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

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

Для того чтобы скачать эту работу.
1. Подтвердите что Вы не робот:
2. И нажмите на эту кнопку.
закрыть



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 экспозицииПолное время экспозиции, минДоза ионов 1024 ион/м2Увеличение веса, мкгАМА-3АМК-31600.47304023602.82620-20 (трещины на краях)36605.1792064049607.52820Разрушение образца (рис. 3.9)511609.09325-6146011.45825-7176013.80870-

 

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 13.81024 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.

 

.4 Методика и проведение эксперимента

 

.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:

Di = Nit = j (А/см2)6,251018 (e/сек.)t (сек) (3.4)

 

В нашем случае поток ионов на поверхность образца равнялся

Ni = 0.26∙1018 (ион/см2 с).

Таким образом флюенс ионов дейтерия на образец

Di = 3.12∙1020 (ион/ см2 с)

Количество распыленных в течение экспозиции атомов с ед. поверхности

 

(ат./см2) (3.5)

 

где Dm - потеря массы, mат - 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

CuSSDi = 3.12∙1020(ион/см2с)Di = 3.12∙1020(ион/см2с)Δm = 845∙10-6 гΔm = 270∙10-6 гY = 0.4Y = 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

Ni = 0.41∙1018(ион/ см2 с)

По формуле (3.4) был вычислена флюенс ионов

Di = 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

Ni = 0.47∙1018(ион/ см2 с)

По формуле (3.4) была вычислена доза ионов

Di = 1∙1021(ион/ см2 с) (3.4б)

Количество распыленных в течение экспозиции атомов с ед. поверхности

= 0.8∙1019 (ат/см2) (3.5б)

По полученным данным был вычислен коэффициент распыления

Y = 0.04

Б) = -650В

Плотность тока на образец j=8.04∙1015 мА/см2, ускоряющее напряжение = -650 В. Время экспозиции составило 30 минут. До и после экспозиции, образцы были взвешены и по полученным данным вычислена Δm= 375∙10-6 г.

Поток ионов на поверхность образца составил

Ni = 0.47∙1018(ион/ см2 с)

По формуле (3.4) был вычислена флюенс ионов

Di = 0.8∙1021(ион/ см2 с) (3.4в)

Количество распыленных в течение экспозиции атомов с ед. поверхности

= 0.64∙1019 (ат/см2) (3.5в)

По полученным данным был вычислен коэффициент распыления

Y = 0.032

При бомбардировке аморфных зеркал, не содержащих гидридообразующих компонент, не наблюдалось прибавки веса, следовательно, дейтерий не поглощался.

Результаты экспериментов представлены в табл. 3.

 

Табл.3 Результаты экспериментов для аморфной фольги

U = -60 ВU = -1500 В = -650ВDi = 1,49∙1020 (ион/см2с)Di = 1∙1021 (ион/см2 с)Di = 0.8∙1021 (ион/см2 с)Δm= 55∙10-6 гΔm= 480∙10-6 гΔm= 375∙10-6 гY = 0.01Y = 0.04Y = 0.032

Вывод

 

Результаты показали, что аморфная фольга, не содержащая гидридообразующие металлы, не поглощает дейтерий при экспонировании к потоку ионов дейтериевой плазмы, в отличие от зеркал из сплава Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5. Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод: определяющим фактором поглощения дейтерия аморфными и закристаллизованными зеркалами, является наличие гидридообразующих