Захват водорода в осаждаемые в плазме углеродные слои

Шигин, Павел Анатольевич

Захват водорода в осаждаемые в плазме углеродные слои тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Шигин, Павел Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Захват водорода в осаждаемые в плазме углеродные слои»

Автореферат диссертации на тему "Захват водорода в осаждаемые в плазме углеродные слои"

На правах рукописи О034ьи^ои

Шигин Павел Анатольевич

ЗАХВАТ ВОДОРОДА В ОСАЖДАЕМЫЕ В ПЛАЗМЕ УГЛЕРОДНЫЕ СЛОИ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

, 2 2 ОК/ та

Автор:

Москва 2009

003480280

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Беграмбеков Леон Богданович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Борисов Анатолий Михайлович, кандидат физико-математических наук,

Городецкий Александр Ефимович

Ведущая организация:

Российский научный центр «Курчатовский институт»

Защита состоится «11» ноября 2009 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 в НИЛУ МИФИ по адресу: 115409 Москва, Каширское шоссе, 31, Корпус К, ауд. К-608. тел. 324-84-96, 324-95-26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

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

Автореферат разослан «» октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ И.В. Евсеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Во многих современных токамаках в качестве одного из контактирующих с плазмой материалов используются графиты. Использование графитов в термоядерных установках обусловлено тем, что углерод имеет малый атомный номер; некоторые типы графитов и углеграфитовые композиты (CFC) устойчивы к большим тепловым нагрузкам, срывам плазмы. К отрицательным характеристикам графитов и композитов можно отнести его способность захватывать большие количества водорода, сравнительно высокие коэффициенты физического и химического распыления. Распыленные атомы углерода осаждаются в виде углеродных слоев как на контактирующих с плазмой материалах первой стенки тока-маков, так и в теневых частях установок: в тени дивертора или лимитера, в диагностических портах камеры, в откачных патрубках и сорбируют значительные количества изотопов водорода. Исследования [1], проведенные на токамаках, показали, что в Tore Supra до 50 %, в JET до 40 %, в ASDEX Upgrade 3 - 4 % инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере, предположительно, в основном в перепыленных углеродных слоях.

Захват газов в материалах первой стенки токамака и пленках является причиной неуправляемой десорбции изотопов водорода в процессе плазменного разряда, что приводит к потере контроля над экспериментом.

Накопление 700 г трития в камере ИТЭР, что соответствует предельно допустимой дозе, может произойти через 500 плазменных разрядов, если ИТЭР будет работать с графитовым диверто-ром. Согласно современным оценкам большая часть накопленного трития будет сосредоточена именно в перенапыленных углеродных слоях.

слоев в токамаках сложно с технической точки зрения, требует значительных затрат времени и материальных средств. Имеющиеся разрозненные и часто противоречивые данные не позволяют выявить зависимости свойств перенапыленных слоев от условий экспериментов.

В лабораторных установках существует возможность детального изучения свойств получаемых слоев при различных параметрах осаждения. В таких работах были измерены зависимости количества захваченного водорода от энергий ионов углерода и водорода, приходящих на поверхность растущей пленки; показана связь между энергией ионов углерода и структурой пленки. Изучена зависимость структуры углеродных пленок от температуры осаждения. Исследования структуры углеродных слоев, совмещенные с их термодесорбционным (ТДС) анализом, установили связь между температурой десорбции водорода и гибридизацией атомов углерода. Вместе с тем до настоящего времени не выяснен целый ряд вопросов, непосредственно определяющих влияние осаждаемых углеродных слоев на работу токамака, в частности, особенности захвата водорода в растущие слои из нейтральной газовой фазы; влияние скорости осаждения, плазменного облучения и материала подложки на захват газа в формирующийся углеродный слой. Не разработаны механизмы десорбции изотопов водорода из углеродных слоев при их плазменном облучении.

Именно этим вопросам посвящена данная работа. На основе полученных результатов объясняются особенности захвата изотопов водорода в углеродные слои, осаждаемые в токамаках на примере Tore Supra. Даны рекомендации по уменьшению захвата изотопов водорода в углеродные пленки в токамаках.

Основные цели и задачи работы

Исходя из вышесказанного, основные цели работы были сформулированы следующим образом:

1. измерение параметров и выявление закономерностей захвата водорода в углеродные слои в процессе их осаждения: в остаточном газе, в водороде-газе и водородной плазме в зависимости от параметров сопутствующего плазменного облучения; от материала и температуры подложки;

2. измерение параметров и изучение закономерностей захвата изотопов водорода в осажденные углеводородные слои при их облучении дейтериевой плазмой;

3. разработка механизмов захвата и удержания изотопов водорода в углеродных слоях в процессе их осаждения и при последующем плазменном облучении;

4. объяснение на основании полученных результатов особенностей захвата изотопов водорода в углеродные слои, осаждаемые в токамаках на примере токамака Тоге Supra;

5. выявление условий, при которых захват изотопов водорода в осажденные углеродные слои окажется наименьшим, и, соответственно, минимизируется рециклинг изотопов водорода в современных токамаках и захват и удержание трития в ИТЭР.

Для реализации целей работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. создан напылительный стенд для изучения захвата водорода в осаждаемые углеродные слои;

2. с использованием напылительного стенда исследован захват водорода в углеродные слои, осаждаемые в остаточном вакууме, при различных давлениях нейтрального водорода, при сопутствующем плазменном облучении, на разные материалы подложки, при различных температурах подложки;

3. определены закономерности и механизмы захвата и десорбции изотопов водорода в углеродных слоях;

4. изучено влияние плазменного облучения углеводородных слоев, осажденных плазмо-химическим методом, на содержание в них изотопов водорода;

5. создан материаловедческий зонд и термодесорбционный стенд для токамака Тоге Supra, предназначенные для одновременного экспонирования серии образцов в плазме токамака и для анализа захвата изотопов водорода в образцах;

6. с помощью созданных приборов исследован захват изотопов водорода в слоях, осаждаемых в Tore Supra;

7. выявлены и объяснены особенности захвата водорода в углеродные слои, осаждаемые на первой стенке токамака на примере Tore Supra.

На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну

1. Параметры и закономерности захвата изотопов водорода в углеводородные слои в процессе их осаждения в остаточном газе вакуумной установки и в атмосфере водорода, в том числе зависимость захвата от давления остаточного газа и водорода-газа, скорости осаждения, температуры и материала подложки.

2. Параметры и закономерности захвата водорода в углеродные слои, осаждаемые при сопутствующем облучении ионами водородной плазмы, в частности, показано, что ионы с достаточно большой энергией (Е > 200 эВ/атом) могут проникать и захватываться в глубоких слоях пленки, увеличивая концентрацию водорода Н:С до величины 0,4.

3. Закономерности и механизмы захвата дейтерия в углеводородных слоях, облучаемых в дейтериевой плазме, в том числе, обнаружено явление обезгаживания глубоких слоев углеводородной пленки при облучении ионами плазмы.

4. Закономерности и особенности захвата изотопов водорода в углеродные слои, осаждаемые в токамаках. Показано, что захват водорода увеличивается при уменьшении скорости напыления.

Научная и практическая значимость работы

Созданная установка по осаждению углеродных слоев позволяет изучать напыление углеводородных слоев в широком диапазоне экспериментальных параметров, таких как скорость напыления, давление газа, материал и температура подложки. Установка позволяет проводить сопутствующее плазменное облучение осаждаемых углеродных слоев.

Созданы материаловедческий зонд для токамака Tore Supra, предназначенный для одновременного экспонирования десяти образцов в плазме токамака, и термодесорбционный стенд, позволяющий проводить экспресс-анализ образцов, экспонированных в Тоге Supra.

облучающих осаждаемый слой; материал и температура подложки. Показано, что: захват водорода происходил из сорбированного на поверхности слоя молекул воды; захват увеличивается с уменьшением скорости осаждения; сопутствующее облучение ионами низких энергий не увеличивает захват водорода; захват водорода в слоях, осаждаемых на подложку из пиролитического графита, меньше, чем на нержавеющую сталь. Предложены механизмы захвата и удержания изотопов водорода в углеродных слоях в процессе их осаждения и сопутствующем плазменном облучении.

Определены параметры и закономерности захвата дейтерия в углеводородных слоях и характер модификации состава слоев при их облучении дейтериевой плазмой. Показано, что присутствие водорода облегчает диффузию дейтерия в глубокие слои. В тоже время, дефекты, порождаемые ионной бомбардировкой, стимулируют эмиссию водорода из глубины пленки.

С помощью материаловедческого зонда изучены и объяснены особенности захвата изотопов водорода в напыленных углеродных слоях в Тоге Supra. Показано, что захват изотопов водорода в напыляемые в плазме токамака углеродные слои, главным образом, определяется скоростью осаждения слоев.

Сформулированы условия осаждения углеводородных пленок, при которых можно минимизировать захват изотопов водорода в токамаке.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: «Plasma Surface Interaction» (2004, 2006, 2008), «European Congress on Advanced Materials and Proccesses» (2005), «International Conference on Fusion Reactor Materials ICFRM-13» (2007), «Взаимодействие ионов с поверхностью» (2005, 2007, 2009); на всероссийских конференциях «Диагностика высокотемпературной плазмы» (2003, 2005, 2007); на международных семинарах «Physical and technical aspects of the neutron source on the base of tokamak for minor actinides transmutation (VNS)» (2004), «Hydrogen in condenced matter» (2003), на международных школах молодых ученых «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами IHISM» (2008, 2009); на научных сессиях МИФИ (2004-2009). Результаты работы изложе-

ны в 8 публикациях в журналах из списка ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 137 страниц, 77 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы, показана новизна, научная и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, рыносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы по осаждению углеродных слоев в установках термоядерного синтеза и в лабораторных условиях

В первой главе приведены результаты аналитического обзора работ, посвященных изучению захвата изотопов водорода в осажденные углеродные слои (пленки). Рассмотрены основные механизмы сорбции изотопов водорода в углеродных материалах.

Исследования в токамаках, имеющих углеродные контактирующие с плазмой материалы (КПМ), указывают на то, что значительная часть инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере, накапливаясь в углеродных слоях. В токамаке Tore Supra до 50 % , в JET до 40 %, в ASDEX Upgrade 3 - 4 % [1] инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере. Предположительно, захват дейтерия происходил в графитовых материалах и осажденных пленках. Анализ слоев из этих токамаков показал, что концентрация изотопов водорода в них варьируется от 1 ат.% до 40 ат.% в зависимости от области формирования пленки в камере. В исследованиях, проведенных на токамаках, основное внимание уделялось измерению параметров десорбции изотопов водорода из углеродных слоев. При этом оказывалось трудным с достоверностью судить о закономерностях захвата водорода в напыленных слоя. Остается не ясным механизм десорбции водорода из углеродных пленок. Не существует четких рекомендаций для работы токамаков с графитовыми

КПМ, позволяющих уменьшить захват изотопов водорода в углеродных слоях.

Лабораторные исследования проводились, в основном, на углеводородных слоях, осажденных плазмохимическим и ионно-пучковым способом. Измерялись зависимости количества захваченного водорода от энергий ионов углерода и водорода, приходящих на поверхность растущей пленки; показана связь между энергией ионов углерода и структурой пленки [2]. Изучена зависимость структуры углеродных пленок от температуры осаждения [3]. Исследования структуры углеродных слоев, совмещенные с их термодесорбционным (ТДС) анализом, установили связь между температурой десорбции водорода и гибридизацией атомов углерода [4]. Было найдено, что десорбция водорода в низкотемпературной части ТДС спектров (600 - 1050 К) соответствует десорбции водорода из комплексов Брз-СО, а высокотемпературная десорбция в диапазоне 1050 - 1350 К происходит при разрушении комплексов эрг-СЭ. Образование комплексов врз-СБ отмечалось в зоне торможения ионов при облучении графитов ионами дейтерия [5]. Вместе с тем до настоящего времени не исследован целый ряд принципиальных вопросов, касающийся захвата и удержания водорода, в частности, особенности захвата водорода в растущие слои из нейтральной газовой фазы; влияние скорости осаждения, плазменного облучения и материала подложки на захват газа в формирующийся углеродный слой. Не разработаны механизмы десорбции изотопов водорода из углеродных слоев при их плазменном облучении.

Обзор литературы показал, что существует потребность в детальном исследовании закономерностей механизмов захвата и удержания изотопов водорода в углеродных слоях в зависимости от условий осаждения и необходимость определения условий, при которых захват и удержание изотопов водорода могут быть уменьшены до минимальных значений. На основе Обзора сформулированы основные цели и задачи данной работы.

Глава 2. Исследование захвата водорода в углеродных слоях, напыленных методом осаждения сублимированного углерода

Напыление углеродных слоев проводилось на экспериментальном стенде, схема которого показана на рисунке 1. Испаритель углерода (1) образован двумя графитовыми стержнями, контакти-

рующими друг с другом торцами. При пропускании электрического тока через стержни место их контакта раскаляется и происходит испарение графита. Испаренные атомы углерода достигают подложку (2) через отверстие в корпусе испарителя. Ионный источник (3) представляет собой плазменную камеру с вытягивающим электродом. В плазменной камере зажигался разряд в водороде, и ионы вытягивались на поверхность растущей пленки.

Основной массив исследований проведен с углеродными слоями, напыляемыми на подложки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Пленки осаждались в остаточном газе (Р£ =10 3 - 10~2 Па, Рн20=85%Рх); в атмосфере водорода (Рт~ Ю 3 - 1 Па); в атмосфере водорода (р£ ~ 8-10"1 Па) и при сопутствующем облучении ионами водородной плазмы (j ~ 1.21015 - 6-Ю15 см^-с"1). Плазма зажигалась между анодом и накальным вольфрамовым катодом. Температура подложек при напылении поддерживалась равной 300 К. Толщина напыленных пленок варьировалась от 0,2 до 1 мкм. Скорость напыления варьировалась от 0,07 до 4 нм-сЛ

Для исследования влияния материала подложки на захват водорода в пленках были проведены эксперименты с осаждением пленок на подложки из пиролитического графита PG-99 (PG) и нержавеющей стали 12Х18Н1 ОТ (SS). Перед осаждением пленок подложки PG отжигались до температуры 1600 К, подложки SS до 1200 К.

Температура подложек при изучении температурной зависимости захвата водорода менялась в интервале 300 - 1000 К.

Количество захваченного водорода и особенности его удержания определялись методом термодесорбционной спектроскопии (ТДС) на стенде, описанном в работе [6]. Скорость нагрева пленок при анализе составляла 3 К-сЛ Максимальная температура нагрева образца была 1500 К.

16 3 4

Рис. 1. Схема стенда для напыления углеводородных слоев. 1 - испаритель графита, 2 — подложка, 3 - плазменная камера, 4 - плазма, 5 - поток атомов углерода, 6 - поток молекул нейтральных газов, 7 - поток ионов.

2.1. Углеродные пленки, напыляемые в остаточном газе. В экспериментах варьировалось давление остаточного газ в диапазоне 1СГ3-1(Г2 Па. Два эксперимента при давлении 10~2 Па были сделаны при скоростях напыления 0,05 и 0,22 нм-с"1. Показано, что

■ концентрация водорода Н:С во всех пленках, напыленных в остаточном газе, вне зависимости от давления и скорости осаждения практически постоянна и равняется 0,1 ± 0,01;

■ концентрация кислорода 0:С вне зависимости от давления остаточного газа и скорости напыления составляет 0,04 ± 0,01.

Одинаковое количество сорбированного водорода в пленках, осажденных с разными скоростями и при различных давлениях, говорит о том, что количество активных центров, обеспечивающих диссоциация молекул воды по схеме Н20 Н + ОН [7], и последующую сорбцию водорода оставалось постоянным вне зависимости от скорости напыления и давления остаточного газа. Сделано заключение, что захват водорода и кислорода происходил из сорбированного на поверхности слоя молекул воды.

Термодесорбционные спектры оказались одинаковы для всех пленок вне зависимости от давления остаточного газа и скорости напыления. Выход водорода происходил в интервале 900 - 1300 К (рис.2), и максимум десорбции находился при

1000 - 1100 К. Идентичность спектров термодесорбции пленок вне зависимости от условий осаждения позволяет сделать вывод о том, что механизм захвата водорода был одинаковым для всех пленок.

2.2. Осаждение пленок в атмосфере водорода. Осаждение углеродных слоев проводилось при

разных давлениях водорода и скоростях напыления. Параметры осаждения и концентрация водорода в пленках приведены в таблице 1. Показано, что концентрация

400

800

1200

Т, К

Рис. 2. ТДС спектры пленок, осажденных в остаточном газе (Н20), в атмосфере водорода (0,15 Па), совместно с плазменным облучением.

Таблица 1.

0,15 Па 1,2 Па

0,57 нм-с"' 0,16 0,15

0,2 нм-с"' 0,21 0,23

0,04 нм-с'1 0,38 0,41

водорода при выбранных экспериментальных параметрах практически не зависит от давления водорода. Аналогичная закономерность была обнаружена в [8]. Сделан вывод, что поверхность растущих слоев покрыта сорбированным слоем молекул, изменение концентрации которых с ростом давления не происходит.

Зависимость концентрации водорода (рис. 3) в пленках от скорости напыления V в диапазоне 0,04-0,56 нм'С"1 измерялась при давлении 0,15 Па. Изменение концентрации водорода в пленках в зависимости от времени напыления, одного монослоя, которое связано со скоростью напыления соотношением / = 0,3/ V, хорошо апроксими-руется зависимостью:

Н:С=0,4-(1-ехр(-*/гн)), (2.1)

где тн « 1,8 с - характерное время захвата атома водорода в монослой. Вид зависимости свидетельствует о том, что

■ водород захватывается в пленки до достижения максимальной концентрации Н:С = 0,4, которая соответствует «концентрации насыщения» зоны торможения ионов в плотных графитах при Т = 300 К [9];

■ характерное время тн постоянно в исследованном диапазоне экспериментальных параметров.

Подставив экспериментально полученное характерное время сорбции водорода в монослое углерода гн = 1,8 с в уравнение Френкеля г = т0 • ехр(Е / кТ), где т0 ~ 10~13 с характерный период колебаний атомов в твердом теле, энергия сорбции водорода на поверхности растущей пленки получается равной Е « 0,8 эВ.

Формы термодесорбционных спектров (рис.2) не сильно отличались от тех, что были получены при захвате водорода из молекул

Рис. 3. График зависимости концентрации водорода в пленках, осажденных в атмосфере нейтрального водорода, от времени напыления одного монослоя. Около каждой точки указана соответствующая ей скорость напыления v, нм-с-1.

Таблица 2. Параметры осаждения и концентрация водорода в пленках

напыленных с сопутствующим плазменным облучением.

V, нм-с 1 Е, эВ-Ы1 ь см~2-сч Ф, см 2 Н:С

0,18 без облучения 0,22

0,14 50 (2 - 5,3)-1014 (0,8 - 2,3)-1018 0,18

200 7,5-1014 4,4-1018 0,41

0,07 100 2,1-Ю15 7,6-1018 0,2

200 (0,7 - 2,1)-1015 (2,2-6,6)-1018 0,37

воды, свидетельствуя о том, что природа водородных ловушек в обоих случаях одинакова.

Концентрация кислорода 0:С « 0,03 - 0,04 оказалась практически неизменной по сравнению с предыдущими экспериментами. Это говорит о том, что вероятность захвата кислорода из сорбированного на поверхности слоя молекул воды слабо зависит от давления водорода в диапазоне 1 • 10~2 - 1,2 Па.

2.3. Углеродные пленки, напыленные с сопутствующим плазменным облучением. Напыление проводилось совместно с бомбардировкой ионами водорода, вытягиваемыми из плазмы. Давление водорода было 0,8 Па. Параметры напыления и концентрация водорода в полученных пленках приведены в таблице 2. Для сравнения в первой строке приведены данные для пленки без плазменного облучения. ТДС спектры некоторых пленок, напыленных при облучении ионами с энергией 50 и 200 эВ-ЕГ1, показаны на рисунке 2.

Видно, что

■ сопутствующая бомбардировка ионами водорода с энергией 50 и 100 эВ ЕГ1 не увеличивала концентрацию водорода в пленках относительно напыления без облучения, когда скорость напыления, плотность ионного тока и флюенс находились в интервалах, приведенных в таблице 2;

■ облучение с энергией 200 эВ ЬГ1 приводило к повышению концентрации водорода Н:С от 0,2 к 0,4 вне зависимости от скорости осаждения и флюенса.

В ТДС спектрах при ионной бомбардировке появляются дополнительные пики при 750 - 800 К и при 1200 - 1300 К. Форма спектров свидетельствует о том, что закономерности захвата дейтерия в формирующейся пленке существенно отличаются от того,

что наблюдалось на массивных графитах. Сравнение ТД спектров пленок и массивных графитов [6, 10] с учетом результатов анализа зависимости положения максимумов на спектрах ТДС от типа ловушек водорода позволили сделать следующие выводы:

■ в отсутствие ионной бомбардировки структура напыленных слоев подобна структуре зоны торможения ионов в графите;

■ появление пиков при 800 К свидетельствует о том, что ионная бомбардировка инициирует захват водорода в комплексы Брз-СН [4] в приповерхностные слои за счет потенциального взаимодействия ионов с поверхностью [Ю];

■ высокотемпературное плечо в области 1200-1300 К на спектре при облучении ионами с энергией 50 эВЕГ1 и максимум на спектре при этих температурах при облучении ионами с энергией 200 эВ-ЕГ1 указывают на то, что имплантируемые ионы стимулируют, особенно ионы с энергией 200 эВ-Н"1, диффузию дейтерия в глубокие и, до определенной степени, структурированные слои пленки [10] и его захват в комплексы яр2-СН [4].

Концентрация кислорода 0:С » 0,02 в слоях не зависела от энергии облучающих ионов. Единственным источником кислорода, захваченного в осажденных слоях, могли быть молекулы воды. Поскольку концентрация кислорода в слоях слабо зависела от давления газа можно утверждать, что захват кислорода происходил благодаря диссоциации сорбированных на поверхности молекул воды и последующему захвату атомов кислорода. Уменьшение захвата кислорода при ионной бомбардировке может объясняться уменьшением концентрации молекул воды на поверхности при ионном облучении.

1.4. Зависимость захвата водорода в углеводородные пленки от материала и температуры подложек. Проводилось напыление

300 500 700 900 т, к

Рис. 4. График зависимости концентрации водорода Н:С и кислорода 0:С в пленках, осажденных на подложки из нержавеющей стали (ЯБ) и пиролитического графитов (Рв), от температуры подложек. Соединительные линии показаны для наглядности.

пленок в атмосфере водорода при давлении 0,15 Па на подложки ББ и Рв со скоростью 0,18 нм-с-1. Температура подложек варьировалась от 370 до 1000 К.

В экспериментах показано, что до температур и 700 К концентрация водорода в пленках, осажденных на РО, в два раза меньше, чем на ББ (рис.4). Этот факт, а также появление в спектрах ТДС пленок (рис. 5) на графите пика на 1250 К, свидетельствующего о десорбции водорода из комплексов вр2-СН [4], позволили сделать заключение о более высокой степени упорядоченности структуры (графитизации) пленок, сформированных на РО. В свою очередь, большая степень графитизации могла быть следствием существования зародышей кристаллизации на поверхности графитовой подложки.

Резкое уменьшение захвата кислорода в пленках, напыленных при Т > 370 К (рис.4), объяснено значительным уменьшением сорбции молекул воды с ростом температуры в области 370 - 500 К. Действительно, оценка, проведенная с помощью уравнения г = г0 • ехр(Е /кТ), ¿то ~ 1 эВ [7], показывает, что в диапазоне

температур 370-500 К время жизни г молекулы воды на поверхности графита, имеющей дефекты, меняется на 4 порядка величины от ~10 и до ~10~3 с. Соответственно, уменьшается захват водорода из молекул воды при Т « 500 К.

Надо отметить, что 5 - 10% захваченного в пленки водорода десорбировалось в виде углеводородных молекул, преимущественно (до 90%) в составе | метана. Десорбция метана не- ^ значительно увеличивалась с ва 5-повышением давления ней- | трального водорода. Сопутст- ц. вующее плазменное облучение I <н

400 800 1200 т. к

также приводило к увеличению

выхода водорода в составе рИс.5. ТДС спектры водорода из

метана (до 15%) по сравнению с пленок, осажденных на подложки из

пленками, осажденными без нержавеющей стали и пиролитиче-

ионного облучения. По- ского графитов при различных

видимому, рост десорбции температурах подложек.

метана говорит об увеличивающейся разрушенности углеродной структуры.

Глава 3. Особенности захвата и десорбции и изотопов водорода при плазменном облучении напыленных углеводородных слоев

В экспериментах исследовалось внедрение ионов дейтерия в углеводородную пленку, его распределение по глубине, характер десорбции водорода из пленок в процессе облучения.

Углеводородные пленки осаждались в плазмохимическом реакторе. Полученные пленки переносились в установку ионно-плазменного облучения и термодесорбционного анализа, где .облучались вытягиваемыми из дейтериевой плазмы ионами дейтерия. После облучения ионами дейтерия образец подвергался распылению, в процессе которого удалялся поверхностный слой пленки заданной толщины. Затем, в той же установке методом ТДС определялось количество дейтерия и водорода в оставшейся части пленки.

3.1. Методика проведения экспериментов. Плазмохимическое осаждение пленок проводилось в газовом разряде с накальным катодом, зажигаемом на смеси газов С3Н8 (55%), С4Ню (40%) и аргона (5%). Плазма зажигалась между анодом и накальным вольфрамовым катодом. В качестве подложек использовалась нержавеющая сталь 12Х18Н10Т. Температура подложек при осаждении пленок поддерживалась равной 700 К. Скорость напыления углеводородных слоев была 0,35 ± 0,03 нм-с"1, толщина покрытия получалась равной 2,5 ± 0,3 мкм. Концентрация водорода в пленках была ~ 0,19 + 0,03 Н:С.

Бомбардировка напыленных пленок ионами дейтерия проводилась с плотностью ионного потока 1-Ю16 В+см~2с"'. Средние энергии ионов были 50 и 400 еВ Б"1, флюенс 5-Ю19 Б' •см . Температура подложек в процессе бомбардировки была 500 К.

После имплантации пленки ионами дейтерия в той же разрядной камере установки зажигался разряд на аргоне и пленка распылялась бомбардировкой ионами аргона. В процессе распыления удалялся слой в диапазоне от 20 до 900 нм. Энергия ионов аргона была выбрана равной 300 эВ, поскольку при такой энергии глубина зоны торможения оказывается много меньше толщины распыляемого слоя. Оставшаяся после распыления часть пленки анализиро-

IP штттшт цшяш н:с = 0,19 +/-0,03|р

I "-1 400 эв/d: 50 эв/о: —н:с —о—н:с щ • d:c 0 d:c ----D:C fit .......D:C fit —(h+d).c —л— (h+d):c h^-rr"-.-^-r—

200

400

600

валась методом ТДС. Скорость нагрева образцов при ТДС ана- 0,2 лизе была 5 К-с'1.

Подобные экспериментальные процедуры проводились с несколькими пленками.

Полученные экспериментальные зависимости десорбции молекул D2 и HD от толщины Рис 6 распределения концентраций удаленного слоя сглаживались изотопов водорода в пленках, облу-методом наименьших квадратов, ченных ионами дейтерия с энергия-По сглаженным эксперимен- ми 50 и 400 эВ-D"1. D:C fit - расчет тальным кривым рассчитыва- по диффузионной модели, а - ус-лись распределения по глубине ловная граница зоны торможения. D2 и HD. Общее количество дейтерия рассчитывалось по формуле:

Nd = + 2 ■ ND2 + 2 X • NCHi xDx (3.1) x=i

Распределения концентраций D.C по глубине, рассчитанные с помощью (3.1), показаны на рис.6.

3.2. Расчет десорбции водорода. Десорбция водорода происходила из всего объема пленки толщиной ~ 2 мкм, и на ее фоне вклад водорода, выходящего из поверхностных слоев пленки (0 - 200 нм), был плохо различим. Поэтому, расчет выхода водорода из поверхностной области был проведен с использованием количеств N десорбирующихся молекул D2 и HD, исходя из системы уравнений:

л2

Whd=*HD'[HHD]

(3.2)

NDl = kD

[D]2

н>

Квадратными скобками обозначена атомарная концентрация, к кши к0 - коэффициенты рекомбинации, включающие в себя коэффициенты пропорциональности атомарной концентрации количеству частиц в слое, содержащим дейтерий. Они принимались равными друг другу. Использование (3.2) оправдано тем

обстоятельством, что как было показано в [11], образование молекул Н2, НИ и В2 происходит в объеме пленки в месте выхода атомов из ловушек. Решением системы (3.2) является формула

(3.3)

Общее количество водорода, выходящего из поверхностных слоев, рассчитывалось по формуле:

Мк=Мт>+2-МЯ2+%Х-Мсп^ (3.4)

ЛГ=1

Распределения концентраций Н:С по глубине, рассчитанные с помощью (3.3) и (3.4), показаны на рис.6.

Экспериментальные результаты демонстрируют, что:

■ понижение концентрации водорода в слоях происходило на глубинах в несколько раз больших ширины зоны торможения;

■ концентрация водорода Н:С в пленках понижалась не из-за изотопного обмена дейтерия с водородом, о чем говорит то, что концентрация (Н+Б):С после облучения меньше, чем концентрация водорода была до облучения;

■ концентрация водорода в поверхностных слоях понижалась сильнее после ионной бомбардировки с энергией 50 еВО"1 , чем с энергией 400 еВ В-1.

3.3. Расчет профиля концентрации дейтерия. Проникновение внедренных частиц в глубину углеродных материалов за зону торможения обычно относят за счет диффузионных процессов. Для того, чтобы оценить роль диффузии в экспериментально наблюдаемом распространении дейтерия в глубину напыленных пленок был проведен расчет распределения дейтерия на основе диффузионного уравнения.

Расчет проводился для глубины пленки много большей глубины зоны торможения ионов, поэтому, принималось, что концентрация дейтерия п0 максимальна на поверхности пленки, которая

распыляется со скоростью Влияние водорода в пленке на диффузию дейтерия не учитывалось.

Уравнение диффузии с начальными условиями имеет вид:

дп _ д2п

• п(х,{) = л(д:-И'-/) (3.5),

где п - концентрация дейтерия на глубине х, t - время облучения, £) - коэффициент диффузии. Решением системы (3.5) является функция

п(х) = п0 ■ ехр^уу • х/ О) (3.6)

выражающая собой экспоненциальное распределение концентрации дейтерия по глубине пленки.

Удовлетворительное согласие с экспериментальным распределением дейтерия по глубине наблюдается, если разделить распределение концентрации на две области I (0 - 200 нм) и II (200 - 900 нм) с различными начальными концентрациями и показателями экспонент. Для облучения с энергией

400 еВ-О"1 (рис.7б):

п(х) - ОД 15 • е'х/45 + 0,025 • ехП1й. При и> = 0,07 нм-с"1, £>, = З-НГ 14 см2-с"', £)п = 210~13 см2-с"'. Полученные коэффициенты диффузии значительно превосходят максимальные известные коэффициенты О ~ 10~15 - 10~17 см2-с"' при температуре 500 К, полученные на графитовых материалах [12]. Различие И примерно в 10 раз для областей I и II, по-видимому, объясняется большим количеством дефектов в "зоне I, о чем говорит десорбция НБ и О? в интервале 600 - 1050 К. В [13] было показано, что наличие дефектов понижает диффузию изотопов водорода в графитах. По этой же причине концентрация водорода в слоях глубиной до 50 нм уменьшалась сильнее при бомбардировке с энергией 50 еВ-Б-1, чем с энергией 400 еВ-Этак как ионы с энергией 400 эВ П 4 производили большее количество дефектов и препятствовали транспорту водорода к поверхности. Еще одним обстоятельством, уменьшающим скорость диффузии в области I по сравнению с областью II, является пониженная концентрация водорода, что уменьшает вероятность протекания изотопного обмена дейтерия с водородом. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

■ коэффициент диффузии изотопов водорода в углеводородных слоях на несколько порядков величины больше, чем в графитах;

■ разрушенность структуры углеводородных слоев уменьшает скорость диффузии.

Глава 4. Исследование углеводородных слоев, напыленных в токамаке Тор Супра

Токамак Tore Supra обеспечивает удержание плазмы в течение нескольких минут [14], поэтому он является удобным объектом для проведения материаловедческих исследований. Его основные КПМ это нержавеющая сталь камеры (70 м2) и графит CFC (14 м2).

Изучение напыленных углеродных слоев в плазме Tore Supra проводилось с помощью материаловедческого зонда (рис.7). В зонде фиксировались 10 образцов, 5 из которых были ориентированы к ионному потоку (В) и 5 к электронному потоку плазмы (А). Зонд закрыт кожухом из CFC, в котором напротив каждого образца имеются отверстия для облучения. «Нижний» образец (#1) вводился в плазму примерно до уровня последней замкнутой магнитной поверхности на расстояние 0,72 м от оси плазмы.

Зонд погружался в плазму на время «100 мс до 10 раз в течение одного разряда. В погруженном в плазму положении на образцы А1 и В1 приходил ток до 10 А-см ~ с плотностью энергии до 5 кВт-см-2. Осаждение углеродных слоев на подложки происходило за счет атомов углерода, распыленных с внешней поверхности кожуха зонда и с боковых поверхностей отверстий кожуха. Температура образцов при облучении не превышала 600 К. Скорость напыления углеродного слоя на разных образцах варьировалась от 2 до 40 нм-с-1. Толщина пленок измерялась на образцах с номерами #1 - #3.

Осаждение углеродных слоев проводилось на подложки из CFC и из CFC с покрытием В4С (далее В4С).

Т----V

1 • 1 40 mm

! • ! -f ■ 40 |

! * 4 30

! • ! 4

U ri

Рис.7. Схема зонда и его расположение относительно последней закрытой магнитной поверхности

Таблица 3. Концентрации углерода, бора, кислорода, азота в слое (образец В2), осажденном в токамаке Tore Supra. _

Элемент С,% В, % О, % N, % В:С

На поверхности 74,6 11,4 14,1 0 0,15

После распыления 30 нм 66,3 13,5 14,2 6,02 0,20

После распыления 50 нм 64,5 16,4 11,4 7,59 0,25

Структурный рентгеновский анализ бороуглеродного покрытия показал, что отношение В:С близко к стехиометрическому 4:1. В таблице 3 приведены концентрации В, С, О, N в осажденном слое образца В2. Несмотря на то, что толщина напыленного слоя была 1 мкм, на его поверхности присутствовало заметное количество атомов бора, продиффундировавших из подложки.

Поскольку при ТДС анализе регистрировалось общее количество водорода, выходящее из подложки и осажденного слоя, то количество водорода, десор-бировавшегося только из пленки, рассчитывалось из количеств НО и Т>2 по методике, описанной в Главе 3.

Параметры осаждения углеродных слоев и концентрации в них изотопов водорода представлены в таблице 4.

Форма ТДС спектров НО и 02 (рис.8) из пленок, осажденных на СБС, подобна спектрам пленок, напыленных в лабораторных условиях с сопутствующим плазменным облучением (рис.2). В частности, растущие слои, облучаемые ионами с энергией 200 - 300 эВ-Б"1 (#1, #2), демонстрировали значительную десорбцию НО и Ог в

___ b1.hd в1, d2 к а)

вз, hd (X 0.25) вз, D2 А г

cfc •. 1 ^ 1 а

\ \ ----Ч. ч\

в,с — b1.hd 6) -•в1, d;

.V» • д у. • вз, hd (х 0.25) - вз, D2

[6 к '■•'.. V • . V

400

800

1200 т. к

Рис.8. ТДС спектры из слоев, осажденных в Tore Supra на подложках из CFC (а) и В4С (б). На рис. 56 показан спектр водорода, полученный при имплантации В4С ионами с энергией 100 эВ Н"1 и флюенсом 6-1019 Ы •см [6] (десорбция по оси Y в 1014 атом-см~2-К~').

Таблица 4. Параметры слоев, осажденных в Tore Supra, количество и

концентрация в них изотопов водорода

Образец Ф, D/см2 <Е>, эВ-D"1 V, нм/с н, ат./см2 HD, ат./см2 D, ат./см2 D:C (H+D):C

А1 8,1-Ю18 255 18,9 4,7-Ю17 1,1-Ю17 3,2-1017 0,16 0,38

CFC А2 2Д-1018 193 4 - 5,5-Ю16 1,2-1017 0,18 -

В1 2,3-Ю19 306 25,8 8,3-1017 2,1-Ю17 6,2-1017 0,11 0,26

В2 8,3-Ю18 221 14,4 5,3-Ю'7 1,2-Ю17 3,4-1017 0,14 0,35

вз 2,2-Ю18 156 5,7 - 5,5-Ю16 1,2-Ю17 0,19 -

А1 4,МО19 255 16,2 3,2-Ю17 1-Ю17 2,9-1017 0,03 0,06

и « А2 1,6Т019 193 10,7 2,9-Ю17 7-Ю16 1,6-Ю17 0,03 0,09

A3 4,0-1018 138 2,9 - 4,9-Ю16 8,8-1016 0,1 -

В1 9,9-1019 306 32,5 3,5-Ю17 1,1-Ю17 3,7-1017 0,02 0,04

ВЗ 1,2-Ю19 156 8,1 - 1-Ю17 1,7-1017 0,07 -

интервале 1050 - .1250 К, в то время как большая часть HD и D2 с образца #3, бомбардируемого с энергией 150 - 200 эВ-D1, выходила в области температур 700 - 1050 К. Следовательно, захват изотопов водорода в образцах 1 и 2 проходил, главным образом, по «кинетическому» механизму; захват в 3 - по «потенциальному» [10].

Десорбция изотопов водорода из всех пленок, напыленных на В4С, преимущественно происходила в области низких температур (700-1000 К). Аналогичная форма спектров наблюдалась при бомбардировке карбида бора ионами водорода (рис.8б) [6]. В [15] пик термической десорбции водорода из карбида бора в районе 600 -700 К был сопоставлен с выходом водорода из комплексов В-Н; пик на 1000 К - из С-Н комплексов. Следовательно, уменьшение количества изотопов водорода, десорбирующихся в области 1000 К, свидетельствует о понижении сорбции водорода на атомах углерода.

Результаты экспериментов позволили сделать следующее заключение:

■ захват водорода и дейтерия в слоях, осажденных на покрытие В4С, был в несколько (2,7 - 6) раз меньше, чем в слоях, осажденных на CFC;

■ количество захваченных изотопов водорода слабо зависело от энергий (156 - 255 эВ О1) и флюенса ионов дейтерия (табл. 4) на поверхность растущей пленки;

■ захват дейтерия и водорода в пленках, осажденных на СБС и В4С, повышался при уменьшении скорости осаждения. В частности, концентрация Б:С в слоях на СБС повышалась от 0,11 до 0,19 при уменьшении V от 25,8 до 4 нмс-1; в слоях, осажденных на В4С, Б:С увеличивалась от 0,02 до 0,1 при снижении V от 32,5 до 2,9 нмс-1;

■ несмотря на то, что скорости напыления в токамаке и в лабораторных условиях различаются более, чем на порядок величины, механизм захвата оказывается одинаковым в обоих случаях;

■ при плазменном облучении растущих слоев ионами дейтерия с энергиями 0 - 200 эВ-Э-1 захват идет преимущественно по «потенциальному» механизму; при энергиях > 200 эВ-Б4 наблюдается «кинетический» захват.

Основные результаты работы

1. Найдены закономерности захвата водорода в углеводородные пленки, напыленные: в остаточном газе вакуумной установки; в нейтральном водороде; при сопутствующем плазменном облучении; при разных температурах подложки; на разные материалы подложки. Показано, что:

1) при напылении в остаточном газе (85% НгО) концентрация водорода в пленках не зависит от давления остаточного газа и не превышает величину Н:С = 0,1 ± 0,01; концентрация кислорода не превышает 4 %. Сделан вывод, что захват водорода и кислорода происходил из сорбированного на поверхности слоя молекул воды;

2) при напылении в атмосфере нейтрального водорода концентрация водорода не зависит от давления водорода, но возрастает при уменьшении скорости напыления, достигая предельного значения Н:С = 0,4 ± 0,04 при скорости осаждения 0,04 нм-с-1;

3) сопутствующее напылению низкоэнергетичное облучение (50 -100 еВ/атом) ионами дейтерия углеводородных пленок, напыленных в атмосфере водорода, не влияет существенно на концентрацию водорода в пленке; сопутствующее высокоэнергетичное (> 200 эВ/атом) облучение повышает концентрацию водорода в пленках

до 0,4. Сделано заключение, что при сопутствующем плазменном облучении ионами низких энергий захват водорода происходит по потенциальному механизму; при высокоэнергетичном облучении -по кинетическому;

4) до температур « 700 К концентрация водорода в пленках, осажденных на пиролитический графит, в два раза меньше, чем на нержавеющую сталь; при температурах 700 и 900 К материал подложки не оказывает влияние на захват водорода в пленки, при этом концентрация водорода Н:С снижается до 0,05 и 0,02 соответственно. Сделан вывод, что углеродные слои, осаждаемые на подложку из пиролитического графита, имеют более высокую степень графитизации, чем пленки на нержавеющей стали;

5) повышение температуры подложки до 500 К понижает захват кислорода из молекул воды более, чем в 10 раз.

2. Эксперименты по облучению ионами дейтерия уже осажденных углеводородных слоев показали, что:

1) понижение концентрации водорода в слоях происходило на глубинах в несколько раз больших ширины зоны торможения;

2) концентрация водорода в поверхностных слоях толщиной до ~ 50 нм понижалась сильнее после ионной бомбардировки с энергией 50 eBD"1 , чем с энергией 400 eBD1;

3) концентрация водорода Н:С в пленках понижалась не из-за изотопного обмена дейтерия с водородом, а вследствие транспорта дефектов из зоны торможения в глубокие слои;

4) диффузия изотопов водорода в углеводородных слоях оказывается на несколько порядков величины больше, чем в графитах, при этом, разрушенность структуры углеводородных слоев уменьшает скорость диффузии.

3. Обнаружены особенности захвата водорода в слоях, осаждаемых в Тоге Supra. Показано, что:

1) захват водорода и дейтерия в слоях, осажденных на покрытие В4С, был в несколько (2,7-6) раз меньше, чем в слоях, осажденных на CFC. Сделан вывод, что уменьшение захвата в слоях на В4С происходит из-за понижения сорбции водорода на атомах углерода;

2) количество захваченных изотопов водорода слабо зависело от энергии (156 - 255 эВ-D"1) и флюенса ионов дейтерия на поверхность растущей пленки;

3) захват водорода и дейтерия повышался при уменьшении скорости осаждения;

4) несмотря на то, что скорости напыления в токамаке и в лабораторных условиях различаются более, чем на порядок величины, механизм захвата оказывается одинаковым в обоих случаях.

Цитированная литература

1. Т. Loarer. Fuel retention in tokamaks // J. Nucl. Mater. 2009. V. 390-391. P. 20.

2. J.W. Zou, K. Reichelt, K. Schmidt, B. Dischler. The deposition and study of hard carbon films // J. Appl. Phys. 1989. V. 65. P. 39 Ива

3. S. Satel, J. Robertson, H. Ehrhardt. Effects of deposition temperature on the properties of hydrogenated tetrahedral amorphous carbon // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. P. 4566.

4. A. Schenk, B. Winter, J. Biener et al. Growth and thermal decomposition of ultrathin ion-beam deposited C:H films // J. Appl. Phys. 1995. V. 77. P. 2462.

5. D. Ugolini, J. Eitle, P. Oelhafen. Electron spectroscopy measurements on hydrogen implanted graphite and comparison to amorphous hydrogenated carbon films (a-C:H) // Appl. Phys. A. 1992. V. 54. P. 57.

6. L. Begrambekov, O. Buzhinsky, A. Gordeev ее al. TDS investigation of hydrogen retention in graphites and carbon based materials // Physica scripta. 2004. T. 108. P.72.

7. A. Allouche, Y. Ferro. Dissociative adsorption of small molecules at vacancies on the graphite (0001) surface // Carbon. 2006. V. 44. P. 3320.

8. H. Yoshida, M. Taniguchi, K. Yokoyama et al. Hydrogen retention of carbon dust prepared by arc discharge and electron beam irradiation // Fusion Engineering and Design. 2004. V. 70, P. 201.

9. J. Roth, B.M.U. Scherzer, R.S. Blewer et al. Trapping, detrapping and replacement of keV hydrogen implanted into graphite // J. Nucl. Mater. 1980. V. 93-94. P. 601.

10. A.Airapetov, L. Begrambekov, C. Brosset et al. Deuterium trapping in carbon fiber composites exposed to D plasma // J. Nucl. Mater. 2009. V. 390-391. P. 589.

11. Ch. Wild, P. Koidl. Thermal gas effusion from hydrogenated amorphous carbon films//Appl. Phys. Lett. 1987. V. 51. P. 1506.

12. H. Atsumi. Hydrogen bulk retention in graphite and kinetics of diffusion. J. of Nucl. Mater. 2002. V. 307-311. P. 1466.

13. V.N. Chernikov, W.R. Wampler, A.P. Zakharov, A.E. Gorodetsky. Deuterium trapping in deep traps of differently oriented pyrolytic graphite exposed to D2 gas at 1473 К // J. of Nucl. Mater. 1999. V. 264. P. 180.

14. M. Chatelier on behalf of Equipe Tore Supra. Integration of high power, long pulse operation in Tore Supra in preparation for ITER // Nuclear Fusion. 2007. V. 47. S. 579.

15. Y. Yamauchi, Y. Hirohata, T. Hino, et al. Hydrogen retention of B4C converted graphite // Journal ofNuclear Materials. 1995. V. 220-222. P. 851.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Л.Б. Беграмбеков, П.Л. Шигин. Многопозиционный материаловедческий зонд // Приборы и техника эксперимента. 2004. № 2. С. 143.

2. L. Begrambckov, О. Buzhinsky, A. Gordeev, Е. Miljaeva, P. Leikin, P. Shigin. TDS investigation of hydrogen retention in graphites and carbon based materials // Physica scripta. 2004. T. 108. P. 72.

3. J.P. Gunn, L. Begrambekov, C. Brosset, A. Gordeev, T. Loarer, E. Miljavina, P. Shigin, H. Khodja, P. Oddon, J.-Y. Pascal and S. Vartanian. Controlled irradiation of CFC samples in the scrape-off layer of Tore Supra // Journal of Nuclear Materials. 2005. V. 337-339. P. 644.

4. Беграмбеков, Л.Б., Гордеев, AA. Миляева, E.A. Лейкин, П.Л. Шигин, П.А. Бужин-ский, О.И. Танабе, Т. Сорбция водорода в графитах и углеродных материалах при имплантации низкоэнергетическими ионами // Материаловедение. 2006. № 7. С. 48.

5. L. Begrambekov, С. Brosset, J. Bucalossi, Е. Delchambre, J.P. Gunn, С. Grisolia, M. Lipa, T. Loarer, R. Mitteau, P. Moner-Garbet, J.-Y. Pascal, P. Shigin, N. Titov, E. Tsitrone, S. Vergazov, A. Zakharov. Surface modification and hydrogen isotope retention in CFC during plasma irradiation in the Tore Supra tokamak // Journal of Nuclear Materials. 2007. V. 363-365 P.1148.

6. L.B. Begrambekov, P.L. Leykin, E.A. Miljaeva, P.A. Shigin. "Hydrogen trapping by deposited carbon films"/ Book of Reports of XVIII International Conference on Ion-Surface Interactions ISI-2007, P. 162.

7. D. Douai, D. Gamier, S. B^mond, C. Grisolia, J. Bucalossi, P. Shigin, L. Begrambekov. DC glow discharge conditioning of remote areas in fusion devices // Journal of Physics: Conference Series. 2008. V. 100. S. 062034.

8. А.А. Айрапетов, А.А. Кузьмин, Л.Б. Беграмбеков, П.А. Шигин. Исследование захвата и удержания изотопов водорода в тайлах токамака Tore Supra // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термоядерный синтез. 2009. Выпуск 3. С. 30.

9. А.А. Айрапетов, Л.Б. Беграмбеков, С.В. Вергазов, A.M. Захаров, А.А. Кузьмин, Я.А. Садовский, П.А. Шигин. Захват и удержание кислорода и дейтерия в углеграфитовом композите при облучении в дейтериевой плазме с примесью кислорода // Вопросы атомной науки и техники. Серия Термойдерный синтез. 2009. Выпуск 3. С. 25.

10. A.Airapetov, L. Begrambekov, С. Brosset, J.P. Gunn, С. Grisolia, A. Kuzmin, T. Loarer, M. Lipa, P. Monier-Garbet, P. Shigin, E. Tsitrone, A. Zakharov. Deuterium trapping in carbon fiber composites exposed to D plasma // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 390-391. P. 589.

11. L.B. Begrambekov, A.S. Kuznetsov, P.A. Shigin. Hydrogen trapping in depositing carbon films // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 390-391. P. 685.

Подписано в печать 07.10.2009. Формат 60x84 1/16 Печ.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ

Типографии НИЯУ МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Шигин, Павел Анатольевич

Актуальность работы.

Основные цели и задачи работы.

Выносимые на защиту результаты.

Научная и практическая значимость работы.

Глава 1. Состояние исследований по захвату изотопов водорода в углеродных слоях

1.1. Захват изотопов водорода в осаждаемых в токамаках углеродных слоях.

1.1.1. Газовый баланс дейтерия в токамаках.

1.1.2. Захват изотопов водорода в осаждаемых углеродных слоях.

1.2. Методы удаления и кондиционирования осажденных пленок.

1.3. Лабораторные исследования углеродных слоев.

1.3.1. Влияние температуры подложки на структуру углеродных пленок.

1.3.2. Влияние температуры подложки на содержание в пленках водорода.

1.3.3. Зависимость структуры углеродных слоев и содержания в них водорода от энергии ионов.

1.3.4. Изменение структуры напыленных углеродных слоев под действием ионной бомбардировки.

1.3.5. Зависимость концентрации водорода в углеродных слоях от давления.

1.3.6. Кислород в углеродных слоях.

1.4. Механизм сорбции частиц на поверхности графита.

Введение диссертация по физике, на тему "Захват водорода в осаждаемые в плазме углеродные слои"

Актуальность работы

Во многих современных токамаках в качестве одного из контактирующих с плазмой материалов используются графиты. Использование графитов в термоядерных установках обусловлено тем, что углерод имеет малый атомный номер; некоторые типы графитов и углеграфитовые композиты (CFC) устойчивы к большим тепловым нагрузкам, срывам плазмы. К отрицательным характеристикам графитов и композитов можно отнести их способность захватывать большие количества водорода, сравнительно высокие коэффициенты физического и химического распыления. Распыленные атомы углерода осаждаются в виде углеродных слоев как на контактирующих с плазмой материалах первой стенки токамаков, так и в теневых частях установок: в тени дивертора или лимитера, в диагностических портах камеры, в откачных патрубках и сорбируют значительные количества изотопов водорода. Исследования [1], проведенные на токамаках, показали, что в Tore Supra до 50 %, в JET до 40 %, в ASDEX Upgrade 3 - 4 % инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере, предположительно, в основном в перепыленных углеродных слоях.

Накопление 700 г трития в камере ИТЭР, что соответствует предельно допустимой дозе, может произойти через 500 плазменных разрядов, если ИТЭР будет работать с графитовым дивертором. Согласно современным оценкам большая часть накопленного трития будет сосредоточена именно в переиапыленных углеродных слоях.

Разработка способов уменьшения захвата изотопов водорода в напыленные углеродные слои и методов их обезгаживания оказывается затруднительным из-за того, что до настоящего времени не выполнено систематических и всесторонних исследований процессов захвата и удержания водорода в осаждающиеся углеродные слои. Вследствие этого не выявлены важные закономерности и не ясны механизмы этих процессов. Исследование углеводородных слоев в токамаках сложно с технической точки зрения, требует значительных затрат времени и материальных средств. Имеющиеся разрозненные и часто противоречивые данные не позволяют выявить зависимости свойств перенапыленных слоев от условий экспериментов.

Основные цели и задачи работы

Исходя из вышесказанного, основные цели работы были сформулированы следующим образом:

4. объяснение на основании полученных результатов особенностей захвата изотопов водорода в углеродные слои, осаждаемые в токамаках на примере токамака Tore Supra;

Для реализации целей работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. создан напылительный стенд для изучения захвата водорода в осаждаемые углеродные слои;

2.' с использованием напылительного стенда исследован захват водорода в углеродные слои, осаждаемые в остаточном вакууме, при различных давлениях нейтрального водорода, при сопутствующем плазменном облучении, на разные материалы подложки, при различных температурах подложки;

3. определены закономерности и механизмы захвата и десорбции изотопов водорода в углеродных слоях;

5. создан материаловедческий зонд и термодесорбционный стенд для-токамака Tore Supra, предназначенные для одновременного экспонирования/ серии образцов в плазме токамака и для анализа захвата изотопов водорода в образцах;

6. с. помощью созданных приборов исследован захват изотопов, водорода, в слоях, осаждаемых в Tore Supra;

7. выявлены и объяснены; особенности: захвата водорода в углеродные слои, осаждаемые на первой! стенке токамака на примере Tore Supra.

Выносимые на защиту результаты

Г. Параметры и закономерности захвата изотопов водорода в углеводородные слои в; процессе их осаждения в; остаточном газе вакуумной установки и в атмосфере водорода, в том числе зависимость захвата от давления остаточного газа и;водорода-газа, скорости осаждения, температуры и материала подложки.

2. Параметры и закономерности захвата водорода в углеродные слои, осаждаемые при сопутствующем облучении; ионами, водородной плазмы, в частности, показано, что ионы с достаточно большой энергией (Е > 200' эВ/атом) могут проникать и захватываться} в глубоких слоях пленки,. увеличивая концентрацию водорода-H:G до; величины 0,4.

3. Закономерности и ■ механизмы захвата дейтерия в углеводородных слоях, облучаемых в дейтериевой плазме, в том числе, обнаружено явление обезгаживания глубоких слоев углеводородной пленки при облучении ионами плазмы;

4. Закономерности и особенности; захвата изотопов водорода в углеродные слои, осаждаемые в токамаках. Показано, что захват водорода увеличивается • при уменьшении скорости напыления.

Научная и практическая значимость работы

Созданная установка по осаждению углеродных слоев позволяет изучать напыление углеводородных, слоев в широком диапазоне экспериментальных параметров, таких как скорость напыления, давление газа, материал и температура подложки. Установка позволяет проводить сопутствующее плазменное облучение осаждаемых углеродных слоев.

Выявлены основные закономерности сорбции водорода в осаждаемых углеродных слоях при различных параметрах осаждения, таких как: скорость осаждения; давление остаточного газа (85% Н20); давление нейтрального водорода; энергия ионов водорода, облучающих осаждаемый слой; материал и температура подложки. Показано, что: захват водорода происходил из сорбированного на поверхности слоя молекул воды; захват увеличивается с уменьшением скорости осаждения; сопутствующее облучение ионами низких энергий не увеличивает захват водорода; захват водорода в слоях, осаждаемых на подложку из пиролитического графита, меньше, чем на нержавеющую сталь.

Предложены механизмы захвата и удержания изотопов водорода в углеродных слоях в процессе их осаждения и сопутствующем плазменном облучении. Определены параметры и закономерности захвата дейтерия в углеводородных слоях и характер модификации состава слоев при их облучении дейтериевой плазмой. Показано, что присутствие водорода облегчает диффузию дейтерия в глубокие слои. В тоже время, дефекты, порождаемые ионной бомбардировкой, стимулируют эмиссию водорода из глубины пленки.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

5. Выводы

Найдены закономерности захвата водорода в углеводородные пленки, напыленные: в остаточном газе вакуумной установки; в нейтральном водороде; при сопутствующем плазменном облучении; при разных температурах подложки; на разные материалы подложки. Показано, что:

1) при напылении в остаточном газе (85% Н20) концентрация водорода в пленках не зависит от давления остаточного газа и не превышает величину Н:С = 0,1 ± 0,02; концентрация кислорода не превышает 4 %. Сделан вывод, что захват водорода и кислорода происходил из сорбированного на поверхности слоя молекул воды;

2) при напылении в атмосфере нейтрального водорода концентрация водорода не зависит от давления водорода, но возрастает при уменьшении скорости напыления, достигая предельного значения Н:С = 0,4 + 0,04 при скорости осаждения 0,04 нм-с-1;

3) сопутствующее напылению низкоэнергетичное облучение (50 - 100 еВ/атом) ионами водорода углеводородных пленок, напыленных в атмосфере водорода, не влияет существенно на концентрацию водорода в пленке; сопутствующее высокоэнергетичное (> 200 эВ/атом) облучение повышает концентрацию водорода в пленках до 0,4. Сделано заключение, что при сопутствующем плазменном облучении ионами низких энергий захват водорода происходит по потенциальному механизму; при высокоэнергетичном облучении - по кинетическому;

4) в интервале температур к 370 - 500 К концентрация водорода в пленках, осажденных на пиролитический графит, в два раза меньше, чем на нержавеющую сталь; при температурах 700 и 900 К материал подложки не оказывает влияние на захват водорода в пленки, при этом концентрация водорода Н:С снижается до 0,05 и 0,02 соответственно. Сделан вывод, что углеродные слои, осаждаемые на подложку из пиролитического графита, имеют более высокую степень графитизации, чем пленки на нержавеющей стали, и, поэтому, захватывают меньше водорода;

5) повышение температуры подложек от 370 до 500 К понижает захват кислорода из молекул воды более, чем в 10 раз.

В экспериментах по облучению дейтериевой плазмой осажденных углеводородных слоев показано, что: понижение концентрации водорода в слоях происходило на глубинах (0 -200 нм) в несколько раз больших ширины зоны торможения; концентрация водорода Н:С в пленках понижалась не из-за изотопного обмена дейтерия с водородом, а из-за проникновения дефектов из зоны торможения в глубокие слои пленки; концентрация водорода в поверхностных слоях понижалась сильнее после ионной бомбардировки с энергией 50 eBD-1, чем с энергией 400 eB-D1. коэффициент диффузии изотопов водорода в углеводородных слоях на несколько порядков величины больше, чем в графитах; разрушенность структуры углеводородных слоев уменьшает скорость диффузии.

С помощью материаловедческого зонда было проведено осаждение углеводородных пленок в токамаке Tore Supra на подложки из CFC и на В4С. Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы: захват водорода и дейтерия в слоях, осажденных на покрытие В4С, был в несколько (2,7 - 6) раз меньше, чем в слоях, осажденных на CFC. Сделан вывод, что уменьшение захвата в слоях на В4С происходит из-за понижения сорбции водорода на атомах углерода; количество захваченных изотопов водорода слабо зависело от энергий (156 - 255 эВ-D"1) и флюенса ионов дейтерия (табл. 5) на поверхность растущей пленки; захват дейтерия и водорода в пленках, осажденных на СБС и В4С, повышался при уменьшении скорости осаждения. В частности, концентрация Б.С в слоях на СБС повышалась от 0,11 до 0,19 при уменьшении V от 25,8 до 4 нмс"1; в слоях, осажденных на В4С, Б:С увеличивалась от 0,02 до 0,1 при снижении V от 32,5 до 2,9 нм-с-1; концентрация (Н + Б):С в слоях, осажденных на В4С, в 5 - 10 раз меньше, чем в слоях на СБС; при плазменном облучении растущих слоев ионами дейтерия с энергиями 0 - 200 эВ Б-1 захват идет преимущественно по «потенциальному» механизму; при энергиях > 200 эВ О-1 наблюдается «кинетический» захват; несмотря на то, что скорости напыления в токамаке и в лабораторных условиях различаются более, чем на порядок величины, механизм захвата оказывается одинаковым в обоих случаях.

4.6. Заключение

Результаты экспериментов позволили сделать следующие выводы: захват водорода и дейтерия в слоях, осажденных на покрытие В4С, был в несколько (2,7 - 6) раз меньше, чем в слоях, осажденных на СБС. Сделан вывод, что уменьшение захвата в слоях на В4С происходит из-за понижения сорбции водорода на атомах углерода; количество захваченных изотопов водорода слабо зависело от энергий (156 - 255 эВ-Б-1) и флюенса ионов дейтерия (табл. 5) на поверхность растущей пленки; захват дейтерия и водорода в пленках, осажденных на СБС и В4С, повышался при уменьшении скорости осаждения. В частности, концентрация Б:С в слоях на СРС повышалась от 0,11 до 0,19 при уменьшении V от 25,8 до 4 нм-с-1; в слоях, осажденных на В4С, Б:С увеличивалась от 0,02 до 0,1 при снижении V от 32,5 до 2,9 нм-с-1; концентрация (Н + Б):С в слоях, осажденных на В4С, в 5 - 10 раз меньше, чем в слоях на СБС; при плазменном облучении растущих слоев ионами дейтерия с энергиями 0 - 200 эВБ-1 захват идет преимущественно по «потенциальному» механизму; при энергиях > 200 эВБ-1 наблюдается «кинетический» захват; несмотря на то, что скорости напыления в токамаке и в лабораторных условиях различаются более, чем на порядок величины, механизм захвата оказывается одинаковым в обоих случаях.

4.7. Практические рекомендации для токамаков

Результаты, полученные в проведенном исследовании, позволили сделать выводы о возможных мерах по уменьшению захвата изотопов водорода в токамаках, имеющих углеродосодержащие контактирующие с плазмой материалы (Т-10, строящиеся Т-15, ИТЭР, гибридные реактора [96, 97]): при температуре дивертора ~ 300 °С и энергии ионов изотопов водорода < 200 эВ/атом концентрация дейтерия в осажденных углеродных слоя будет (Н+Б+Т):С <0,1.

При температуре дивертора большей, чем 300 °С, можно ожидать, что концентрация (Н+Б+Т):С будет заметно ниже величины 0,1.

Поскольку водород может захватываться из молекул Н20, и, в последующем, увеличивать захват изотопов водорода за счет изотопного обмена, то для понижения захвата в углеродных слоях требуется: достижение как можно более низкого давления паров воды в камере токамака.

Эффективной мерой, позволяющей существенно уменьшить захват изотопов водорода в осаждаемые углеродные слои, является покрытие камеры токамака слоями В4С.

Рис. 4.15. Фотографии центральных областей образцов В1. А1, А2 до и после облучения.

Номер образца

Рис. 4.16. Общее количество десорбировавшихся частиц из образцов СРС

СМ I О н со

1Л О со ч о

X .0 т о о Оо О

300

600 900 1200

Температура, К

1500

Рис. 4.17. ТД спектры водорода из образцов СРС.

1.5x10

300 600 900 1200 1 500

Temperature, К

Рис. 4.18- ТД спектры из образцов CFC, подвергнутых различным процедурам подготовки. #1 - вырезан и продут в потоке аргона, #2 - вымыт в ультразвуковой ванночке в спирте, #3 - обработан аналогично #1, затем облучен ионами дейтерия. #4 - образец #2. выдержанный в течение 30 дней на воздухе после ТДС анализа. а> О со 0)

0) Г

1.2x10

17 9.0x1016

2 6.0x10

З.ОхЮ1* М и а 4

I-т— О Л оа 2

X Я! о

-1— -■-J-1-1-1-[-1- ■ NRAB1 1

- ♦ NRA ВЗ

- - \ 9 ■ ♦ Т i.i.i.

-4

-2 0 г, мм

Рис. 4.19. Распределение дейтерия на поверхности образцов В1 и ВЗ, измеренное методом ядерных реакций.

Время напыления одного монослоя, с

Рис. 4.20. Зависимость захват дейтерия в слоях, осаждаемых на СРС и В4С, от времени напыления одного монослоя. Около каждой точки указана соответствующая ей скорость напыления, в нм-с~!. Линии проведены для наглядности.

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04

Время напыления одного монослоя, с

Рис. 4.21. Зависимость захват водорода и дейтерия в слоях, осаждаемых на СРС и В4С, от времени напыления одного монослоя.

II— 1.5Н

-В1, но

----в^,Dг

ВЗ, НО (х 0.25)

-----вз, о,

300 600 900 1200 Т, К

Рис. 4.22. ТД спектры Ш) и В2 из пленок, осажденных на СРС.

2 3 4

Номер образца

Рис. 4.23, Общее количество десорбировавшихся частиц из образцов В4С.

Рис. 4.24. ГД спектры водорода из образцов В4С.

Рис. 4.25. ТДС спектры из слоев, осажденных в Tore Supra на подложках из В4С. Для сравнения показан спектр водорода, полученный при имплантации В4С ионами с энергией 100 эВН 1 н флюенсом 6-101'' РГ-см-2 [78], десорбция водорода из которого имеет размерность 1014 атом-см-2-К"1,

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шигин, Павел Анатольевич, Москва

1. Т. Loarer. Fuel retention in tokamaks // J. Nucl. Mater. 2009. V. 390-391. P. 20.

2. M. Chatelier on behalf of Equipe Tore Supra. Integration of high power, long pulse operation in Tore Supra in preparation for ITER // Nuclear Fusion. 2007. V. 47. S. 579.

3. А.А. Сковорода, A.B. Спицын, C.B. Янченков, Я.В. Зубавичус. Углеродные структуры и оборот водородного топлива в термоядерных установках // ВАНТ. 2008. N.3.C. 15.

4. B.N. Kolbasov, P.V. Romanov, M.I. Guseva, B.I. Khripunov, V.G. Stankevich, N.Yu. Svechnikov, A.M. Zimin. Some recent Russian studies of hydrogen isotope retention in plasma facing materials // Plas. Dev. Oper. 2006, V. 14. P. 303.

5. M. Ulrikson, H.F. Dyllam, P.H. LaMarche. Particle balance in TFTR // J. Vac. Sci. Technol. 1988. A6. P. 2001.

6. P.V. Romanov, B.N. Kolbasov, V.Kh. Alimov, V.M. Gureev, A.G. Domantovskij, L.N. Khimchenko, P.N. Orlov. Microstructure and deuterium content of tokamak T-10 carbon erosion products // J. Nucl. Mat. 2002. V. 307 311. P. 1294.

7. Б.Н. Колбасов, М.И. Гусева, В.М. Гуреев, JI.C. Данелян, П.Н. Орлов, А.Ю. Пашков, JI.H. Химченко, П.В. Романов, В.Х. Алимов, В.Л. Гончаров. Исследование выделения дейтерия из углеродных пленок, образовавшихся в токамаке Т-10 // ВАНТ. 2006. В. 2. С. 50.

8. С.А. Камнева, JI.H. Химченко, Б.В. Кутеев. Исследование упорядоченных структур на поверхности пленок, образованных в токамаке Т-10 // Нанотехника. 2008. N. 1. С. 100.

9. В.П. Будаев, Л.Н. Химченко. Фрактальная нано- и микроструктура осажденных пленок в термоядерных установках // ВАНТ. 2008. В. 3. С. 34.

10. J1.C. Данелян, В.В. Затекин, Б.Н. Колбасов, B.C. Куликаускас, П.В. Романов. Исследования накопления дейтерия в углеродно-дейтериевых пленках из токамака Т-10 // Поверхность. Рент, синхр. и нейтр. исслед. 2009. N. 3. С. 87.

11. С. Brosset, Н. Khodja. Deuterium retention in deposited carbon layers in Tore Supra // J. Nucl. Mat. 2005. V. 337 339. P. 664.

12. H. Khodja, C. Brosset, N. Bernier. Deuterium inventory in plasma facing materials by means ofNRA: A microbeam probe approach //Nucl. Inst. Met. B. 2008. V. 266. P. 1425.

13. V. Rohde, H. Maier, K. Krieger, R. Neu, J. Perchermaier. Carbon layers in the divertor of ASDEX Upgrade // J. Nucl. Mater. 2001. V. 290-293 P. 317.

14. M. Mayer, V. Rohde, A. von Keudell. Characterisation of deposited hydrocarbon layers below the divertor and in the pumping ducts of ASDEX Upgrade // J. Nucl. Mater. 2003. V. 313-316 P. 429.

15. C. Hopf, T. Schwarz-Selinger, et. al. Surface loss probabilities of hydrocarbon radicals on amorphous hydrogenated carbon film surfaces // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. P. 2719.

16. K. Teii. Structure changes in a-C:H films in inductive CH4/Ar plasma deposition // Thin Solid Films. 1998. V. 333. P. 103.

17. W. Jacob, B. Landkammer, C.H. Wu. Removal of codeposited layers by ECR discharge cleaning // J. Nucl. Mater. 1999. V. 266-269 P. 552.

18. H. Nakamura, S. Higashijima, К. Isobe, A. Kaminaga, Т. Horikawa, H. Kubo, N. Miya, M. Nishi, S. Konishi, T. Tanabe. Application of glow discharges for tritium removal from JT-60U vacuum vessel // Fusion Eng. Des. 2004. V. 70. P. 163.

19. M. Nemoto, M. Shimada, N. Miya, S. Tsuji, R. Yoshino, M. Saidoh. Behavior of charge-exchanged deuterium flux and the relation to evacuated tritium in degassing discharges on JT-60U // J. Nucl. Mat. 1995. V. 220 222. P. 385.

20. F. Waelbroeck, J. Winter, P. Wienhold. Cleaning and conditioning of the walls by glow discharge in hydrogen // J. Vac. Sei. Technol. 1984. A2. P. 1521.

21. C. Grisolia, J. Bucalossi, T. Loarer, S. Vartanian, A. Grosman, G. Martin. Conditioning procedures in Tokamak: Tore Supra application // Vacuum. 2001. V. 60. P. 147.

22. N. Ogiwara, M. Maeno. Outgassing mechanism after the current decaying phase in disruptive and normal discharges in tokamak // J. Vac. Sei. Technol. 1990. A8. P. 3855.

23. W.L. Hsu. Glow discharge removal of codeposited carbon films in graphite-lined tokamak reactors //J. Vac. Sei. Technol. 1988. A7. P. 1047.

24. K. Maruyama, W. Jacob, J. Roth. Erosion behavior of soft, amorphous deuterated carbon flms by heat treatment in air and under vacuum // J. Nucl. Mat. 1999. V. 264. P. 56.

25. C. Hopf, W. Jacob, A. von Keudell. "The 10th International Workshop on Carbon Materials for Fusion Applications". Jülich, September, 17-19, 2003. "Chemical Sputtering of Hydrocarbon Films"

26. A.E. Городецкий, P.X. Залавутдинов, В.JI. Буховцев, С.П. Внуков, А.П. Захаров. Эрозия а-С:Н-пленок в смеси водород-закись азота // ВАНТ. 2008. В. 2. С. 12.

27. A.E. Gorodetsky, R.Kh. Zalavutdinov, I.I. Arkhipov, V.Kh. Alimov, A.P. Zakharov, S.P. Vnukov, V.L. Bukhovets, I.G. Varshavskaya. Transport and condensation of soft a-C:H film thermal decomposition products // J. Nucl. Mater. 2003. V. 313-316 P. 460.

28. T. Schwarz-Seiinger, C. Hopf, et. al. — "The 10th International Workshop on Carbon Materials for Fusion Applications". Jülich, September, 17-19, 2003. "Deposition of hydrogenated carbon films from nitrogen containing methane plasmas"

29. Wenmin Wang, W. Jacob, J. Roth. Oxidation and hydrogen isotope exchange in amorphous, deuterated carbon films // J. Nucl. Mater. 1997. V. 245. P. 66.

30. J.A. Ferreira, F.L. Tabares. Studies of the removal of hydrogenated carbon films by nitrogen glow discharges // Journal of Physics: Conference Series. 2008. V. 100. P. 062026.

31. C. Hopf, M. Schlüter, W. Jacob. Chemical sputtering of a-C:FI films by simultaneous exposure to energetic Ar+ ions and water vapor // Journal of Physics: Conference Series. 2008. V. 100. P. 062012.

32. M.A. Lomidze, S.L. Kanashenko, A.E. Gorodetsky, V.Kh. Alimov, A.P. Zakharov. Evolution of hydrogen-containing traps in graphite under helium ion bombardment // J. Nucl. Mater. 1994. V. 212-215. P. 1483.

33. T. Som, S. Kumar, V. N. Kulkarni. He+ ion induced hydrogen depletion from a-C:H films //Nucl. Inst. Met. B. 1999. V. 156. P. 212.

34. B. Tsuchiya, K. Morita, S. Yamamoto, S. Nagata, N. Ohtsu, T. Shikama, H. Naramoto. Re-emission of hydrogen implanted into graphite by helium ion bombardment // J. Nucl. Mater. 2003. V. 313. P. 274.

35. A.E. Городецкий, P.X. Залавутдинов, С.П. Внуков, А.П. Захаров. Осаждение углеводородных радикалов в потоке частично диссоциированного водорода // ВАНТ. 2005. В. 1.С. 46.

36. S. Schelz, Т. Richmond, P. Kania, P. Oelhafen, H.-J. Gtintherodt. Electronic and atomic structure of evaporated carbon films // Surface Science. 1996. V. 359 P.227

37. J. M. Yanez-Limb, F. Ruiz, and J. Gonzalez-Hernandez. Low temperature crystallization of sputtered carbon films // J. Appl. Phys. 1995. V. 78. 3015.

38. N. H. Cho, D. K. Veirs, J. W. Ager III, M. D. Rubin, and С. B. Hopper, D. B. Bogy effects of substrate temperature on chemical structure of amorphous carbon films // J. Appl. Phys. 1992. V. 71.2243.

39. P. Reinke, P. Oelhafen. Thermally induced structural changes in amorphous carbon films observed with ultraviolet photoelectron spectroscopy // J. Appl. Phys. 1997. V. 81. P. 2396.

40. P. Reinke, G. Francz, J. Ullman, P. Oelhafen. Structural changes in diamond and amorphous carbon induced by low-energy ion irradiation // Phys. Rev. B. 1996. V. 54, P. 7067.

41. P. Oelhafen, D. Ugolini. Amorphous hydrogenated carbon films. Les Edition de Physique, Les Ulis, 1987, Vol. 17, P. 267.

42. R. O. Dillon, J.A. Woollam, V. Katkanant. Use of Raman scattering to investigate disorder and crystallite formation in as-deposited and annealed carbon films // Phys. Rev. B. 1984. V. 29. P. 3482.

43. S. Sattel, J. Robertson, H. Ehrhardt. Effects of deposition temperature on the properties of hydrogenated tetrahedral amorphous carbon // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. P. 4566.

44. M. Chhowalla, A. C. Ferrari, J. Robertson, G. A. J. Amaratunga. Evolution of sp2 bonding with deposition temperature in tetrahedral amorphous carbon studied by Raman spectroscopy// Appl. Phys. Let. 2000. V. 76. P. 1419.

45. P. J. Fallon, V. S. Veerasamy, C. A. Davis, J. Robertson, G. A. J. Amaratunga, W. I. Milne, J. Koskinen. Properties of filtered-ion-beam-deposited diamondlike carbon as a function of ion energy // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. P. 4777.

46. J. Robertson, E.P. O'Reilly. Electronic and atomic structure of amorphous carbon // Phys. Rev. B. 1987. V. 35. P. 2946.

47. J.W. Zou, K. Reichelt, K. Schmidt, B. Dischler. The deposition and study of hard carbon films // J. Appl. Phys. 1989. V. 65. P. 3914

48. M.A. Tamor, W.C. Vassell, K.R. Carduner. Atomic constraint in hydrogenated "diamond-like" carbon // Appl. Phys. Lett. 1991 V. 58. P.592.

49. M. Weiler, S. Sattel, T. Giessen, K. Jung, H. Ehrhardt, V.S. Veerasamy, J. Robertson. Preparation and properties of highly tetrahedral hydrogenated amorphous carbon // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. P. 1594.

50. P. Reinke, G. Francz, P. Oelhafen, J. Ullmann. Structural changes in diamond and amorphous carbon induced by low-energy ion irradiation // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 7067.

51. D. Ugolini, J. Eitle, P. Oelhafen. Electron Spectroscopy Measurements on Hydrogen Implanted Graphite and Comparison to Amorphous Hydrogenated Carbon Films (a-C:H) // Appl. Phys. A. 1992. V. 54. P. 57.

52. Y.H. Cheng, Y.P. Wu, J.G. Chen, X.L. Qiao, C.S. Xie, B.K. Tay, S.P. Lau, X. Shi. On the deposition mechanism of a-C:H films by plasma enhanced chemical vapor deposition // Surface and Coatings Technology. 2000. V. 135. P. 27.

53. M. Silinskas, A. Grigonis, V. Kulikauskas, I. Manika. Hydrogen influence on the structure and properties of amorphous hydrogenated carbon films deposited by direct ion beam // Thin Solid Films. 2008. V. 516 P. 1683.

54. II. Yoshida, M. Taniguchi, K. Yokoyama, Y. Yamauchi, Y. Hirohata, M. Akiba, T. Hino // Hydrogen retention of carbon dust prepared by arc discharge and electron beam irradiation. Fusion Engineering and Design. 2004. V. 70. P. 201.

55. C Adelhelm, M Balden, F Kost, A Herrmann, S Lindig. Thermal induced structural changes of a-C and a-C:Ti films analyzed by NEXAFS and XPS // Journal of Physics: Conference Series. 2008. V. 100. S. 062033.

56. Qing Zhang, S. F. Yoon, Rusli, H. Yang, J. Ahn. Influence of oxygen on the thermal stability of amorphous hydrogenated carbon films // J. Appl. Phys. 1998. V. 83. P. 1349.

57. A. Allouche, Y. Ferro. Dissociative adsorption of small molecules at vacancies on the graphite (0001) surface // Carbon. 2006. V. 44. P. 3320.

58. W. A. Dino, Y. Miura, H. Nakanishi, H. Kasai, T. Sugimoto, T. Kondo. H2 dissociative adsorption at the armchair edges of graphite // Solid State Com. 2004. V. 132 P. 713.

59. W. A. Dino, Y. Miura, H. Nakanishi, H. Kasai, T. Sugimoto, T. Kondo. H2 Dissociative Adsorption at the Zigzag Edges of Graphite // e-J. Surf. Sci. Nanotech.2004. V. 2. P. 77.

60. T. Zecho, A. Guttler, J. Kuppers. A TDS study of D adsorption on terraces and terrace edge of graphite (0001) surface // Carbon. 2004. V. 42. P. 609.

61. E. Vietzke, M. Wada, M. Hennes. Reflection and adsorption of deuterium atoms and molecules on graphite // J. Nucl. Mater. 1999. V. 266 269. P. 324.

62. S.R. Kelemen, H. Freund, C.A. Mims. The dependence of H20 adsorption and reaction on the stucture of the carbon substrate // J. Vac. Sci. Technol. A. 1984. V. 2. P. 987.

63. E. Vietzke, T. Tanabe, V. Philipps, M. Erdweg, K. Flaskamp. The reaction of energetic 02+, thermal 02, and thermal 02/Ar+ on graphite and use of graphite for oxygen collector probe // J. Nucl. Mater. 1987. V. 145-147. P. 425.

64. A. Refke, V. Philipps, E. Vietzke. Chemical erosion behavior of graphite due to energetic oxygen impact // J. Nucl. Mater. 1997. V. 250. P. 13.

65. B. Marchon, J. Carrazza, H. Heinemann, G.A. Somorjai. TPD and XPS studies of 02, C02 and H20 adsorption on clean polycrystalline graphite // Carbon. 1988. V. 26. P. 507.

66. J. Biener, A. Schenk, B. Winter, C. Lutterloh, U. A. Schubert, J. Kuppers. Spectroscopic identification of С—H species in C:H films using HREELS // Surf. Sci. Let. 1993. V. 291.L725.

67. A. Schenk, B. Winter, J. Biener, C. Lutterloh, U. A. Schubert, J. Kuppers. Growth and thermal»decomposition of ultrathin ion-beam deposited C:H films // J. Appl. Phys. 1995. V.77. P.2462.

68. J. Roth, B.M.U. Scherzer, R.S. Blewer et al. Trapping, detrapping and replacement of keV hydrogen implanted into graphite // J. Nucl. Mater. 1980. V. 93-94. P. 601.

69. L. Begrambekov, O. Buzhinsky, A. Gordeev, E. Miljaeva, P. Leikin, P. Shigin. TDS investigation of hydrogen retention in graphites and carbon based materials // Physica scripta. 2004. T. 108. P. 72.

70. T. Ma, Y.-Z. Ни, H. Wang. Formation and coalescence of linear chains in growth of nanostructured sp-sp2 amorphous carbon films // Chem. Phys. Let. 2008. V. 462. P. 104.

71. Koborov N.N., Kuzovlev A.I., Kurnaev V.A., Remizovich V.S., Trifonov N.N. Energy distributions of particles transmitted through free foils at oblique incidence // Nucl. Instr. and Meth. B. 1997. V. 129. P.5.

72. Ch. Wild, P. Koidl. Thermal gas effusion from hydrogenated amorphous carbon films // Appl. Phys. Lett. 1987. V. 51. P. 1506.

73. H. Atsumi. Hydrogen bulk retention in graphite and kinetics of diffusion // J. Nucl. Mater. 2002. V. 307-311. P. 1466.

74. V.N. Chernikov, W.R. Wampler, A.P.' Zakharov, A.E. Gorodetsky. Deuterium trapping in deep traps of differently oriented pyrolytic graphite exposed to D2 gas at 1473 К // J. of Nucl. Mater. 1999. V. 264. P. 180.

75. J.P. Gunn. Magnetized plasma flow through a small orifice//Phys. Plasma. 2001. V. 8.1040.87. личное обсуждение с J.P. Gunn, 2003 2006.

76. J.P. Gunn. The influence of magnetization strength on the sheath: Implications for flush-mounted probes // Phys. Plasma. 1997. V. 4. P. 4435.

77. S. J. Tobin, J. T. Hogan, C. DeMichelis, С. C. Klepper, M. Mattioli, P. Monier-Garbet, D. Guilhem, W. R. Hess, R. C. Isler. Global carbon production and transport in Tore Supra // Plasma Phys. Control. Fusion. 1996. V. 38. P. 251.

78. W. Eckstein, C. Garcia-Rosales, J. Roth and W. Ottenberger, "Sputtering data, IPP 9/82, Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik, Garching bei Munchen, Feb. 1993

79. J.W. Davis, A.A. Haasz. Chemically enhanced self-sputtering of carbon // Appl. Phys. Let. 1990. V. 57. P. 1976.

80. B. Schunke, M. Lipa, C. Gil, J. Ilogan, D. Reiter, E. Tsitrone, V.S. Voitsenya. Modeling of plasma conditions for the mirror exposure study in Tore Supra. 32nd EPS Conference on Plasma Phys. Tarragona, 27 June 1 July 2005 ECA Vol.29C, P-4.082.

81. J. R. Anderson, I. M. Ritchie, M. W. Roberts. Rate of Hydrogen Dissociation at a Hot Tungsten Surface //Nature. 1970. V. 227. P. 704

82. Y. Yamauchi, Y. Hirohata, T. Hino, et al. Hydrogen retention of B4C converted graphite // Journal of Nuclear Materials. 1995. V. 220-222. P. 851.

83. Б.В. Кутеев, В.И. Хрипунов. Современный взгляд на гибридный термоядерный реактор // ВАНТ. 2009. В. 1. С. 3.

84. Э.А. Азизов, Г.Г. Гладуш, В.Н. Докука, P.P. Хайрутдинов, В.П. Смирнов, А.А. Гостев, А.В. Лопаткин, Н.А. Обысов. Использование компактных токамаков в качестве источника нейтронов для решения проблем ядерной энергетики // ВАНТ. 2009. В. 3. С. 3.