Введение к работе
Актуальность
Большое количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе по вопросам взаимодействия ускоренных ионов и плазмы с твердым телом отражает огромный и активный интерес к этой проблеме не только из-за ее фундаментального научного значения, но, в неменьшей степени, и из-за ее важных научно-нрикладных аспектов в связи с использованием ионно-шшзменных технологий в различных современных отраслях пауки и техники, таких, как микроэлектроника, энергетика и, прежде всего, управляемый термоядерный синтез. Диапазон используемых типов ионов, их энергий и потоков широк. Многие закономерности их взаимодействия с твердым телом изучены. Однако при общности этих закономерностей в области низких энергай имеются свои особенности, обусловленные малой глубиной пробега ионов в твердом теле и, вследствие этого, их влиянием на поверхностные физико-химические процессы. К настоящему времени эта область физики твердого тела и радиационной физической химии изучена недостаточно, что определяет научную актуальность таких исследований.
Область низких энершй может быть ограничена на основе следующих, критериев.
1.Пороговая энергия дефектообразования.
2.Пороговая энергия распыления. Разумеется, для разных материалов понятие низкой энергии взаимодействующих с ним ионов будет различным. Как правило, для более тяжелых элементов значение низкой энергии попов будет выше, чем для более легких. В данной работе ограничимся рассмотрением некоторых наиболее перспективных материалов для термоядерных установок.
Пороговая энергия для смешения атома в решетке (энергия дефектообразоваиия) для металлов, являющихся компонентами нержавеющей етапи, Fe, Ni, Сг изменяется в диапазоне 20-28 эВ, для графита эта величина равна 30 эВ. Пользуясь этими данными, несложно рассчитать минимальную энергию ускоренного иона водорода (дейтерия), необходимую для образования Френкслсвской пары в Fe, Ni, Сг - она изменяется от 290 (150) эВ до 380 (200) эВ. Для графита эта энергия равна 100 (55) эВ. Таким образом, согласно этому критерию низкой может считаться энергия в несколько сотен эВ.
Пороговая энергия ионов водорода (дейтерия) для физического распыления для-Ni и Fe составляет 47 (32,5) эВ и 64 (40) эВ, соответственно: для С - 9,9 (11) эВ, т.е. по этому критерию низкой является энергия п диапазоне от десяти до нескольких, десятков эВ.
Таким образом, исходя из физических критериев, для указанных материалов низкими энергиями для ионов водорода (дейтерій) могут считаться энергии от нескольких эВ до 300-400 эВ. Очи являются низкими еще и потому, что глубина пробега ионов изотопов водорода с такими энергиями в этих материалах составляет величины от нескольких ангстрем до 30^0 А, что сравнимо с размерами близкой приповерхностной области, выделение энергии в которой может оказать влияние на скорость и механизмы поверхностных физико-химических явлений.
Указанный диапазон энергий, которые могут считаться низкими, соответствует диапазону энергий ионов изотопов водорода, взаимодействующих с элементами конструкции разрядной камеры термоядерных установок - токамаков. В современных термоядерных установках и в проектируемом международном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР), где взаимодействие ускоренных водородных частиц с материалами первой стенки является следствием ухода из плазменного шпура нейтралов перезарядки и неполного удержания плазмы, энергия этих частиц, изменяется от нескольких эВ до десятков эВ в диверторе и до нескольких сот эВ при взаимодействии со стенкой камеры. Интенсивные исследования по разработке и созданию термоядерного реактора, проводимые в настоящее время мировым сообществом, делают проблему взаимодействия ионов изотопов водорода низких
энергий с конструкционными материалами ТЯР актуальной также и в плане практических приложений.
Цель работы заключалась в исследовании влияния низкоэнергетнческого ионного облучения на физико-химические поверхностные явления в процессах проникновения изотопов водорода сквозь металлы и эрозии углмрафитовых материалов, а также в разработке метода плазмохимического осаждения бороуглеродных пленок, доступного для широкого применения в крупномасштабных термоядерных установках. Для достижения этой пели ставились следующие задачи.
-
В экспериментах но водородопгхшицаемоети никеля и нержавеющей стали Х18Н10Т с нонами различных энертй, а также при добавлении инертных газов выяснить влияние низкоэнергстической ионной бомбардировки на десорбционные процессы и изменения структуры поверхностного слоя - г/а реэмиссию и проникновение.
-
При использовании различных углеродных материалов выяснить роль, типа химических связей поверхности и легирующих добавок в образовании углеводородов в процессе химического распыления.
-
На графитовых материалах с одинаковой структурой, но отличающихся легирующими добавками оценить влияние структуры па радианионно-ускоренную сублимацию при облучении ионами низких энергий.
-
Разработать аппаратуру и отработать методику осаждения бороуглеродных пленок с использованием паров карборана; исследовать их водородонроницаемость и эрозионную стойкость при воздействии низкоэнергетических ионов и атомов дейтерия, а также влияние кислорода на стабильность пленок. ООъешлж&дшшит
В экспериментах по водородопроіпщаемости объектами исследований были никель и нержавеющая стань. Выбор этих материалов был обусловлен тем, что никель часто используется в плазменных экспериментах как модельный материал, на котором благодаря однородности состава и структуры удобно проследить за физикой
происходящих явлений. Аустенитная нержавеющая стань типа Х18Н10Т является наиболее вероятным конструкционным материалом разрядных камер токамаков.
В опытах по эрозии использовались три различных типа углеродных материалов МПГ-8, УСБ-15 и КУП-ВМ. Графит МПГ-8 - типичный нслегарованный графит, который может служить реперным углеродным материалом. Углеситалл УСБ-15 является представителем перспективного класса объемно-борированных графитов. КУП-ВМ - представитель широко используемых углерод-углеродных материалов с трехмерным плетением, пропитанный пироуглеродом и легированный титаном и кремнием. Для выявления роли типа химических связей в процессах химической эрозии эксперименты были выполнены также на поликристаллических алмазных пленках.
В экспериментах по радиациоиш-ускоренной сублимации наряду с углеситаллом УСБ-15 использовался его структурный аналог, беспримесный графит ПГИ для того, чтобы выявить роль структуры и добавок бора в этом процессе.
Бороуглеродные пленки в настоящее время используются в термоядерных установках для уменьшения примесного загрязнения плазмы и в определенном плане также могут рассматриваться как материалы термоядерной энергетики. В работе рассматриваются как вопросы их получения путем плазменного осаждения с. использованием карборана в качестве исходного вещества, так и исследования некоторых их свойств при взаимодействии с ионами дейтерия низких энергий и тепловыми атомами дейтерия.
Наулішаломнцга
Научная новизна работы заключается в исследовании особенностей взаимодействия низкоэнергетическях ионов изотопов водорода с твердым телом применительно к материалам для термоядерных реакторов.
). Показано, что формирующаяся в процессе ионной бомбардировки в поверхностных слоях структура, для которой характерны высокая концентрация имплантированных изотопов водорода и радиационных дефектов, определяет скорость и механизм десорбции и проникновения, которые могут быть иными, чем при высокоэнсрютичсском ионном облучении. В этих условиях имеет место радиационное
ускорешге десорбции; образование барьерного слоя, препятствующего обратному выделению водорода из объема на поверхность; морфологические изменения поверхности, влияющие на скорость проникновения.
-
Установлено п результате исследования эрозии различных типов углеродных материалов и анализа литерат>рных данных, что в процессе шізкозіїеріеіической бомбардировки ионами изотопов водорода основным каналом эрозии является образование ршрокого спектра молекул углеводородов на поверхности (с преобладанием тяжелых молекул СгНх и СзНу) за счет создания при ионной бомбардировке зародышевых радикалов с одиночными, двойными и тройными связями.
-
Разработаны научные основы плазмохимнческого осаждения бороуглероднмх пленок из паров карборана. Исследованы их эрозионная стойкость и водородопронипаемость при ніпкозпері-етичсеком дейтериевом плазменном воздействии. Изучено влияние кислорода на стабильность и время жизни пленок. Практическая ценность работы.
-
Полученные в работе результаты по водородопроницаемости нержавеющей стали X18HJ0T в условиях плазменного воздействия были использованы для опенки баланса водорода в разрядных камерах токамаков. Эти данные были представлены в. качестве рабочих материалов на совещаниях по проекту международного термоядерного реактора ИНТОР для опенки перспективы использования аустеннтных сталей в качестве материала первой стенки разрядной камеры, о чем имеется соответствующий акт.
-
Разработанный метод плазмохимнческого осаждения бороуглеродпых пленок при участии автора настоящей работы был многократно и успешно использован и используется в настоящее время для боронизации всех действующих российских токамаков.
Защищаемые положения
1. Результаты зкеперимсігтального исследования проникновения изотопов водорода сквозь никель и нержавеющую егаль ХІ8НШТ при низкоэнер/етнческом облучении ионами изотопов водорода, в которых показано возникновение в этих
юііиях в поверхностном слое металла структуры, характеризующейся увеличенной jpocTbK) термодесорбции, высокой концентрацией радиационных дефектов и адаптированных изотопов водорода, что изменяет скорости и механизмы реэмиесии проникновения.
2. Особенности эрозии углеродных материалов при бомбардировке
«энергетическими ионами и атомами дейтерия, заключающиеся в
еимущественном образовании молекул углеводородов на поверхности и в близкой
«поверхностной области и в зависимости коэффициентов эрозии от типов
мической связи зародышевых радикалов, образующихса на поверхности ігри ионной,
імбардировке.
-
Обнаруженное влияние структуры ушеграфшовых материалов на скорость диациошю-ускоренной сублимации.
-
Разработка метода и изучение особенностей нлазмо-химическою осаждения >роуглеродных пленок с использованием в качестве исходного вещества паров ірборана.
-
Результаты исследования особенностей эрозии бороуглсродных пленок и их пития на дейтеропронипасмость металлов при взаимодействии с изколіеріетическими ионами и атомами дейтерия. Изучение влияния кислорода, іхвагьіваемого в пленках при низкоэнергетическои облучении, на стабильность и ремя жизни пленок.
.пробаиия работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 Международном конгрессе "Водород в металлах", Париж, Франция, 1977г. // на Международном совещании "Водород в металлах,", Мюнсгер, ФРГ, 1979г. // на 4 всесоюзной конференции "Методы исследования и определения газов в металлах и «органических материалах", Ленишрад, 1979г. // на 4 Международной конференции ю взаимодействию плазмы с поверхностью в установках управляемого термоядерною :интеза (PSI), Гармиш-Партеикирхен, ФРГ, 1980г. // па 2 Всесоюзной конференции го исслсдоваїшго и разработке конструкционных материалов для реакторов гсрмоядериого синтеза, Дубна, 1981г. // на 3 Всесоюзном семинаре "Водород в
металлах", Донецк, 1982г. II на 3 Международном конгрессе Водород и материалы", Париж, Франция, 1982г. // на 5 PS1, Гатлинбург, США, 1982г. // на Международном семинаре "Проблемы нерпой стенки термоядерного реактора и нсйтроішо-фіпичсскис исследования", Сухуми, 1983г. // на Всесоюзной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", Ленинград, 1990г. // на 4. Международной конференции но исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерною синтеза, Дубна, 1990г. // па 9 PSI, Борнемоут, Англия, 1990г. // на і Международном семинаре но алмазным пленкам, Улан-Удэ, 1991г. // на 5 Международной конференции по материалам для термоядерных реакторов (1CFRM). Клиервотер, США, 1991г. // на 10 PSI, Монтсрей, США, 1992г. // на 2 Международной конференции "Радиационное воздействие на материалы термоядерных рсакторок", Санкт-Петербург, 1992г. // на 6 1CFRM, Стресса, Италия, 1993г. // на 20 Европейской конференции по управдясмоиу термоядерному синтезу и физике плазмы, Лиссабон, Португалия, 1993г. // на 11 PSI. Мито, Япония, 1994г. // на 2 Международном совещании по тритиевым эффектам в ішазмоконтактнруїощих компонентах, Нагоя, Япония, 1994г. // на 7 1CFRM, Обнинск, Россия, 1995г. // на б Всероссийской конференции но инженерным проблемам термоядерных реакторов, Санкт-Петербург, 1997г. // на 3 Международном совещании по бернллиепой технологии для термоядерных реакторов. Мито, Япония, 1997г. // на 8 ICFRM, Сеидай, Япония, 1997г., опубликованы в тезисах и трудах этих конференций, симпозиумов, совещаний, статьях, и коллективной монографии "Водород в металлах".
тдааэ!шлйгем_р^5шъц
' Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов и списка цитируемой литерагурм. Она содержит 268 страниц, включает 81 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 253 наименований.