Дипломная работа: Использование установки ДСМ-2 для моделирования поведения первых зеркал в термоядерном реакторе ИТЕР

Основываясь на вышеописанных результатах, можно сказать, что для любых ПК зеркал скорость деградации коэффициента отражения будет возрастать с ростом энергии бомбардирующих ионов. Важную роль будет играть средняя энергия атомов перезарядки. По расчетам, эта энергия будет составлять 300 – 400 эВ. В таких условиях отражательная способность зеркал не может сохраняться на приемлемом уровне в течение всего срока эксплуатации реактора, если их изготавливать из ПК материалов

1.3 Аморфные зеркала

В моделирующих экспериментах было проведено сравнение при ионной бомбардировке зеркал из поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов. Из результатов следует, что поверхность зеркал из аморфных материалов сохраняет гладкую структуру при длительной бомбардировке.

Эксперименты проводились с тремя типами зеркал [11] изготовленными в разных местах:

1) Liquidmetal Technology Corporation (LTC)вСША

2) Институт физики твердого тела, материалов и технологий ННЦ ХФТИ (ISSPMT)

3) Hahn-Meitner-Institute (HMI) вГермании.

Зеркала прошли механическую полировку и плазменную очистку. Эксперимент проводился при следующих параметрах: n_e ≈10¹⁰ см^-3 и Te ≤5 эВ. После бомбардировки были обнаружены неоднородности, видимые в сканирующем электронном микроскопе и в оптическом микроскопе. Эти неоднородности составляли всего лишь 1-2 % от поверхности образца и не сильно влияли на оптические свойства. SEM фотографии неоднородностей показаны на рис. 2.3, а данные микрозондового анализа показывают превалирование элементов с меньшим атомным числом, по сравнению с основной матрицей образца. Анализ других образцов также выявил образование неоднородностей.

Бомбардировка образцов проводилась ионами дейтерия и аргона. Было замечено, что все аморфные материалы поглощают большое количество дейтерия. Бомбардировка зеркал ионами дейтерия с энергиями порядка keV, привела к резкому падению отражательной способности, а также росту глубины неоднородностей.

На рис. 2.4 представлена зависимость отражательной способности от времени экспозиции ионами дейтериевой плазмы [12]. Видно, что после короткой экспозиции широким спектром энергий отражательная способность резко падает. Однако, после длительной бомбардировки образцов ионами с низкой энергией отражательная способность восстанавливается до первоначального уровня. Последующая бомбардировка высокоэнергетичными ионами снова вновь ухудшает отражательную способность, а низкими - восстанавливает. Похожее явление было замечено и на ISSPMT зеркалах. Повторяемость такого поведения отражательной способности означает, что падение отражательной способности вызвано не образованием шероховатости поверхности, а из-за каких-то химических реакций.

Заключая это короткое описание экспериментов с аморфными зеркалами, следует отметить, что исследованные аморфные зеркала содержат гидридообразующие металлы, и поэтому поглощают большое количество дейтерия во время бомбардировки ионами дейтериевой плазмы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Общие сведения и цель исследований

Основная задача исследований – изучение изменения отражательной способности первых зеркал, при распылении их поверхностями ионами с широким спектром энергий (0,1-1,5) кэВ.

В ходе исследований, также, определялась скорость распыления поверхности. Данная характеристика зеркала легко определяется с помощью формулы 3.1:

, (3.1)

где r и S – площадь образца зеркала и плотность его материала.

При фиксированной плотности ионного тока j (А/см² ) поток ионов на образец будет величиной постоянной, следовательно полученная доза D_{i :}

D_i = N_i ×t, (3.2)

где N_i – поток ионов на ед. площади, t – время экспозиции.

Таким образом, зная зависимость m(t), мы можем определить соответствие распыленной толщины h и полученной дозы D_i .

Ещё одна характеристика, важная для поведения зеркала, является коэффициент распыления (КР) зеркал, определяемый, как отношение числа распыленных атомов к полученной дозе:

(3.3)

2.2 Экспериментальная установка

Впервые, эксперименты по исследованию влияния атомов перезарядки на отражательную способность зеркал, были проведены в ИФП ХФТИ на установке ДСМ-2 [13].