Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления
Подождите немного. Документ загружается.
Таблица а
Относительная важность распыления различными частицами в плазме реактора-токамака £ 37 J
Относительное Беа дивертора
Хороший дивсртор
Идеальный дивертор
Нормальный ввод
топлива
£
=
% - о
•А
=
**
р
-0,4
Нормальный ввод
топлива
С = 0,8
Л =^=0,4
Идеальный ввод
топлива
Щ= 0.2
2
А=0,4 х*р
=
10"
Нормальный ввод
топлива
с£
= 1
Идеальный
ввод топлива
ч1
=о,4^=гсг
2
S
DT'%T
(2)
9,3.10'
Vftfc
(3)
6,1.10"
t
S
n'%
(4)
1,5.10"
S
'9
Z
(1)
1,1.10"
(2) 4.10 '
(2) ало"
(2)
1,5.10
О
(2)
1,5.10"
О
Примечания:
С - уход плазмы и гелия в дивсртор.
(4~£) - доля тока заряженных частиц из плазмы, ударяющихся о первую стенку.
Щ - доля потока водорода и гелия, возвращающаяся из дивертора в плазму в виде нейтралов.
*л> - вероятность, что нейтральные частицы, поступающие из стенок или дивертора, вызывают эмиссию
перезарядившихся нейтралов из плазмы к стенке.
**о - доля инжектируемого" тока топливных частиц, уходяшая из границы плазмы на стенку в виде тока
нейтральных частиц, возникших в результате перезарядки.
Цифры в скобках обозначают относительную важность процессов распыления различными частицами.
4.
Материал не должен сильно поглотать нейтроны с энергией
14 МэВ и ниже, вллоть до тепловых.
5.
Материал должен обладать радиационной стойкостью при скоро
стях 10 10" смешений на атом/с, а также при генерации газов
{водорода и гелия) 1001000 атомов газа на миллион атомов мате
риала в год.
6. Материал должен обладать небольшой упругостью пара при ра
бочих температурах.
7.
Материал должен выдерживать импульсные тепловые нагрузки
110 МВт/м
2
с ДТ= 50^300°С н числом циклов 6.10
3
3.10 год
1
,
2.8.
Проблема распыления в инжекторах
ионов и быстрых атомов
Для нагрева плазмы в токамаках и открытых магнитных эвуш
ках разработаны инжекторы пучков атомов водорода с энергией
2040 кэВ, током 3075 А, мощностью 3001500 кВт с длитель
ностью импульса 1020 мс [4044] . Использование этих инжекто
ров позволило увеличить температуру ионов в токамаке Р1/Г
с I до 2 кэВ, а в открытой ловушке 2ХЦВ, как отмечалось выше,
получить плазму с термоядерными параметрами.
Во всех проектируемых в настоящее время реакторахтокамаках
для нагрева плазмы до термоядерной температуры будут использо
ваться инжекторы пучков быстрых атомов дейтерия. Программы стро
ительства экспериментальных термоядерных установок последнего по
коления в различных странах (Т15, ТБО, Т20, TFTR ,
WBLETW ,ЖТ , ЭТ60), рассчитанные на ближайшие
3^7 лет, предусматривают ннжекцаю пучков атомов с общей мощно
стью,
вводимой в одну установку, от 10 до 60 МВт. В эксперимен
тальных реакторах i£PR ЛМ , EPP GJl ,£Ptf OPJ/L, ) fc2j
в 80х годах мощность инжекпии возрастет до 40200 МВт. В ком~
мерческих термоядерных реакторах (20002020 годы) уровень мощ
ности сохранится, но возрастет энергия инжектируемых атомов, ве
роятно^до 500750 кэВ. Диапазоны изменения основных параметров
31
инжекторов пучков атомов проектируемых установок и реакторовтокам*.
ков £23] показаны ниже. ".
Энергия атомов J3 50750 кзВ \
Эквивалентный ток в одном инжекторе 561,5 экв. А
Число инжекторов 636 шт. f
Общая мошность инжектируемых частиц 10200 МВт [
Длительность импульса тока 0,520 с
Длительность цикла 4 172 с
Инжекторы будут представлять собой довольно сложные вакуумные
эпекрофизические установки. Система инжекцни оценивается в настоя
:
,
шее время суммой 0,5 мпн. дол. на 1 МВт мощности нейтрального
пучка, но допустимые капитальные затраты на инжектор должны состав
лять 40 тыс. дол. на I МВт пучка С4.4] ,
Ионные источники инжекторов будут иметь ионнооптические си
стемы в виде 3—6 электродов прямоугольной формы размером
.200x500 мм. В электроде, ограничивающем плазму в источнике, име
ются щели шириной 23 мм, длиной 200 мм, образованные брусочками
сложной формы. Подобным образом устроены электроды, создающие
электрические поля, ускоряющие ионы и тормозящие электроны. Вслед
ствие образования вторичной плазмы в пучке,перезарядки ионов, абер
раций элементарных пучков ионов вторичные ионы н нейтралы будут
вызывать распыление перемычек в электродах. Чтобы получить хорошо
сфокусированные пучки ионов и атомов, брусочки нужно изготавливать
и юстировать с высокой степенью точности (+20 мкм). Распыление
перемычек будет приводить к ухудшению фокусировки пучков, а затем
к разрушению охлаждаемых или неохлаждаемых электродов. Поэтому
проблема рс.сттыления в инжекторах является также весьма актуаль
ной [52] .
3.ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
КОЭФФИЦИЕНТА РАСПЫЛЕНИЯ ОТ РАЗЛИЧНЫХ
ПАРАМЕТРОВ
3.1.
Задача обобщения накопленных данных
по распыпэнкю
Современный этап а исследовании закономерностей распыления
характеризуется очень большим многообразием вопросов, которые ре
шают исследователи. Об этом можно судить по многочисленным публи
кациям, посвященным изучению распыления. К 1962 г. общее коли
чество публикаций по распылению достигло 1400 наименований (около
200 в год), а удвоение числа публикаций произошло всего за 5 лет
(рис
9). Вероятна, в нестоящее время па распылению накоплено свы
ше 10 тыс. исследований. Только 1/10 часть их является общедоступ
ной. Поэтому, по нашему мнению, сейчас одной из важнейших задач
в области распыления является возможно полный учет всех исследова
ний, их классификация, анализ и обобщение. Нужна группа физиков, ко
торая занялась бы этой тяжелой, но очень необходимой работой. Преж
де всего нужно составить предметный указатель по распылению атом
ными частицами. Затем необходимо выпустить справочник с данными
о величинах коэффициента распыления материалов, облучаемых различ
ными атомными частицами.
Что касается актуальных вопросов исследования распыления,
то о них можно найти информацию в "Указателе научного цитирования'.
Например, в предметном указателе за 19651969 гг. насчитывается
свыше 2200 ключевых слов и ссылок £45] . Итак, первой задачей
в исследовании распыления является систематизация, анализ и обобще
ние накопленных знаний за последние 15 лет.
3.2. Зависимость коэффициента распыления
от энергии частиц
Если говорить о первоочередных задачах, то необходимо провести
экспериментальные намерения величины коэффициента распыления ряда
материалов кандидатов на первую стенку ТЯР при облучении их
33
/850 60 70 80
90
#00 ft?
ZQ
30 40 SO 60 70 80
i 1 1 г
"^T"
1962 /
5пет I I /
! .'-M80
/—?4fl
1850
60 70 SO 90 1900 «7
ZO
ЗО УЗ 50 60
Годы
Рис.
9. Рост числа публикаций) посвяшенкых и^гчению и приме
нений катодного распыления
ионами трития и дейтерия в диапазоне небольших энергий (0,15 кэВ).
Для инжекторов мегаваттных пучков атомов необходимо провести исспе
дования в области средних энергий (5200 кэВ). В табл. 9 приведен
обзор результатов исследований в этом направлении, которые позволя
ют сделать следующие выводы. Вопервых, совершенно отсутс
т
Ей
гют
данные по распылению нонами трития. Вовторых, из рассматриваемых
16 материалов исследовано распыление ионами дейтерия только молиб
дена и вольфрама. В инжекторах мегаваттяых пучков атомов ТЯР рас
пылению будут подвергаться электроды ионнооптической системы
и токоприемники. В качестве материалов для электродов рассматрива
ются молибден, вольфрам и углеситалл [52] . Токоприемники будут
изготавливаться на медных или молибденовых трубок. При разработке
инжекторов важно знать зависимость коэффициента распыления назван
ных металлов от энергии ионов дейтерия и трития в диапазоне от 2
до 200 кэБ, а возможно, н 12 МэВ. Обзор полученных эксперимен
тальных данных в этом направлении исследований представлен
на рис. 106
Юп.
Для золота получены совпадающие величины по измерениям, вы
полненным в двух работах [46, 51] . Однако для молибдена значения
коэффициента распыления в области энергий 15 кэВ различаются
в
1,82,2
раза, Кривые распыления, полученные для тантала при раз
личных энергиях ионов дейтерия, неплохо стыкуются, тогда как для
ниобия н особенно для кобальта они далеки от совпадения.
Получение абсолютных значений коэффициента распыления легкими
ионами, безусловно, вызывает определенные трудности. Но все они
преодолимы.
Пока нет надежных экспериментальных данных, для оценок коэф
фициента распыления различных комбинаций нон материал можно
пользоваться теорией П.Зигмунда f53, 54] с учетом имеющихся
экспериментально намеренных значений коэффициента распыления по ме
тодике, предложенной М.И.Гусевой и Ю.В.Мартыненко fS5j . Соглас
35
Первоочередные области исследования распыления материалов, выбираемых для первой
стенки (или защитного покрытия) термоядерных реакторов. Измененные и рассчитанные
значения (даны в скобках) коэффициентов распыления выражеяы в 10~
а
атом/ион
Материал
Литера
тура
Энергия ионов Т*", кэВ
Энергия ионов D , кэВ
ОД|0,2|0,5|
1 | а | 5 | 10 0,l|0,2|0,S| I |2 |S |
Бериллий и его
сплавы
Графит и угпе
ситалл
Сплав SLC+С
Титан и его
сплавы
Нержавеющие
стали
Никелевые сплавы
Молибден и его
сплавы
Вольфрам
и его сплавы
[55]
[50а]
[ЯОг]
[506]
[50
а
]
[55]
[50в]
[55]
[50s]
[31]
[55]
(78)
(20)
(70)
(30)
(4,5)
0,3 1,8
(52)
(12)
(40) 25
(ЗкэЙ
40
(ЗхэВ)
(13)
2,83
3,5
5 6,2
4,3
7,7
0,72
(2,0)
0,94
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 L_
о 1 г з ч s в 7 в 9 ю и е в /* fs ш iv
Энергия ионов 2>*, кэВ
Рис.
10а. Распыление ионами Е металловAg,Cu,Au, нержавеющей
стали,Мо, Nt>,Та. Со, W: о - Gr^nlund F., Moore W.J. -
J. Chem. Phys., 1960, v.32, p.1540. Q _ Гусева М.И. C492 .
• - Pinfgeld C.R. ORO-3557-15, Roanco CoUege,
USA, 1975. д - Bay H. e.a. - J. Appl. Phys., 1977,
v.48,
p.4722. X - Summers A.J. e.a. - J. Appl. Phys.,
1971,
v.42, p.4774. + - Eckstein W. e.a. - Rad. EJf.,
1973,
v.18, p.135
37
Энергия ионов, эВ
Рис,
106. Распыление Мо конами Н , D ,т
(экстраполяция),Но , Ne ,Ar и Хе Г 34] '•
Jt>
С С — Rosenberg Т., Wehner Or.К. —
J. Appl. Phys., 1964, v.35, p. 1B12.
4»Я Finfgeld C.R. [51] А9Ш Bay
Bohdansky J., Roth J.
ю
ю ю far кг io
Энергия ионов, эВ
Рис.
10в, Распыление Nb ионами Н , D
Не , Аг , Nb . Расчетные кривые сравни
ваются с наиболее надежными эксперименталь
ными данными f50flj
'it>>> ^ «f
Читало Sj/
Энергия ионов,
Э
В
Рис.
10г. Распыление Ti ионами Ы
т
, U
T
, Т
т
(экстраполя
ция),
Не
+
, Ne
+
, Кг
+
и Хе
+
[34] : ОоД<7 Wehner
G.K., Kenknight C.E., Rosenberg J., "A Bohciansky J.,
Roth J., Sinha M.K., • Hofer W.O., Liebe H.