добавлении кислорода в рабочий газ) » (0,Н1>1017 ат-м~2-с~'. При облучении на образцы приходил также поток атомов 4-Ю18 Б-м^-с"1. Особенностью этой установки является возможность изменять в широких пределах энергию ионов без изменения параметров плазмы.

10 эВ О 200 400 600 Энергия Элспрош», зВ Энергия Ионов, зВ

10 0 200 400 COI Энергия

злектроно». зВ Энергия ионов, эВ

б)

800

Рис. 1. а) Зависимость общей десорбции б) Зависимость общей десорбции й и О В из СРС, облученного электронами и из CFC, облученного электронами и ионами в 02+4.3%02 плазме и в чистой ионами в й2+4.3%02 плазме от энергии 02 плазме, от энергии облучающих облучающих частиц частиг/

Во время измерений термической десорбции образцы нагревались до температуры 1600 К по линейному закону со скоростью 5 К/сек. Десорбция дейтерия из образцов происходила в основном в составе молекул НБ, Бг, СБ^ («99%ат. общей десорбции дейтерия), кислорода - в основном в составе молекул СО (»90% ат. общей десорбции кислорода)

Захват дейтерия и кислорода в СРС исследовался в зависимости от энергии облучающих ионов, концентрации кислородной примеси в плазме и дозы облучения.

На рис. 1а. представлена зависимость общего количества десорбировавшихся атомов дейтерия от энергии облучающих ионов.

= 1хЮ20 атм^с"1, Ф = 5х1023ат-м"2, Ei = (10-800) эВ, =4х1021 е"-м"2с"', Ее=10эВ). Для сравнения приведена зависимость от энергии десорбции дейтерия из СРС, облучённого с такими же параметрами в Э2 плазме. Обе зависимости подобны. Вместе с тем, видно, что в присутствии кислорода захват дейтерия увеличивается (рис. 1а). Величина этого эффекта медленно меняется в исследованном диапазоне энергий облучающих ионов. Более того, значительное увеличение захвата наблюдается и при облучении электронами. [2].

—•— -»лектрпны —*— плав потенц.

а)

2.0 • —электрон ы

—плав, потенц. — 50 эВ

б)

400 600 800 1000 1200 1400 1600 Темература. К

4(10 Ш Ш1 1Ш! 12(Ю И'Ю 16гю Темперэтура, К

Рис. 2. Спектры ТД дейтерия из образцов, облученных ионами и электронами а) в(02+4.3%0^ плазме, б) в 02-плазме.], = ¡хЮ20 ат-и2-с\ Е1 = 50+1000 эВ.

Наконец, форма ТДС-спектров дейтерия (рис. 2а и 26) при совместном дейтериево-кислородном облучении остаётся такой же, как при облучении в водородной плазме, свидетельствуя о том, что кислород не стимулирует образование ловушек дейтерия нового типа.

Совокупность приведённых выше особенностей захвата дейтерия в СБС в 02+2%02 плазме показывает, что атомы и ионы кислорода, облучающие поверхность СИС, активируют механизмы, обеспечивающие захват водорода в СБС, описанные в работе [2], и не способствуют появлению новых механизмов захвата. В работе [2] было показано, что захват атомов дейтерия может происходить как за счёт кинетической энергии бомбардирующих частиц («кинетический» захват), так и в результате неупругих взаимодействий атомов и ионов водорода с материалами или молекул водорода и водородосодержащих молекул с поверхностью, активированной облучающими ионами, атомами водорода или электронами («потенциальный» захват).

Зависимость десорбции О от энергии повторяет зависимость десорбции О от энергии (рис. 16). Причём, большое количество десорбирующегося кислорода (рис. 3) показывает, что кислород захватывается в слое в 5-10 раз большем, чем толщина зоны торможения, насыщение которой по данным работы [3] наступает при концентрации кислорода 0:С = 0,2-0,3. Причина этого явления - участие кислорода в каскадах столкновений, порождаемых ионами дейтерия (об этом подробнее в Главе 3) и, возможно, ускоренная диффузия в разрушенной структуре насыщенной зоны торможения водорода.

Результаты измерений захвата кислорода и дейтерия в зависимости от концентрации кислорода в рабочем газе разряда представлены на рис.4.

Появление максимума на этой зависимости является следствием двух противоположных процессов, влияющих на захват дейтерия. С одной стороны, кислород, как было показано выше, активирует захват дейтерия. С

з 4 5 6 , . концентрация 02, % ат,

Рис. 4. Захват дейтерия и кислорода в зависимости от концентации кислорода в плазме(поток 1хЮ20 ат/м2с,доза 5х1023 ат/м2 .энергия 50 эВ).

другой же стороны, кислород сорбируется поверхностью активнее дейтерия и концентрация дейтерия на поверхности уменьшается в присутствии кислорода. В работе [2] было показано, что слой поверхностной сорбции является основным источником захвата дейтерия по «потенциальному» механизму при энергии ионов 50 эВ. Соответственно, уменьшение концентрации дейтерия в поверхностном слое из-за наличия в этом слое кислорода приводит к уменьшению захвата дейтерия. Причины изменения количества захваченного кислорода синхронно с изменением захвата водорода были рассмотрены выше.

Зависимости захвата дейтерия в СРС от дозы облучения ионами с энергией 100 эВ и 400 эВ и плотностями потоков 2x1019 и 1х1020 ат-м"2с"' представлены на рис. 5. Во всех случаях захват дейтерия увеличивался с дозой, но, по-видимому, при больших дозах проявляется тенденция к насыщению.

Интересно, что захват дейтерия оказывался большим при больших плотностях тока облучающих ионов, а при облучении в дейтериевой плазме без кислородной примеси наблюдался

4,3% О, плазма

- 1.0 'о К

Л05 &

о о и

1x10 м с 100эВ -0-2хЮ"м'У 100эВ 1х10!,и'У 400эВ -О- 2хЮ"мУ 400эВ

Й, плазма

Ы(Г м'У №Н <> 2*10™мУ ШОзН !> 1хЮ"мУ зООзВ

О 2.111)" иУ ЗООзВ|

0 1 2 3 4 „ 5 , б 7 8

Да'Аа, хЮ ат м"

Рис.5. Зависимость суммарной десорбции дейтерия из СРС, облученного в 02+4.3%02 плазме от дозы и суммарная десорбция дейтерия из СРС,облученного в 02 плазме (доза 5x10" ат/м2).

противоположный эффект (рис. 5, смотри также [2]).

Причиной этого могло оказаться следующее обстоятельство. При концентрации кислорода в рабочем газе, равной 4,3%, захват водорода уменьшается с дальнейшим ростом его концентрации, приводящим к увеличению его содержания в слое сорбции на облучаемой поверхности (рис. 4). Уменьшение плотности тока ионов дейтерия уменьшало ионно-стимулированную десорбцию кислорода с поверхности и, тем самым,

способствовало росту его концентрации в слое сорбции даже без изменения содержания кислорода в рабочем газе. Соответственно, уменьшался захват дейтерия.

В третьей главе описаны результаты исследований закономерностей удаления кислорода из графитов при облучении их ионами дейтерия в чистящем дейтериевом разряде.

Методика проведения экспериментов включала следующие этапы:

- Отжиг образца в вакууме при Т = 1500 К.

- Облучение образца определенной дозой ионов дейтериевой плазмы с примесью кислорода.

- Облучение образца ионами водородной плазмы и распыление поверхностного слоя определённой толщины.

- Определение количества кислорода, остающегося в образце, методом ТДС.

Последовательное повторение этих экспериментов с постепенным увеличением дозы облучения ионами дейтерия позволило определить дозу облучения (время облучения, толщину распылённого слоя), необходимую для удаления кислорода из образца.

Предварительные эксперименты показали, что захват кислорода увеличивается при последующих циклах облучения в Б-0 плазме и отжига. Поэтому, для каждого описанного выше цикла облучений и ТДС измерений использовался новый образец.

Для экспериментов использовался рабочий газ состава &2+2%02, поскольку при этом случайные отклонения в концентрации кислорода в рабочем газа приводили к минимальным изменениям в захвате кислорода.

Облучение образцов в 0-0 плазме проводилось ионами с энергией 100 и 400 эВ. Как показано в Главе 2 (см. также [2]), это давало возможность исследовать закономерности удаления атомов кислорода, захват которых был различен. С другой стороны, тем самым моделировался захват и удаление ионов и атомов перезарядки кислорода и водорода, источником которых были, соответственно, периферийная и центральная области плазмы токамаков.

Распыление образцов проводилось ионами дейтериевой плазмы с энергиями 100 и 400 эВ, что дало возможность лучше понять физические основы и выявить методические особенности разрабатываемого способа удаления кислорода.

Исследовался также характер удаления кислорода из материалов с разной структурой. Для этого использовались образцы углеграфитового композита и пиролитического графита, облучение которого проводилось перпендикулярно гексагональным слоям.

Определялось влияние температуры на скорость удаления кислорода при ионной бомбардировке. С этой целью проводились эксперименты при температуре образцов 200° и 120°С.

Зависимости количества захваченного кислорода в образцах от толщины распылённых поверхностных слоев представлены на рис.6.

Толщина распылённого слоя PG, нм

чнстлщее оолучение, чисмщсе облучение,

E-400JB 1,-11)0 зВ

Внедрение Е^Т: Внедрение Е. Т:

—*~41>1) эВ, 21К)'С -- 4WUB 21Ш*С

-в 1П0 эВ, 2'Xi*C -a- lOftiB 2М'С ••О-- )Ш)эВ по*с

t

200 400 600 800 1000 Толщина распылённого слоя CFC, нм

Вреия "чистящего" облучения в О-ллаж, пин ■ ■ ■ ■ i ■11 ■ i ■ ■111 ■ ■' ■ i ■ ■ ■ ■ i ■ 0.5 1.» 1.5 20 2.5 , 3.0 floja "чистящего" облучения, ат м"* х10

Рис. 6. Десорбция О из CFC в зависимости от а) толщины распыленного слоя графита и б) времени и дозы «чистящего» облучения.

Видно, что кислород был практически полностью удален из пиролитического графита, когда толщина распыленного слоя лишь незначительно превышала длину пробега ионов дейтерия (средняя величина пробега ионов дейтерия с = 400 эВ составляет = 8 нм). В образцах СРС количество захваченного кислорода менялось незначительно (изменения =5% общего захвата О) даже при распылении слоя толщиной 50 нм при всех комбинациях энергий ионов. Удаление большего слоя СРС приводило к более быстрому увеличению эмиссии О из образцов. Содержание кислорода в образцах уменьшалось практически с постоянной скоростью с изменением времени распыления. Полное удаление кислорода (удаление порядка 99% ат. всего захваченного кислорода) наблюдалось при удалении достаточно толстого слоя СРС (600 нм и больше в зависимости от комбинаций энергий ионов при внедрении кислорода и при чистке). Во всех случаях толщина удаленного слоя во много раз превосходила глубины внедрений ионов как кислорода, так и дейтерия.

В то же время скорость удаления кислорода зависела от энергии ионов чистящего облучения. Требовалось распылить большой слой графита (толщиной > 1000 нм) в комбинациях 400/400 и 400/100, т.е. при чистке с высокой энергией ионов (400 эВ), независимо от энергии внедренных частиц. Слои меньшей толщины (=500 нм) необходимо было удалить в комбинациях 100/100 и 400/100 (рис. 6а).

Десорбция кислорода оставалась практически неизменной при уменьшении температуры с 530 до 450 К. В то же время для удаления кислорода в комбинациях 400/100 и 100/100 требовалось гораздо большее время (>150 мин) по сравнению с 80-90 мин в комбинациях 100/400 и 400/100 (рис.66).

Для исследования зависимости эффективности чистящего разряда от потока были проведены две серии экспериментов. В первой серии экспериментов образцы были облучены в D2+2%02 плазме потоками ионов 2х1019ат-м"'2'С~1и 10мат-м"2-с-1, а затем облучены в чистящем разряде с потоком ионов ЗхЮ^ат м^-с"1. Во второй серии образцы были облучены в D2+2%02 плазме потоками иоиовЮ20атм~2-с~', затем облучены в чистящем разряде потоками ионов 3* 1019ат'М~2-с_1 и 2хЮ19ат-м~2-с~'.Во всех случаях внедрённая доза при облучении в D2+2%02 плазме была 5*1023 ат-м~2, Доза чистящего облучения была выбрана 6х1022атм~2 и 1,2x1023 ат-Nf2, при этом толщина удаленного слоя составляла 400 и 700 им соответственно. Эффективность чистящего разряда не зависела ни от потока ионов, внедряемых при плазменном облучении, ни от потока ионов во время чистящего облучения.

Полученные результаты позволяют сделать заключения о характере процессов, определяющих закономерности удаления кислорода при ионной бомбардировке.

Энергии ионов кислорода и дейтерия, внедряемых в образцы, облучаемые в (D2 + %Oi) плазме, одинаковы. Глубины проникновения ионов кислорода в исследованные материалы гораздо меньше глубин проникновения ионов дейтерия при одинаковых энергиях. При одновременном облучении внедряемые атомы дейтерия проникают в объём графита через слои, заполненные атомами кислорода. Другими словами, захваченные атомы кислорода оказываются в регионе каскадов столкновений, порождаемых быстрыми ионами дейтерия, и участвуют в таких каскадах. Основное количество частиц мишени, участвующих в каскадах, получает импульс, направленный в объём графита. Атомы О, выбитые со своих мест, перемещаются в объём графита, где образуют химическую связь с атомами углерода. После образования связи с углеродом атомы кислорода не MOiyT принимать участия в диффузионных процессах и остаются в связанном состоянии до тех пор, пока не будут в следующий раз выбиты со своего места и перемещены вглубь графита. В результате в углеграфитовом материале, подверженном одновременному внедрению ионов дейтерия и кислорода D-0 плазмы с одинаковыми энергиями, атомы кислорода насыщают слои, значительно превышающие толщину зоны торможения ионов кислорода, при этом максимум распределения кислорода смещается на глубину, сравнимую с проективным пробегом ионов дейтерия. Как следствие, захват кислорода в

CFC, облучаемом в D-0 плазме оказывается большим, чем при облучении пучком ионов кислорода.

На основании полученных в работе результатов были выработаны практические рекомендации по кондиционированию первой стенки токамаков из углеродных материалов. Оптимальные энергии ионов дейтерия при очистке углеграфитовых материалов от кислорода находятся в диапазоне 100 эВ < Ei < 400 эВ. При этих энергиях будет осуществляться компромисс между максимальной скоростью удаления кислорода и минимальной толщиной распылённого графита. Использование энергий ионов дейтерия с Ei > 400 эВ приведёт к увеличению коэффициента распыления графита, но при этом транспорт кислорода в объём графита ускорится, что потребует распыления слоя графита большей толщины. Использование энергий ионов дейтерия с Е; < 100 эВ приведёт к заметному уменьшению скорости распыления углерода и незначительному ослаблению транспорта кислорода в объём графита, что повлечёт существенное увеличение времени кондиционирования.

В четвертой главе описаны результаты исследования захвата водорода в углеродные и углеродо-вольфрамовые плёнки, напылённые в плазме.

Напыление слоёв проводилось на Установке Плазменного Облучения и Осаждения Покрытий (далее УПО). Стенд состоит из плазменной камеры, вакуумной системы, блоков питания и управления. Плазменная камера включает систему электродов, позволяющую зажигать разряд между анодом и накальным вольфрамовым катодом, мишеней, узла крепления подложек. Разряд зажигался на смеси аргона и водорода. Ионы плазмы вытягивались на графитовую и вольфрамовую мишени, распыляя их. Распылённые атомы мишеней осаждались на подложки, формируя плёнку. Узел крепления подложек позволяет проводить напыление одновременно четырех плёнок. Основной массив исследований проведен с углеродными слоями, напыляемыми на подложки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Плёнки осаждались при сопутствующем облучении ионами аргоновой или аргоно-водородной плазмы. Толщина напылённых плёнок составляла примерно 1 -1,5 мкм. Перед осаждением плёнок подложки отжигались до температуры 1000 К.

Количество захваченного в плёнки водорода и особенности его десорбции определялись методом ТДС (см. главу 2). Скорость нагрева плёнок при анализе составляла 5 К с~ . Максимальная температура нагрева образца была 1500 К. В экспериментах давление аргона в разряде составляло МО"3 Topp, парциальное давление водорода и паров воды было Ю-6 Topp и ~ 7+10"6 Topp соответственно.

Основные параметры напыления и концентрации водорода и кислорода в плёнках приведены в Таблице 1. В первых двух строках показаны данные работы [4], в последних трёх строках - результаты данной работы (Т -температура подложек во время напыления, fH2+, fAr+, fmo, - поток ионов водорода, ионов аргона и молекул воды на подложки, соответственно. Н:С и 0:С - концентрации водорода и кислорода в плёнках, соответственно, т -время напыления монослоя).

Сравнение основных параметров экспериментов данной работы и результатов работы [4], в которой проводилось осаждение углеродных слоев в атмосфере водорода с использованием испарителя

графита (см. таблицу 1, строки 1 и 2), показало, что присутствие нейтрального аргона (давление МО' Topp) не изменило существенно захват водорода и кислорода

Концентрация водорода и кислорода в плёнках, напыленных в оказалась значительно ниже, чем

10 „ Ж

давление Н„ Topp

поток Н2, см' с

Рис. 7. Зависимость захвата водорода и кислорода от давления водорода в разряде.

аргоновой плазме (УПО 6-10" Topp), концентрация водорода в плёнках, осажденных при помощи испарителя углерода [4] при близких экспериментальных параметрах.

Дня объяснения этого факта приходится предположить, что причиной уменьшения сорбции водорода и кислорода является бомбардировка растущих углеродных слоев низкоэнергетичными ионами аргона.

В экспериментах по исследованию захвата водорода в напыляемые плёнки к аргоновой плазме добавлялся водород с парциальным давлением от 6-10-6 до МО'3 Topp. Давление аргона поддерживалось на уровне 1 • 10'3 Topp. Скорость напыления составляла «0,1 нм-с"1.

Оказалось, что зависимость захвата водорода и кислорода от давления Таблица 1.

Т, К fm+> <Ес, ITC О.С т, W. 1н20.

CM'V эВ с curV1 C\fV

[4] Т10'3 Topp 370 - «0,2 0,25 0,045 1,8 - «31015

[4] М0'3Торр, + Ar 370 - «0,2 0,22 0,053 1,8 - «31015

УПО 610"6 Topp 450 - ~ 1 0,1 0,006 * «7-Ю15 »21015

УПО 4-Ю-4 Topp 450 «4-Ю15 ~ 1 0,078 0,009 10 «7'1015 «2Т015

УПО Т10"J Topp 450 «7-Ю15 ~ 1 0,036 0,005 20 «5-Ю15 «2-Ю15

водорода в разряде (рис.7) имеет сложный характер с максимумом захвата при давлениях 10~5 - КГ4 Topp.

Отметим, что эта зависимость схожа с зависимостью захвата дейтерия в CFC, от давления кислорода в рабочем газе, полученной в Главе 2. Поэтому можно считать, что наблюдаемая зависимость, как и в случае, описанном в Главе 2, есть, в основном, результат действия двух разнонаправленных процессов. Первый из них - это увеличение захвата водорода и кислорода из

сорбированных на

поверхности молекул воды, которые выступают основным источником захвата (Смотри Главу 2), при увеличении концентрации водорода в рабочем газе. Это происходит благодаря тому, что при этом возрастает поток ионов водорода на поверхность, возрастает степень активации поверхности напыляемого слоя и, соответственно,

увеличивается захват водорода и кислорода из молекул воды по «потенциальному» механизму. Второй - это уменьшение концентрации молекул воды на поверхности, и, соответственно, уменьшение захвата атомов водорода и кислорода по мере увеличения молекулярного и ионного потоков на поверхность и сорбции молекул водорода.

В экспериментах по исследованию зависимости захвата водорода в углеродные плёнки от скорости напыления скорость варьировалась от 0,07 до 4 нм-с~'.

ТДС спектры плёнок (рис.8) подобны друг другу и отличаются, главным образом, только количественно. Это говорит о том, что варьирование скорости напыления не изменяло типы активных центров захвата водорода.

Зависимости концентрации водорода в плёнках, осажденных при давлении водорода 410"4Торр, от времени осаждения одного монослоя хорошо описываются линейной зависимостью: H:C=0,03t, где t - время напыления одного слоя (рис. 9).

Линейность этой зависимости говорит о том, что вероятность захвата атома водорода в ловушку определяется временем осаждения следующего слоя и время существования ловушки много больше времени осаждения одного монослоя.

IIS —■— ш2, 0,9 сек

0,7 > m2, 1,7 сек

l—m2, 1,9 сек

иг, ■ ra2, —и— m2, 3,4 сек 8,4 сек

300 400 500 600 700 Ш 900 КНШ 1100 1200 1300 14(10 1500 Температура, К

Рис. 8. Спектры термодесорбции водорода из углеродных плёнок.

Эксперименты по изучению захвата изотопов водорода в плёнках, осаждаемых в аргоновой плазме с добавлением дейтерия и примесью кислорода,

проводились при скорости напыления » 0,1 нм-с"1. Парциальное давление

кислорода в камере составляло 2Т0~бТорр. Давление дейтерия варьировалось в диапазоне 0 -1,5'10-4 Торр.

ТДС спектры водорода из плёнок, напыленных с добавлением кислорода,

совпадали по форме со спектрами водорода из плёнок, напылённых без добавления кислорода. Следовательно, примесь кислорода 0,2%) в плазме не изменила тип ловушек водорода (дейтерия) в плёнках. Вместе с тем, по абсолютному значению концентрация изотопов водорода (Н+0):С в плёнках, осаждаемых в плазме с примесью кислорода, заметно увеличилась по сравнению со случаем без кислорода (рис.7). Поэтому можно сделать вывод, что примесь кислорода в плазме не изменила основные механизмы захвата водорода (дейтерия) в плёнке, но стимулировала захват водорода из молекул воды.

Так как концентрация кислорода при напылении плёнок составляла ~ 0,2%, то на основании выводов работы [2] и Главы 2 диссертации можно полагать, что его влияние на захват водорода за счёт активации поверхности было незначительно и рост концентрации молекул воды был главным фактором увеличения захвата дейтерия.

Углеродо-вольфрамовые слои осаждались в плазме газового разряда на стенде УПО. В начале работы проводились раздельные измерения коэффициентов распыления графитовой и вольфрамовой мишеней. Количество распылённого материала определялось гравиметрическими измерениями. После этого были проведены подобные измерения при одновременном распылении графитовой и вольфрамовой мишеней. Была выявлена проблема изменения скорости распыления графитовой мишени вследствие попадания на неё атомов вольфрама с вольфрамовой мишени и, как следствие, развитие на ней рельефа и изменение коэффициента распыления. Поэтому совместное распыление двух мишеней было продолжено (в условиях проводимых экспериментов оно составило ~5 часов)

1 1410 л

т +

1 ч

т,1 9 4 10"* торр ♦ ГЮ'торр

4 т т Я' дня

Тг

К ...... гг

0123456789 10

время напыления монослоя, с Рис.9. Зависимости концентрации водорода в плёнках от времени осаждения одного монослоя, полученные в работе [4] ив данной работе.

до установления стационарного рельефа и, соответственно, не изменяющегося впоследствии коэффициента распыления. Были подобраны параметры эксперимента, при которых соотношения потоков углерода и вольфрама на подложки равнялось 1:3. Напыление производилось на подложки из трёх различных материалов: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, вольфрам и графит марки МПГ-8. Рабочим газом разряда являлся аргон. Давление аргона составляло (1,4^-1,б)х 10° Topp, давление остаточного газа было ЗхЮ"6 Topp. Энергия распыляющих ионов была 700 эВ. Напыление производилось с одинаковыми потоками атомов W и С на подложки,

j = 1,5х 1016 ат-см"2сек"'. Температура подложек во время напыления была Т=520 К. Скорость осаждения составляла 0,35 мкм/час. Толщины напыленных слоев контролировались гравиметрическим способом. Было проведено несколько серий экспериментов: разовые напыления слоев толщиной 1,5^-2.5 мкм, последовательное напыление 8 слоев по 0,12мкм, с фотографированием образцов в РЭМ после напыления каждого слоя.

При напылении углерод-вольфрамовых плёнок на подложку из нержавеющей стали до толщин -0,4 мкм плёнка оставалась практически однородной. Увеличение толщины слоя до -0,5 мкм приводило к началу растрескивания покрытия. Дальнейшее увеличении толщины слоя до -0,75 мкм приводило к массовому образованию чешуек и отшелушиванию.

щл

0,96

Рис. II. Зародыш на C-Wcnoe на вольфрамовой подложке. Под картинками указаны

толщины слоя, мкм

На вольфрамовой подложке при толщинах плёнки 0,36 мкм слой имеет холмистую структуру и появляются распределённые по поверхности «неоднородности» размером -100 нм. С увеличением толщины слоя их количество увеличивается (Рис. 10), но поперечные размеры растут незначительно (Рис. 10). Они развиваются в виде цилиндрических глобул, в

Рис 10. С-РР плёнка на вольфрамовой подложке. 1 - глобула, 2-холмистый участок плёнки.

основном по границам холмистых элементов слоя (Рис. 10). Был проведён элементный анализ поверхностного слоя методом Рентгеновской Фотоэлектронной Спектрометрии (РФЭС) на приборе НйасЫТМ-ЮОО (ТаЫеЬр Мкгозсор). Концентрация вольфрама измерялась по высоте пика в количестве зарегистрированных квантов. Было установлено, что содержание вольфрама в холмистом слое больше, чем в глобуле. Это свидетельствует о том, что глобула и ровный слой - две разные фазы.

При толщинах ~2 мкм начинается образование чешуек, а при толщинах -2,5 мкм происходит интенсивное отшелушивание,

На графитовой подложке при толщинах до 0,36 мкм слой остаётся относительно ровным. Аналогично напылению на вольфрамовую подложку, появляются зародыши размером -100 нм. При толщине 0,48 мкм на слое появляются вспученности. При толщине слоя 0,72 мкм происходит

растрескивание слоя по границе вспученности.

На рис. 12 В показан слом образца при толщине 0,96 мкм. Видно, что под вспученностью есть полости, а слой обладает столбчатой структурой. На рис. 12 видна глобула на слое на графитовой подложке.

Сравнение изложенных выше результатов с результатами экспериментов по напылению на такие же подложки углеродных слоёв выявляет некоторые важные различия в их развитии.

При напылении углеродных слоёв на подложки из нержавеющей стали не наблюдается растрескивание и образование чешуек. Отшелушивание, по крайней мере, до толщин 0,9 мкм, не наблюдается. Это свидетельствует о том, что адгезия углеродо-вольфрамового слоя на нержавеющей стали, на графите и на вольфраме гораздо хуже.

Основные этапы формирования \¥-С слоя на вольфрамовой и графитовой подложке изображены на рис.13. \iV-C слой на первом этапе напыления, до достижения толщины, примерно 0,1 мкм представляет собой однородную аморфную структуру. При продолжении напыления слой начинает кристаллизоваться, образуя столбчатую структуру с большой концентрацией

го'.с

Рис 12. С-1¥ плёнка на графитовой подложке. 1 - полости, 2-глобула, 3 -слоистая структура слоя.

вольфрама в ней. Атомы углерода, оказывающиеся «лишними» для создающихся структур и не встраиваемые в них, вытесняются на их периферии, где начинают формироваться новые кристаллические образования - глобулы. Этот процесс активно идёт, начиная с толщины слоя порядка 0,1-0,2 микрон. Глобулы, по-видимому, зарождаются и начинают развиваться по мере накопления концентрации атомов углерода.

Поэтому они появляются и в дальнейшем служат стоком для диффундирующих атомов углерода.

Интересно отметить, что закономерности формирования углеродно-вольфрамового слоя, в общем, такие же, как и закономерности формирования двухфазных металлических слоев из атомов металлов, не образующих однофазный сплав [5].

Изучался захват водорода и кислорода в W-C плёнки в зависимости от давления дейтерия в диапазоне 0 — 1,5-10 4 Topp. Несколько экспериментов было проведено с примесью кислорода в плазме с парциальным давлением 2-10~6 Topp. Напылённые плёнки состояли из я 25 % ат. вольфрама и я 75 % ат. углерода.

Аналогично углеродным плёнкам, концентрация (H+D);C в вольфрам-углеродных плёнках определялись, главным образом, захватом водорода, количество которого составляло > 90 % ат. Количество захваченного водорода и положение термодесорбционного пика оставались постоянным вне зависимости от давления дейтерия.

Примесь кислорода в разряде в количестве 0,2% не изменяла существенно захват изотопов водорода и положение максимумов десорбции в исследованном диапазоне экспериментальных параметров. Количество захваченного кислорода при напылении плёнок в плазме с примесью кислорода увеличилось я 3 раза.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

В диссертационной работе установлены закономерности захвата водорода и кислорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой с примесью кислорода. Экспериментально определены:

- ' 1 ШППП

I 1 1 1 П I 1 I 1

3 . подложки

4 IIIIIIIII

2 . Игтьипйииый слой

„J I I I I 1 I I I I

Рис.13. Основные этапы образования слоя на графитовой и вольфрамовых подложках.

- зависимость захвата кислорода и водорода от концентрации кислородной примеси в плазме,

- зависимость захвата кислорода и водорода от энергии облучающих ионов плазмы,

- характер распределения захваченного кислорода по глубине.

Определён механизм захвата водорода в углеграфитовые материалы при

появлении кислородной примеси в плазме.

Установлено, что удаление кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы, при их облучении ионами водорода происходит, в основном, за счёт распыления поверхностного слоя, содержащего атомы кислорода.

Определены закономерности удаления кислорода из углеграфитовых материалов. В частности, определены зависимости времени процесса и глубины распыляемого слоя от энергии ионов, температуры и типа материала. Для удаления 99%ат. кислорода из CFC при облучении ионами дейтерия с энергией 400 эВ требовалось распылить слой графита толщиной «900 нм, при этом время «чистящего» облучения составляло 80 минут. Для удаления 99%ат. кислорода из CFC при облучении ионами дейтерия с энергией 100 эВ требовалось распылить слой графита толщиной « 400 нм, при этом время «чистящего» облучения составляло 150 минут.

Определены закономерности формирования углеродо-вольфрамовых слоев, напыляемых в плазме, на подложки из нержавеющей стали, вольфрама и углерода. Определены толщины, после которых напыляемые слои начинают разрушаться, превращаясь, в конечном итоге, в пыль в условиях термоядерных установок. Для углеродо-вольфрамовых слоев, напылённых на подложки из вольфрама и графита эта толщина составила 2,5 мкм, на подложки из нержавеющей стали - 1 мкм.

Показано, что в тех случаях, когда углеродные и углеродо-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Захват стимулируется ионами плазмы, активирующими поверхность слоев.

Обнаружено, что захват кислорода и водорода из сорбированных молекул воды в углеродные слои увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода, способствующего уменьшению концентрации молекул воды в поверхностном слое. Выявлена зависимость захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродо-вольфрамовые слои от давления водорода.

Список использованной литературы

[1] TDS Investigation of Hydrogen Retention in Graphites and Carbon Based Materials. L. Begrambekov, O. Buzhinsky, A. Gordeev, et al., Phys. Ser. T108 (2004) 72

[2] Deuterium trapping in carbon fiber composites exposed to D plasma. A. Airapetov, L. Begrambekov, C. Brosset, J.P. Gunn, C. Grisolia, A. Kuzmin, T. Loarer, M. Lipa, P. Monier-Garbet, P. Shigin, E. Tsitrone, A. Zakharov, J. Nucl. Mater., Volumes 390-391 (2009) 589-592

[3] A. Refke, V. Phillips, E. Vietzke. J. Nucl. Mater. 250 (1997) 13-22

[4] Hydrogen trapping in depositing carbon films. Begrambekov, L. В., Kuznetsov, A. S.,& Shigin, P.A. Journal of Nuclear Materials, 390-391 (2009) 685-688

[5] Осаждение двухкомпонентных металлических слоев в плазме при высоких температурах, Беграмбеков Л.Б., Гордеев A.A., Садовский Я.А., Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 5, Май 2008, С. 109-112.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Deuteriumtrappingincarbonfibercompositesexposed to D plasma, A. Airapetov, L. Begrambekov, C. Brosset, J.P. Gunn, C. Grisolia, A. Kuzmin, T. Loarer, M. Lipa, P. Monier-Garbet, P. Shigin, E. Tsitrone, A. Zakharov, Journal of Nuclear Materials, Volumes 390-391, 2009, Pages 589-592

2. Захват и удержание кислорода и дейтерия в углеграфитовом композите при облучении в дейтериевой плазме с примесью кислорода, Айрапетов

A.A., Беграмбеков Л.Б., Вергазов C.B., Захаров A.M., Кузьмин A.A., Садовский Я.А., Шигин П.А., Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2009. № 3. С. 25-29.

3. Исследование захвата и удержания изотопов водорода в тайлах токамака Tore Supra, Кузьмин A.A., Айрапетов A.A., Беграмбеков Л.Б., Шигин П.А., Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез.

2009. № з. с. 30-34.

4. Удаление кислорода из углеграфитового композита и нержавеющей стали, облучаемой в дейтериевом тлеющем разряде, Беграмбеков Л.Б., Айрапетов A.A., Вергазов C.B., Кузьмин A.A., Шигин П.А., Садовский Я.А., Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез.

2010. №3. С. 29-34.

5. Захват и удержание дейтерия в углеродных материалах, облучаемых в плазме, A.A. Айрапетов, Л. Б. Беграмбеков, C.B. Вергазов, A.A. Кузьмин,

B.М. Смирнов, П. А. Шигин, Известия РАН. Серия физическая. - 2010. -Т. 74, N 2. - С.248-253

Спектры термодесорбции водорода из графитов и их связь с условиями имплантации и удержания, А.А.Айрапетов, Л. Б.Беграмбеков, С.В.Вергазов, А.А.Кузьмин, О.С.Фадина, П.А.Шигин, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2010, N 7. -С.23-28

Glow discharge cleaning of carbon fiber composite and stainless steel, A. Airapetov, L. Begrambekov, S. Bremond, D. Douai, A. Kuzrain, Ya. Sadovsky, P. Shigin and S. Vergasov, Journal of Nuclear Materials 415 (2011) S1042-S1045.

Подписано в печать:

26.12.2011

Заказ № 6454 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499)788-78-56 vvwvv.autorefcrat.ru

61 12-1/398

НАЦИОНАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

На правах рукописи

Кузьмин Арсений Александрович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ОЧИСТКЕ МАТЕРИАЛОВ СТЕНОК ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК ОТ КИСЛОРОДА В

ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ

Специальность 01.04.08 - Физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автору

Научный руководитель

Беграмбеков Л. Б.,

доктор физ.-мат. наук, профессор

Москва-2011

Оглавление

Введение........................................................................................................................5

Актуальность работы.................................................................................................................5

Основные цели и задачи работы...............................................................................................6

Выносимые на защиту результаты...........................................................................................6

Научная и практическая значимости работы..........................................................................8

Глава 1. Состояние исследований по захвату кислорода и изотопов водорода в углеродные материалы..............................................................................................9

1.1. Захват изотопов водорода в углеродные материалы.......................................................9

1.1.1. Газовый баланс дейтерия в токамаках.......................................................................9

1.1.2. Захват изотопов водорода в осаждаемых углеродных слоях.................................10

1.1.3. Захват изотопов водорода в углеродные материалы, облучённые в лабораторных условиях..........................................................................................................................................14

1.2. Лабораторные исследования углеродных и углеродно-вольфрамовых слоев............22

1.2.1. Зависимость структуры углеродных слоев и содержания в них водорода от

энергии ионов.................................................................................................................................22

1.3.4. Изменение структуры напылённых углеродных слоёв под действием ионной бомбардировки...............................................................................................................................27

1.3.5. Зависимость концентрации водорода в углеродных слоях от давления...............29

1.3.6. Кислород в углеродных слоях...................................................................................30

1.3.7. Углеродно-вольфрамовые слои, напылённые в плазме.........................................32

1.4. Выводы...............................................................................................................................33

Глава 2. Захват дейтерия и кислорода в углеграфитовые материалы при их облучении в дейтериевой плазме с примесью кислорода...................................34

2.1. Установка плазменного облучения и термодесорбционного анализа.........................34

2.1.1. Описание установки......................................... ...........................................................34

2.1.2. Узел крепления и нагрева образца............................................................................37

2.1.3 Схема электрической части установки.....................................................................40

2.1.4 Методика проведения экспериментов.......................................................................42

2

2.1.5. Параметры облучения................................................................................................51

2.1.6. Оценка погрешностей измерения ТДС-спектров....................................................52

2.1.7. Состав десорбировавшихся газов.............................................................................53

2.2. Зависимость захвата дейтерия и кислорода в СРС от энергии облучающих ионов.. 54

2.2.1. Параметры облучения................................................................................................54

2.2.2. Результаты и их обсуждение.....................................................................................54

2.3. Зависимость захвата дейтерия и кислорода в СРС от концентрации кислорода в рабочем газе.......................................................................................................................................61

2.3.1. Параметры облучения................................................................................................61

2.3.2. Результаты и их обсуждение.....................................................................................61

2.4. Зависимость захвата кислорода и дейтерия от плотности потока и дозы облучения.62

2.4.1. Параметры облучения................................................................................................63

2.4.2. Результаты и их обсуждение.....................................................................................63

2.5. Выводы...............................................................................................................................67

Глава 3. Удаление кислорода из графитов при облучении в дейтериевой плазме..........................................................................................................................68

3.1 Введение..............................................................................................................................68

3.2. Методика экспериментов. Подготовительный этап......................................................69

3.3. Результаты экспериментов по удалению кислорода из СБС........................................73

3.4. Обсуждение результатов экспериментов.......................................................................77

3.4.1. Облучение углеграфитовых материалов в кислородосодержащей дейтериевой плазме..............................................................................................................................................78

3.4.2. Удаление кислорода из углеграфитовых материалов облучением в дейтериевой плазме..............................................................................................................................................79

3.5. Режимы облучения СБС в дейтериевой плазме с целью удаления внедрённого кислорода...........................................................................................................................................82

3.6. Выводы...............................................................................................................................83

Глава 4. Захват водорода и кислорода в углеродные и углеродно-вольфрамовые слои, осаждённые в плазме...........................................................85

4.1. Установка плазменного облучения и осаждения покрытий.........................................85

4.1.1. Конструкция стенда........................................ ...........................................................85

4.1.2. Параметры стенда.......................................................................................................89

4.2. Установка термодесорбционного анализа МИКМА.....................................................91

4.3. Результаты и обсуждение.................................................................................................93

4.3.1. Методика напыления углеродных плёнок...............................................................93

4.3.2. Захват водорода в углеродных плёнках, осаждаемых в аргоновой плазме с добавлением водорода............................................... ....................................................................94

4.3.3. Захват водорода в углеродных плёнках в зависимости от скорости осаждения. 98

4.3.4. Методика осаждения углеродно-вольфрамовых плёнок......................................101

4.3.5. Рост углеродно-вольфрамовых слоёв на подложках из разных материалов......102

4.3.6. Основные этап формирования углеродно-вольфрамового слоя..........................106

4.3.7. Захват водорода и кислорода в углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме............................................................................................................................................108

4.4. Выводы.............................................................................................................................109

Заключение..............................................................................................................109

Список цитированной литературы......................................................................113

Введение.

Актуальность работы.

Наличие кислородной примеси в плазме термоядерных установок существенно снижает их энергетические и эксплуатационные параметры, усложняет управление установками и интерпретацию получаемых результатов. Большие количества кислорода накапливаются в процессе работы токамака в графитовых элементах первой стенки в осаждённых углеродных и углеродно-вольфрамовых слоях, что затрудняет его удаление из плазмы в процессе подготовительных процедур. При последующем взаимодействии потока частиц и излучения плазмы с поверхностью графита в плазме оказывается большое количество кислорода. Это приводит к увеличению радиационных потерь из плазмы и, соответственно, к необходимости увеличения вкладываемой в плазму мощности. Другим отрицательным явлением в токамаках, обусловленным присутствием в плазме кислорода, является интенсивное распыление ионами кислорода поверхности первой стенки и загрязнение плазмы продуктами распыления. Эти и ряд других явлений, связанных с захватом и накоплением кислорода в контактирующих с плазмой графитовых элементах первой стенки определяют важность решения проблемы кислорода в плазме для современного этапа термоядерных исследований.

Данная работа является чрезвычайно актуальной, поскольку в ней проведено систематическое исследование параметров, закономерностей и механизмов захвата кислорода и водорода в графиты, облучаемые в водородной плазме с примесью кислорода, исследованы закономерности формирования углеродных и углеродно-вольфрамовых слоев и захват в них кислорода и предложена методика удаления кислорода (кондиционирования первой стенки) с помощью облучения плазмой «чистящих» разрядов.

Основные цели и задачи работы.

Основной целью проведенной работы являлось исследование закономерностей захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы облучаемые в водородной плазме с примесью кислорода; исследование процессов, определяющих удаление кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевой плазме и разработка методики его удаления; исследование формирования углеродных и углеродно-вольфрамовых слоев, напыляемых в плазме, и особенностей захвата ими кислорода и водорода.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи исследования:

Измерение параметров и изучение закономерностей захвата водорода в углеграфитовый композит СБС и пиролитический графит при облучении в водородной плазме с примесью кислорода.

Выявление закономерностей формирования углеродно-вольфрамовых плёнок, напылённых в плазме.

Исследование закономерностей захвата водорода и кислорода в углеродные и углеродно-вольфрамовые плёнки.

Изучение закономерности и разработка методики удаления кислорода из графитов при облучении в дейтериевом разряде.

Выносимые на защиту результаты.

1. Захват водорода и кислорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой, а также в углеродные и в углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, растёт при увеличении в ней концентрации кислородной примеси до определенной величины и спадает при дальнейшем её увеличении 1.1.Рост захвата водорода при появлении в плазме кислородной примеси обусловлен тем, что атомы и ионы кислорода активируют поверхность

углеграфитовых материалов и интенсифицируют потенциальный механизм захвата атомов водорода из водородосодержащих молекул, сорбированных на их поверхности.

1.2.Уменьшение захвата водорода при увеличении концентрации кислородной примеси в плазме выше определённой величины происходит в результате увеличения степени покрытия поверхности углеграфитовых материалов молекулами Н20, ИБО, Б20 и, соответственно, уменьшением возможности активации поверхности ионами и атомами кислорода плазмы.

2. При облучении графитов ионами водородной плазмы с примесью кислорода максимум распределения кислорода смещается на глубину, сравнимую с проективным пробегом ионов водорода, в результате его участия в каскадах смещения, создаваемых последними.

3. Удаление кислорода, имплантированного в углеграфитовые материалы, при их облучении ионами водорода происходит, в основном, за счёт распыления поверхностного слоя, содержащего атомы кислорода.

4. Толщина слоя, который необходимо распылить ионами водорода для удаления кислорода, имплантированного в графит, может оказаться значительно большей толщины слоя, содержащего кислород до начала облучения, в результате того, что максимум распределения кислорода, постоянно смещаясь по мере распыления поверхности, остаётся на примерно постоянном удалении от поверхности.

5. В тех случаях, когда углеродные и углеродно-вольфрамовые слои, напыляемые в плазме, не облучаются быстрыми атомарными частицами плазмы, захват водорода и кислорода в них происходит по «потенциальному» механизму, в основном, из молекул воды, сорбированных на поверхности слоя. Захват стимулируется ионами плазмы, активирующими поверхность слоёв.

6. Захват кислорода и водорода из сорбированных молекул воды в углеродные слои увеличивается при увеличении активирующего поверхность потока ионов плазмы и уменьшается при увеличении потока молекулярного водорода, способствующего уменьшению концентрации молекул воды в поверхностном слое.

Научная и практическая значимости работы.

В диссертационной работе впервые экспериментально определены основные закономерности захвата кислорода и водорода в углеграфитовые материалы, контактирующие с водородной плазмой с примесью кислорода. Определены закономерности захвата. Выявлены закономерности удаления кислорода из углеграфитовых материалов при облучении в дейтериевом разряде.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней разработана методика удаления кислорода (кондиционирования) элементов первой стенки токамаков, выполненных из графита, с помощью облучения плазмой «чистящих» разрядов.

Глава 1. Состояние исследований по захвату кислорода и изотопов водорода в углеродные материалы.

В первой главе приведены результаты аналитического обзора работ, посвященных изучению захвата кислорода и изотопов водорода в углеродные материалы, углеродные и углеродно-вольфрамовые слои (плёнки), осаждаемые в токамаках и в лабораторных установках. Кратко представлены известные методы удаления плёнок. Рассмотрены основные механизмы сорбции изотопов водорода в углеродных материалах.

1.1. Захват изотопов водорода в углеродные материалы.

Исследования в токамаках Т-10, Tore Supra и других [1 - 19], имеющих углеродные контактирующие с плазмой материалы (КПМ), указывают на то, что значительная часть инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере. Предположительно, захват дейтерия происходит в графитовых материалах и осаждённых плёнках.

1.1.1. Газовый баланс дейтерия в токамаках

В токамаке Tore Supra до 50 % [1, 2, 4 - 6], в JET до 40 % [1], в ASDEX Upgrade 3 - 4 % [1] инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере. Интенсивность захвата дейтерия практически не зависит от параметров разряда и предыстории КПМ [1, 2, 4 - 6, 8]. Это означает, что на захват дейтерия в камере не влияют предыдущие разряды, в том числе, кондиционирующие [1, 5].

Показано [1,2, 6], что захват дейтерия максимален при старте разряда (рис. 1.1). Предположено, что это часть дейтерия захватывается в результате адсорбции дейтерия на КПМ, и откачивается в паузах между экспериментами. В течение основного времени разряда захват устанавливается на примерно постоянном уровне. В Tore Supra величина постоянного захвата во время разряда

О 1 лл _1

составляет « 0,5 Па-м -с (« 1,25-10 D2c ) [5]. Высказано предположение, что во время разряда захват дейтерия происходил в результате имплантации и последующего захвата ионов в КПМ и осаждения плёнок. В процессе

кондиционирования камеры токамака часть захваченного дейтерия откачивается, но эта часть не влияет существенно на газовый баланс.

Можно сделать вывод, что осажден ие углеводородных слоев в токамаках является наиболее вероятной причиной постоянной скорости захвата дейтерия во время разряда. В то же время, в токамаках сложно провести детальное исследование захвата водорода в слои, в частности, варьировать параметры осаждения плёнок. Газовый баланс как метод исследования захвата водорода в токамаке оказывается слишком общим, не позволяющим выявить закономерности захвата газов в слои.

1.1.2. Захват изотопов водорода в осаждаемых углеродных слоях

Детальное исследование захвата изотопов водорода в токамаках проводилось с помощью анализа плёнок, извлеченных из различных частей установки [3, 1,9- 19]. Зная приблизительные параметры осаждения в данной части камеры и измерив параметры плёнок, можно сделать общие заключения об особенностях захвата водорода в плёнки.

Анализ слоёв из токамаков показал, что концентрация изотопов водорода в них варьируется от 0,01 до 1 в зависимости от области формирования плёнки в камере.

Концентрации изотопов водорода в углеродных слоях, осаждённых в токамаке Т-10 [11], измерялись методом обратного резерфордовского рассеяния (ОРР) и методом ядер отдача (МЯО). Концентрация дейтерия понижалась в поверхностных слоях на глубине * 200 - 300 нм (рис. 1.2), при этом, концентрация

10

х 10Г__

I0mm= 10" at/mJ — Implantation

— Bulk diffusion

— Codeposilion D/C = 0.1

— Codeposilion D;C « 1

— Experimental (shot 32299|

400

Time (s)

Рис. 1.1. Захват деитерия во время разряда в Tore Supra [2]. Первая фаза захвата объясняется имплантацией, вторая - область постоянного захвата -осаждением углеродных слоёв.

1J

OJ

_ О.б

о

5 0.4

—fir

'Ж

a:

.A'

1

0

100

ТСШЩЩШ, НМ

Рис. 1.2. Изменение атомного отношения В/С по толщине гомогенных соосаждённых углеродно-дейтериевых плёнок [11], образовавшихся в вакуумной камере токомака Т-10, определенное комбинацией метода ОРР и МЯО.

водорода незначительно повышалась с 4,5 до 8,3 ат. %. Авторы объяснили этот факт тем, что из поверхностных слоев дейтерий десорбировался за время между извлечением плёнок из токамака и анализом. Рост концентрации водорода в поверхностной области произошел из-за изотопного обмена водорода с дейтерием. Интересно, что концентрация (Н + Б):С (табл. 1) на глубине плёнки достаточно велика (« 0,6 - 1), и в образце N1 (Н + Б):С в 2

- 3 раза выше, чем D:C (табл. 1). Такую разницу в количествах захваченных водорода и дейтерия сложно объяснить тольк�