Взаимодействие ионов водорода термоядерных энергий с тонкими слоями вещества тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Оглавление

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Основные представления о торможении и рассеянии ионов при взаимодействии с конденсированными средами

1.1.1 Потенциал взаимодействия.

1.1.2 Классическая теория рассеяния.

1.1.3 Потери энергии

1.2 Статистика прохождения частиц через вещество

1.3 Транспортная теория

1.4 Основные особенности компьютерных программ для моделирования взаимодействия частиц с веществом

1.4.1 Программа MARLOWE.

1.4.2 Программа TRIM

1.5 Учет топографии поверхности

1.6 Выводы.

2 Описание экспериментальных приборов и установок

2.1 Описание установки «Большой масс-монохроматор МИФИ».

2.2 Автоматизированный электростатический энергоанализатор ионов и нейтральный атомов.

2.3 Описание программы управления автоматизированным спектрометром ионов и нейтральных атомов

2.3.1 Особенности программы управления анализатором

2.3.2 Режим снятия ознакомительного спектра

2.3.3 Режим оптимизации измерений.

2.3.4 Режим снятия энергетического спектра

2.4 Выводы к главе.

3 Описание программы SCATTER

3.1 Движение атомов в веществе

3.2 Потери энергии.

3.3 Учет шероховатости.

3.4 Начальные условия.

3.5 Граничные условия.

3.6 Прекращение движения частиц.

3.7 Учет сложной геометрии системы.

4 Взаимодействие ионов водорода кэвных энергий с тонкими слоями вещества

4.1 Прохождение изотопов водорода через формваровые пленки.

4.1.1 Описание эксперимента.

4.1.2 Результаты.

4.1.3 Выводы.

4.2 Факторы, влияющие на энергетическое разрешение ультратонких углеродных фольг при регистрации легких ионов кэвных энергий.

4.2.1 Описание эксперимента.

4.2.2 Изготовление и характеристики фольг.

4.2.3 Результаты.

4.2.4 Выводы.

4.3 «Поворот» тела яркости при прохождении частиц через тонкие пленки.

4.3.1 Описание эксперимента.

4.3.2 Результаты.

4.3.3 Выводы.

4.4 Отражение изотопов водорода от многослойной мишени

4.4.1 Описание эксперимента.

4.4.2 Результаты.

4.4.3 Выводы.

4.5 Выводы к главе.

5 Моделирование взаимодействия изотопов водорода с конструкционными элементами термоядерных установок

5.1 Описание модели компьютерного моделирования

5.2 Результаты компьютерных вычислений.

5.3 Обсуждение результатов.

5.4 Изучение влияния шероховатости

5.5 Выводы к главе.

Выводы

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, процессов массобмена плазмы и стенки. Распыленние материалов ТЯР под действием потоков высокоэнергетичных частиц из плазмы влияет на время ее удержания, а также на эрозию и деградацию обращенных к плазме элементов, в том числе диагностического оборудования. На процессы отражения и распыления могут влиять различные факторы, такие как шероховатость поверхности, наличие на поверхности тонких осажденных пленок и примесей, и т.п. Из-за сложности воссоздания условий ТЯР 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 и включающих в рассмотрение некоторые особенности реальных экспериментов: состав примесей, тепловые колебания атомов решетки твердого тела, структуру исследуемого вещества, рельеф мишени и т.п. 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. Более точная модель молекулярной динамики позволяет избежать многих проблем, но из-за больших требований к вычислительным ресурсам компьютера, на данный момент, основанные на этой модели программы не в состоянии обеспечить необходимой статистической точности за приемлемое время вычисления. 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 зеркал применяемых в оптической диагностике. Таким образом, представляется весьма актуальным исследование применимости существующих компьютерных кодов и разработка новых компьютерных программ, а также сравнение полученных данных с экспериментальными результатами для выявления применимости используемых моделей расчетов и последующего прогнозирования с их помощью взаимодействия покидающих плазму атомных частиц с обращенными к ним элементами ТЯР.

Цель работы заключалась в:

1. совершенствовании методов компьютерного моделирования для описания взаимодействия с твердотельными мишенями ионов водорода с энергиями, характерными для ТЯР;

2. проведении экспериментов с тонкими слоями вещества для выявления особенностей взаимодействия изотопов водорода термоядерных энергий с твердым телом и учете этих особенностей при компьютерном моделировании;

3. разработке компьютерного кода для моделирования процессов отражения и распыления с учетом реального микрорельефа поверхности и его тестировании в прямых экспериментах по взаимодействию ионов с веществом;

4. разработке методов компьютерного моделирования взаимодействия изотопов водорода с элементами ТЯР с учетом ожидаемых распределений падающих частиц и геометрии элементов ТЯР.

Научная и практическая значимость работы

Результаты компьютерного моделирования и проведенных экспериментальных исследований могут найти применение: для корпускулярной диагностики плазмы при анализе нейтралов перезарядки с помощью тонких фольг, при моделировании процессов распыления и осаждения материалов на поверхности диагностических зеркал термоядерных установок, для повышения точности моделирования взаимодействия легких ионов с реально используемыми в термоядерном реакторе материалами, для проведения неразрушающего контроля тонких слоев на поверхности и тонких слоев многослойных структур непосредственно в процессе их формирования.

Основные результаты работы [1-17] были представлены на 17-ой (Китай, 1997) и 18-ой (Дания, 1999) международных конференциях по атомным столкновениям (ICACS), на 14-ом международном вакуумном конгрессе (IVC-14, ICC Birmingham '98), XIII, XIV, XV международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (1997, 1999, 2001 Звенигород), XXVI, XXVII, XXX, XXXI международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (1996, 1997, 2000, 2001 Москва).

Личный вклад: работы [1-17] — компьютерное моделирование, обработка полученных результатов, работы [2,3,5,6,8-12,14] — проведение экспериментов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 126 страниц текста, 42 рисунка, 3 таблицы. Список литературы включает 77 наименований.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Разработан компьютерный код SCATTER для моделирования взаимодействия легких ионов термоядерных энергий с конденсированным веществом. Код позволяет учитывать вклад различных процессов при взаимодействии легких ионов термоядерных энергий с веществом, и обладает повышенным быстродействием.

2. Разработана модификация кода SCATTER впервые позволяющего моделировать процессов отражения и распыления с учетом реального микрорельефа полученного с помощью сканирующего туннельного микроскопа поверхности, а также сложной геометрии изучаемого объекта.

3. Предложен алгоритм расчетов, позволяющий при помощи кода SCATTER описывать взаимодействие нейтралов перезарядки из плазмы термоядерного реактора, проходящих через диагностический патрубк сложной геометрии, с диагностическими зеркалами. Алгоритм позволяет учитывать распыление зеркал под действием потоков нейтралов перезарядки из плазмы и осаждение поверхность зеркала распыленных материалов диагностического патрубка.

4. Усовершенствовано компьютерное управление автоматизированного спектрометром ионов и нейтральных атомов на установке «Большой масс-монохроматор МИФИ», что позволяет контролировать в режиме реального времени ход эксперимента. Разработанные алгоритмы позволяют увеличить отношения сигнал/шум и сигнал/доза, а также уменьшить или избавиться от влияния различных искажений на экспериментальные данные.

5. Проведен анализ энергетического разрешения ультратонких фольг, применяемых при диагностике потоков нейтральных атомов водорода в зависимости от толщины. Изучено влияние различных факторов на формирование энергетических спектров прошедших частиц. Экспериментально показано, что если основной вклад в формирование ширины энергетического спектра вносит неоднородность толщины фольги, то разрешение фольги пропорциональна величине ее неоднородности по толщине. Показано, что для нейтральных атомов водорода с энергией Eq > б кэВ может быть обеспечено разрешение по энергии не хуже 3%.

6. Предложен метод анализа тонких слоев вещества в составе многослойных мишеней, основанный на регистрации энергетических спектров рассеянных ионов водорода. Экспериментально доказана возможность проведения неразрушающего контроля состава многослойных структур с помощью анализа энергетических спектров рассеянных ионов с использованием изотопов водорода кэвных энергий.

7. Впервые экспериментально измерена зависимость величины наиболее вероятного угла вылета частиц, прошедших слой вещества заданной толщины, от их энергии, подтверждающая результаты аналитических расчетов.

1. Koborov N. N., Kuzovlev A. 1., Kurnaev V. A., Remizovich V. S., Trifonov N. N.

2. Energy distribution of particles transmitted throuth free foils at oblique incidence//Nucl. Instr. and Meth. В v. 129, (1997), pp. 5-10.

3. Kuzovlev A. I., Kurnaev V. A., Remizovich V. S., Trifonov N. N. Reflaction of the beam of charged particles during inclined transmission throuth a thintarget//Nucl. Instr. and Meth. В v. 135, (1998), pp. 477-481.

4. Кузовлев А. И., Курнаев В. А., Ремизович В. С., Трифонов Н. Н. Эффект «преломления» пучка ионов из-за многократного рассеяния в веществе//*Известия академии наук». Серия физическая тп. 62, № 7, (1998), стр. 1483-1485.

5. Курнаев В. А., Орлинский Д. В., Трифонов Н. Н. Моделирование распыления и осаждения потоков частиц на поверхности диагностических зеркал плазменных установок// «Вопросы атомной науки и техники. Термоядерный синтез» , (1999), стр. 55-59.

6. Курнаев В. А., Трифонов Н. Н., Дроздов М. Н., Салошенко Н. Н. О возможности неразрушающего послойного анализа многослойных структур из сверхтонких пленок с помощью ионов водорода низких энергий/ j «Письма в ЖТФ» т. 25, № 11, (1999), стр. 52-56.

7. Kurnaev V. A., Trifonov N. N., Drozdov М. N., Salashchenko N. N. On the possibility of the in-situ growth control and nondestructive depth profiling of ultrathin multilayer structures using keV hydrogen ions// "Vacuum" v. 56, (2000), pp. 253-255.

8. Bandurko V. V., Kurnaev V. A., Levchuk D. V., Trifonov N. N. Hydrogen Recycling at Plasma Facing Materials The simulation of the diagnostic mirror behavior under hydrogen isotope irradiation (Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 2000) pp. 319-329.

9. Курнаев В. А., Трифонов Н. Н. Программа моделирования прохождения ионов через тонкие слои вещества 'SCATTER FOIL'// Тезисы докладов XXVII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1997) с. 82.

10. Кузовлев А. И., Курнаев В. А., Ремизович В. С., Трифонов Н. Н. Эффект «преломления» пучка ионов из-за многократного рассеяния в веществе// Труды XIII международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностьюj> (Звенигород, Россия, 1997) с. 151.

11. Gridneva Е. A., Kurnaev V. A., Likhtenshtein V. К., Trifonov N. N., Urusov V. А.

12. Experimental and computer investigation of energy losses and straggling of light ions penetrating extrathin layers of different structures// Book of abstract of the ICACS-18, Odense, Denmark, August 3-8 (1999) p. 60.

13. Kurnaev V. A., Orlinsky D. V., Trifonov N. N., Urusov V. A., Koulikauskas V. S.

14. Experimental and Computer Simulations of the Mirror Behavior at Bombardment of a Diagnostics Duct with Neutrals// Book of abstracts of the 2nd Japan-Russia Symposium on Interactions of Fast Charged Particles with Solids (October 5-9 1999, Nagoya) p. 33.

15. Курнаев В. А., Левчук Д. В., Трифонов Н. Н. Моделирование распыления молибдена ионами дейтерия с учетом шероховатости поверхности мишени// Труды XV международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, Россия, 2001) с. 140.

16. Готт Ю. В.// Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях (М.: Атомиздат, 1978).

17. Курнаев В. А., Машкова Е. С., Молчанов В. А.// Рассеяние легких ионов поверхностью твердого тела (М.: Энергоатомиздат, 1985).

18. Экштайн В.// Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела (М.: Мир, 1995).

19. Машкова Е. С., Молчанов В. А. Пространственное распределение частиц, распыленных под действием ионной бомбардировки. Теоретические результаты//Поверхность. Физика, химия, механника , Л"» 3, (1995), стр. 5-25.

20. Зигмунд П. Статистика прохождения заряженных частиц Лекции по основам взаимодействия заряженных частиц с твердым телом (М.:Высш.шк., 1994) стр. 78-167.

21. Урбассек Г. М. Прохождение низкоэнергетичных ионов и каскады столкновений в кристаллах Лекции по основам взаимодействия заряженных частиц с твердым телом (М.:Высш.шк., 1994) стр. 250-274.

22. Arista N. Stopping of molecules and clusters//Nucl. Instrum. Meth. В v. 164-165, (2000), pp. 108-138.

23. Фирсов О. Б. Вычисление потенциала взаимодействия атомов//ЖЭТФ т. 33, (1957), с. 696.

24. Thomas L. Н.ЦРгос. Cambridge Philos. Soc. v. 23, (1927), p. 542.

25. Fermi E.//Z. Phys. v. 48, (1928), p. 73.

26. Lindhard J., Nielsen V., Scharff M.//Mat.-Fys. Medd. K. Dan. Vid. Selsk. v. 36, no. 10.

27. Ziegler J. F., Biersack J. P., Littmark U.// The Stoping and Range of Ions in Solids v. 1 of The Stooping and Range of Ions in Matter (Pergamon Press, n.y., 1985).

28. Robinson M. Т.// Topics Appl. Phys. v. 47 of Sputtering by Particle Bombardment I (Springer, Berlin, 1981).

29. Born M.//Mat.-Fys. Medd. K. Dan. Vid. Selsk. v. 18, no. 8.

30. Moliere//Naturforsch. v. A2, (1947), p. 133.

31. Wilson W. D., Haggmark L. G., Biersack J. P.//Phys. Rev. v. J315, (1977), p. 7458.

32. Lenz W.//Z. Phys. v. 77, (1932), p. 703.

33. Jensen U.//Z. Phys. v. 77, (1932), p. 722.

34. Born M., Mayer J. E.//Z. Phys. v. 75, (1932), p; 1.

35. Ландау Л. Д. О потерях энергии быстрыми частицами на ионизацию///. Phys. , 8, (1944), с. 201.

36. Linhard J., SharfF M.//P/iys. Rev. v. Щ, (1961), p. 128.

37. Фирсов О. В.//ЖЭТФ тп. 36, (1959), с. 1517.

38. Оеп О. S., Robinson M. Т.//Nucl. Inst. Meth. v. 132, (1976), p. 647.

39. Matsunami N. Energy loss distribution of #2+ with 100 keV in thin carbon films//Nucl. Instrum. Meth. В v. 115, no. 1-4, (1996), pp. 14-17.

40. Ремизович В. С. Аналитическая теория диффузионного распространения излучения в слоисто-неоднородных средах//Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук МИФИ (1986).

41. Бредов М. М., Ланг И. Г., Окунева Н. М.//ЖТФ тп. 28, (1958), с. 252.

42. Robinson М. Т., Оеп О. S.//Phys. Rev. v. 132, (1963), p. 2385.

43. Biersack J. P., Haggmark L. G.f/Nucl. Instr. Meth. v. Щ, (1980), p. 257.

44. Ziegler J. F., Biersack J. P., Littmark U.// Stopping Power and Ranges of Ion in Matter v. 1 (Pergamon, New York, 1985).

45. Biersack J. P., Eckstein W.//Appl. Phys. v. A34, (1984), p. 73.

46. Robinson M. Т., Torrens I. M.//Phys. Rev. v. B9, (1974), p. 5008.

47. Hautala M.//Phys. Rev. v. B30, (1984), p. 5010.

48. Yamamura Y., Takuchi W.//Nucl. Instrum. Meth. v. B29, (1987), p. 461.

49. Moller W., Eckstein W.//Nucl. Instrum. Meth. v. B2, (1984), p. 814.

50. Гурмин Б. M., Рыжов Ю. А., Шкарбан И. И.//Известия АН СССР, Сер. физ. т. 33, (1969), с. 815.

51. Бериш Р., Виттмак К.// Распыление под действием бомбардировки частицами, Выпуск III (Издательство «Мир», 1998).

52. Littmark U., Hofer W. О. no//Journal of Material Science v. 13, (1978), p. 2577.

53. Koborov N. N., Kurnaev V. A., Sotnikov V. M. The Surface Routhness Influence on the Light Ions Backscattering//Journal of Nuclear Materials v. 128-129, (1984), pp. 691-693.

54. Сотников В. M. Влияние рельефа поверхности на энергетическую зависимость коэффициента распыления//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования , № 3, (2000), стр. 42-51.

55. Ruzic D. N., Chiu Н. К. Modeling of particle-surface reflection including surface roughness characterized by fractal geometry//Journal of Nuclear Materials v. 162-164, (1989), pp. 904-909.59 60 [6162