Отражение и захват низкоэнергетичных изотопов водорода при взаимодействии с материалами ТЯР тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Анализ существующих экспериментальных данных и методов расчета захвата и отражения медленных частиц водорода материалами ТЯР

1.1. Компьютерное моделирование взаимодействия потоков частиц с поверхностью твердого тела

1.1.1. Классификация моделей

1.1.2. Взаимодействие легких частиц с поверхностью материалов ТЯР

1.2. Аналитические методы определения параметров захвата и отражения частиц

1.2.1. Аналитические модели

1.2.2. Эмпирические зависимости

1.3. Экспериментальные исследования отражения и захвата в области низких энергий

Глава 2. Условия проведения экспериментов

2.1. Описание экспериментальной установки "Медион-2"

2.2. Методики измерения коэффициентов захвата и отражения частиц

2.3. Особенности экспериментов с ниобием

2.4. Особенности экспериментов с бериллиевыми образцами

Глава 3. Компьютерное моделирование отражения и захвата изотопов водорода материалами ТЯР

3.1. Краткое описание программы SCATTER

3.2. Моделирование отражения и захвата дейтерия ниобием

3.3. Изучение захвата и отражения изотопов водорода материалами ТЯР методом компьютерного моделирования

Захват и отражение изотопов водорода первой стенкой и другими поверхностями термоядерного реактора (ТЯР) являются одними из основных процессов, определяющих накопление топлива в элементах конструкции ТЯР, обращенных к плазме, а также охлаждение периферийной плазмы вследствие обратного потока медленных частиц. На эти процессы могут влиять различные факторы, такие как шероховатость поверхности, наличие на поверхности активных к падающим частицам примесей и т.д. Особый интерес представляет область сверхнизких начальных энергий (единицы - десятки эВ), поскольку энергетическое распределение частиц, приходящих на первую стенку, имеет максимум в районе порядка 10 эВ и быстро спадает в интервале до сотен эВ. В настоящий момент область электрон-вольтных энергий экспериментально практически не изучена, что объясняется сложностью получения интенсивных моноэнергетических пучков медленных ионов водорода. По этой причине широкое применение получило компьютерное моделирование процессов захвата и отражения с помощью кодов, базирующихся на двух различных подходах: решении уравнений Ньютона для некоторой группы атомов твердого тела и падающей частицы (так называемая модель молекулярной динамики) и статистическом моделировании по методу Монте-Карло (модель парных соударений). Существует множество программ, созданных на основе этих двух подходов, в большей или меньшей степени приближенных к условиям реальных экспериментов и включающих в рассмотрение рельеф мишени, состав примесей, тепловые колебания атомов решетки твердого тела, структуру исследуемого вещества и т.п. Более простая, но в то же время позволяющая более полно учитывать реальные условия экспериментов, модель парных соударений имеет ограничение по применимости, связанное с необходимостью рассматривать не парные, а коллективные взаимодействия при начальных энергиях, лежащих в диапазоне от единиц до десятков эВ. Поэтому необходимы экспериментальные исследования отражения и захвата в области, в которой применимость данной модели расчетов формально считается недопустимой. Кроме того, в некоторых случаях, например при изучении отражения от рельефных поверхностей, наблюдаются расхождения в компьютерных и экспериментальных результатах. С другой стороны, в связи с известными сложностями проведения экспериментов с тритием, компьютерные расчеты являются дополнительным инструментом изучения взаимодействия данного изотопа водорода с материалами ТЯР. В качестве обращенных к плазме материалов международного термоядерного реактора ИТЭР предлагаются Ве, С и W, причем эксперименты с Ве стенками на крупнейшей установке JET показали, что при этом можно достичь рекордных параметров плазмы. Таким образом, представляется весьма актуальным экспериментальное исследование влияния различных факторов на захват и отражение низкоэнергетичных ионов изотопов водорода материалами как с малым, так и с большим атомным номером, а также сравнение полученных данных с результатами компьютерного моделирования для выявления применимости используемой модели расчетов и последующего прогнозирования с ее помощью поведения изотопов водорода при их взаимодействии с кандидатными материалами ТЯР.

Цель работы состояла в: экспериментальном исследовании отражения и захвата ионов дейтерия электрон-вольтных энергий от материалов с учетом состояния их поверхности;

2) экспериментальном исследовании влияния различной степени шероховатости поверхности на коэффициенты захвата и отражения ионов дейтерия при нормальном и наклонном падении частиц на поверхность;

3) компьютерном моделировании отражения и захвата водорода низких энергий кандидатными материалами ТЯР для сравнения с результатами измерений и выявления общих закономерностей этих процессов в зависимости от энергии частиц и угла их падения для различных изотопов водорода.

На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:

1) впервые измеренные коэффициенты отражения и захвата водорода от поверхности твердого тела в диапазоне электрон-вольтных энергий частиц;

2) влияние шероховатости поверхности на параметры отражения низкоэнергетичных ионов дейтерия при сравнительном исследовании различных сортов бериллия;

3) определение значений энергии связи падающих частиц дейтерия с чистой и окисленной поверхностями ниобия;

4) описание и объяснение сильного изотопического эффекта, выражающегося в трехкратном изменении коэффициентов отражения низкоэнергетичных ионов протия по отношению к тритию кандидатными материалами ТЯР с низким атомным номером.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты проведенных исследований отражения и захвата изотопов водорода от различных материалов, предлагаемых как кандидатные материалы ТЯР, могут найти применение:

1)в качестве элементов базы данных для токамаков, необходимых в моделировании процессов рециклинга частиц топлива при взаимодействии плазмы с поверхностью в термоядерных реакторах;

2) при построении моделей накопления частиц топлива (в том числе трития) в обращенных к плазме элементах ТЯР;

3)при определении энергии связи с поверхностью твердого тела химически активных атомов низких энергий.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые измерены коэффициенты отражения и захвата водорода от поверхности твердого тела в диапазоне электрон-вольтных энергий. Показано, что на зависимости коэффициента отражения частиц от начальной энергии для случая облучения ниобия по нормали к поверхности присутствует максимум, положение которого определяется наличием водородоактивных элементов на поверхности образца.

2. Разработаны и апробированы экспериментальная методика и прибор, позволяющие проводить в одинаковых вакуумных условиях термодесорбционный анализ нескольких образцов после имплантации низкоэнергетичных ионов.

3. Впервые проведено сравнительное исследование влияния структуры и состава поверхности бериллия на параметры отражения низкоэнергетичных ионов дейтерия. Показано, что в отличие от сложившихся в литературе представлений, при нормальном падении частиц на мишень коэффициенты отражения от поверхности с сильно развитым рельефом могут быть заметно меньше, чем считалось до сих пор.

4. На основании соответствия результатов измерений отражения в электрон-вольтном диапазоне начальных энергий водорода с данными компьютерного моделирования определены значения энергии связи падающих частиц дейтерия с чистой и окисленной поверхностями ниобия. Найденные значения лежат в диапазоне от 0,3 ± 0,2 эВ для чистой поверхности до 2,5 ± 0,5 эВ для поверхности, покрытой окислом.

5. Путем компьютерного моделирования обнаружен и объяснен сильный изотопический эффект, выражающийся в трехкратном различии коэффициентов отражения низкоэнергетичных ионов протия и трития кандидатными материалами ТЯР с низким атомным номером.

6. Исходя из полученных экспериментальных данных в области низких энергий и расчетов, выполненных по программе последовательных парных соударений, прогнозируется влияние шероховатости и наличия водородоактивных примесей на поверхностях кандидатных материалов ТЯР на захват и отражение частиц топлива, приходящих на первую стенку и другие обращенные к плазме поверхности реактора.

1. Abraham F.F., Adv. Phys. 35 (1986) 1

2. Эльтеков B.A. Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Компьютерное моделирование. Изд-во Московского университета. 1993

3. Biersack J.P. et al., Radiat. Effects Lett. 85 (1985) 193

4. Moller W. et al., Nucí. Instr. Meth. 130 (1975) 265

5. Biersack J.P., Haggmark L.G., Nucí. Instr. Meth. B174 (1980) 257

6. Ruzic D.N. and Chui H.K., J. Nucí. Mater., 162-164 (1989) 904

7. Pigarov A.Yu. and Igitkhanov Yu.L., Contrib. Plasma Phys., vol.30 1 (1990) 71

8. Robinson M.T. and Oen O.S., Phys. Rev., 132 (1963) 2385

9. Arias J. et al., Nucí. Instr. Meth. B102 (1995) 228

10. Malaguti F., Nucí. Instr. Meth. B34 (1988) 157

11. Posselt M., Heinig K.-H., Nucí. Instr. Meth. B102 (1995) 236

12. Баранцев Р.Г., Взаимодействие газов с обтекаемыми поверхностями. М.: Наука 1975

13. Biersack J.P., Eckstein W., Appl. Phys. A34 (1984) 73

14. Robinson M.T., Torrens I.M., Phys. Rev. B9 (1974) 5008

15. Jackson D.P. and French J.B., Advan. Appl. Mech. Suppl., 5 (1969) 1119

16. Eckstein W., Biersack J.P., Appl. Phys. A38 (1984) 123

17. Baskes M.I., J. Nucl. Mater. 128/129 (1984) 676

18. Jakas M.M., Harrison D.E., Nucl. Instr. Meth. B14 (1986) 535

19. Jackson D.P., Radiat. Eff. 49 (1980) 233

20. Жабрев Г.И. и др., Изв. РАН (Сер. физ.) 58 (1994) 54

21. Eckstein W., Mayer М., Nucl. Instr. Meth. B94 (1994) 22

22. Bandurko V.V. et al., J. Nucl. Mater. 176/177 (1990) 630

23. Koborov N.N. et al., J. Nucl. Mater. 220-222 (1995) 953

24. Путилин И.К. Компьютерное моделирование рассеяния ионов гипертермальных энергий. Материалы 13-й межд. конф. «ВИП». М.: Москва 1997, с.221

25. Eckstein W., Biersack J.P., Z. Phys. A: Atoms and Nuclei 310 (1983) 1

26. Parilis E.S., Verleger V.K., Ibid. 93/94 (1980) 512

27. Фирсов О.Б., Докл. АН СССР. Сер. Физ. 169 (1966) 1311

28. Winterbon K.B. et al., Mat.-fys. medd. Kgl. danske vid. selskab. 37 (1970) 1

29. Калашников Н.П. и др., Столкновения быстрых заряженных частиц в твердых телах. М.: Атомиздат 1980

30. Тилинин И.С., Поверхность. Физика, химия, механика. 3 (1983) 10

31. Tilinin I.S., Betz G., Nucl. Instr. Meth. B115 (1996) 565

32. Robinson M.T., Phys. Rev., B40 (1989) 1071

33. Маринюк B.B., Радкевич A.B., Расчет спектров отражения легких ионов от аморфных сред методом парциальных потоков. Материалы 13-й межд. конф. «ВИП». М.: Москва 1997, с. 184

34. Рязанов М.И., Тилинин И.С., Исследование поверхности по обратному рассеянию частиц. М.: Энергоатомиздат 1985

35. Koborov N.N. et al., Radiat. Eff. 69 (1983) 135

36. Thomas E.W. et al., Nucl. Instr. Meth. B69 (1992) 427

37. Гусева М.И., Мартыненко Ю.В., Итоги науки и техн. Физика плпзмы. 2 (1990) 152

38. Amano J. and Seidman D.N., J. Appl. Phys. Vol. 52 11 (1981) 6934

39. Wagner A. and Seidman D.N., Phys. Rev. Lett. 42 (1979) 515

40. Braun M. and Thomas E.W., J. Appl. Phys. Vol. 53 9 (1982) 6446

41. Overbury S.H. et al., J. Nucl. Mater. 93&94 (1980) 529

42. Eckstein W. and Verbeek H., J. Nucl. Mater. 76&77 (1978) 365

43. Staudenmeier G. et al. J. Nucl. Mater. 84 (1979) 149

44. Курнаев B.A., Сотников B.M. Поверхность 5 (1983) 43

45. Mayer М. et al., J. Appl. Phys. 77 (1995) 6609

46. Meyer M. et al., Nucl. Instr. Meth. B85 (1994) 560

47. Bandurko Y.Y., Kurnaev V.A., Vacuum Vol.44 9 (1993) 937

48. Vietzke E. et al., J. Nucl. Mater., 266-269 (1999) 324

49. Rendulic K.D. and Winkler A., Surf. Sci., 299&300 (1994) 261

50. Fraenzen P. and Vietzke E., J. Vac. Sci. Technol. A12 (1994) 820

51. Курнаев В.А., Машкова E.C., Молчанов В.А., Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. М.: Энергоатомиздат 1985

52. ITER Conceptual Design, Interium Report, IAEA/ITER/DS/7 (IAEA, Vienna, 1990)

53. Livshits A.I. et al., J. Nucl. Mater., 196-198 (1992) 159

54. Бандурко B.B., Курнаев B.A. В сб. "Приборы и методы диагностики плазмы и поверхности стенок плазменных установок". М.: Энергоатомиздат, 1991. Стр.3

55. Bandurko V.V. et al., Proc. Japan-CIS Workshop on interaction of fuel particles with fusion materials, Tokyo, 1992, p. 130• 56. Фогель Я.М., Усп. физ. наук, 91(1) (1967) 75

56. Wampler W.R., J. Nucl. Mater. 122&123 (1984) 1598

57. Moller W., Scherzer B.M.U. and Bohdansky J., Retention and Release of Deuterium Implanted into Beryllium, IPP-JET Report #26, Max-Plank-Institut fur Plasmaphysic, Garching, 1986

58. Liu M.B., Sheft I. and Gruen D.M., J. Nucl. Mater. 79 (1979) 267

59. Аристархова A.A. и др. Анализ поверхности различных сортов бериллия методами Оже-спектроскопии, ВИМС и ионного рассеяния. Материалы 12-й межд. конф. «ВИП». М.: Москва 1995

60. Wilson W.D. et al., Phys. Rev., B15 (1977) 2458

61. Фирсов О.Б., ЖЭТФ 33 (1957) 696

62. Oen O.S., Robinson М. Т., Ibid. 132 (1976) 647

63. Bandourko V.V. et al., Nucl. Instr. Meth. В 115 (1996) 452

64. Kiriyama Т., Tanabe T.H J. Nucl. Mater. 1995. № 220 222. P. 873.

65. Eckstein W., Computer simulation of ion-solid interactions. Springer, Berlin, 1991

66. Koborov N. N. et al. J. Nucl. Mater. 128&129 (1984) 691

67. Жабрев Г. И. и др. ЖТФ. 1974. Т. 44. С. 1560

68. Ремизович B.C. и др. ЖЭТФ 79 (1980) 448

69. Kukushkin A.B. and Rantsev-Kartinov V.A., Preprint of Kurchatov Institute. IAE-6157/6, Moscow 1999

70. Davis J.W. et al., J. Nucl. Mater., 214&215 (1994) 813