Молекулярный эффект при взаимодействии водородосодержащих ионов кэвных энергий с веществом

Гриднева, Елена Алексеевна

Автореферат диссертации на тему "Молекулярный эффект при взаимодействии водородосодержащих ионов кэвных энергий с веществом"

На правах рукописи

ГРИДНЕВА Елена Алексеевна

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ИОНОВ КЭВНЫХ ЭНЕРГИЙ

С ВЕЩЕСТВОМ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Курнаев Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент

Афанасьев Виктор Петрович

доктор физико-математических наук, Черныш Владимир Савельевич

Ведущая организация:

Институт ядерного синтеза Российский научный центр «Курчатовский институт» (ИЯС РНЦ КИ), Москва

Защита состоятся «21» сентября 2005 г. в 16 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409 Москва, Каширское шоссе 31, конференц-зал главного корпуса, тел 324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан «21» августа 2005 г.

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

Ученый секретарь

диссертационного совета

Евсеев И.В.

-ч

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Захват и отражение легких ионов водорода первой стенкой и другими поверхностями термоядерного реактора (ТЯР) являются одними из основных процессов, определяющих накопление топлива в обращенных к плазме элементах конструкции ТЯР, массообмен плазмы и стенки. Распыление обращенных к плазме материалов ТЯР под действием потоков частиц из нее влияет на время удержания плазмы, а также на эрозию и деградацию обращенных к плазме элементов, в том числе диагностического оборудования. Экспериментальное и теоретическое исследование этих процессов проводилось во многих лабораториях и составило основу базы данных для термоядерных установок. Однако сведения об особенностях взаимодействия молекулярных (кластерных) водородосодержащих ионов с материалами плазменных установок крайне отрывочны и скудны. В то же время, в связи с развитием концепции газового дивертора, роль молекулярной составляющей в процессах рециклинга топлива становится все более значимой.

Кроме того, при облучении поверхности кластерными ионами проявляются неаддитивные по сравнению с облучением атомарными ионами эффекты. Облучение поверхности моноядерными кластерами позволяет исследовать эти эффекты в зависимости от количества частиц в кластере. Помимо этого облучение поверхности гетероядерными кластерами позволяет реализовать облучение поверхности фрагментами молекулярного иона и, тем самым, спуститься в область более низких кинетических энергий частиц.

На процессы отражения и распыления при облучении поверхности могут влиять различные факторы, такие как шероховатость поверхности, наличие на ней тонких осажденных пленок и примесей, и т.п. Проведение экспериментов по регистрации энергетических пасппелелений гЪпагментов

кластеров позволяют выявить эффекты, связанные с указанными выше факторами.

Компьютерное моделирование с помощью кодов, позволяющих включить в рассмотрение особенности реальных экспериментов: состав примесей, тепловые колебания атомов решетки твердого тела, структуру исследуемого вещества, рельеф мишени и т.п., пополняет представление о происходящих процессах. В связи с известными сложностями проведения экспериментов с тритием, компьютерные расчеты являются дополнительным инструментом изучения взаимодействия данного изотопа водорода с материалами ТЯР. Модельные расчеты также необходимы для оценки потоков частиц в сложной геометрии элементов ТЯР, например, для прогнозирования поведения диагностических зеркал термоядерных установок, а также при разработке средств корпускулярной диагностики плазмы, в которых используются твердотельные конверторы потоков нейтралов. Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей взаимодействия с конденсированными средами водородосодержащих молекулярных ионов для выявления физики происходящих при этом процессов, их влияния на процессы рециклинга топлива в термоядерном реакторе и при разработке корпускулярных средств диагностики плазмы.

Цель работы

1. Сравнительное экспериментальное исследование особенностей взаимодействия атомарных и молекулярных ионов водорода термоядерных энергий с твердым телом для выявления отличий, обусловленных связанным состоянием нуклонов в молекулярном ионе.

2. Тестирование методов компьютерного моделирования процессов отражения и прохождения через вещество ионов водорода с помощью прямых экспериментов.

3. Разработка экспериментального стенда для исследования взаимодействия с материалами плазменных установок низкоэнергетичных легких ионов в чистых вакуумных условиях.

4. Применение выявленных закономерностей взаимодействия изотопов водорода с тонкими слоями конденсированного вещества при разработки средств диагностики для термоядерного реактора.

На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:

1. Экспериментальный стенд, позволяющий исследовать взаимодействие легких ионов кэвных энергий с веществом в условиях чистого сверхвысокого вакуума.

2. Впервые экспериментально измеренный и теоретически обоснованный вклад молекулярного эффекта в уширение энергетического спектра частиц, прошедших тонкий слой вещества при взаимодействии с ним молекулярных ионов водорода кэвных энергий.

3. Впервые экспериментально обнаруженный и интерпретированный вклад молекулярного эффекта в уширение энергетического спектра при малоугловом отражении водородосодержащих ионов от поверхности твердого тела.

4. Концепция и проект прибора для анализа газовых смесей на выходе термоядерного реактора, основанного на использовании эффекта диссоциации молекулярных ионов при прохождении тонких слоев вещества.

Научная и практическая значимость работы

Результаты проведенных экспериментальных исследований и их обработка с помощью компьютерных кодов, разработанные приборы и оборудование могут найти применение:

1. для корпускулярной диагностики плазмы при анализе нейтралов перезарядки с помощью тонких фольг;

2. для возможной идентификации при взаимодействии с веществом кластерных частиц в разных состояниях возбуждения;

3. для повышения точности моделирования взаимодействия с конденсированными средами молекулярных водородосодержащих ионов;

4. при анализе состава газовой смеси на выходе термоядерного реактора;

5. для создания современных ионно-пучковых установок различного назначения.

Апробации работы

Основные результаты были представлены на 13 международных конференциях и симпозиумах:

• Взаимодействие ионов с поверхностью (ISI-99, ISI-2001, ISI-2003, ISI-2005), Звенигород, Россия;

• Atomic Collisions in Solids (1999, 2001), Odense, Denmark; Paris, France;

• Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (2000), МГУ, Москва, Россия;

• Interaction of Fast Charged Particles with Solids (2000, 2002), Nizhnii Novgorod, Russia; Kyoto, Japan;

• 29th EPS Conference (2002), Montreux, Switzerland;

• Modification of Materials with Particles Beams and Plasma Flows (2004), Tomsk, Russia;

• ICACS (2004),Genue, Italy;

• Inelastic Ion-Surface Collisions (2004), Mie, Japan; а также на:

• 2-ой, 3-ей, 6-ой научных сессиях МИФИ (1999, 2000, 2003), Москва;

• II, III, IV Российских семинарах «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (2000, 2001, 2003), МИФИ, Москва;

• 28-ой Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (2001), Звенигород;

• IX, XI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "ВАКУУМНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА» (2002, 2004), Судак, Украина.

Основное содержание диссертации опубликовано в 24 печатных работах. Их список представлен в конце автореферата.

Структура и объем диссерации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит /ов страниц машинописного текста 2& рисунка, 3_ таблицы. Список литературы включает наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, представляются основные положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 приведен обзор экспериментальных исследований взаимодействия атомарных и молекулярных ионов водорода с энергиями от единиц до десятков килоэлектронвольт с твердым телом, в основном с тонкими фольгами; рассмотрены основные физические явления, сопровождающие взаимодействия легких ионов с твердым телом и особенности их моделирования с помощью компьютерных кодов.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальных установок и методов исследований, описанию используемых в экспериментах мишеней и их характеризации; а также, компьютерному коду, с помощью которого производилась интерпретация получаемых экспериментальных данных.

Основные экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены на основном ионном канале двухпучкового комплекса «Большой масс-монохроматор МИФИ», параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры основного ионного пучка установки «Большой масс-

монохроматор МИФИ»

Энергия ионов, кэВ 1.5-60

Дисперсия по массам, мм 300 АМ/М

Диапазон масс, а.е.м. 1 -80

Плотность потока (10исм"2с1) 0.01 - 200

Угол расходимости пучка ± 1.5 град

Вакуумная система основного ионного канала построена по принципу дифференциальной откачки с постепенным понижением давления от камеры ионного источника с ~ 10"'Topp до ~10"7Торр в камере взаимодействия.

Сепарированный по отношению M/z моноэнергетический пучок (рис.1) направлялся на мишени, установленные либо на поворотной пластине, (что дает возможность проведения эксперимента для нескольких мишеней одновременно), либо на гониометре, для воздействия на вещество

пучком заряженных частиц под углом, отличным от нормали.

Измерения

энергетических распределений частиц после взаимодействия с веществом проводились с помощью автоматизированного электростатического анализатора ионов и нейтральных атомов с разрешением по энергии 0.005 по ионам и 0.012 по нейтральным атомам и разрешением по углам регистрации 1 град в диапазоне 10° -135°, с телесным углом регистрации 7 * 10"4 стер,

работающего в счетном режиме в диапазоне энергий 0.1-60 кэВ.

Рис 1 Схема эксперимента

Регистрация частиц, прошедших через электростатический анализатор, производилась при помощи вторичного элекронного умножителя ВЭУ-6, расположенного в фокусе электростатического анализатора и соединенного через устройство сопряжения с компьютером.

Выход на компьютер позволял ступенчато изменять разность потенциалов на обкладках сферического дефлектора и накапливать информацию о числе импульсов в каждом энергетическом интервале, после чего энергетическое распределение выводилось на дисплей в виде таблицы с указанием номера канала и числа импульсов в нем.

Кроме того, для проведения экспериментов с легкими ионами низких энергий в особо чистых условиях использовался созданный сверхвысоковакуумный стенд (рис.2) с ЦНУ-дуоплазматроном с компьютерным управлением параметрами и напуском газа, масс-сепаратором ионов, магнитным анализатором и безмасляной откачкой. Разработанный ЦНУ-дуоплазматрон с системой контроля пучка рассчитан на работу с газовыми ионами до энергий 20 кэВ и плотностью тока на расстоянии 100 мм от выходного фланца источника свыше 1 мА/см2.

Рис 2 Сверхвысоковакуумный автоматизированный стенд для исследования взаимодействия легких ионов кэвных энергий с веществом.

Используемые для экспериментов ультратонкие алмазоподобные фольги, изготовленные в РНЦ «Курчатовский институт», подвергались

тщательному анализу с целью максимально правильного определения их параметров: плотности, толщины, флуктуации толщины; а также деградации в процессе облучения.

Для описания экспериментальных результатов использовался код статистических испытаний SCATTER, основанный на модели парных соударений. Ранее с помощью этого кода было получено хорошее совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными по прохождению легких ионов кэвных энергий через тонкие майларовые пленки. Этот код позволяет учитывать вклад различных факторов в формирование энергетических спектров прошедших ионов.

В Главе 3 приведены экспериментальные результаты, полученные при прохождении атомарных и молекулярных ионов водорода сквозь ультратонкие алмазоподобные фольги.

Исследованы особенности энергетических спектров для молекулярного и атомарного водорода в диапазоне энергий 2-г 12 кэВ. Потери энергии легких ионов за счет неупругих столкновений в этом диапазоне существенно превышают потери энергии в упругих соударениях и определяют положение максимума энергетического спектра прошедших через фольгу частиц.

На рис.3 приведены энергетические спектры для различных ионов водорода с

1

Е,

скоростью на нуклон. Из зависимости относительной ширины спектра АЕиг/Ет от

начальной энергии Е0 (рис.4) следует, что для различных ионов с одинаковой начальной скоростью на нуклон по мере увеличения числа атомов в ионе энергетический спектр

одинаковой

начальной

ЗООО 3200 3400 3600 3800 4000 420О

Рис 3 Энергетическая зависимость потерь энергии для различных ионов водорода.

уширяется, причем по мере уменьшения скорости различия в ширине спектров для разных ионов существенно возрастают.

На рис.5 представлены определенные по спектрам значения дЕиг I-[е^ для атомных и молекулярных ионов разных энергий, где

АЕ\/2 " энергетическая ширина спектра на полу высоте пика.

0,10 0,08 ШЕ о.»-I

цГ

< 0,04

0,00

\

Разрешающая способность алмазоподобной фольги \ в зависимости от

\ начальной энергии ■ - Н ° - Нг

ч ^ * -н.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Рис.4 Зависимость разрешающей

способности фольги толщиной Ь = 25 А от начальной энергии частиц

Анализ вклада за счет молекулярного эффекта

■ -н ле!7/е0 -2 7ev ' о - Нг лЕ1га/Е0'я»3 3eV'" л -Н)ЛЕ1(1/Е0"3=4 5eV'"

Н.ДЕ-/Е. "I 9eV

Н} ЛЕ^уе^Э 6eV'"

4000 6000 6000

10000 12000

Рис.5 Зависимость АЕ1П / JЕ„ от начальной энергии Е0.

Полуширина пика в данной области энергии водорода для протонов может быть выражена следующим образом1':

ДЕи1(в = = 0) = l-Jlbl^E^kL х

f)'

ег{Е в) J_ (*(£„))2 L

где AL - флуктуации толщины фольги, а последний член в фигурных скобках определяет относительные флуктуации потерь энергии при неупругих столкновениях. Причем относительная флуктуация толщины не зависит ни от толщины, ни от энергии, а только от материала. Для всех исследуемых фольг она является константой, что подтверждено

экспериментально: АЕ,, 2 / JE0 я const для любой из фольг.

Как оказалось, это верно и для молекулярных ионов. Более того, если полуширину энергетического спектра представить в виде

'^.N Koborov, et a! Nucl Instr.Meth. B129 (1997) 5

AEl/2 ~ ^jE^\AEat2 + AEmol2) , где АЕтЫ - вклад за счет

молекулярного эффекта, то наблюдается постоянство величины АЕтл/ л[Е

(рис.5). При сравнении спектров Н* и Н+2 ЛЕШ11/ л[~Ё = 2,l±0,3eV1/2 для всех исследуемых фольг в диапазоне энергий 2-10 кэВ/нуклон. Сравнение спектров, полученных при облучении ионами Н+ и Н3+ для фольги с

L = 25 А дает значение ЛЕтл / ± 0,3 eVl/2. Вероятной причиной

резкого уширения спектров для падающих молекулярных ионов является кулоновское рассталкивание протонов в среде с малой плотностью свободных электронов, как у углеродных пленок, что приводит к появлению как более быстрых, так и более медленных частиц.

Простые расчеты энергии, получаемой движущимся протоном, на который «внезапно» начинает действовать кулоновское отталкивание второго протона, находящегося на межъядерном расстоянии г? для иона Н2+ дает значение дополнительной энергии АЕ* = 2*[2*Е0-(е2/г2)]1/2 cos а, где а - угол между первоначальным направлением движением иона и линией, соединяющей центры ядер. Численная подстановка г2 и г3 (для иона Н3+) при а=0 дает, соответственно, зна7пчения

АЕ*/ 4Ё = 2,16 eV1/2 и АЕ'/ 4Ё = 3,4 eV,/2, хорошо соответствующие

АЕта!/-^Е, найденным в экспериментах.

В экспериментах также наблюдались потерявшие в фольге часть энергии молекулярные ионы (либо недиссоциировавшие, либо образовавшиеся на выходе из фольги), но доля их в данном диапазоне энергий весьма мала 5-10"3 в фольге 50А от общего числа зарегистрированных ионов при начальной энергии частиц 10 кэВ).

Глава 4 содержит результаты экспериментальных исследований в широком энергетическом интервале малоуглового рассеяния ионов водорода от материалов с высоким атомным номером. На рис.6 показано как меняется полуширина энергетических спектров отраженных от

молибденовой мишени частиц в зависимости от энергии падающих ионов для двух углов рассеяния 10° и 20°. Видно, что в отличие от теоретических данных для малоуглового рассеяния, предсказывающих линейную зависимость относительной полуширины спектра от энергии, на кривых наблюдается четко выраженный минимум с резким уширением спектров в области малых энергий. В экспериментах на тонких пленках (рис.4) было показано, что молекулярные ионы дают более широкий энергетический спектр прошедших частиц, чем атомарные и эта разница с уменьшением

Н, Р -> Мо 0=10" -о -н

-»--О 0=20" й -Н А -э - Мо1еси1аг еАей (сотри1ег 81ти1а&оп)

Рис.6 Изменение относительной

полуширины энергетических спектров частиц, отраженных от

молибденовой мишени для протия и дейтерия в зависимости от начальной энергии в расчете на нуклон (угол скольжения а=7,5°)

Е„. кеУ

энергии возрастает.

При этом наблюдавшийся эффект качественно и количественно объяснен моделью кулоновского развала влетающего в фольгу молекулярного гомоядерного иона.

В данной главе полученное выражение обобщено на случай гетероядерных ионов. Для направления между ядрами, совпадающим с направлением движения иона, это выражением имеет следующий вид:

ЛЕтЫ/ЛЕ,/2 = 2 К11,2 (Ео)1/2/В•Е02 = 2 (т,-т2/т2) 1/2К'■ 11/2■ Е0'3/2

где ^=1 для ионов Т)2+ и Н2\ К = (1/2)1/2 для иона НБ+.

Пунктиром на рисунке показан вычисленный по этой формуле вклад в уширение спектра от дополнительного кулоновского отталкивания

влетающих в твердое тело молекулярных ионов. Видно, что этот вклад существенен при низких энергиях и качественно хорошо описывает поведение кривых. При больших энергиях этот эффект мал и увеличение полуширины спектров имеет линейный характер, как для одноатомных частиц. •

Таким образом, вклад «молекулярного» эффекта в уширение энергетических спектров рассеянных ионов преобладает в области меньших энергий. Простое предположение кулоновского взрыва молекулярных ионов при малоугловом отражении от твердой мишени, как и в случае тонких пленок, позволило качественно объяснить главные особенности экспериментально измеренной зависимости относительной полуширины спектра водорода от начальной энергии частиц и массы изотопа ионов водорода, а именно:

• немонотонную зависимость относительной ширины энергетических спектров от энергии первичных ионов с сильным увеличением в области низких энергиях,

• меньший вклад "молекулярного" эффекта в ширину спектров для фрагментов по сравнению с Н+, образовавшихся вследствие диссоциации ионов.

Глава 5 посвящена применению сведений, полученных в первых главах для разработки малогабаритного анализатора газовой смеси на выходе термоядерного реактора.

Анализ состава газа, откачиваемого из термоядерных установок при наличии в плазме реакций синтеза, является одной из актуальных задач ее контроля, так как позволяет определить долю прореагировавшего топлива и количество образовавшихся продуктов. В реакторе с Б-Т топливом помимо дейтерия и трития будет также образовываться протий, 4Не и 3Не. В периферийных областях, где температура невысока, возможно образование двухатомных и трехатомных молекул как с одинаковым, так и с разным изотопным составом в диапазоне масс 1<М<9. При анализе состава термализованных продуктов реакции и несгоревшего топлива на выходе откачной системы следует ожидать наличия 5 различных компонент с примерно одинаковыми массами в диапазоне от

М= 2 а.е.м. (Н2) до М= 6 а.е.м. (Т2). Идентификация ионов с близким друг к другу отношением массы к заряду M/Z (например, ионов H2D, D2, НТ и 4Не) требует применения прецизионных и дорогих масс-спектрометров или газоанализаторов с разрешающей способностью не менее 103. А для масс-спектрометрического разрешения ионов HD+ и 3Не+ необходима разрешающая способность ~ 105.

Предложен и описан простой анализатор гелиево-водородной смеси на выходе термоядерных установок с минимальными требованиями по питанию и, в отличие от ранее предлагаемых, допускающий реализацию в радиационно стойком варианте в виде малогабаритного встраиваемого прибора.

Основной особенностью прибора является использование

диссоциации молекулярных ионов при прохождении через тонкие углеродные пленки с последующей сепарацией по энергиям фрагментов молекул (энергия которых после диссоциации пропорциональна их массе). Так как массы легких ионов различаются очень сильно, то требования к диспергирующим элементам существенно снижаются, что позволяет заметно сократить размеры и повысить чувствительность анализа. Прибор состоит из 6 последовательно соединенных функциональных элементов (см. рис.7): ионизатора, ионно-оптичсской системы, масс-сепаратора на базе постоянного магнита, комбинированного цилиндра Фарадея, плоского электростатического конденсатора и коллектора (либо коллекторной сборки).

Масс-сепаратор

Ионизатор

(Uvck)

Ионно-оптическая система

Пленка

Траектория I^OHOB

Электролиз статический конденсатор

Рис 7 Схема анализатора

Ионно-оптическая система обеспечивает ускорение ионов до UyLK~7- ЮкВ в плоскопараллельном пучке (оптика Пирса) с последующим торможением вплоть до 0,1 U на входе масс-сепаратора.

Для сепарации ионов водородно-гелиевой смеси с энергией ионов в диапазоне энергий 1-10 кэВ в качестве сепарирующего магнита предлагается использовать сильный постоянный магнит. Для анализа масс в диапазоне 1 - 9 в силу постоянства величины U x(M/Z) энергия ионов на входе в сепаратор должна варьироваться в том же интервале, для чего на магнит подается соответствующее тормозящее напряжение. Для указанного выше диапазона масс (1<М<9) разрешающая способность по массам должна быть RM > 9. Такое значение RM позволяет, с одной стороны, использовать выходную щель достаточно большой ширины, что увеличит чувствительность прибора, а с другой стороны, при столь низком разрешении ионы с разницей M/Z порядка 10"3 и меньше не будут пространственно разделены и попадут в одну и ту же область углеродной пленки для дальнейшего энергоанализа.

После масс-сепаратора ионы вновь ускоряются и регистрируются комбинированным цилиндром Фарадея, дно которого закрыто тонкой алмазоподобной фольгой, так чт о ле; кис ионы (водород, гелий) с энергией в единицы кэВ практически полностью проходят через фольгу, испытывая потери энергии, рассеяние и изменение зарядового состояния. Так как наибольшее значение положительной зарядовой фракции г)+ для протонов с энергией 10 кэВ не более 20%, а все остальные из рассматриваемых ионов имеют существенно меньшие значения г)+, то точность определения ионных токов таким цилиндром Фарадея (с учетом вторичной эмиссии электронов с обратной стороны фольги) можно оценить как 0,05.

Сепарация ионов с близкими значениями M/Z (например, D2+ и 4Не+) осуществляется при одновременном прохождении ими тонкой фольги, закрывающей дно цилиндра Фарадея, в результате чего происходит диссоциация молекулярного иона с образованием одноатомных фрагментов. (Как указывалось выше, доля молекулярных ионов после фольги менее 0,5%). Меняя тормозящее напряжение на обкладке энергоанализатора,

можно последовательно зарегистрировать все группы пошедших фольгу ионов и, зная ее преобразовательные свойства, восстановить их состав.

Для энергоанализатора достаточно обеспечить разрешающую способность по энергии ~ 10. При этом будут разделены наиболее близко расположенные на энергетической шкале ионы Б+ и Т1" от диссоциации молекулярных ионов БгТ* (Е0 ~ 2/7Е0) и Т2Н + (Ет « 3/7Е0) с уширенными за счет молекулярного эффекта энергетическими спектрами.

Данным прибором можно обеспечить регистрацию перечисленных выше компонентов газовой смеси на уровне их содержания -0,3%.

Основные результаты работы

1. Обнаружен молекулярный эффект при прохождении различных молекулярных ионов водорода кэвных энергий через тонкие фольги, заключающийся в том, что при равной скорости частиц двухатомные и трехатомные ионы имеют более широкие энергетические спектры, нежели одноатомные. Найдена количественная мера этого эффекта в зависимости от сорта иона.

2. Предложена простая модель кулоновского отталкивания фрагментов попадающего в фольгу иона, позволившая качественно и количественно объяснить результаты экспериментов.

3. Для узких энергетических спектров в случае малоуглового рассеяния легких ионов от мишеней из материала с большим атомным номером получено простое выражение, которое позволяет оценивать вклад «молекулярного» эффекта в ширину энергетических спектров по сравнению с шириной спектров для моноатомных первичных ионов.

4. Предложен и обоснован малогабаритный и весьма простой по конструкции анализатор водородно-гелиевой смеси с очень высоким разрешением по атомам с близкими значениями отношения массы к заряду. При реализации прибор позволит измерять как массы от 1 до 9, так и соотношение интенсивности компонентов газовой смеси с близким значением отношения массы к заряду (например, тритий и 3Не или НТ и Б2) и сможет применяться в качестве простого

малогабаритного встраиваемого датчика изотопного состава водородно-гелиевой смеси.

5. Собран стенд с вновь разработанным ионным источником типа дуоплазматрон для исследования взаимодействия с веществом легких ионов кэвных энергий в условиях чистого сверхвысокого вакуума.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Е.А.Гриднева, «Компьютерное моделирование возможности высокочувствительного анализа водородно-гелиевой смеси с применением тонких фольг». Научная сессия МИФИ-99. Том 3, с.119-120

2. Е.А.Гриднева, В.А.Курнаев, В.Х.Лихтенштейн, Н.Н.Трифонов, В.А.Урусов «Роль флуктуаций толщины тонких углеродных фольг в формировании энергетического спектра прошедших через них ионов водорода». Труды 14 международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (ISI-14) 30 августа-3 сентября, 1999, Звенигород. Изд. МАИ, т.1, с.226-229

3. E.A.Gridneva, V.A.Kurnaev, V.Kh.Lihtenshtein, N.N.Trifonov, V.A.Urusov// Experimental and computer investigation of energy losses and straggling of light ions penetrating extrathin layers of different structure // Abstract Intern. Conf on Atomic Collisions in Solids, Odense, Denmark, August 3-8, 1999, p.68

4. Е.А.Гриднева, «Влияние состава и структуры тонких пленок на энергетические и угловые спектры прошедших сквозь них изотопов водорода». Научная сессия МИФИ-2000. Том 4, с.479-480

5. Е.А.Гриднева, Н.Н.Коборов, В.А.Курнаев, Н.Н.Трифонов «Молекулярный эффект в спектрах ионов водорода кэвных энергий при прохождении сквозь тонкие углеродные фольги» Тезисы докладов XXX международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, МГУ 29 мая 2000г /Под ред. проф. А.Ф.Тулинова, -М.: Изд-во Моск.ун-та, 2000, с.22

6. Е.А.Гриднева, Н.Н.Коборов, В.А.Курнаев, В.Х.Лихтенштейн, Н.Н.Трифонов «Факторы, влияющие на энергетическое

разрешение ультратонких углеродных фолы при регистрации легких ионов кэвных энергий». Материалы II Российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды», М.МИФИ 20-22 июня 2000г., с.41-45

7. E.A.Gridneva, V.A.Kurnaev, N.N.Koborov, V.Kh.Lihtenshtein, N.N.Trifonov // The molecular effects for keV hydrogen ions penetrating through thin foils // Proc. of 7-th Russian-Japanese International Symposium on Interaction of Fast Charged Particles with Solids, Nizhnii Novgorod, Russia, October 9-15, 2000, p. 19-24

8. В.Х.Лихтенштейн, Т.М.Ивкова, Е.Д.Ольшанский, Е.А.Гриднева, В.А.Курнаев «Разработка и исследование тонких фольг на основе аморфного алмазоподобного углерода» Труды 28 Звенигородской конференции по физике плазмы, февраль, 2001, Звенигород

9. E.A.Gridneva, N.N.Koborov, V.A.Kurnaev, N.N.Trifonov // The molecular effects for keV hydrogen ions passing through thin foils // Abstract of 19 International Conference of Atomic Collision in Solids, Paris, France, 29.07-03.08.2001, p.140

10. Е.А.Гриднева, В.А.Курнаев, Н.Н.Трифонов «Роль молекулярного эффекта при формировании энергетического спектра при прохождении низкоэнергетичных ионов водорода сквозь тонкие углеродные фольги». Труды 15 международной конф. по взаимодействию ионов с поверхностью (ISI-2001), 27- 31 августа, 2001, Звенигород, т.1, с.244-248

11. Е.А.Гриднева, А.В.Журавлев, Н.Н.Коборов, В.А.Курнаев «Сильноточный ионный канал для испытаний диагностических зеркал» Материалы III Российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды», М.МИФИ 29-30 ноября 2001, с.81-82

12. V.Kh.Liechtenstein, V.I.Afanasyev, P.Yu.Babenko, E.A.Gridneva ets. // Development and characterization of ultra-thin diamond-like carbon foils for particles diagnostics in laboratory and space plasmas // Proc. of

29th EPS Conference, 17-21 June, Montreux, Switzerland, 2002 EC A V.26B. P2-128.

13. Е.А.Гриднева, Н.Н.Коборов, В.А.Курнаев «Проект сильноточного ионного канала двухпучкового комплекса на базе установки «Большой масс-монохроматор МИФИ», Материалы девятой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "ВАКУУМНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА", Сентябрь 2002, Судак, Украина, с.229-231

14. V.V.Bandourko, E.A.Gridneva, N.N.Koborov, V.A.Kurnaev, D.V.Levchuk, S.S.Levchuk, N.N.Trifonov, A.V.Zhuravlev // Experimental and computer investigation of the diagnostic mirror behavior under sputtering and dust material deposition // Journal of Nuclear Materials 307-311 (2002) p.154-158

15. E.A.Gridneva, N.N.Degtyarenko, V.A.Kurnaev, N.N.Trifonov, S.K.Zhdanov // Energy Spectra of Particles Penetrating Ultra Thin Carbon Films Irradiated with Low Energy Molecular Hydrogen Ions // Proceedings of 8-th Japan-Russia International Symposium on Interaction of Fast Charged Particles with Solids, held 24-30 November

2002, Kyoto, Japan, January 2003, p.34-37

16. Д.В.Жинкин, Е.А.Гриднева «О возможности анализа спектра нейтралов перезарядки в собственном поле токамака» Научная сессия МИФИ-2003, 27-31 января 2003г., т.З, с.55

17. Е.А.Гриднева, В.А.Курнаев, Н.Н.Трифонов, С.К.Жданов «Молекулярный эффект в формировании энергетического спектра при прохождении низкоэнергетических ионов водорода сквозь ультратонкие углеродные фольги», Письма в ЖЭТФ, 2003, том 77, выпуск 1, с. 15-17

18. Е.А.Гриднева, В.А.Курнаев, Н.Н.Трифонов «Прохождение молекулярных ионов водорода кэвных энергий сквозь углеродные фольги», Труды 16 международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (ISI-2003), 25 - 29 августа,

2003, Звенигород, т. 1, с.210-212

19. V.A.Kumaev, E.A.Gridneva, A.V.Zhuravlev, N.N.Koborov, V.G.Shatunov, N.N.Trifonov // Sputtering Deposition of Nano and Submicron Layers with In Situ Thickness and Structure Control // 7-th International Conference on Modification of Materials with Particles Beams and Plasma Flows: Proceedings, Tomsk, Russia: Publishing house of the IAO SB RAS, 2004, ISBN 5-94458-042-9, p.497-499

20. Гриднева E.A., Коборов B.H., Коборов H.H. «Дуоплазматрон с системой контроля пучка для сверхвысоковакуумных ионно-лучевых установок» Материалы XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "ВАКУУМНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА", Сентябрь 2004, Судак, Украина, с. 165-167

21. E.A.Gridneva, V.A.Kumaev, N.N.Trifonov // Energy spectra of transmitted particles for keV atomic and molecular hydrogen ions bombarding extra thin foils // Manuscript evaluation sheet 1С ACS 21, Paper code: POSSR63

22. E.A.Gridneva, V.A.Kumaev, N.N.Trifonov // Anomalous behavior of protons and deuterons energy spectra in the case of small angle scattering under atomic and molecular ions bombardment // Abstract of 15-th International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions (IISC-15), held 17-22 October 2004, Mie, Japan, p.57

23. Гриднева E.A., Курнаев B.A. «Устройство для анализа газовой смеси», (получено предварительное решение о выдаче патента по заявке №2004118138/28(019440), поданной 15.06.2004)

24. Е.А.Гриднева, В.А.Курнаев, Н.Н.Трифонов «Роль молекулярного эффекта при малоугловом рассеянии гетероядерных ионов водорода», Труды 17 международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, 25 - 29 августа 2005 г., Звенигород, Изд. МАИ, т.1, с.216-217

Отпечатано в типографии «Февраль» Тел : (095) 510-8729

I

I I

РНБ Русский фонд

2006-4 9868

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Гриднева, Елена Алексеевна

оглавление. введение.

глава 1. обзор литературы.

1.1. Основные представления о прохождении частиц через вещество.

1.2. Взаимодействие молекулярных ионов с поверхностью.

глава 2. описание экспериментальных установок и методов исследований.

2.1. краткое описание основной экспериментальной уст ановки.

2.2. Автоматизированный электростатический энергоанализатор ионов и нейтральных атомов.

2.3. UHV-стенддля проведения экспериментов с легкими ионами низких энергий.

2.4. Описание тонких пленок, используемых для экспериментов.

2.5. Описание используемог о для моделирования komi 1ьютерного кода SCATTER.

глава 3. экспериментальные результаты, полученные при прохождении атомарных и молекулярных ионов водорода сквозь ультратонкие алмазоподобные фольги.

3.1. Определение толщины и флуктуации толщины тонких фольг с помощью зондовых пучков ионов водорода кэвных энергий.

3.2. Молекулярный эффект при прохождении молекулярных ионов водорода сквозь ультра гонкие фольги.

глава 4. результаты экспериментальных исследований энергетических спектров частиц при малоугловом рассеянии различных ионов водорода от молибденовой мишени.

глава 5. приборы и устройства для диагностики плазмы в термоядерных установках, основанные на особенностях взаимодействия ионов водорода с тонкими фольгами.

5.1. Фольговый энергоанализатор нейтралов перезарядки для измерения ионной температуры плазмы в токамаке.

5.2. Малогаьаритный анализатор состава газовой смеси в диверторной оьласти термоядерного реактора. выводы. опубликованные работы автора по теме диссертации список литературы.

Введение диссертация по физике, на тему "Молекулярный эффект при взаимодействии водородосодержащих ионов кэвных энергий с веществом"

Захват и отражение легких ионов водорода первой стенкой и другими поверхностями термоядерного реактора (ТЯР) являются одними из основных процессов, определяющих накопление топлива в обращенных к плазме элементах конструкции ТЯР, массообмен плазмы и стенки. Распыление обращенных к плазме материалов ТЯР под действием потоков частиц из нее влияет на время удержания плазмы, а также на эрозию и деградацию обращенных к плазме элементов, в том числе диагностического оборудования. Экспериментальное и теоретическое исследование этих процессов проводилось во многих лабораториях и составило основу базы данных для термоядерных установок. Однако сведения об особенностях взаимодействия молекулярных (кластерных) водородосодержащих ионов с материалами плазменных установок крайне отрывочны и скудны. В то же время, в связи с развитием концепции газового дивертора, роль молекулярной составляющей в процессах рециклинга топлива становится все более значимой.

Кроме того, при облучении поверхности кластерными ионами проявляются неаддитивные по сравнению с облучением атомарными ионами эффекты. Облучение поверхности моноядерными кластерами позволяет исследовать эти эффекты в зависимости от количества частиц в кластере. Помимо этого облучение поверхности гетероядерными кластерами позволяет реализовать облучение поверхности фрагментами молекулярного иона и, тем самым, спуститься в область более низких кинетических энергий частиц.

На процессы отражения и распыления при облучении поверхности могут влиять различные факторы, такие как шероховатость поверхности, наличие на ней тонких осажденных пленок и примесей, и т.п. Проведение экспериментов по регистрации энергетических распределений фрагментов кластеров позволяют выявить эффекты, связанные с указанными выше факторами.

Компьютерное моделирование с помощью кодов, позволяющих включить в рассмотрение особенности реальных экспериментов: состав примесей, тепловые колебания атомов решетки твердого тела, структуру исследуемого вещества, рельеф мишени и т.п., пополняет представление о происходящих процессах. В связи с известными сложностями проведения экспериментов с тритием, компьютерные расчеты являются дополнительным инструментом изучения взаимодействия данного изотопа водорода с материалами ТЯР. Модельные расчеты также необходимы для оценки потоков частиц в сложной геометрии элементов ТЯР, например, для прогнозирования поведения диагностических зеркал термоядерных установок, а также при разработке средств корпускулярной диагностики плазмы, в которых используются твердотельные конверторы потоков нейтралов. Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей взаимодействия с конденсированными средами водородосодержащих молекулярных ионов для выявления физики происходящих при этом процессов, их влияния на процессы рециклинга топлива в термоядерном реакторе и при разработке корпускулярных средств диагностики плазмы.

Цель работы

1. Сравнительное экспериментальное исследование особенностей f взаимодействия атомарных и молекулярных ионов водорода термоядерных энергий с твердым телом для выявления отличий, обусловленных связанным состоянием нуклонов в молекулярном ионе.