Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. ОПМ реактора ИТЭР 11
1.2. Опыт использования вольфрама в токамаках 13
1.2.1. Загрязнение плазмы тяжелой примесью 14
1.2.2. Устойчивость вольфрамовых материалов к тепловым нагрузкам. Механические свойства материалов 15
1.2.3. Накопление изотопов водорода 17
1.3. Взаимодействие ионов водорода с металлом 18
1.4. Взаимодействие ионов водорода с вольфрамом 25
1.4.1. Отражение 25
1.4.2. Захват водорода в вольфрам 26
1.4.3. Проницаемость вольфрама при взаимодействии с водородом .39
Глава 2. Влияние состояния поверхности на взаимодействие водорода с материалами с большим массовым числом 48
2.1. Код SCATTER 48
2.2. Влияние углеводородных пленок на поверхности вольфрама на внедрение водорода. 50
2.3. Влияние шероховатости поверхности на взаимодействие дейтерия с материалом с большим атомным номером 58
2.3.1. Описание установки «Медион-2» 58
2.3.2. Экспериментальная методика определения коэффициента захвата дейтерия 61
2.3.3. Описание экспериментов 64
2.3.4. Обсуждение результатов экспериментов и компьютерного моделирования 68
2.4. Выводы к главе 2 70
Глава 3. Термодесорбционные исследования захвата дейтерия в вольфрамовые материалы 71
3.1. Экспериментальная часть 71
3.1.1. Описание экспериментальной установки и условий эксперимента 71
3.1.2. Описание экспериментов. Экспериментальная методика 78
3.1.3. Исследовавшиеся материалы 83
3.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение 87
3.2.1. Поликристаллический и монокристаллический вольфрам 88
3.2.2. Плазменно-напыленный вольфрам 96
3.2.3. Вольфрам, легированный рением 102
3.3. Выводы к главе 3 ПО
Глава 4. Проницаемость вольфрама при облучении ионами дейтерия 112
4.1. Экспериментальная часть 112
4.1.1. Описание экспериментальной установки 112
4.1.2. Описание экспериментов 121
4.1.3. Материалы и образцы 122
4.2. Апробация установки в экспериментах с никелевыми мембранами 125
4.3. Проницаемость вольфрама при ионном облучении 126
4.3.1. Задержка появления проникающего потока 127
4.3.2. Эффективный коэффициент диффузии 129
4.3.2. Влияние температуры на проницаемость 132
4.3.3. Влияние чистки обратной поверхности на проницаемость 134
4.4. Выводы к главе 4 137
Основные результаты работы: 138
Список публикаций автора по теме диссертации 139
Благодарности 141
- Устойчивость вольфрамовых материалов к тепловым нагрузкам. Механические свойства материалов
- Экспериментальная методика определения коэффициента захвата дейтерия
- Описание экспериментальной установки и условий эксперимента
- Апробация установки в экспериментах с никелевыми мембранами
Введение к работе
Актуальность работы.
Сохранение цивилизации западного типа не в последнюю очередь зависит от того, удастся ли человечеству в ближайшие 30-50 лет обеспечить себя источниками энергии, которые компенсировали бы истощение мировых запасов ископаемого топлива и одновременный рост энергопотребления.
Термоядерный синтез - весьма вероятный источник энергии недалекого будущего человечества. Международный термоядерный экспериментальный ректор (ИТЭР) - совместный проект России, стран Европы, США, Канады, Индии и Китая -призван продемонстрировать возможность получения энергии в управляемой термоядерной реакции. В июне 2005 года, после многолетних споров о выборе места строительства, было подписано соглашение о постройке реактора в г. Кадараш, Франция. Согласно оценкам, постройка реактора займет не менее десяти лет, и порядка пяти лет потребуется на отладку установки до получения управляемой реакции. Разработка проекта реактора ИТЭР считается завершенной, однако на деле осталось большое количество так и не решенных вопросов, связанных с функционированием реактора - вопросов, ответы на которые должны быть найдены до начала определенных этапов строительства.
Множество вопросов связано со взаимодействием изотопов водорода с конструкционными материалами реактора, включающим в себя множество процессов, таких как отражение и внедрение, накопление топлива в материале, проникновение частиц топлива через обращенные к плазме материалы (ОПМ) и т.д. Знание же параметров проницаемости и накопления радиоактивного изотопа водорода - трития в материалах дивертора и первой стенки особенно важно в связи с требованиями радиационной безопасностью реактора [1].
Задача оценки накопления водорода в обращенных к плазме материалах не проста. Предполагается, что в реакторе ИТЭР (но крайней мере, на этапе запуска и отладки) в качестве ОПМ будут использоваться графит, бериллий и вольфрам: бериллий - как материал для покрытия первой стенки, углерод и вольфрам - в диверторе [2].
Эксперименты с тритием осложнены из-за его радиоактивности. Поэтому оценки накопления трития в материалах делаются в большинстве своем на основании модельных экспериментов с протием и дейтерием в предположении, что изотопический эффект мал. Использование дейтерия в качестве рабочего газа упрощает выделение результата взаимодействия исследуемого изотопа с водородом, поскольку протий содержится в большинстве материалов и является основной компонентой остаточного газа в высоковакуумных установках.
На сегодняшний день получено большое количество данных по взаимодействию изотопов водорода с вольфрамом. При этом ряд аспектов остается мало изученным, или вовсе не исследованным. Процессы взаимодействия водорода с материалами ТЯР во многом определятся состоянием и составом поверхности. В условиях распыления, миграции и переосаждения ОПМ наблюдается рост различных пленок па поверхностях материалов. Например, в установке ASDEX при использовании в качестве ОПМ вольфрама и углерода на поверхности вольфрама наблюдался рост углеводородных пленок, вследствие чего накопление водорода в этих областях возрастало на порядок, причем водород захватывался именно в составе углеводородных пленок. Химически активные примеси (кислород, углерод) на поверхности металла обычно играют роль барьера, уменьшающего выделение содержащегося в материале водорода. Влияние инородных покрытий на взаимодействие водорода с материалами остается фрагментарно изученным.
Внушительное количество данных по взаимодействию изотопов водорода с вольфрамом собрано, в основном, в экспериментах с монокристаллическим или поликристаллическим вольфрамом. В диверторе реактора ИТЭР вольфрамовое покрытие площадью ~ 100 м2 будет принимать на себя внушительные потоки энергии (до 20 МВт/м2 в пике нагрузки). Моиокристаллический вольфрам не может быть использован в качестве ОПМ по причине невозможности вырастить монокристалл вольфрама соответствующих размеров. Поликристаллический вольфрам обладает не оптимальными термомеханическими свойствами: под действием циклических нагрузок, характерных для дивертора токамака, и в результате эрозии при неустойчивостях плазмы он растрескивается и разрушается. Выходом из ситуации может быть осаждение достаточно толстых (сотни мкм) покрытий из вольфрама. Одним ж способов создания вольфрамового покрытия с улучшенными
термомеханическими свойствами [3, 4] является набрызгивание на подложку капель металла, расплавляющегося в плазменной струе (в дальнейшем для краткости процесс именуется плазменным напылением). Имеющиеся данные об удержании водорода в плазменно-иапыленном вольфраме фрагментарны и ограничены двумя работам, противоречивыми в некоторых аспектах.
Открытым вопросом накопления водорода в вольфраме является и влияние примеси рения на захват водорода вольфрамовыми материалами. Рений может быть добавлен в вольфрам в процессе изготовления с целью улучшения механических свойств этого хладноломкого материала. Кроме того, рений будет образовываться в материале в результате трансмутации вольфрама под действием нейтронного облучения. Исследований влияния примеси рения на захват водорода вольфрамом ранее не проводилось.
Проникновение изотопов водорода через вольфрам вызывает особый интерес в связи с радиационной безопасностью установки. Проницаемость вольфрама при контакте с газообразным водородом изучена относительно широко, данные же о проницаемости при облучении ионами водорода ограничиваются в основном температурным интервалом 610-823 К. Вопрос влияния состояния поверхностей на проницаемость вольфрама при облучении ионами изотопов водорода остается фактически неисследованным.
Вышесказанное предопределило цель настоящей работы и решаемые при этом задачи. А именно: цель работы заключалась в исследовании захвата дейтерия, его выделения при прогреве и проницаемости вольфрама при взаимодействии с вольфрамом ионов дейтерия, а основные задачи работы включали в себя:
исследование влияния состояния поверхности на внедрение ионов изотопов водорода в материал с большим атомным номером,
сравнительное исследование захвата дейтерия различными конструкционными вольфрамовыми материалами (монокристаллическим вольфрамом, поликристаллическим вольфрамом, плазменн о-напыленным вольфрамом, вольфрамом с добавками рения),
исследование проницаемости вольфрама при облучении ионами дейтерия и разработку необходимой для этого установки.
На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:
Обнаруженное при компьютерном моделировании существенное влияние тонких углеводородных пленок на поверхности вольфрама на отражение и внедрение ионов водорода.
Продемонстрированная на примере отражения дейтерия низких энергий необходимость учета рельефа поверхности при определении коэффициентов внедрения дейтерия в материал с большим атомным номером.
Данные о захвате дейтерия в различные вольфрамовые материалы в широком диапазоне доз и температур облучения, свидетельствующие о существенном отличии захвата водорода в плазменно-напыленный вольфрам от захвата в поликристаллический и монокристаллический вольфрам.
Результаты впервые проведенного исследования влияния примеси рения в вольфраме на захват ионов дейтерия и обнаруженный при этом эффект «залечивания» микрополостей при ионном облучении.
Конструкция и результаты наладки установки для исследования проницаемости металлических мембран с низким коэффициентом проницаемости при облучении пучком ионов и с возможностью ионной чистки обратной стороны мембраны.
Впервые экспериментально измеренная в интервале температур 823-И 023 К проницаемость мембран из поликристаллического вольфрама при облучении ионами дейтерия.
Достоверность и обоснованность результатов работы базируется на применении адекватных средств проведения и контроля условий экспериментов, воспроизводимости результатов при повторении экспериментов, сравнении с результатами других исследователей.
Научная и практическая значимость работы.
Результаты проведенных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования:
позволяют уточнить требования к процедуре удаления трития из элементов термоядерного реактора, покрытых плазменно-напыленным вольфрамом: а
именно указывают на необходимость проводить обезгаживание при температуре -1000 К,
дают возможность определить параметры накопления топлива в обращенных к плазме элементах термоядерных установок, покрытых плазменно-напыленным вольфрамом, в зависимости от дозы облучения и температуры поверхности,
показывают, что примесь репия не влияет на захват водорода в вольфраме, а захват в вольфрам, легированный рением, определяется структурой материала.
Разработанная установка позволяет:
измерять проникновение водорода через металлы с низким коэффициентом проницаемости при ионном облучении и с возможностью ионной чистки обратной поверхности мембраны,
определять (в сочетании с результатами термодесорбционных измерений и моделирования) концентрации в материалах ловушек водорода различных типов, а также коэффициенты рекомбинации водорода на поверхностях металлических мембран в широком диапазоне температур,
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на десяти международных конференциях и симпозиумах, двух российсішх школах молодых специалистов, двух научных сессиях МИФИ:
Научных сессиях МИФИ 2003, 2004,
Международных конференциях по взаимодействию плазмы с поверхностью PSI-14, 2000, PSI-15, 2002, PSI-17, 2006,
Международной конференции по атомным столкновениям в твердом теле ICACS-19, 2001, Париж, Франция,
Симпозиуму по рециклингу водорода в обращенных к плазме материалах HW-10, 2001, Чикаго, США,
Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью ISS-2001 и 1SS-2003, Звенигород, Россия,
XXXII международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 2002, Москва,
Международном симпозиуме по водороду в веществе ISOHIM-2, 2005, Упсала, Швеция,
Школе-семинаре «Фундаментальные проблемы приложений ФНТП», 2005, Шотозеро, Карелия,
Симпозиуме по изотопам водорода HW-8, 2006, Хуаньшань, Китай,
Международной школе молодых ученых и специалистов «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами: методы исследования», 2006, Урозеро, Карелия.
Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах. Их список приведен в конце диссертации.
Устойчивость вольфрамовых материалов к тепловым нагрузкам. Механические свойства материалов
На сегодняшний день вольфрам тестировался и использовался в качестве ОПМ в нескольких крупных токамаках (JET, TEXTOR, ASDEX Upgrade). На токамаке JET до сегодняшнего дня проводились лишь измерения эрозии вольфрамовых маркеров на поверхности графитовых плиток облицовки. На токамаке TEXTOR эксперименты с вольфрамом ведутся начиная с 1997 года [9], и ограничиваются использованием вольфрама в качестве материала лимитера. Из существующих на сегодняшний день крупных токамаков наибольший опыт работы с вольфрамом имеется на токамаке ASDEX Upgrade, и основные результаты относительно различных аспектов использования вольфрама в термоядерных установках получены именно на этой установке. Изначально в токамаке ASDEX-Upgrade обращенные к плазме поверхности первой стенки и дивертора были облицованы графитовыми плитками. В течение более десяти лет происходила постепенная замена графитового покрытия на вольфрамовое. При постепенном увеличении площади вольфрамового покрытия исследовались загрязнение плазмы тяжелой примесью, эрозия вольфрамового покрытия, его устойчивость к тепловым нагрузкам, захват водорода материалами, эффекты взаимного влияния конструкционных материалов на взаимодействие с плазмой, в зависимости от положения плиток облицовки в полоидальном сечении токамака.
Основным результатом многолетних исследований на токамаке ASDEX-Upgrade является тот факт, что загрязнение плазмы примесью вольфрама оказывается значительно меньше ожидаемого согласно расчетам [10], поскольку 80-90% вольфрама переосаждается вблизи места, откуда он был распылен [11]. Это подтверждают и данные с токамака TEXTOR, где использовались вольфрамовые лимитеры [12]. Эксперименты с дивертором, облицованным плазменно-напыленным вольфрамом, показали, что в установке ASDEX-Upgrade для разрядов большинства типов (за исключением разрядов с малой вводимой мощностью) влияние вольфрама на параметры плазмы пренебрежимо мало [13], и концентрация вольфрама в плазме остается ниже пороговой [14].
При постепенной замене покрытия центральной колонны установки ASDEX на вольфрамовое [15, 16, 17], было обнаружено, что вольфрамовое покрытие первой стенки установки ASDEX распыляется в основном не энергетичными нейтралами, а ионами пристеночного слоя [18]. Еще одним механизмом распыления в токамаке являются униполярные дуги. При их зажигании через катодное пятно площадью несколько микрон протекает ток плотностью порядка 10 А/м . При этом происходит взрывное плавление и испарение материала, и в плазму могут попадать вольфрамовые кластеры. Катодное пятно дрейфует в магнитном поле, и оставляет след на материале. Этот тип повреждений наблюдается на поверхностях всех обращенных к плазме материалов. В установке ASDEX дуговые треки чаще всего появляются во внешнем и центральном баффлах дивертора [19]. В местах зажигания дуговых разрядов вольфрамовое покрытие толщиной 450 нм оказывается полностью удаленным [20].
Вне зависимости от механизма распыления, распыленный вольфрам мигрирует в пристеночном слое плазмы и оседает на поверхности, в большинстве своем рядом с местом, откуда он был распылен. В экспериментах 2004-2005 года графитом были покрыты лишь наиболее энергонапряженные области дивертора установки. При этом для всех нужных с точки зрения синтеза сценариев разряда (разрядов с высокой вводимой мощностью) концентрация вольфрама в плазме была существенно (на порядок или еще менее) ниже критической для установки ASDEX. Таким образом, вольфрам оказывается приемлемым и перспективным материалом и для покрытия первой стенки [21] реактора ИТЭР. В начинающейся кампании 2006-2007 годов в качестве OITM будет использован исключительно вольфрам, и ASDEX Upgrade станет первым в мире полностью вольфрамовым токамаком.
В работе [22] проводилось сравнение устойчивости к тепловым нагрузкам четырех марок вольфрамового покрытия: плазмеино-напыленного в вакууме (PSW) производства Plansee / Sulzer Metco AG, плазменно-напылеиного в атмосфере инертного газа (IPSW) двух производителей (CEN Cadarache, KFA Jiilich), и осажденного путем испарения (PVDW) вольфрамового покрытия (Plansee AG). Плазменно-напыленный вольфрам отличает развитая поверхность и пористость образцов (9-20%, в зависимости от параметров осаждения). И то и другое - следствия процесса изготовления материала: в высокотемпературную плазменную струю вводится (чаще всего в виде порошка, но возможно так же введение капель, проволоки и пр.) метал, расплавленные капли которого уносятся струей в направлении подложки. На подложке капли почти мгновенно застывают. Образцы IPSW отличает выраженная «слоистая» структура. PSW вследствие высокотемпературного прогрева покрытия после напыления имеет однородную структуру с равномерно распределенными полостями в объеме. Пористость плазменно-напылеиного вольфрама уменьшает его теплопроводность и механическую прочность по сравнению с поликристаллическим вольфрамом, а также приводит к большему захвату водорода материалом. Осажденный путем испарения вольфрам - значительно более гладкий и не пористый (полости занимают менее 1% объема). Было обнаружено, что для применения в диверторе PSW - оптимальный из предложенных материалов, по следующим соображениям. Во-первых все предложенные пористые вольфрамовые покрытия выдерживают тепловые нагрузки до 15 МВт/м без каких-либо структурных изменений, тогда как PVDW-покрытие растрескивается. Такие замечательные свойства пористых материалов объясняются наличием полостей в объеме материала; если в результате нагрузок начинается растрескивание, то трещина распространяется только до момента встречи с полостью. С другой стороны, пористость PSW наименьшая из предложенных PS материалов, и поэтому он обладает1 наибольшей теплопроводность и механической прочностью. И, наконец, плазменное напыление вольфрама позволит восстанавливать эродированное покрытие токамака без замены облицовочных плит, не вскрывая вакуумную камеру.
В кампании 1995-1996 годов плитки, покрытые слоем 500 мкм PSW, были установлены в наиболее эиергонапряженных областях дивертора (в местах пересечения сепаратрисы с поверхностью) токамака ASDEX-Upgrade. После 800 разрядов плитки были извлечены и проанализированы. Длительные тепловые нагрузки в течение 800 разрядов привели к растрескиванию вольфрамового покрытия в тороидальном направлении [23], однако трещины не развивались вглубь, и потери слоя не происходило. Поэтому PSW признан оптимальным покрытием для всей установки ASDEX, включая наиболее энергонапряженные области дивертора. Однако для наиболее энергонапряженной области дивертора реактора ИТЕР, где и нагрузки и их длительность будут существенно больше, чем в токамаке ASDEX, в случае, если будет решено отказаться от графита, должны быть разработаны другие способы создания вольфрамового покрытия.
Экспериментальная методика определения коэффициента захвата дейтерия
Сравнение интегрального накопления дейтерия в различных вольфрамовых материалах было проведено в работе [46], в которой исследовался захват дейтерия в монокристаллический вольфрам (SCW), поликристаллический вольфрам (PolyW), вольфрам, полученный путем химического осаждения из паровой среды (CVD-W), плазменно-напылеиный в вакууме вольфрама (VPS-W) и плазменно-напыленный в атмосфере инертного газа (IPS-W). При температурах 300 К, 600 К и 900 К образцы облучались ионами D3+ энергии 4,5 кэВ. Облучение проводилось до выхода захвата на насыщение, что определялось по потоку обратного газовыделения. Было обнаружено, что в SCW, CVD-W и VPSW накапливаются очень близкие количества дейтерия, в то время IPSW захватывает в два раза большее количество, а в PCW горячей прокатки -в три раза большее. С увеличением температуры накопление дейтерия во всех материалах уменьшалось, и при 7 900 К было в 50 раз меньше, чем при комнатной температуре, при одинаковых дозах облучения. Соотношение захваченного в различных материалах дейтерия при этом оставалось тем лее, что и при комнатной температуре. Таким образом, количество накапливаемого вольфрамом водорода может существенно отличаться для материалов одного и того же состава (вольфрам чистоты 99.8 весовых процентов), но разной структуры (монокристаллический, поликристаллический, осажденное покрытие).
Состояния, в котором водород захватывается в вольфраме. Монокристаллический вольфрам (SCW).
Из-за многообразия возможных типов ловушек водорода в вольфраме сложно связать накопление водорода в конкретном материале с ловушками определенных типов. Понимание процесса накопления водорода упрощается для монокристаллического вольфрама (SCW), у которого суммарная протяженность граней зерен кристаллитов и концентрация дислокаций существенно меньше, чем в поликристаллическом вольфраме (PolyW). Поэтому накопление водорода в монокристаллическом вольфраме остается объектом постоянных исследований.
В работе [40] Хааса исследовалось накопление дейтерия в монокристаллическом вольфраме при облучении материала ионами с энергией 500 эВ/D при температурах образца 300 и 500 К. Термодесорбционные измерения проводились в специальной камере 8-30 часов спустя после облучения. Предполагалось, что за это время весь растворенный в решетке дейтерий покидает материал и измеряется только количество дейтерия, захваченного в ловушках. Авторы связывают захват дейтерия в SCW с искажениями кристаллической решетки вследствие ионного облучения - созданием вакансионных кластеров и газонаполненных пузырьков. При комнатной температуре количество дейтерия, захваченного при максимальной дозе облучения 1024 D/м2 было одинаково для SCW и поликристаллической фольги толщиной 25 мкм. При низких дозах облучения (1022 -10 D/м ) захват в SCW оказывается больше. Авторы полагают, что это связано с тем, что в поликристаллическом W выход дейтерия из образца при облучении может быть упрощен вследствие диффузии по граням кристаллитов.
В работе [47] тех же авторов исследована зависимость накопления дейтерия в монокристаллическом вольфраме от плотности потока ионов дейтерия энергии 500 эВ/D. Авторы нашли, что существует некое пороговое значение плотности потока (около 10 D/м ), ниже которого имеется выраженная зависимость накопления от плотности потока (захват дейтерия растет с увеличением потока). При этом на накопление дейтерия оказывает влияние состояние поверхности, то есть вакуумные условия и условия полировки заметно влияют иа иакопление). При превышении порогового значения потока поступление дейтронов в приповерхностный слой оказывается больше диффузионного оттока дейтерия вглубь материала. В этих условиях происходит агломерация внедренного дейтерия и его накопление в виде кластеров и наполненных газом пузырьков. При этом состояние поверхности не оказывает выраженного влияния на накопление.
Полученные со скоростью нагрева 6 К/с ТДС спектры SCW имели однопиковую структуру. Пик приходился на 650-700 К, смещаясь в область более высоких температур с ростом дозы облучения. Поскольку положение пика несущественно меняется при увеличении дозы облучения, авторы полагают, что состояние, в котором захватывается дейтерий - в основном агломерация в пузырьках и вакансионных кластерах, независимо от дозы облучения. Исследования влияния температуры образца во время облучения на захват дейтерия в SCW [48] показали, что при увеличении температуры облучения (до 600 К) в ТДС, полученных со скоростью нагрева 5 К/с, исчезают низкотемпературные пики, однако появляется дополнительный пик при 850-900 К. Авторы объясняют его следующим механизмом захвата: изначально основной ловушкой в вольфраме при повышенных температурах являются примеси кислорода и углерода, с которыми связываются дейтроны. В дальнейшем происходит агломерация дейтронов вокруг связанных с примесными атомами. В полях напряжений в связи с повышенной концентрацией дейтерия в зоне внедрения происходит диффузия кислорода и углерода из приповерхностных слоев и из объема в зону захвата водорода, способствуя еще большему захвату. Диффузию атомов примесей в зону захвата подтверждает анализ методом ВИМС до и после облучения вольфрама ионами, дейтерия. До облучения примеси равномерно распределены в объеме материала, и в приповерхностном слое их концентрация существенно больше, чем в объеме. После облучения распределение кислорода и углерода по глубине имеет выраженный максимум, коррелирующий с максимумом распределения по глубине внедренного дейтерия.
Ван Веен и др [41] методами позитронной аннигиляции и термодесорбционной спектроскопии исследовали захват водорода в монокристаллический вольфрам, в котором предварительным облучением протонами или электронами энергии 6 МэВ были созданы полости, размер которых был оценен по количеству вакансий (30-50) как 0-1 им. Кристаллы с созданными в них полостями облучались ионами Н2+ водородной плазмы с энергией 2 кэВ, поток частиц на поверхность составлял 2.5-1018 Н/м . Водород при этом накапливался в материале как в газовой фазе в полостях (при давлениях, близких к атмосферному), так и в хемосорбированном состоянии на стенках полостей. Энергии связи водорода в этих состояниях были оценены как 1-1.4 эВ и 1.8-2.1 эВ, выделение из этих состояний происходило при 600-700 и 900 К.
Рост полостей при взаимодействии дейтерия с монокристаллическим вольфрамом исследовался в работе [49] теми же методиками, что и в предыдущей работе. Производилось облучение SCW ионами дейтерия энергии 15 кэВ/D. Дозы облучения варьировались от 2-Ю17 до 1020 D/м2. При низких дозах облучения в ТДС (регистрировавшемся со скоростью прогрева 10 К/с) наблюдались пики при 400 и 600 К. При наибольшей дозе облучения был обнаружен дополнительный пик при 800 К. Авторы связывают пики при различных температурах с захватом в вакансионные кластеры различных размеров (единичная вакансия, кластеры 4-10, 11-16,40-60 вакансий).
Описание экспериментальной установки и условий эксперимента
В случае, если толщина пленки такова, что ионы выделенной энергии не достигают вольфрамовой подложки, ситуация идентична внедрению в чистый графит (распределение ионов дейтерия с начальной энергией 100 эВ на рис. 2. 5). В случае же, если длины пробегов частиц в материале превышают толщину пленки (распределение ионов дейтерия с начальной энергией 500 эВ на рис. 2.5), в распределении частиц по глубине наблюдается резкий скачок на границе углеродной пленки и вольфрамовой подложки. Углеродная пленка на границе с вольфрамом оказывается обогащенной водородом вследствие отражения последнего от вольфрама и захвата этих отраженных частиц в слое углерода. Профиль внедренного дейтерия с начальной энергией 500 эВ (рис. 2. 6. б) иллюстрирует ситуацию, когда энергия большинства отраженных от вольфрамовой подложки частиц недостаточна для того, чтобы после отражения от вольфрамовой подложки пройти слой углерода и покинуть материал. Эта ситуация соответствует локальному максимуму коэффициента внедрения на рис. 2. 5. Далее с ростом энергии все большее количество отраженных от вольфрама частиц достигает поверхности и наблюдается локальный минимум коэффициента внедрения. При дальнейшем увеличении энергии падающих частиц увеличиваются их пробеги в вольфраме и, соответственно, уменьшается вероятность выхода из материала, и коэффициент внедрения растет. Простая концепция обогащения углеродного слоя вследствие отражения изотопов водорода от вольфрамовой подложки иаглядио объясняет преимущественный захват изотопов водорода в составе углеводородной пленки на поверхности вольфрама в токамаках на начальной стадии роста пленки, когда толщины ее составляют десятки ангстрем и энергия ионов достаточна для достижения вольфрамовой подложки.
В связи с немонотонным профилем распределения внедренных частиц в двухслойную мишень (тяжелая подложка, покрытая легкой примесью) становится понятным отмечавшееся выше (см. рис. 2. 3) превышение коэффициента внедрения дейтерия в вольфрам, покрытый твердой углеводородной пленкой над коэффициентом внедрения в вольфрам, покрытый мягкой углеводородной пленкой. Энергетические потери облучающих частиц меньше в веществе меньшей плотности и с меньшим средним атомным номером. Поэтому в случае мягких пленок больший процент налетающих частиц, отражаясь от вольфрамовой подложки, достигает поверхности пленки и имеет возможность ее покинуть, и коэффициент внедрения в такую двухслойную мишень меньше, чем в вольфрамовую мишень, покрытую углеродной пленкой той же толщины. После того, как толщина углеводородного покрытия увеличивается настолько, что становится больше глубин внедрения дейтерия выделенной начальной энергии в веществе, различие во внедрении в мягкие и твердые углеводородные пленки исчезает. Соотношение пробега ионов в веществе и толщины пленки на поверхности вольфрама определяет и то, что в некотором диапазоне толщин пленки внедрение дейтерия в двухслойную мишень оказывается больше для частиц меньшей энергии (рис. 2. 4).
Моделирование взаимодействия энергетичного дейтерия с вольфрамом, покрытым другими пленками из материалов с низким массовым числом (карбид бора, бериллий) дает качественно такие же результаты, как и в случае углеводородных покрытий (что вполне объяснимо, учитывая, что плотности графита и карбида бора достаточно близки - 2,26 и 2,52 г/см3 соответственно), которые так же могут быть объяснены соотношением толщин пленок и глубин внедрения налетающих частиц в веществе.
При дозах облучения вплоть до 1020D/M2 В ниобий захватывается 100% внедренного дейтерия, что делает этот материал с большим атомным номером удобным для исследования коэффициентов отражения и внедрения, что и определило выбор исследуемого материала в данных экспериментах. Использование ниобия позволило исследовать влияние шероховатости поверхности материала с большим атомным номером на внедрение ионов дейтерия путем сравнения коэффициента захвата, определенного в экспериментах, и коэффициента внедрения, полученного путем компьютерного моделирования.
Экспериментальное исследование влияния состояния поверхности на внедрение ионов дейтерия с материалами с большим массовым числом проводилось на установке «Медион-2» кафедры «Физика плазмы» МИФИ [96]. Установка позволяет производить облучение исследуемого материала ионами энергий 5 эВ 4- 5 кэВ в диапазоне масс 1-=-40 а.е.м, измерять коэффициенты захвата и отражения дейтерия от поверхности материала и проводить эиергомассоанализ потока вторичных нейтральных и заряженных частиц. Компонентами установки являются: ионный источник, ионный тракт, камера взаимодействия, системы регистрации. Схема установки представлена на рис. 2. 7. Вакуумная схема установки приведена на рис. 2. 8. Для обеспечения хороших вакуумных условий, включающих создание безмасляного вакуума и поддержание перепада давлений от 1 Па в источнике до 10"6 Па з камере взаимодействия использована дифференциальная система откачки, включающая в себя форвакуумный насос, турбомолекулярный насос «ALCATEL», два магниторазрядных насоса НМД-0.16, магниторазрядный насос НМД-1.0 и две диафрагмы с пропускными отверстиями 1 и 0,5 см2. Все детали вакуумной установки изготовлены из стали 12Х18Ш0Т. Для разъёмных соединений применены канавочно-клиновые уплотнения с медными прокладками. Система допускает прогрев стенок до 150-200С.
Основными компонентами остаточного газа в отсутствие азотного охлаждения (условиях большинства экспериментов) являются водород, вода, молекулы массы 28 а.е.м. (азот и СО). Рабочее давление в камере взаимодействия составляло -10" Па.
В состав ионно-оптической системы входят ионный источник, электростатическая линза, секторный магнитный масс-сепаратор и система торможения. В качестве ионного источника используется дуоплазматрон, позволяющий получать ионные пучки в диапазоне энергий 1+15 кэВ на ряде рабочих газов и их смесях. В данной работе рабочими газами являлись дейтерий, аргон или смесь дейтерия и технического аргона. Суммарный ток извлекаемых из дуоплазматрона ионов составлял 2 мкА. Формирование и фокусировка ионного пучка осуществляется с помощью цилиндрической трехэлектродной электростатической линзы, обеспечивающей на выходе слабо расходящийся пучок. Сепарация извлеченного из источника пучка по отношению массы иона к его заряду осуществлялась в секторном магнитном поле. В установке «Медион-2» для сепарации первичного ионного пучка и в качестве магнитного анализатора рассеянных и распыленных частиц используются одинаковые секторные электромагниты с углом поворота траектории 60 и радиусом равновесной траектории 20 см. При максимальном токе в катушках электромагнита 1=5,8 А индукция в зазоре достигает 0,4 Тл. Магнит позволяет регистрировать не только легкие ионы, но и ионы аргона с энергиями до 7,5 кэВ. При исследовании состава поверхности мишени методом масс спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) при энергии ионов Ео = 300 эВ магнитный масс-спектрометр позволяет выделять вторичные молекулярные ионы и кластеры с M/Z 1000. Система торможения ионов состоит из двух пар отклоняющих пластин и трех диафрагм с отверстиями диаметром 4 мм. При торможении на мишень и диафрагмы прикладываются тормозящие потенциалы. Минимальная энергия облучения, достигнутая на установке, составляет 4.2 эВ/D.
Апробация установки в экспериментах с никелевыми мембранами
При наименьшей температуре, отображенной на диаграмме (1500 К) сплав NY-Re представляет собой раствор при содержании рения 28%. По данным [109], при нормальных условиях при содержании рения до 24-25% W-Re сплав является раствором. Таким образом, из исследовавшихся в данной работе сплавов только сплав W-25Re производства Plansee близок к переходной зоне, в которой наряду с раствором в материале может присутствовать а - фаза, но в сплаве W-25%Re ее вкрапления если или незначительны или отсутствуют [110, Ш].
Поскольку физические свойства W и Re близки, то в случае одинаковой микроструктуры W-Re сплава и W, можно было бы ожидать для них близких значений характерных величин накопления дейтерия. Однако в нашем случае структуры сплавов W-Re отличались от PolyW. Различия микроструктуры исследовавшихся материалов просуммированы в приведенной ниже таблице.
«Залечивание» полостей в сплавах W-Re производства Plansee. В отличие от PolyW, при отжиге сплавов W-Re производства Plansee в вакууме при Т=1500К укрупнения зерен кристаллитов не происходило. При отжиге происходила диффузия материала и «залечивание» полостей вырастающими на их стенках кристаллитами размеров 0.1 мкм. У процесса имеются следующие особенности: 1. в материале, заполняющем полости, процентное содержание рения то же, что и во всем образце (данные получены с помощью электронного микрозондирования). 2. заполнение полостей материалом происходило тем быстрее, чем меньше было содержание рения в материале. Для исследования влияния содержания рения на накопление дейтерия в легированном рением вольфраме необходимо, чтобы структура исследуемых материалов была одинакова обладали одинаковой структурой. Так как скорость заполнения полостей при отжиге зависит от содержания рения в материале, процедура отжига приводила к тому, что содержание и характерные размеры полостей в трех сплавах W-Re производства Plansee становились различными. Поэтому в ряде случаев отжиг образов не проводился, чтобы иметь дело с материалами одинаковой структуры.
На изображении поверхности образца W-l%Re после отжига (Рис. 3. 28. б) четко проступают грани кристаллитов, вследствие удаления с границ раздела слабо связанных атомов. На поверхности материала проступили следы механической обработки, которые до отжига были практически не заметны. Это позволяет заключить, что источником материала для заполнения полостей служили слабо связанные атомы вольфрама - с границ зерен кристаллитов, поверхности материала, дислокационных петель.
Интересно, что облучение ионами дейтерия энергии 200 эВ/D приводит к тому жз эффекту, что высокотемпературный отжиг: под действием облучения так же происходит заполнение полостей материалом. При этом вплоть до дозы облучения 210 D/м блистеры не образуются. Связь структурных изменений именно с облучением, а не с прогревом до 1200 К при регистрации ТДС после облучения, подтверждает микроскопия сечения облученного 1024 D/м образца W-5%Re (Рис. 3. 29). В зоне облучения, на глубинах до сотен мкм происходит заполнение полостей материалом, тогда как за пределами зоны облучения (с краев образца) полости оказываются не заполненными материалом. Таким образом, «залечивание» полостей имело место на глубинах, существенно больших глубин внедрения (10 нм) и захвата большей части дейтерия (5-7 мкм). Механизм, вызывающий залечивание полостей далеко за пределами зоны внедрения и захвата, не ясен.
Известно существование дальнодействия при ионном облучении металлов, выражающегося в изменении свойств материала на глубинах не только гораздо больших пробегов ионов в веществе, но и гораздо больших расстояний, на которые внедренные ионы могут диффундировать за время облучения (при оценке по классической диффузии). По данным [112], последствиями ионного облучения могут быть упрочнение материала, увеличение износостойкости, фазовые переходы в металле, образование дислокаций и изменение элементного состава сплавов на глубинах много больших пробегов и характерных расстояний диффузии ионов. Единой теории дальнодействия нет. В числе причин дальнодействия называются упругие деформации в имплантированном слое, напряжения, создаваемые внедренными атомами, проталкивание дислокационных петель на глубины до сотен мкм при взаимодействии между петлями.
При облучении вольфрама насыщение приповерхностного слоя водородом, из-за склонности последнего к агломерации в кластеры и газонаполненные полости, окруженные петлями дислокаций, приводит к существенному искажению кристаллической решетки вольфрама на глубины нескольких микрон, где накопление водорода может составлять до 6 атомных процентов [53]. При этом, безусловно, возникает градиент напряжений решетки между приповерхностным слоем и объемом. Одним из возмонсных объяснений залечивания полостей вдали от зоны внедрения водорода может быть диффузия слабосвязанных атомов решетки в полях напряжений и в условиях большого градиента концентрации водорода между объемом и приповерхностным слоем. Материал для залечивания может приноситься выталкиваемыми в объем дислокациями, которые, согласно [112], взаимодействуют между собой и вследствие взаимного расталкивания могут перемещаться вглубь материала на расстояния до сотен микрон.
Также следует учитывать, что хотя энергия частиц (200 эВ/D) невелика, при потоке частиц 5-Ю19 D/M2C вводимая в образец энергия в пересчете на один перемещенный для залечивания полостей атом W (или Re) может быть оценена как 104эВ, что является не малой величиной. Разумеется, большая часть вводимой энергии тратится на возбуждение колебаний атомов кристаллической решетки.
