- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
ГЛАВА I. Распыление конструкционных материалов в реакторах термоядерного синтеза (Обзор)............................... 9
1.1. Характерные виды распыления в условиях термоядерного реактора................................ 9
1.2. Эрозия элементов реактора при распылении и проблема выбора конструкционных материалов........... 16
1.3. Теоретическое описание процессов распыления.. 23 ВЫВОДЫ............................................... 49
ГЛАВА 2. Распыление однокомпонентных материалов легкими
ионами............................................. 51
2.1. Исходные уравнения задачи катодного распыления. Решение задачи в случае линейных каскадов столкновений....................................... 51
2.2. Модель распыления аморфных материалов
легкими ионами....................................... 58
2.3. Угловое распределение распыленных атомов 62
2.4. Энергетический спектр распыленных атомов 67
2.5. Расчет коэффициентов распыления легкими
ионами............................................... 72
2.6. Результаты расчетов........................... 73
ВЫВОДЫ............................................... 77
- 3 -
стр.
ГЛАВА 3. Распыление многокомпонентных материалов легкими
ионами ................................................. 86
3.1. Постановка задачи и исходные уравнения.
Решение для режима линейных каскадов столкновений ................................................. 86
3.2. Модель распыления многокомпонентных аморфных веществ легкими ионами ........................... 91
3.3. Распыление многокомпонентных веществ постоянного состава. Режим равновесного распыления большими дозами ионов ...................................... 96
3.4. Результаты расчетов................................. 99
вывода...................................................юб
ГЛАВА 1У. Распыление первой стенки термоядерной установки
горячей плазмой ..................................... JI8
4.1. Расчет коэффициентов распыления при взаимодействии горячей плазмы с поверхностью в условиях тар.................................................не
а) распыление атомами перезарядки ...................... 119
б) распыление ионами плазменных примесей и само-распыление .............................................122
4.2. Роль распыления в процессах теплопереноса
и образования униполярных дуг на границе горячей плазмы и проводящей поверхности ........................J32
4.3. Возможность повышения точности анализа плазменных примесей, осажденных на поверхность первой стенки...................................................145
вывода.................................................. iso
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................152
СПИСОК ЛИТЕРАТ/Ш ..................................................156
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Первая стенка вакуумной камеры и некоторые другие конструкционные элементы термоядерной плазменной установки подвергаются интенсивному воздействию потоков частиц и излучений термоядерной плазмы. Одним из наиболее важных процессов, происходящих при взаимодействии горячей плазмы с поверхностью первой стенки, является физическое распыление материала стенки в результате бомбардировки быстрыми топливными частицами дейтерия и трития, - частицами и нейтронами, образующимися в результате термоядерной реакции, а также частицами плазменных примесей. Явление физического распыления заключается в выбивании из вещества атомов поверхностного слоя под действием каскадов столкновений атомов, образованных быстрой первичной атомной частицей или нейтроном, и сопровождается разрушением поверхности.
Учет распыления в условиях ТЯР необходим как на стадии проектирования конструкции плазменной установки, так и при определении оптимальных режимов работы реактора, поскольку распыление частицами горячей плазмы является основным механизмом эрозии первой стенки термоядерной установки и ряда конструкционных элементов, непосредственно взаимодействующих с плазмой. Помимо разрушения элементов установки и связанной с этим проблемой их периодической замены, распыление приводит к загрязнению дейтерий-тритиевой плазмы тяжелыми примесями, что в свою очередь, вызывает охлаждение плазмы и другие отрицательные изменения её свойств. Таким образом, характеристики распыления материала в значительной степени определяют возможность
- 5 -
его использования в ТЯР.
Для детального изучения процессов, связанных с явлением распыления и протекающих на поверхности первой стенки, ограничивающей плазменный объём, и в самой плазме, необходимо прежде всего ранить следующие задачи:
1) как для цростых, так и для многокомпонентных материалов, используемых при конструировании элементов первой стенки и подвергающихся воздействию горячей плазмы, необходимо определить полные коэффициенты распыления (т.е. число выбитых атомов, приходящихся на один упавший ион), а для многокомпонентных материалов - также парциальные коэффициенты распыления атомов каждой
из компонент.
Коэффициенты распыления важно знать для определения скорости эрозии конструкционных элементов плазменной установки, а также при изучении динамики поступления и состава плазменных цримесей. Следует выяснить закономерности изменения коэффициентов распыления в зависимости от основных параметров мишени и бомбардирующих её ионов. Наиболее важен случай распыления аморфных и поликристаллических материалов, используемых при конструировании первой стенки ТЯР, легкими атомами и ионами термоядерной плазмы ( Б , Т , Не ) с характерными энергиями от десятков эВ до сотен кэВ, а также ионами плазменных примесей. Интересен случай самораспыления материала первой стенки, наблюдаемый при рециклинге распыленных атомов в плазме. '
2) Необходимо определить угловые и энергетические спектры распыленных атомов каждой из компонент материала, что важно для детального анализа состава и пространственного распределения примесей в плазме с учетом рельефа и геометрической структуры поверхности первой стенки.
- б -
3) Для многокомпонентных материалов наибольший интерес представляет определение перечисленных характеристик в режиме равновесного распыления, достигаемом при больших суммарных дозах ионного облучения первой стенки в процессе эксплуатации термоядерной плазменной установки.
4) Необходимо определить характеристики распыления материалов с учетом углового и энергетического спектров частиц, попадающих из плазмы на поверхность первой стенки установки.
5) Важно изучить влияние распыления на свойства пристеночного слоя плазмы.
Изучение процессов распыления имеет важное значение не только для термоядерных исследований, но и для других областей науки, техники и технологии. Распыление широко применяется для очистки и травления поверхностей, для получения тонких пленок и нанесении защитных и упрочняющих покрытий, при ионном травлении сталей, сплавов, полупроводников и диэлектриков, при анализе структуры и состава поверхности. Изученное катодного распыления важно также для устранения или минимизации эрозии конструкционных элементов и других нежелательных последствий, которые вызываются данным явлением в различных цриборах и установках, в частности, - электронных лампах и газоразрядных трубках, ионных источниках, установках для электронно-лучевой сварки и др.
Несмотря на то, что явление катодного распыления было открыто еще в середине прошлого века, и к нас-тоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал по различным аспектам, до сих пор не существует достаточно точного теоретического описания многих экспериментальных результатов. Боль-
7
шинство теорий распыления позволяет расчитывать только одну характеристику - коэффициент распыления, причем получаемые результаты справедливы лишь в узком диапазоне энергий или масс ионов. При описании процессов распыления часто применяются слишком упрощенные подходы, вводятся подгоночные параметры или используются эмпирические соотношения. Особенно слабо разработана теория распыления легкими ионами, и в этом случае для расчетов в основном используется либо метод численного моделирования, либо эмпирические формулы. Наиболее известной теории Зигмунда /31/, описывающей распыление тяжелыми ионами, также свойственен ряд недостатков. В стадии начального развития находится теория распыления многокомпонентных веществ.
Таким образом, разработка методов расчета характеристик распыления простых и многокомпонентных материалов и их использование для изучения распыления в условиях ТЯР, является.акту-альной научной и практической задачей.
В данной работе предложен метод расчета полных и парциальных коэффициентов распыления, а также угловых и энергетических спектров распыленных атомов простых и многокомпонентных материалов, основанный на решении системы стационарных кинетических уравнений для линейных каскадов столкновений атомов полубеско-нечной среды. Рассмотрено применение полученных результатов для описания распыления поверхности первой стенки горячей плазмой, при изучении влияния распыления на процессы дугообразован ия и теплопереноса на границе между плазмой и проводящей стенкой, а также для описания потоков атомов, выбиваемых с поверхности первой стенки при анализе осажденных на неё плазменных примесей.
I
I
- 8 -
На защиту выносятся следующие результаты работы:
1) Метод расчета коэффициентов распыления, угловых и энергетических распределений распыленных атомов простых и многокомпонентных аморфных материалов постоянного состава.
2) Метод расчета характеристик распыления и поверхностных концентраций компонент сложных веществ, распыляемых в равновесном режиме при облучении мишени большими дозами ионов.
3) Методика расчета коэффициентов распыления первой стенки плазменных установок атомами перезарядки, а также ионами плазмы и примесей.
4) Полученные автором соотношения, описывающие закономерности процессов распыления аморфных мишеней под действием ионной бомбардировки, а также соотношения, характеризующие влияние распыления на свойства пограничного плазменного слоя.
5) Результаты расчетов характеристик распыления цростых и многокомпонентных материалов и характеристик пограничного плазменного слоя.
6) Иллюстрируемые полученными расчетными результатами закономерности распыления моноэнергетическими ионными пучками и горячей плазмой, а также закономерности процессов теплопереноса и дуго-образования на границе горячей плазмы и проводящей поверхности.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах /66, 67,78,79,99,100/
- 9 -
ГЛАВА І. Распыление конструкционных материалов в реакторах термоядерного синтеза.
( Обзор)
Интенсивное развитие исследований по осуществлению управляемого термоядерного синтеза потребовало детального изучения процессов, происходящих при взаимодействии горячей плазмы с поверхностью первой стенки ТЯР, среди которых важное место занимает распыление. Различные аспекты физического катодного распыления рассмотрены в книгах /1-4/, где собрано большое количество экспериментальных данных по распылению, а также описаны некоторые теории этого явления . Существует также ряд обзорных работ непосредственно касающихся вопросов распыления в условиях термоядерных реакторов /3,5-10,19/.
Взаимодействие плазмы с поверхностью в установках термоядерного синтеза рассматривается главным образом применительно к реакторам - токамакам, поскольку эти типы реакторов наиболее разработаны. Однако физические процессы в термоядерных системах различного типа во многом схожи, поэтому такое рассмотрение имеет достаточно общий характер.
І.І. Характерные виды распыления в условиях термоядерного
реактора.
Поверхность первой стенки термоядерного реактора, а также некоторые его конструкционные элементы (диафрагмы, цриёмник дивертора, ускорительная система инжектора и др.) подвергаются воздействию потоков различных частиц И излучений, цриходящих из плазмы. Можно выделить следующие элементарные виды воздействий плазмы на поверхность:
- 10 -
1) бомбардировка ионами и нейтральными атомами (сюда относятся изотопы водорода, с)- - частицы, ионы примесей);
2) бомбардировка электронами;
3) воздействие электромагнитного излучения;
4) облучение нейтронами.
В результате взаимодействия плазмы со стенкой на поверхности первой стенки реактора и в самой плазме происходит целый ряд упругих и неупругих процессов, прямо или косвенно влияющих на распыление.
Основным процессом, приводящим к распылению стенок камеры реактора с магнитным удержанием плазмы, является их бомбардировка нейтральными атомами перезарядки. Важную роль при этом играют процессы газообмена на стенке. Атомы дейтерия и трития, попадающие в плазму в результате отражения и нейтрализации на поверхности быстрых ионов или в результате диффузии и последующей десорбции со стенки внедренных атомов, могут с большой вероятностью перезарядиться при столкновении в плазме с ионами р+ и Т+ и образовать медленный ион и быстрый нейтральный атом, который бомбардирует поверхность и распыляет её. Установлено /10/, что примерно половина потока медленных атомов, поступающих со стенки, возвращается на стенку в виде горячих нейтралов. Плотность потока дейтерия и трития на стенку оцределяется диффузионным временем жизни и равна
Тт>,т = N с / Б ЯГр , (1.1)
где N1 - полное число ионов дейтерия и трития в плазме,
- диффузионное время жизни, Б - площадь стенки, воспринимающей поток атомов. Характерная для токамаков плот-
- II -
ность потока атомов перезарядки на стенку составляет Ю*4 +
17 2 -I 2
10 см с , а средняя энергия атомов лежит в пределах 10 +
о
10 эВ /3/. Потоки нейтральных атомов Р и Т на первую стен-
16 Т7 2 1
ку реактора-токамака "ИНТОР" оцениваются 10+10 см с , а их энергия определяется температурой поверхностного слоя плазмы и составляет нестолько сотен эВ.
Второй важный механизм распыления в термоядерном реакторе наблюдается в местах непосредственного взаимодействия плазмы со стенкой. Такие элементы токамака как диафрагма или дивертор доступны для заряженных частиц, движущихся вдоль силовых линий магнитного шля, и подвергаются бомбардировке электронами, а также ионами топливных частиц плазмы и примесей.
Нейтральные атомы, попадающие в плазму со стенки, перезаряжаются каскадно, образуя после каждой перезарядки потоки атомов, направленные в центр плазменного шнура. При этом типичные концентрации атомов на границе плазмы 10^ + Ю^см-^, а
8 9-3
в центральной области - 10 + 10 см . Перезарядка атомов в центральной области плазмы с температурой ионов в несколько кэВ, приводят к возникновению в спектре нейтралов группы быстрых частиц, играющих существенную роль цри распылении. В установке Р1-Т зарегистрированы потоки атомов перезарядки с "мягким" спектром, характеризующимся температурой пограничных слоев плазмы ТЧ - 0,7 кэВ, а также потоки атомов с "жестким " спектром, соответствующим температуре центральной области плазмы Т1—4 кэВ /10/. При увеличении плотности плазмы длина перезарядки нейтралов сокращается и их энергетический спектр "смягчается". Поскольку зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующих частиц имеет пороговый харак-
- 12 -
тер, то увеличивая плотность плазмы можно достичь существенного снижения распыления стенок реактора. Из-за более высокой скорости электронов по сравнению со скоростью ионов на границе плазмы, контактирующей с проводящей поверхностью стенки, формируется бесстолкновительный плазменный слой Сленгмюровский слой), характеризуемый разностью потенциалов 1А между плазмой и стенкой. Возникновение электростатического барьера приводит к отражению части электронов обратно в плазму, так что суммарный электрический ток на стенку равен нулю. На величину разности потенциалов в пограничном слое оказывает влияние поток вторичных электронов со стенки, понижающий Ш. от значения и|_ =■ 3 Те/ е (при отсутствии вторичной электронной эмиссии), где Те - электронная температура на границе плазмы, е - за ряд электрона, до значения и I. - Те /е /Ц/.
Ионы плазмы, летящие в направлении стенки, приобретают в пограничном слое дополнительную энергию, равную где
21 - заряд иона, и поэтому падают на поверхность стенки преимущественно в перпендикулярном к ней направлении /В/.
Поскольку температура электронов плазмы вблизи диафрагмы Те~5 + 30эВв различных установках /10,12/, то бомбардировка легкими ионами изотопов водорода и гелия не вызывает заметного распыления диафрагм из-за достаточно высокого, порядка 100 эВ, порога распыления легкими ионами. Определяющим в данном случае является распыление многозарядными ионами тяжелых примесей, если их атомная концентрация в плазме превышает ве-
О
личину 5 *10“° /5/. На преобладающее действие этого механизма распыления при бомбардировке многозарядными ионами кислорода вольфрамовой диафрагмы установки РЬТ указывалось в работе /13/.
- 13 -
При е ХЯ* 100 эВ распыление вольфрама примесными ионами 0 + 6 превышает распыление ионами Г>+ примерно в 10^ раз. Само-распыление стенок камеры ионами материала стенки,по-видимому, наблюдается в ловушке с вращающейся плазмой ПСП-2 (И® СО АН . СССР) /12/, где обнаружен т.н. режим Б - разряда, цри котором плазма, состоящая в основном из ионизированных атомов стенки, находится под высоким потенциалом 17 ^ I кВ. При этом тяжелые ионы не замагничены, т.е. их ларморовский радиус цревышает размеры установки.
Доказательством распыления ионами, ускоренными в ленгмю-ровском слое, является также тот факт, что профиль концентрации цримесей материала диафрагмы в токамаках соответствует профилю электронной температуры в тени диафрагмы /10/. Этот вид распыления в плазменных установках может сопровождаться образованием униполярных дуг, особенно при наличии на поверхности стенок примесей /10/, поскольку природа униполярных дуг также связана с наличием разности потенциалов и 1_ в ленгмю-ровском слое /14/.
Таким образом, присутствие тяжелых примесей в плазме приводит к значительному увеличению распыления элементов реактора, находящихся в контакте с плазмой, причем распыление само является одним из главных источников примесей. Заметим, что процесс поступления примесей за счет распыления и унипо-
лярных дуг саморегулируется, т.к. примеси охлаждают электронную компоненту на периферии плазмы в результате потерь энергии электронов на ионизацию и излучение, что приводит к уменьшению потенциала плазмы 171_ . Охлаждение периферии плазменного шнура с помощью инжекции атомов водорода, "холодных" электронов или легких примесей (излучательный бланкет) - основной
14
способ борьбы с эрозией стенок. Уменьшить распыление можно также применением диафрагм из графита или друго материала с малым Ъ . Распыление <к - частицами, образующимися в плазме в результате термоядерной О - Т - реакции, обладает некоторой спецификой по сравнению с распылением топливными частицами. В работе /15/ отмечается, что в токамаке типа установки Т-20 в приближении однородной по сечению шнура плазмы лишь 26% рождающихся ек - частиц с энергией 3.5 мэВ попадут на стенки установки. В более реальных условиях, при параболическом распределении плотности плазмы, удержание «к - частиц в плазме значительно лучше, поскольку на стенки камеры попадают лишь ск - частицы, образующиеся на периферии плазменного шнура. Ожидается, что около 80% ск - частиц будут покидать плазму с энергиями в интервале 100+ 350 кэВ. В токамаке Т-20 при плотности плазмы на оси шнура 10 см-^ и температуре 15кэВ средний поток <к - частиц на стенку составит 1^=4*10^см_^с"^ при углах падения, близких к 60°. Некоторая часть ск'- частиц полностью термализуется в плазме и образует поток на стенку, с параметрами, характерными для топливных частиц.
Отметим также случай распыления стенок реактора при взаимодействии плазмы со стенками после окончания разряда. Такой вид распыления важен лишь при малых временах удержания плазмы, и им можно пренебречь, если продолжительность разряда порядка 100 с, а продолжительность паузы - I с /5/.
Наконец, следует выделить еще один важный вид распыления в те^рмоядерных реакторах - распыление пучками ускоренных ионов и атомов /3/. Во всех проектируемых в настоящее время реакторах - токамаках для нагрева плазмы предполагается использовать
- Київ+380960830922