Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установок

Синельников, Дмитрий Николаевич

Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Синельников, Дмитрий Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установок»

Автореферат диссертации на тему "Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установок"

На правах рукописи

Синельников Дмитрий Николаевич

НИЗКОПОЛЕВАЯ ЭМИССИЯ С ОБРАЩЕННЫХ К ПЛАЗМЕ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

1 и аир ;зн

Москва - 2014

005546849

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Кур-наев Валерий Александрович

Официальные оппоненты:

Борисов Анатолий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского", профессор.

Спицын Александр Викторович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, НИЦ "Курчатовский институт", начальник лаборатории.

Ведущая организация: Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт"

Защита диссертации состоится 21 мая 2014 г. в 16 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 при НИЯУ МИФИ. Адрес: 115409 Москва, Каширское ш. 31, тел. 8(499)324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте НИЯУ МИФИ http://ods.mephi.ru

Автореферат разослан 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

За счет ухода из плазмы термоядерных установок (ТЯУ) более быстрых электронов, плазма заряжается положительно относительно стенки. Эта разность потенциалов может доходить до несколько сотен вольт, и устанавливается на расстоянии -10 радиусов Дебая, но в случае малости последнего, электрическое поле может достигать больших значений 102 - 105 В/см. В то же время известно, что даже при макроскопических полях существенно меньших, чем необходимо для возникновения автоэлектронной (полевой эмиссии), наблюдается эмиссия, которую называют низко полевой [1] (НПЭ). В настоящее время нет общепринятой модели, способной описывать токи низкополевой эмиссии с различных материалов обращенных к плазме элементов (ОПЭ). Исследования НПЭ были в основном связаны с проблемами вакуумной изоляции в электрофизических установках [2, 3]. Систематически НПЭ для материалов ОПЭ не изучалась. В то же время эмиссионные токи из ОПЭ влияют на характер взаимодействия плазма-стенка, а эмиссионные центры на поверхности могут быть инициаторами униполярных дуг, которые в некоторых областях токамаков являются доминирующей причиной эрозии стенки.

При плазменном облучении в некоторых случаях поверхность ОПЭ существенно модифицируется, меняя свой состав и топографию (например, образование «пуха» на вольфраме в гелиевой плазме), что может повлиять на эмиссионные свойства, приводя к изменению характера взаимодействия плазмы с поверхностью.

Помимо электронов в состав эмитируемых токов могут входить отрицательные ионы, которые, как и распыленные нейтралы, могут стать дополнительным источником загрязнения плазмы.

Поэтому исследование НПЭ с материалов ОПЭ необходимо для более полного описания эффектов на границе раздела плазма-поверхность.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы является сравнительное исследование свойств низкополевой эмиссии с различных материалов обращенных к плазме элементов термоядерных установок.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать методики и экспериментальное оборудование, позволяющие производить измерения токов низкополевой эмиссии с материалов ТЯУ в одинаковых экспериментальных условиях.

2. Измерить вольтамперные характеристики низкополевой эмиссии с характерных для обращенных к плазме материалов ТЯУ и зависимости НПЭ от таких важных параметров как температура, газонасыщенность и других.

3. Выявить возможные центры низкополевой эмиссии на поверхности катода.

4. Определить вклад в НПЭ отрицательных ионов, возможный механизм их генерации и оценить их роль в загрязнении плазмы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика измерения токов низкополевой эмиссии при сравнительных испытаниях образцов материалов ТЯР и экспериментальный стенд для ее реализации.

2. Данные по значениям токов низкополевой эмиссии, с применяемых в ТЯР материалов с разной структурой поверхности, позволяющие провести их ранжирование по вероятности образования униполярных дуг.

3. Методика измерения НПЭ при одновременном контроле толщины поверхностной диэлектрической пленки, а также элементного состава поверхности по спектроскопии ионного рассеяния и ионов отдачи.

4. Методика обнаружения центров НПЭ на поверхности с помощью установки «Магнитный микроскоп».

5. Экспериментально зарегистрированные спектры отрицательных ионов при НПЭ, а также методика их измерения, позволяющая наблюдать корреляцию между составом обладающих сродством к электрону примесей (водород, углерод, кислород и их соединения) на поверхности и их концентрацией в объеме.

6. Экспериментально подтвержденный механизм генерации потоков отрицательных ионов при низкополевой эмиссии в широком диапазоне изменения давления и состава остаточных газов.

Научная новизна

1. Впервые произведено сравнительное исследование применяемых в ТЯУ материалов с разной структурой поверхности по вероятности образования униполярных дуг, определяемой по величине токов НПЭ.

2. Впервые проведено измерение свойств НПЭ с поверхности, покрытой диэлектрической пленкой, при одновременном контроле ее толщины и состава.

3. Проведена локализация эмиссионных центров НПЭ на поверхности с помощью магнитного микроскопа.

4. Исследован массовый спектр отрицательных ионов при НПЭ и предложена модель их генерации.

Научная и практическая значимость

1. Проведено ранжирование материалов ОПЭ по отношению к вероятности возникновения на них униполярных дуг.

2. Проведенная оценка глубины проникновения отрицательных ионов в плазму относительно нейтральной компоненты позволяет определить их вклад в загрязнение плазмы.

3. Разработанная для установки «Магнитный микроскоп» методика анализа эмиссионных центров НПЭ на поверхности может найти применение при создании плоских автокатодов.

4. Измерение массовых спектров отрицательных ионов НПЭ может быть дополнительным неразрушающим методом анализа состава поверхности.

5. Интенсивность эмиссии отрицательных ионов НПЭ может быть чувствительным индикатором водяных течей в плазменных установках.

Апробация работы

По результатам работы опубликовано 18 печатных работ, 4 из которых в реферируемых журналах (2 входят базу данных Web of science, а 4 в Scopus). Основные результаты доложены на следующих конференциях:

1. XVII Конференции "Взаимодействие плазмы с поверхностью"

2. 23-ем и 25-ом международных симпозиумах International Symposium on discharges and electrical insulation in vacuum

3. 19-ой и 20-ой международных конференциях "Взаимодействию плазмы с поверхностью в установках термоядерного синтеза" (PSI)

4. 20-ой международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью»

5. Научная сессия МИФИ-2009, 2010, 20111111

6. 4-ой международной молодежной научной школе International Workshop and Summer School on Plasma Physics 2010

7. 7-ой молодежной Курчатовской научной школе

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа содержит 102 страницы текста, включая 58 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 70 наименований.

Личный вклад автора

Результаты, описанные в работе, получены соискателем самостоятельно, либо с соавторами. Создание стенда для измерения НПЭ, модернизация установки «Большой Масс-Монохроматор МИФИ» для возможности измерения токов НПЭ и спектров отрицательных ионов, написание программ по автоматизации управления осуществлены автором самостоятельно. Проведение экспериментов на установке «Магнитный микроскоп», обработка полученных данных, моделирование движения отрицательных ионов в полях ТЯР получены на паритетной основе с соавторами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, а также кратко описана структура диссертации.

Глава 1

Первая глава представляет краткий обзор явлений, ответственных за возникновение эмиссионных токов в электрических полях на границе твердого тела. Такие токи приводят к нарушению электрической изоляции в вакуумном промежутке. Возникновение предпробойных токов между плазмой и первой стенкой может также приводить к зажиганию униполярной дуги. Униполярные дуги в термоядерных установках являются негативным явлением при взаимодействии плазмы с поверхностью: они существенно модифицируют поверхность стенки, изменяют локальный потенциал плазмы, являются источником загрязнения плазмы, путем инжекции в нее микроскопических частиц в твердом и расплавленном состоянии. Данное явление наблюдается во многих современных токамаках, моделирующих работу экспериментального термоядерного реактора ITER. Инициатором униполярных дуг являются предпробойные токи, вызванные различными механизмами НПЭ, а при разогреве эмиссионного центра — термоавтоэлектрон-ной эмиссией. Помимо униполярных дуг, другой проблемой, связанной с НПЭ, является возможность развития неустойчивости из-за существования обратной связи между потоками электронов в плазму и ионов на стенку. Предполагается, что эмиссионные свойства связаны с толщиной оксидной диэлектрической пленки, однако очень мало работ посвящено исследованию этой взаимосвязи.

Рассмотрены основные закономерности эмиссии электронов под действием электрического поля в вакуум для плоскопараллельного вакуумного промежутка и даны интерпретации этих закономерностей.

Приведен обзор наиболее известных механизмов эмиссии электронов в вакуум: автоэлектронная (полевая) эмиссия с учетом усиления электрического поля на микронеровностях поверхности и влияния слоев адсорбированных атомов на работу выхода, механизм «включения» эмиссионных центров, объясняющий повышенную эмиссию из структур металл-диэлектрик-вакуум, механизм «пороэмиссии», предполагающий, что эмиссионные свойства зависят, прежде всего, от газонасыщенности поверхности и связаны с развитием вторичных процессов в поверхностных порах. При этом нет общепринятой теории, объясняющей токи эмиссии при полях, меньших, чем предсказывает классическая полевая эмиссия.

Глава 2

Во второй главе описаны основные экспериментальные устройства и установки специально разработанные и использованные при проведении экс-

периментов. В первом разделе второй главы описан сверхвысоковакуум-ный компьютерно-управляемый экспериментальный стенд, позволяющий проводить измерение эмиссионных свойств различных материалов ТЯР в одинаковых экспериментальных условиях. При этом для него было реализовано два варианта сборки электродов: это диодная сборка с межэлектродным зазором от 2 мм с подогревом катода до 700 °С и сборка с малой длиной вакуумного промежутка (от 300 мкм) при достаточной параллельности электродов.

Во втором разделе второй главы приведено описание модернизации установки «Большой масс-монохроматор МИФИ» (БММ) для измерения эмиссионных свойств модельных материалов ТЯР. Установка БММ позволяет анализировать толщину тонких поверхностных пленок в диапазоне от 5 до 60 А, а также проводить элементный анализ поверхности по упруговы-битым и рассеянным положительным и отрицательным ионам. Высокая чувствительность к толщине тонких пленок на поверхности является следствием геометрии малоуглового рассеяния, в которой диагностический пучок ионов водорода проходит в поверхностной пленке больший, чем при менее острых углах скольжения пучка, путь и, как следствие, претерпевает большие энергетические потери, делая энергетический спектр более «чувствительным» к толщине пленки на поверхности. Достаточная интенсивность упруговыбитых ионов при элементном анализе поверхности обеспечивается бомбардировкой более тяжелыми, чем атомы поверхностной пленки мишени, ионами аргона. Также бомбардировка ионами аргона обеспечивает приемлемую скорость распыления поверхностной пленки при изменении ее толщины.

Глава 3

Третья глава посвящена сравнительному исследованию эмиссионных свойств материалов ТЯР в одинаковых экспериментальных условиях. Первый раздел третей главы посвящен исследованию влияния газонасыщенности поверхности катода на токи НПЭ. Данное исследование необходимо для корректности сравнения ВАХ. полученных в разных экспериментах, в том числе и в таких, в которых токи НПЭ существенно менялись в зависимости ог времени выдержки образца в остаточном газе, а также потому, адсорбция молекул остаточного газа на поверхности может как уменьшать, так и увеличивать работу выхода.

В качестве катода в этих экспериментах был выбран образец графита МПГ-8. Этот материал обладает высокой объемной пористостью, что позволяет подпитывать поверхностные поры газом из объема образца, поэтому влияние газа на поверхности на эмиссионные свойства на таком образце должно быть наиболее сильно выражено. Также графит не покрывается слоем окисла, что позволяет работать с проводящей поверхностью.

Для обезгаживания образец был помещен в стенд, описанный в главе 2, откачан до высокого вакуума (5 10"7 Topp), после чего выдерживался при температуре 400 'С в течение нескольких суток. Несколько раз образец разогревался до температуры в 750 "С при контроле давления в камере. При первоначальном прогреве до 750 °С давление поднималось до 5 ■ 10"5 Topp. Образец считался обезгаженным, когда давление при разогреве до 750 °С не превышало 110"7 Topp. После обезгаживания, как видно из рис. 1, токи значительно уменьшились, при этом стали более стабильными и лучше воспроизводиться. Повторный прогрев до 750'С не изменял ВАХ.

Для проверки того, как меняются эмиссионные свойства образца по мере адсорбции на него остаточного газа, была измерена серия ВАХ, изображенная на рис. 2. Катод выдерживался в остаточном вакууме 10"9 Topp и через определенные интервалы времени измерялись ВАХ. После 3 часов выдержки характеристики перестали изменяться, что соответствует времени осаждения при таком вакууме нескольких монослоев. Изменения ВАХ в сторону увеличения токов можно объяснить адсорбцией на поверхность молекул воды, которые поляризуются, увеличивая внешнее поле, что приводит к уменьшению работы выхода [4].

10"

10""

10"-

10-°

—■— ВАХ до обезгаживания образца —0— ВАХ после обезгаживания образца длительным прогревом до 700°С \-7'

d=2MM

р=10"7 Topp р=10"9Торр

2 3 4 5 6 7 U, kB

Рис. 1 ВАХ до и после длительного обезгаживания катода

—■— ВАХ сразу после прогрева образца

—— после 5 мин выдержки в остаточном вакууме

о Н

400-

—о— после 3 часов выдержки

—т— после 10 мин выдержки в остаточном вакууме

в остаточном вакууме

5,5 6,0 6,5 7,0 7,5

Напряжение, кВ

8,0

Рис.2 ВАХ в зависимости от времени выдержки в остаточном вакууме Для исследования зависимости тока электронной эмиссии от скорости газовыделения из графитового электрода был проведен эксперимент, в котором при прогреве до 500'С дважды в секунду производилась одновременная регистрация давления в вакуумной камере, температуры образца и тока электронной эмиссии. Поскольку давление в вакуумной камере до нагрева было стационарным для времени эксперимента и камера обладала высокой проводимостью, то скорость газовыделения из образца пропорциональна давлению в вакуумной камере. Так, скорость газовыделения на участке стационарной температуры составляла 7-10"4 л Торр/с, а максимальная -1,5-10" 3 л Торр/с. По превышении некоторой скорости газовыделения ток эмиссии увеличивался и приходит к прежнему значению при уменьшении газовыделения до исходного значения (рис. 3). Возможной причиной зависимости электронных токов от газовыделения из образца является зависимость работы выхода от количества адсорбированного на поверхности газа. Так как образец был пористый, то при прогреве происходит диффузия газа к поверхности (преимущественно воды, согласно измерениям на термодесорб-ционном стенде), что может приводить к "подпитке" поверхности молекулами воды, которые поляризуются в электрическом поле и снижают работу выхода. При скорости газовыделения выше некоторой величины, поступающий из объема электрода газ может не удерживаться на эмитирующей поверхности и скорость газовыделения перестает влиять на эмитируемые токи. Расчет по формуле Фаулера-Нордгейма показывает, что для того, чтобы токи возросли вдвое, достаточно уменьшения работы выхода меньше, чем на 0,1 эВ.

£ 2,52x1 о'5

I-

ш 1,89x10'5 s

g 1,26x10"5 та

6,30x10'6

п.

15 10 5 0

540 360 180

1 -J 1 1 1 ;

; j j i . i -

Г \ ' 1 __1 1.1,1;

600

Время прогрева, с

1200

Рис. 3 Зависимости давления, эмитируемых токов и температуры образца от времени эксперимента

Во втором разделе третей главы проведено сравнительное исследование токов НПЭ с материалов ТЯР. Образцы катодов для исследования были разделены на две группы: вольфрамовые и графитовые. На рис. 4 приведены фотографии вольфрамовых образцов: вольфрамового нано «пуха» (а), «травы» из оксида вольфрама (б) и полированного вольфрамового образца (в).

Нано-«пух» образуется при облучении горячей (-1500 К) поверхности вольфрама, высокими дозами гелия (~1025 м~2) за счет образования в приповерхностном слое гелиевых пузырьков. Такая модификация вольфрамовой поверхности обнаруживалась на токамаке TEXTOR, а также на ряде установок типа линейного симулятора взаимодействия термоядерной плазмы с поверхностью. Впервые это покрытие было обнаружено на линейном си-муляторе NAGDIS в 2006 году [5].

Другим примером модификации вольфрамовой поверхности является рост «микротравы» из оксида вольфрама (рис.46). При осаждении вещества с резистивного вольфрамового нагревателя на вольфрамовый образец при температуре 500-800 TU и давлении в диапазоне 10"1 10~5 Topp за счет напуска воздуха, на образец осаждалось окисное покрытие в виде «микротравы».

Для сравнения эмиссионных свойств был взят образец вольфрама с отполированной поверхностью, изображение которой приведено на рис. 4в. Однако даже при достаточно высокой степени полировки, не все открытые поры поверхности удалось убрать.

а б В

Рис. 4 Фотографии вольфрамовых образцов (а-вольфрамовый нано "пух", б-"трава" из оксида вольфрама, в-полированная вольфрамовая поверхность)

В настоящее время графит активно используется в качестве обращенных к плазме компонентов 7ЯР (токамаки D1II-D, Tore Supra, JT-60).

Для определения влияния шероховатости поверхности графита на эмиссионные свойства были использованы два образца графита МПГ-8: один с поверхностью, полученной в результате слома (рис. 5а), а другой в результате пиления (рис. 56). Также были исследованы эмиссионные свойства углеродного СС-композита, фотография поверхности которого приведена на рис 5в. На фотографии изображена часть поверхности, где волокна композита подходят перпендикулярно к поверхности, а, следовательно, на них может усиливаться электрическое поле.

а б В

Рис. 5 Фотографии графитовых образцов (а-образец графита МПГ-8 с шероховатой поверхностью, б-образец графита МПГ-8 с гладкой поверхностью, в-образец СС.-композита)

На рис.6 приведены ВАХ, измеренные в одинаковых экспериментальных условиях с описанных выше образцов. На этом же графике обозначены значения напряженностей электрического поля в современных токамаках [6]. Как видно из рис.6, при приближении параметров плазмы к термоядерным напряженность поля на границе плазма - поверхность существенно возрастает, что должно приводить к резкому возрастанию эмиссии электронов со стенки. Так, на линейном симуляторе МАСЮК уже при напряженности поля 2*106 В/м и тепловой нагрузке 0,5 МДж/м2 (моделирующей воздействие ЕЬМа) наблюдалось зажигание униполярной дуги.

Если предположить, что вероятность зажигания униполярной дуги связана с плотностью среднего по поверхности эмиссионного тока НПЭ, исследуемые материалы можно расположить следующим образом в порядке убывания вероятности образования униполярной дуги: МПГ-8 шероховатый, вольфрамовый нано «пух», вольфрамовая «трава», СС-композит, МПГ-8 гладкий, вольфрам полированный.

о <

1Е-3

1Е-4-!

1Е-5 1

1Е-6

1Е-7-,

1Е-8

1Е-9

1Е-10

1Е-11

о-оо-<

—д— нано "пух"

—А— вольфрамовая "трава"

—т— СБС

—■— МПГ-8 гладкий

—■— МПГ-8 шероховатый

—о— вольфрам

Напряженности электрического поля вблизи стенки токамаков, согласно расчетам [1]

1Е-12 -]—I—|—.—|—I—|—.—|—I—|—I—|—|—|—I—|—1—|—■—г

0,0 2,0x10' 4,0х106 6,0x10' 8,0x10е 1,0x10' 1,2х107 1,4x10' 1,6х107 1,8х107 2,0x10'

Е, В/м

Рис. 6 Сравнение ВАХ с образцов различных материалов ТЯР

Третий раздел третей главы посвящен исследованию эмиссионных свойств материалов, покрытых диэлектрическими пленками. Были выполнены измерения эмиссионных свойств с образцов после воздействия плазмы ТЯР. На рис 7 приведена фотография образца из нержавеющей стали с уг-

леводородной пленкой, которая образовалась на нем в процессе работы то-камака Т-10. Элементный анализ ее состава, выполненный на сканирующем электронном микроскопе НйасЫТМ-ЮОО (который позволяет измерять содержание элементов, начиная с массы 17 а.е.м.), показал присутствие в ней Ре, N1', Сг, что свидетельствует о наличии в пленке микровключений из стали.

Рис. 7 Фотография углеводородной пленки, напыленной на подложку из нержавеющей стали в токомаке Т-10

На рис. 8 приведена фотография алюминиевой пластины размером 8x8 см после воздействия потоком импульсной плотной плазмы на установке КСПУ. Для удобства измерений эмиссионных свойств пластина была разбита на несколько образцов с относительно однородным рельефом поверхности.

Рис. 8 Фотография алюминиевой пластины, после облучения плазмой на установке КСПУ

Элементный анализ поверхности показал, что помимо алюминия на поверхности присутствовали включения меди и железа. Также в зависимости от зоны пластины сильно менялась шероховатость поверхности (112=0,05-0,3).

В экспериментах по измерению токов низкополевой эмиссии с этих образцов при полях до 610б В/см не было зафиксировано тока больше 1 нА. Предположительно это связано с тем, что углеводородная пленка была непроводящей, а алюминивая пластина из КСПУ после воздействия мощной

тепловой нагрузки покрылась толстой пленкой непроводящего оксида, что было подтверждено прямыми измерениями с помощью мультиметра.

Однако в отличие от образцов извлеченных из термоядерных установок и долгое время находившихся в атмосфере, при бомбардировке компонентами плазмы, толщина и проводящие свойства образующихся в плазменных установках пленок могли сильно отличаться о тех которые были описаны выше.

Измерение эмиссионных свойств с материалов, покрытых тонкими диэлектрическими пленками, является актуальным также потому, что одним из кандидатных материалов ТЯР является бериллий, на поверхности которого после воздействия атмосферы образуется оксидная диэлектрическая пленка. Поскольку бериллий ядовит, то в качестве модельного материала вместо него в имитационных экспериментах часто используется алюминий. Например, тонкая (4-10 нм) оксидная пленка на поверхности алюминиевого электрода значительно повышает его эмиссионную способность, поскольку не только повышается коэффициент вторичной эмиссии, но и создаются условия для значительной полевой эмиссии из металла через тонкий слой оксида [7]. Усиление эмиссии объяснялось изменением толщины этой пленки при конкуренции процессов распыления и образования оксида. Такое периодическое изменение эмиссионных свойств коллектора под действием потока плазмы приводит к образованию поверхностно плазменных неус-тойчивостей [8]. Однако в этих экспериментах не было возможности измерить толщину пленки на коллекторе без выноса образца на атмосферу. Таким образом, при измерении эмиссионных свойств образцов с тонкой диэлектрической пленкой на поверхности, актуальной задачей является определение in situ ее толщины.

Модернизированная установка Большой Масс-Монохроматор МИФИ (БММ) [9] позволяет с помощью энергоанализа рассеянных ионов определять толщину тонких поверхностных пленок в диапазоне от 5 до 60 А, а также проводить элементный анализ поверхности по упруго выбитым и рассеянным положительным и отрицательным ионам непосредственно в процессе травления. Бомбардировка ионами аргона обеспечивает приемлемую скорость распыления поверхностной пленки при контролируемом изменении ее толщины.

Для измерения вольтамперных характеристик мишеней из обращенных к плазме материалов под действием электрических полей, характерных для дебаевского слоя на границе плазмы с поверхностью плазмы, был изготовлен миниатюрный анод, что позволяло расположить его так, чтобы расстояния до краев катода было значительно больше вакуумного промежутка. Вакуумный промежуток был подобран таким образом, чтобы, с одной стороны, была возможность создавать достаточно сильные поля между катодом и анодом при напряжениях, недостаточных для возникновения паразитных

разрядов между анодом и другими частями камеры, а с другой стороны, этот промежуток должен быть достаточно большим, чтобы отраженный ионный пучок мог проходить в энергоанализатор.

Мишень представляла собой кремниевую подложку, на которую методом электронно-лучевого испарения осаждался слой вольфрама толщиной -150 А, а затем слой алюминия, толщиной ~30 А. После экспозиции образца на атмосферу пленка алюминия полностью окислялась, переходя в диэлектрическую пленку А1203.

На рис. 10а приведены результаты моделирования в коде SCATTER отражения на угол 16° пучка протонов с энергией 12 кэВ для различных толщин пленки оксида алюминия на вольфраме, а на рис. 106 энергетические спектры, полученные в эксперименте в процессе травления поверхности пучком ионов аргона. Толщина пленки определялась по сопоставлению положений пиков для экспериментального и моделированного спектров.

Для диэлектрических пленок, спектры отражения от которых приведены на рис. 9, проводилось измерение эмиссионных свойств, однако при напря-женностях поля вплоть до 5 - 104В/см не удавалось измерить токи более 1нА. Предположительно, это связано с отсутствием эмиссионных центров на гладкой поверхности. При увеличении электрического поля до значений выше 6,5104В/см произошел резкий всплеск тока, после которого токи появились и при напряжениях, при которых до всплеска их не было (рис. 10). На этом рисунке приведены ВАХ, последовательно измеренные сразу после всплеска тока: сначала при подъеме, а затем при снижении напряжения между электродами.

Такую ВАХ можно интерпретировать при помощи модели «включения», описанной, например, в [2]. В этой модели предполагается, что после превышения определенной напряженности электрического поля в диэлектрической пленке «включаются» металл-диэлектрические эмиссионные центры, которые могут эмитировать значительные токи, в том числе и при тех на-пряженностях внешнего поля, при которых до «включения» центра токов не было. Как видно из графика, характеристики обладают гистерезисом, что, согласно модели, объясняется тем, что после снятия напряжения между электродами часть эмиссионных центров «выключается», а часть остается во «включенном» состоянии. При повторном измерении ВАХ с подъемом напряжения токи появляются при меньших напряжениях, что также свидетельствует о том, что часть эмиссионных центров остаются во «включенном» состоянии, гак как в этих центрах диэлектрическая пленка не успевает разряжаться. После выдержки электродов под напряжением гистерезис ВАХ уменьшается, и она приходит к виду ABC (см. рис.10) с 2-мя характерными экспонентами. Участок АВ связан с «контактным» ограничением: сопротивление контакта металл-диэлектрик много больше, чем сопротивление при движении электронов по «объему» диэлектрика. Участок ВС связан

с ограничением тока при движении по «объему» диэлектрика и его наклон зависит от толщины диэлектрического слоя.

1-5АСН, 36А А1, 150А

2--36А А1,150А\У

3- 10А А1, 150А

4-- 150А XV

0,0 0,2 0.4 0,6

Диагностический пучок - Н+, 12 кэВ 1 — начало измерений

2—- нагрев до 400°С

3— 1 час травления

4— 3 часа травления

5—6 часов травления

Рис. 9 Моделированные (а) и экспериментальные (б) энергетические спектры отраженных ионов водорода при различной толщине поверхностной пленки

Е, кВ/мм

Рис. 10 Волътсшперные характеристики токов с поверхности, покрытой диэлектрической пленкой

После измерения ВАХ образец был исследован на сканирующем электронном микроскопе УЕОАЗ ТЕ8С'АЫ (рис. 11). Из фотографий видно, что диэлектрическая пленка после всплеска токов частично отслоилась, а как показано в [2], места контакта диэлектрической пленки с проводящей подложкой могут быть источниками эмиссии электронов при низких напряжениях. Также из фотографий видно, что кромки «островков» на фотографии значительно более светлые, чем подложка, что означает, что они являются источником повышенной электрон-электронной эмиссии. Более детальные измерения на этом микроскопе показали, что коэффициент электрон-электронной эмиссии с кромок в пять раз выше, чем с подложки.

Рис. 11 Фотографии поверхности образца, полученные на сканирующем электо-ронном микроскопе УЕОАЗ ТЕЗСАИ, после всплеска токов полевой эмиссии

Сопоставление приведенных на рис. 10 ВАХ, показало, что токи с таких частично разрушенных диэлектрических пленок могут быть столь же велики, как и с материалов ОПЭ ТЯР изначально обладающих высокой эмиссионной способностью (вольфрамовый пух, графит с рельефной поверхностью) (рис. 12).

Е, В/м

Рис. ¡2 ВАХ с образца, покрытого тонкой алюминиевой ппенкой и других материалов ТЯР

Наблюдающаяся высокая эмиссионная способность поверхностей с ост-ровковыми диэлектрическими пленками также хорошо согласуются с более ранними наблюдениями: так в работе [10] показано, что униполярные дуги зажигались в основном с поверхностей с диэлектрическими включениями, а в работе [11] зажигание униполярных дут наблюдалось исключительно с поверхностей, покрытых пленкой А1203.

Четвертый раздел третей главы посвящен экспериментам по локализации эмиссионных центров на поверхности катода. Для проверки предположения о том, что одними из возможных эмиссионных источников на поверхности могут являться поры [3], был предложен эксперимент с катодом из углеситаллового композита, на тщательно отполированной поверхности которого в определенных положениях были проделаны отверстия (поры) диаметром 10 мкм и глубиной 100 мкм и четыре большие поры диаметром 500 мкм и глубиной 1 мм. Углеситалл был выбран в качестве материала для

исследования из-за наличия некоторой объёмной пористости, что позволило бы подпитывать поры газом изнутри, а также из-за возможности максимально гладко отполировать поверхность. Для определения положения эмиссионных центров на поверхности был использован созданный в ТРИ-НИТИ магнитный микроскоп [12].

В проведенных экспериментах по исследованию низкополевой эмиссии получена картина распределения плотности эмиссионных центров на поверхности углеситаллового катода (рис. 13). Эксперимент, в котором часть поверхности была закрыта диэлектрической пленкой, показал, что на не закрытой поверхности одним источником эмиссии являлась находившаяся там искусственная пора, а другим - граница контакта поверхности образца с диэлектрической пленкой. Методом сравнения с результатами калибровки Р-электронами относительного почернения фотопленки найдены плотность тока с эмитирующей поверхности и ток, эмитируемый одной порой. Они оказалась равны 10-12-10"13 А/см2 и 10'15-10"16А соответственно.

Рис. 13 Фотография поверхности образца с выделенными белым маркером порой диаметром 500 мкм (а) и изображение эмиссионных центров с выделенной белой рамкой области (б)

Четвертая глава посвящена исследованию отрицательных ионов, которые являются компонентой общего тока НПЭ. В первом раздел четвертой главы приводится оценка влияния потока отрицательных ионов в плазму, как источника загрязнения в сравнении с распыленными нейтралами.

Бомбардировка первой стенки ионами и нейтралами из плазмы приводит к ее распылению. Энергия распыленных со стенок частиц ~5 эВ, поэтому те из них, которые заряжены положительно, возвращаются на поверхность из-за тормозящего электрического поля между плазмой и стенкой (см. рис. 14), в то время как нейтралы, не ионизованные электронами в скреп слое, могут попасть в основную плазму. Загрязнение плазмы за счет распыленных нейтралов хорошо известно [13] и учитывается в большинстве компьютерных кодов, описывающих взаимодействие плазмы с поверхностью. Отрицательные же ионы сначала ускоряются в пристеночном слое и лишь затем ней-

Глава 4

трализуются, поэтому в зависимости от их энергии и направления магнитного поля по отношению к поверхности в некоторых случаях могут заведомо глубже проникать в плазму, чем нейтральные атомы.

Траектории частиц: Нейтралы и —► №>яожшс;шшс ионы in плач»! ► Распыленные

Отршлэтеяьные иоиы

Распыленные нейтралы

Рис. 14 Траектории движения нейтралов и отрицательных ионов в пристеночной области

В первом разделе главы проведены результаты компьютерного моделирования, которое показало, что, несмотря на значительно меньший выход частиц с поверхности в виде отрицательной зарядовой фракции (-0,1-1%) [14], количество отрицательных ионов, дошедших до сепаратирисы может быть в случае не слишком высокой составляющей магнитного поля параллельной стенки (до 1 Тл) сравнимо с количеством частиц, вылетевших нейтральными.

Второй раздел четвертой главы посвящен экспериментальному исследованию эмиссии отрицательных ионов, которые входят в состав отрицательного тока между катодом и анодом. В предварительных экспериментах было установлено, что полный ток между катодом и анодом не зависит от давления остаточного газа в диапазоне 10"7 - 10"5 Topp, при этом подавляющую часть тока составляют электроны, в то время как отрицательных ионов на несколько порядков меньше. Поэтому для исследования отрицательных ионов использовалась в инверсном режиме установку БММ с радиусом центральной траектории 50 см, позволяющая использовать большую (~1см2) площадь эмиссии при приемлемом массовом разрешении (рис. 15). Между образцом катода 1 и анодом 2 в виде сетки с прозрачностью 80% выставлялся вакуумный промежуток в 2 мм. На катод, оснащенный системой подогрева до 6001С 6 и хромель-алюмелевой термопарой 7, подавалось отрицательное относительно земли напряжение, в то время как анод был заземлен через микроамперметр. Таким образом, сквозь сетчатый анод проходил ускоренный относительно земли пучок отрицательных частиц. Далее отрицательные ионы сепарировались электромагнитом 3 и усиленный вторичным электронным умножителем ВЭУ-6М ток, регистрировался микро-вольтнаноамперметром ЭК-1601. Для измерения массовых спектров отри-

дательных ионов была разработана система автоматизации, позволяющая снимать спектр из 1 ООО точек в течении 2-3 минут.

Рис. 15 Схема эксперимента на установке «Большой масс-монохроматор МИФИ» (нумерация в тексте)

На рис. 16 приведен типичный масс-спектр отрицательных ионов с вольфрамового катода, покрытого нано "пухом" при напряжении между катодом и анодом в 6 кВ и давлении 1 КГ7 Topp.

0,6-

о 0,4л

§ 0,3 ж

§ 0.2 -j ж а

Ё o,i-S

0,0-

Н" с'сн'сн

О ОН"

с;с2н"сн;

kJLJL

сз"с3н; о ■

,NCO 3

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Масса, ат.ед.

Рис. 16 Спектр отрицательных ионов, эмитированных с вольфрамового нано

nvxa

Было установлено, что ток отрицательных ионов пропорционален электронному току, поэтому в качестве катода использовались образцы, обладающие высокими эмиссионными характиерстиками. Все отрицательные ионы из спектра, приведенного на рис. 16, имеют достаточно большую энергию сродства к электрону [15]. Большинство из них были частями молекул воды и углеводородов, которые легко адсорбируются на поверхность после атмосферы. Спектры отрицательных ионов также снимались и для графитового катода. Они оказались схожи со спектрами, снятыми для вольфрамового нанопуха, так как в обоих случаях на поверхность адсорбируются одни и те же молекулы.

Как показал литературный поиск, спектры, подобные изображенному на рис. 16, были получены ранее при исследовании вторичной отрицательной ион-ионной эмиссии с Мо мишени [16]. Таким образом, можно предположить, что эмиссия отрицательных ионов при холодной низкополевой эмиссии является результатом некоторых вторичных процессов на поверхности катода.

Эксперименты с напуском различных газов показали, что ток отрицательных ионов линейно возрастает с ростом давления в диапазоне 1 10"7-1 10"5 Topp, а также возрастает с увеличением молекулярной массы напускаемого газа. Данная зависимость позволяет предложить следующий механизм эмиссии: в вакуумном промежутке образуются положительные ионы в результате ионизации остаточного газа потоком электронов, эмитируемых с катода. Затем они ускоряются к катоду и бомбардируют адсорбированные атомы, вызывая вторичную ион-ионную эмиссию. Некоторая часть выбитых с поверхности частиц имеют отрицательный заряд, и под действием электрического поля ускоряется к сетчатому аноду. Пройдя сквозь него эти ионы сепарируются масс-спектрометром и регистрируются ВЭУ.

Поскольку все эмитированные отрицательные ионы были фрагментами воды и углеводородов, интенсивность их эмиссии зависит от количества адсорбированного на поверхности газа. Нагревая образец встроенным нагревателем можно создать дополнительный поток газа из объема материала к поверхности. Были проведены эксперименты, в которых регистрировался как спектр отрицательных ионов, так и спектр нейтрального газа, выходящего по мере нагрева образца. Из рис. 17 видна корреляция между десорбцией газа и интенсивностью отрицательных ионов. Около каждой кривой указана температура в начале и в конце снятия спектра. В интервале ~100-300 "С в спектре отрицательных ионов наблюдается максимум эмиссии ионов водорода, что коррелирует с максимум термодесорбции воды в этом же диапазоне температур. При температуре более 500°С наблюдается газовыделение Нг и СО?, что может соответствовать химической эрозии графита за счет наличия кислорода и воды. Однако при этом не наблюдается роста интенсивности отрицательных ионов, что возможно связано с тем, что темпе-

ратура поверхности слишком высока для их образования.

Масса, ат. ед.

Рис. 17 Спектры отрицательных ионов (а) и состава остаточного газа (б) при прогреве образца.

Для исследования влияния газа, обладающего высокой энергией сродства к электрону, на интенсивность эмиссии отрицательных ионов, проведены эксперимент с парами воды в качестве рабочего газа. Водяной пар напускался в камеру за счет термического разложения Са(ОН)2 на СаО и Н20 по мере нагрева в вакууме. В этом случае интенсивность всех отрицательных ионов значительно возрастала и была сравнима с интенсивностью эмиссии, как в случае напуска аргона, хотя масса молекул воды почти вдвое меньше массы молекул аргона. Это объясняется тем, что напуск паров воды увеличивает количество адсорбированных слоев, а также положительный ион воды может разваливаться при взаимодействии с поверхностью и ее фрагменты, обладая высокой энергией сродства к электрону, могут дополнительно образовывать отрицательные ионы. Поэтому интенсивность тока отрицательных ионов особенно чувствительна к парциальному давлению паров воды и может быть чувствительным индикатором водяных течей в плазменных установках.

Проведены расчеты, позволяющие приближенно оценить ток отрицательных ионов при заданном токе электронов. Для этого было необходимо определить скорость генерации положительных ионов в вакуумном промежутке. Количество положительных ионов определялось как интеграл по длине вакуумного промежутка произведения потока электронов, концентрации остаточного газа и сечения взаимодействия. Сечение ионизации в зависимости от энергии электронов рассчитывалось по формуле Томсона. Согласно полученной формуле ток положительных ионов при типичных экспериментальных параметрах должен составлять 5 10"12 А . Эти положительные ионы ускоряются к катоду и вызывают вторичную отрицательную ион-ионную эмиссию. Коэффициент этой эмиссии для адсорбированных атомов обладающих высоким сродством к электрону может достигать нескольких процентов [17]. Более того, процесс вторичной эмиссии может быть смещен в сторону образования отрицательных ионов из-за потока электронов, эмитирующихся с поверхности. Таким образом, ток отрицательных ионов может быть оценен ~10"'2 А. Был проведен эксперимент, в котором электроны отклонялись из пучка отрицательных частиц сразу после сетчатого анода с помощью специально подобранных постоянных магнитов, а траектория отрицательных ионов при этом практически не изменялась. Ток отрицательных ионов регистрировался с помощью цилиндра Фа-радея и пикоамперметра. В результате эксперимент показал тот же порядок токов, что был предсказан расчетом.

Таким образом в данном разделе был исследован механизм генерации отрицательных ионов при полевой эмиссии электронов, предложена теоретическая модель, расчеты по которой показали схожие с экспериментальными результаты.

В заключении сформулированы выводы и перечислены основные результаты работы:

Проведено экспериментальное исследование зависимости НПЭ от адсорбции остаточного газа на поверхность катода, которое показало возможность сравнительного анализа ВАХ с различных материалов ТЯР.

• Произведено измерение токов низкополевой эмиссии с применяемых в ТЯР материалов с разной структурой поверхности, позволяющих сравнивать вероятность образования униполярных дуг с этих материалов в термоядерных установках.

Эксперимент по измерению эмиссионных свойств со специально подготовленного образца с тонкой диэлектрической пленкой на поверхности при контроле толщины пленки показал, что токи НПЭ появляются только после пробоя пленки, а форма ВАХ объясняется моделью «включения».

• Исследование по локализации эмиссионных центров на установке «Магнитный микроскоп» показало, что эмиссионными центрами на поверхности могут быть поры, а также места контакта проводящей поверхности с диэлектриком.

Сделана оценка глубины проникновения отрицательных ионов в плазму, которая показала, что несмотря на гораздо меньший по сравнению с нейтральными атомами выход с поверхности, они более направленно движутся в плазму и преодолевают большее расстояния до момента, когда становятся положительными ионами.

• Предложен механизм генерации отрицательных ионов при НПЭ и по масс-спектрам отрицательных ионов обнаружена корреляция между составом обладающих сродством к электрону примесей (водород, углерод, кислород и их соединения) на поверхности и их концентрацией в объеме.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов, Холодная эмиссия отрицательных ионов с пористого графита, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2012, № 8, с. 50-54 (входит в базу web of science, входит в список журналов ВАК).

2. Д.Н. Синельников, А.И. Маркин, В.А. Курнаев, В.Е. Черковец, Н.И. Сыромятников Визуализация центров эмиссии заряженных частиц при холодной низкополевой эмиссии // Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, № 7, с. 631-635 (входит в список журналов ВАК).

3. Sinelnikov D.N., Kurnaev V.A., Mamedov N.V., Popov, A.P. Emission of Negative Ions From Surfaces With High Emissivity // IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2013 Vol.:41, Issue:8,Part:2 p. 2113 - 2116 (входит в базу web of science, входит в список журналов ВАК).

4. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Иванов Д.В., Синельников Д.Н.. Применение спектроскопии рассеянных ионов для анализа взаимодействия плазмы с поверхностью // Известия РАН. Серия физическая - Москва, 2012, том 76, № 6, с. 781-784 (входит в базу Scopus, входит в список журналов ВАК).

5. В.А. Курнаев, Д.Н. Синельников, Ю.М. Г'аспарян Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов термоядерных реакторов // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2010,2010, том 2, с. 11-14.

6. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов, А.А. Дворнова, Д.В. Колодко Эмиссионные свойства модельного материала стенки ТЯР с диэлектрической пленой // XVII конференция "Взаимодействие плазмы с поверхностью" Москва 2014, с. 77-80.

7. Д.Н. Синельников, Д.А. Труфанов, В.А. Курнаев Оценка проникновения распыленных отрицательных ионов в плазму ТЯР // XVII конференция "Взаимодействие плазмы с поверхностью" Москва 2014, с. 65-68.

8. Sinelnikov D.N., Kurnaev V.A., Mamedov N.V., Popov, A.P. Cold emission of negative ions from the graphite with the rough surface // XXV International Symposium on discharges and electrical insulation in vacuum 2012, Vol. 2, p. 80-82.

9. V. Kurnaev, K. Gutorov, N.Mamedov, A.Popov, D. Sinelnikov, I.Vizgalov Emission properties of PFCs under plasma and its components impact // Abs. of the 20th International conference «Plasma Surface Interaction» 2012, p. 233.

10. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов Холодная эмиссия отрицательных ионов с пористого графита // XX International Conference on Ion Surface Interactions 2011, Том 1, с. 309-312.

11. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев, Н.В. Татаринова Низкополевая эмиссия заряженных частиц Н Научная сессия МИФИ-2009, т.1, с.93

12. N.V. Tatarinova D.N. Sinelnikov Method of suppression of poro-emission, расширенные тезисы // XXIII International Symposium on discharges and electrical insulation in vacuum 2008 p. 785-788.

13. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев Н.В. Татаринова Низкополевая эмиссия заряженных частиц // 7-я молодежная курчатовская научная школа 2009, с. 246.

14. D. Sinelnikov, V. Kurnaev, A. Markin, N. Siromyatnikov Cold emission of the negativly charged particles from porous surfaces // Fourth International Workshop and Summer School on Plasma Physics 2010, p. 53

15. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов Масс-спектрометрия заряженных частиц при низкополевой эмиссии // Научная сессия МИФИ-2011, т. 1, с. 75.

16. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев Эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов // Научная сессия МИФИ-2010, т.1, с. 70.

17. Н.В. Татаринова, Д.Н. Синельников О природе низкополевой эмиссии заряженных частиц с пористых электродов // Материалы XVIII конф. "Вакуумная наука и техника" с. 158-162.

18. D. Sinelnikov, V. Kurnaev, A. Markin, N. Siromyatnikov Cold emission of the negativly charged particles from porous surfaces // 19th International Conference on Plasma Surface Interactions 2010, p. 233.

Список цитируемой литературы

1. A.A. Дадыкин О механизмах низкополевой электронной эмиссии. // Письма в ЖТЭФ, т. 65, вып. 11, (1997), стр. 823-827.

2. R.V. Latham High voltage vacuum insulation // Academic press, (1995)

3. Татаринова H.B. Вакуумная электроизоляция /У Вакуумная техника и технология (обзор) т. 13, вып. 1, (2003) с. 3-29.

4. Somorjai G.A., Introduction to Surface Chemistry and Catalysis. // John Wiley & Sons, New York, (1994).

5. S. Takamura, N. Ohno, D. Nishijiina, S. Kajita, Formation of nanostruc-tured tungsten with arborescent shape due to helium plasma irradiation // Plasma Fusion Res., 1 (2006), p. 51.

6. Kurnaev V.A., Tatarinova N. V. Erosion of PFC materials induced by po-roelectron emission // J. Nucl. Mater. 220-222, (1995), p.939-942.

7. Гуторов К. M., Визгалов И. В., Маркина Е. А., Курнаев В. А. // ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ,, том 74, № 2 (2010), с. 208-211.

8. V. Kurnaev, К. Gutorov, N. Mamedov, A. Popov, D. Sinelnikov, I. Viz-galov Emission properties of PFCs under plasma and its components impact // Abstract of the 20th International conference «Plasma Surface Interaction» - Aachen, (2012), p.233.

9. Мамедов H.B., Курнаев B.A., Иванов Д.В., Синельников Д.Н. Применение спектроскопии рассеянных ионов для анализа взаимодействия плазмы с поверхностью // Известия РАН. Серия физическая, том 76, № 6, (2012), с. 781-784.

10. К. Jakubka On the influence of surface conditions on initiation and spot types of unipolar arcs in a tokamak // J. of Nucl. Mater. 102 (1981) p. 259-266

11. H. Ehrich, j. Karlau and K.G. Miller Initiation of arcing at a plasma-wall contact // J. of Nucl. Mater. 111-112 (1982) p. 526-528.

12. Маркин А.И., Полулях Е.П., Черковец B.E. Магнитный микроскоп для исследования эмитирующих заряженные частицы поверхностей. // Приборы и техника эксперимента, (1999), № 5, с. 108-113.

13. P. Stangeby The plasma boundary of magnetic fusion devices // Institute of Physics Publishing, (1997).

14. Г. Месси «Отрицательные ионы», // M.: «МИР» Москва, (1979).

15. И. С. Григорьев, Е. 3. Мейлихов Справочник «Физические величины» // М.: "Энергоатомиздат", (1991), с. 420-422.

16. Я.М. Фогель «Вторичная ионная эмиссия» //УФН, т.91, >Г°1 (1967) с. 75-112.

17. Ю.В. Готт, В.А. Курнаев, О.Л. Вайсберг Корпускулярная диагностика лабораторной и космической плазмы // М.:МИФИ Учебная книга (2008) 142 с.

Подписано в печать 20.03.2014. Объем 1,75 п.л. Тираж 100 экз. Заказ№41.

Типография НИЯУ МИФИ. Каширское шоссе, 31.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Синельников, Дмитрий Николаевич, Москва

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИФИ»

НИЗКОПОЛЕВАЯ ЭМИССИЯ С ОБРАЩЕННЫХ К ПЛАЗМЕ МАТЕРИАЛОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук

профессор Курнаев Валерий Александрович

Москва-2014

Оглавление

Введение...............................................................................................................4

Глава 1 Предпробойные токи с обращенных к плазме материалов, как инициаторы униполярных дуг...........................................................................10

1.1 Униполярные дуги.................................................................................10

1.2 Вольт-амперная характеристика вакуумного промежутка..................15

1.3 Формула Фаулера-Нордгейма для интерпретации предпробойных токов.................................................................................................................16

1.4 Влияние на АЭЭ монослоя инородных адсорбированных атомов.....18

1.5 Зависимость эмитируемых токов от длины вакуумного промежутка. 19

1.6 Механизм «включения» эмиссионных центров...................................22

1.7 Механизм пороэмиссии.........................................................................26

1.8 Эмиссионные свойства материалов ТЯР при наличии пленок окисла. 28

Выводы из главы 1:.........................................................................................32

Глава 2 Описание экспериментальных установок...........................................34

2.1 Стенд для измерения токов низкополевой эмиссии................................34

2.2 Описание установки «Большой масс-монохроматор МИФИ»...............38

2.3 Выводы из главы 2....................................................................................41

Глава 3 Низкополевая электронная эмиссия с материалов ТЯУ.....................43

3.1 Эмиссия из газонасыщенных образцов графита МПГ-8.........................43

Выводы.........................................................................................................49

3.2 Эмиссионные свойства материалов ТЯР.................................................50

3.2.1 Эмиссионные свойства вольфрамовых поверхностей......................50

3.2.2 Эмиссионные свойства углеродосодержащих образцов...................55

3.2.3 Выводы................................................................................................58

3.3 Измерение эмиссионных свойств катодов, покрытых диэлектрической пленкой............................................................................................................60

3.3 Выводы...................................................................................................69

3.4 Визуализации эмиссионных центров на поверхности катода................70

3.4 Выводы...................................................................................................75

Глава 4 Эмиссия отрицательных ионов при низкополевой эмиссии электронов..........................................................................................................76

4.1 Отрицательные ионы, как дополнительный источник примесей в плазму..............................................................................................................76

4.2 Отрицательные ионы при низкополевой электронной эмиссии.............80

4.2.1 Спектры отрицательных ионов в зависимости от напуска рабочих газов..............................................................................................................82

4.2.2 Спектры отрицательных ионов при прогреве образца......................87

4.2.3 Анализ элементного состава поверхности образца...........................90

4.2.4 Экспериментальное измерение и теоретическая оценка тока отрицательных ионов...................................................................................91

4.3 Выводы к главе 4.......................................................................................94

Заключение.........................................................................................................95

Литература.......................................................................................................97

Введение.

В настоящее время при проектировании первого термоядерного реактора ITER большое внимание уделяется процессам, приводящим к эрозии первой стенки. Одним из негативных явлений в термоядерных установках, оказывающих существенный вклад в эрозию первой стенки, а также являющихся источником загрязнения плазмы, является образование униполярных дуг. Причиной зажигания дуги является разность потенциалов между плазмой и стенкой и, т.к. этот потенциал устанавливается на малом расстоянии от стенки, то создается сильное электрическое поле между ними. Механизм зажигания униполярной дуги до конца не изучен, однако, существует множество экспериментальных работ, в которых показано, что наибольшая вероятность зажигания униполярных дуг наблюдается на поверхностях, покрытых пленкой оксида [1-3], а также имеющих развитый рельеф [4]. Такие поверхности по сравнению с чистыми и гладкими часто обладают более высокой способностью эмитировать электроны, в том числе и при напряженностях электрического поля на несколько порядков меньших, чем необходимо для классической полевой эмиссии. Эмиссию электронов при таких напряженностях поля принято называть низкополевой [5]. Низкополевая эмиссия электронов (НПЭ) может вносить вклад в энергетический и массовый обмен между плазмой и стенкой, а также приводить к поверхностно-плазменным неустойчивостям [6]. В настоящее время нет общепринятой теории, объясняющей такой вид эмиссии электронов в широком диапазоне напряженностей электрических полей. Существует множество моделей низкополевой эмиссии, например, модель "включения" [7], модель пороэмиссии [8], которые в некоторых случаях значительно лучше согласуются с экспериментом, чем полевая эмиссия с учетом усиления поля на микроостриях. Однако эмиссия электронов в этих моделях определяется рядом параметров, (например, наличием или отсутствием пор и инородных включений на поверхности,

длительностью откачки и др.), которые сложно контролировать в эксперименте. Поэтому для корректного сравнения эмиссионных свойств применяемых в ТЯР материалов необходимо сравнительное исследование их эмиссионных свойств при одинаковых, воспроизводимых условиях. Более того, помимо электронов в состав тока НПЭ могут входить отрицательные ионы. Отрицательные ионы, наряду с распыленными нейтральными атомами, могут вносить вклад в процесс взаимодействия плазмы с поверхностью, загрязняя плазму, и их влияние требует оценки. Тем не менее, генерация отрицательных ионов при НПЭ практически не изучена.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы является сравнительное исследование низкополевой эмиссии отрицательно заряженных частиц (как электронов, так и ионов) с различных материалов обращенных к плазме элементов термоядерных установок.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать методики и экспериментальное оборудование, позволяющие производить измерения токов низкополевой эмиссии с материалов ТЯР в одинаковых экспериментальных условиях.

2. Измерить вольт-амперные характеристики низкополевой эмиссии с характерных для обращенных к плазме материалов ТЯР и зависимости НПЭ от таких параметров, как температура, газонасыщенность и других.

3. Выявить возможные центры низкополевой эмиссии на поверхности катода.

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Данные по значениям токов низкополевой эмиссии с применяемых в ТЯР материалов с разной структурой поверхности, позволяющие провести их ранжирование по вероятности образования униполярных дуг.

4. Методика обнаружения центров НПЭ на поверхности с помощью установки «Магнитный микроскоп».

5. Экспериментально зарегистрированные спектры отрицательных ионов при НПЭ, а также методика их измерений, позволяющая наблюдать корреляцию между составом обладающих сродством к электрону примесей (водород, углерод, кислород и их соединения) на поверхности и их концентрацией в объеме.

Научная новизна

1. Впервые произведено сравнительное исследование применяемых в ТЯУ материалов с разной структурой поверхности по величине токов НПЭ, влияющих на образование униполярных дуг.

2. Впервые проведено измерение НПЭ с поверхности, покрытой диэлектрической пленкой, при Одновременном контроле ее толщины и состава.

3. Проведена локализация эмиссионных центров НПЭ на поверхности с помощью магнитного микроскопа.

4. Исследован массовый спектр отрицательных ионов при низко полевой эмиссии и предложена модель их генерации.

Научная и практическая значимость

1. Проведено ранжирование материалов ОПЭ по отношению к вероятности возникновения на них униполярных дуг.

3. Разработанная для установки «Магнитный микроскоп» методика анализа эмиссионных центров НПЭ на поверхности может найти применение при исследовании плоских автокатодов.

Апробация работы

По результатам работы опубликовано 18 печатных работ, 4 из которых в реферируемых журналах, 3 входят в базу данных Web of science, 2 входят в базу данных Scopus:

1. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов, Холодная эмиссия отрицательных ионов с пористого графита // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2012, № 8, с. 5054 (входит в базу web of science, входит в список журналов ВАК)

2. Д.Н. Синельников, А.И. Маркин, В.А. Курнаев, В.Е. Черковец, Н.И. Сыромятников Визуализация центров эмиссии заряженных частиц при холодной низкополевой эмиссии // Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, № 7, с. 631—635 (входит в список журналов ВАК)

5. В.А. Курнаев, Д.Н. Синельников, Ю.М. Гаспарян Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов термоядерных реакторов // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2010, 2010, том 2, с. 11-14

10. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов Хо-лодная эмиссия отрицательных ионов с пористого графита // XX International Conference on Ion Surface Interactions 2011, Том 1, с. 309-312

11. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев, Н.В. Татаринова Низкополевая эмиссия заряженных частиц // Научная сессия МИФИ-2009, т.1, с.93

13. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев Н.В. Татаринова Низкополевая эмиссия заряженных частиц // 7-я молодежная курчатовская научная школа 2009, с. 246

15. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов Масс-спектрометрия заряженных частиц при низкополевой эмиссии // Научная сессия МИФИ-2011, т. 1, с. 75

16. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев Эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов // Научная сессия МИФИ-2010, т.1, с. 70

17. Н.В. Татаринова, Д.Н. СинельниковО природе низкополевой эмиссии заряженных частиц с пористых электродов // Материалы XVIII конф. "Вакуумная наука и техника" с. 158-162

Структура и объем работы

Личный вклад автора

Глава 1 Предпробойные токи с обращенных к плазме материалов, как инициаторы униполярных дуг

1.1 Униполярные дуги

В термоядерных установках типа токамак наибольшие повреждения поверхности за счет воздействия плазмы происходят за счет процессов термического испарения, ионного распыления и образования униполярных дуг. В отличие от первых двух, униполярные дуги еще и существенно изменяют локальные электромагнитные поля.

Униполярные дуги зажигаются между обращенными к плазме элементами (ОПЭ) стенки и плазмой, выполняющими роль катода и анода соответственно, и могут перемещаться по поверхности под действием силы Ампера. Следы от униполярных дуг обнаруживались на обращенных к плазме элементах еще в ранних работах (см. обзор [9]), однако опубликовано небольшое количество работ, в которых исследуется их образование на различных материалах ТЯР. Также в [9] отмечено, что дуги могут приводить к значительной эрозии в области дивертора термоядерных установок, однако в настоящее время недостаточно экспериментальных данных для экстраполяции последствий от них на установки класса ITER. Локальная эрозия, вызванная дугообразованием, была обнаружена на поверхности лимитеров, покрытых слоем В4С, на токамаке TEXTOR [12]. Недавние исследования на токамаке ASDEX Upgrade [11-13] показали, что дугообразование может быть в некоторых областях основным источником эрозии с металлических ОПЭ. Также известно, что дугообразование является источником загрязнения плазмы за счет инжекции в плазму микрочастиц в твердом и расплавленном виде [9, 13].

На рис. 1.1 приведены фотографии следов от униполярных дуг, полученные на токамаке DIII-D [14], а также профилограмма поверхности на месте этих следов. Повреждения от дуг преимущественно находились в зоне верхнего и

Рис. 1.1 Следы от униполярных дуг на верхнем графитовом диверторе токомака £)///-/) и профили поперечного сечения треков дуг (масштаб по горизонтали сжат)

нижнего дивертора, т.е. в зонах наибольшего контакта плазмы с поверхностью. Из профилей поверхности рассчитывалась масса эродированного графита, которая оказалась порядка одного грамма в год со всей поверхности дивертора, при этом в расчете не учитывалось перепыление.

70 ц гп

Причиной зажигания дуги является разность потенциалов между плазмой и стенкой. Т.к. этот потенциал устанавливается на малом расстоянии от стенки (порядка нескольких радиусов Дебая), то возникает сильное электрическое поле между ними. Поскольку плазма квазинейтральна, то ионная и электронная концентрации примерно равны, но т.к. электроны имеют большую тепловую скорость, то они быстрее ионов покидают плазму, в

результате чего последняя получает положительный относительно стенки потенциал. Из равенства потоков ионов и электронов на стенку в [15] приведена формула для потенциала плазмы относительно стенки:

где 8 — коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии. Величина этого потенциала пропорциональна электронной температуре (т.к. значение логарифма слабо меняется от температуры), слабо зависит от отношения массы электрона к массе ионов плазмы и температуры ионов к температуре электронов и не зависит от плотности плазмы. Этот потенциал устанавливается на расстоянии где А-а—радиус Дебая:

Поскольку напряженность электрического поля слабо зависит от выражения под логарифмом, то Е~ ^¡Т/г.

В работе [16] приведена оценка возможных электрических полей для различных токамаков (таблица 1.1): Таблица 1.1

что приводит к возникновению электрического поля:

Токашак

пе