Использование установки ДСМ-2 для моделирования поведения первых зеркал в термоядерном реакторе ИТЕР (стр. 3 из 4)

При проведении эксперимента с аморфными и кристаллизованными образцами, в одинаковых условиях, было замечено, что их поведение сильно отличается. Бомбардировка ионами аргона привела к развитию шероховатости и соответствующему уменьшению коэффициента отражения для кристаллизованных образцов, но никак не отразилась на микрорельефе или на оптических свойствах аморфных образцов.

Бомбардировка кристаллизованных зеркал ионами дейтерия привела к появлению трещин на поверхности образца (рис3.8).

На рис.3.9 показан спектральный коэффициент отражения кристаллизованного образца. После бомбардировки ионами Ar с энергией 1 кэВ, отражательная способность резко падает. Бомбардировка ионами дейтерия с энергией 1 кэВ, вызвало добавочное падение коэффициента отражения, наиболее вероятно из-за химических процессов на поверхности. Кроме того, это дополнительное снижение было фактически полностью восстановлено длительной бомбардировкой ионами дейтериевой плазмы с энергией 60 эВ. Невозможность вернуть коэффициент отражения на начальный уровень доказывает, что причина этого - поверхностная неровность, развитая из-за бомбардировки ионами Ar.

В табл. 1 приведены условия и результаты последовательных экспозиций ионами дейтериевой плазмы (энергия ионов 60 эВ, плотность ионного потока j=2.09мA/см²) для двух образцов (АЗ – АМА-3; КрЗ – АМК-3) с одинаковым элементным составом.

Табл.1 Условия и результаты последовательных экспозиций ионами дейтериевой плазмы

Номер экспозиции	Полное время экспозиции, мин	Доза ионов 1024 ион/м2	Увеличение веса, мкг
			АМА-3	АМК-3
1	60	0.47	30	40
2	360	2.82	620	-20 (трещины на краях)
3	660	5.17	920	640
4	960	7.52	820	Разрушение образца (рис. 3.9)
5	1160	9.09	325	-
6	1460	11.45	825	-
7	1760	13.80	870	-

На рис. 3.10 показана фотография, свидетельствующая о том, что кристаллизованный образец разрушился, в то время как на поверхности аморфного образца не обнаружили никаких видимых изменений. Дальнейшая бомбардировка аморфного зеркала до потока 13.8·10²⁴ ион\см² не привела ни к каким видимым изменениям.

Зависимость общего привеса от полного флюенса ионов дейтериевой плазмы для двух аморфных зеркал можно увидеть на рис.3.11. Видно, что оба образца ведут себя одинаково, и вес растет пропорционально полному ионному флюенсу.

Из данных результатов видно, что аморфные сплавы, содержащие гидридообразующие элементы, поглощают дейтерий, хоть и в разной степени.

Целью дальнейших экспериментов, в которых я принимал непосредственное участие, стала проверка поглощения аморфными сплавами дейтерия, при отсутствии в нем гидридообразующих компонент.

2.4 Методика и проведение эксперимента

2.4.1 Рабочий цикл. Данные эксперимента для образцов из меди и нержавеющей стали

Перед экспериментом производится установка образца в держатель. Держатель с образцом помещается в шлюзовую камеру, которая откачивается форвакуумным насосом до давления 3-4 мВ по шкале вакуумметра ВИТ-1. Параллельно со шлюзовой камерой откачивается камера магнитной ловушки до давления ~ 10^-5 торр. После предварительной откачки шток с образцом вводится в камеру через скользящее уплотнение, так, что образец оказывается в потоке плазмы, вытекающем из магнитной ловушки вдоль силовых линий. Производится откачка камеры на высокий вакуум – (2-3)´10^-6 торр, одновременно с откачкой в камере зажигается СВЧ-разряд, с целью обезгаживания стенок камеры. Контроль и измерения вакуума ведутся с помощью вакуумметра ВИТ-1. По достижении необходимого вакуума, в камеру из баллона напускается дейтерий. Напуск производится при помощи пьезонатекателя до рабочего давления (7-8) ´ 10^-6 торр.

Затем в камере зажигается СВЧ ЭЦР разряд. Экспозиция проводилась с двумя разными энергиями потока ионов: низкая энергия (ускоряющее напряжение – 60 эВ) и высокая энергия (1 кэВ). Измерение напряжения и тока на образец производится с помощью вольтметра и миллиамперметра. После экспозиции образец извлекается из вакуумной камеры и взвешивается. Измерения массы производятся на равноплечих весах ВЛР-2 с точностью до 20 мкг. Из нескольких измерений вычисляется среднее значение Δm.

Перед основным экспериментом с аморфными зеркалами, производился вывод установки на рабочий режим. Проверка рабочих параметров осуществлялась посредством стандартной совместной тестовой экспозиции двух зеркал – медь и нержавеющая сталь.

Перед экспозицией были измерены начальные массы m₀: m₀(Cu) = 8,507205г, m₀(SS) = 6.481005г. Бомбардировка проводилась при плотности тока на образец j=6.3∙10¹⁵мА/см²и ускоряющем напряжении 1 кэВ в течение 30 минут. После экспозиции зеркала повторно взвешивались и вычислялась Δm.

Δm(Сu) = 845∙10^-6 г, Δm(SS) = 270∙10^-6 г.

По измеренному току и времени экспозиции вычисляется флюенс ионов, полученный образцом, в пересчете на ед. площади:

D_i = N_i´t = j (А/см²)´6,25´10¹⁸ (e/сек.)´t (сек) (3.4)

В нашем случае поток ионов на поверхность образца равнялся

N_i = 0.26∙10¹⁸ (ион/см² с).

Таким образом флюенс ионов дейтерия на образец

D_i = 3.12∙10²⁰ (ион/ см² с)

Количество распыленных в течение экспозиции атомов с ед. поверхности

(ат./см²) (3.5)

где Dm – потеря массы, m_ат – масса атома данного элемента.

Для медного зеркала и нержавеющего зеркала:

(Сu) = 0.15∙10²¹ (ат/см²),

(SS) = 0.34∙10²⁰ (ат/см²) (3.5а)

Коэффициент распыления вычислялся как отношение количества вылетевших частиц

к количеству упавших:

(3.6)

Для меди Y(Cu) = 0.4, для нержавеющей стали Y(SS) = 0.1.

Данные величины соответствуют типичным КР для меди и нержавейки в условиях достаточных для проведения стандартного эксперимента.

Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Табл.2 Результаты экспериментов для Cu и SS

Cu	SS
Di = 3.12∙1020(ион/см2с)	Di = 3.12∙1020(ион/см2с)
Δm = 845∙10-6 г	Δm = 270∙10-6 г
Y = 0.4	Y = 0.1

2.4.2 Данные эксперимента для аморфных образцов

Как было выше сказано, при бомбардировке ионами дейтериевой плазмы, наблюдалось поглощение дейтерия зеркалами из аморфных сплавов.

В эксперименте использовались зеркала с одинаковым элементным составом, но разной микроструктурой. Возник вопрос: в чем причина поглощения дейтерия зеркалами – в микроструктуре или элементном составе?

В ходе эксперимента было замечено, что АЗ поглощает дейтерий в больших количествах, чем КрЗ. Причём, в отличие от последнего, (после экспозиции №4 [табл.1], КрЗ рассыпалось), на АЗ не наблюдалось каких-либо заметных изменений оптических свойств. Причина данного явления, видимо, в том, что в КрЗ происходит накопление дейтерия в межзёренном пространстве, а в АЗ происходит диффузия и равномерное накопление дейтерия во всем объеме. Вторая, возможная, причина поглощения дейтерия АЗ и КрЗ – наличие в зеркалах гидридообразующих компонент, таких как Ti и Zr.

Для проверки данной гипотезы были проведены эксперименты с аморфной фольгой, которая не содержит гидридообразующих компонент.

Конкретной целью работы порученной мне, являлось исследование поглощения дейтерия зеркалами из аморфных сплавов в зависимости от наличия или отсутствия гидридообразующих компонент.

Были сделаны экспозиции с низкой и высокой энергиями.

Низкая энергия:

Плотность тока на образец j=5.03∙10¹⁵ мА/см², ускоряющее напряжение -60 эВ. Время экспозиции составило 60 минут. До и после экспозиции, образцы были взвешены и по полученным данным вычислена Δm= 55∙10^{-6 г}.

Поток ионов на поверхность образца составил

N_i= 0.41∙10¹⁸(ион/ см² с)

По формуле (3.4) был вычислена флюенс ионов

D_i = 1,49∙10²⁰(ион/ см² с) (3.4б)

Количество распыленных в течение экспозиции атомов с ед. поверхности

= 1.6∙10¹⁸ (ат/см²) (3.5б)

По полученным данным был вычислен коэффициент распыления

Y = 0.01

Высокая энергия:

А) U = -1500 В

Плотность тока на образец j=8.04∙10¹⁵ мА/см², ускоряющее напряжение -1 КэВ. Время экспозиции составило 30 минут. До и после экспозиции, образцы были взвешены и по полученным данным вычислена Δm= 480∙10^{-6 г}.

Поток ионов на поверхность образца составил

N_i= 0.47∙10¹⁸(ион/ см² с)

По формуле (3.4) была вычислена доза ионов

D_i = 1∙10²¹(ион/ см² с) (3.4б)

Количество распыленных в течение экспозиции атомов с ед. поверхности