Моделирование формирования структур осаждаемых пленок и образования пыли в плазменных установках

• Автор: Нагель, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Оглавление
Введение
Актуальность темы
Цели работы
Научная значимость
Практическая значимость
Апробация работы
Новизна и достоверность предложенных методов и решений
Публикации в журналах из перечня ВАК:
Объем и структура диссертации
Используемые термины и сокращения
Глава 1. Обзор литературы. Осаждаемые пленки и пыль в установках термоядерного синтеза
1.1.Введени е
1.2. Пленки и пыль в токамаках
1.2.1.Компоненты токамака, ответственные за образование и накопление пыли и пленок
1.2.2. Причины образования наноструктурных объектов в токамаках
1.2.3.Причины образования пленок
1.2.4.Рельеф осаждаемых пленок
1.2.5.Теории формирования осаждаемых пленок с различньм рельефом
1.3. Структуры типа «пуха» на поверхности вольфрама
1.4. Изменение рельефа поверхности при одновременном напылении и распылении
1.5. Пыль в плазменных установках
1.5.1. Характеристики пыли
1.5.2. Пылевые частицы в высокотемпературной (термоядерной) плазме
1.5.3. Получение нанопорошков методом конденсации пара
1.5.4. Пеллеты
Глава 2. Механизмы образования развитого нанорельефа осаждаемых пленок
2.1.Введени е
2.2. Модель роста кластеров на поверхности
2.2.1. Основные процессы на поверхности подложки
2.2.2. Флуктуационный механизм образования кластеров
2.2.3. Образование кластеров на примесях
2.3. Модель роста поверхности с развитым рельефом
2.3.1. Рост глобулярных пленок
2.3.2. Рост столбчатых пленок
2.3.3. Рост разветвленных структур
2.4. Область применения модели
2.5. Минимальный размер элемента фрактальной структуры
2.6.Численное моделирование роста осаждаемых пленок на начальной стадии
2.6.1. Введение
2.6.2. Описание модели
2.6.3. Моделирование диффузии адатомов и образования кластеров
2.6.4. Сравнение с экспериментами и корректировка модели
2.6.5. Модель отталкивания атомов
2.6.6. Расчет возможного заряда адатомов в модели отталкивания
2.7. Численное моделирование роста осаждаемых пленок с развитым нанорельефом
2.7.1. Метод моделирования
2.7.2. Рост гладких пленок и столбчатых структур
2.7.3. Рост структур на поверхности при направленном наклонном осаждении атомов

2.7.4. Образование разветвленных структур
2.8 Выводы к главе
Глава 3. Модель мобилизации пыли и отшелушивания пленок, образующихся из продуктов эрозии в токамаках
3.1. Введение
3.2. Мобилизация пыли
3.2.1. Мобилизация пыли при термоударе
3.2.2. Мобилизация пыли при вибрации
3.2.3. Мобилизации пыли ветром
3.3. О возможности образования пыли на поверхности
3.4. Отрыв пленки
3.5. Выводы к главе
Глава 4. Модель образования пуха на поверхности вольфрама, облучаемого ионами гелия
4.1. Введение
4.2. Модель образования пуха
4.3. Численное моделирование роста «пуха»
4.4. Выводы к главе
Глава 5. Численное моделирование разравнивания поверхности диагностических зеркал при одновременном распылении и напылении собственного материала
5.1. Введение
5.2. Модель распыления с переосаждением материала поверхности
5.3. Эксперимент
5.4. Выводы к главе
Глава 6. Наночастица пыли в плазме
6.1. Введение
6.2. Потенциал наночастицы в плазме
6.3. Поток тепла на поверхность частицы
6.4. Изучение возможности образования пыли в токамаках путем конденсации пара
6.5. Выводы к главе
Выводы:
Благодарность
Литература
Введение Актуальность темы
В настоящее время существует значительный интерес к проблеме
образования продуктов эрозии (пыли и осаждаемых пленок) в установках термоядерного синтеза. Пыль и осаждаемые пленки в токамаках оказывают преимущественно негативное влияние на их работу как в связи с накоплением дорогого и радиоактивного трития, так и в связи с тем, что их поверхность оказывается катализатором в случае попадания воды в камеру

установки, что может привести к образованию количества водорода, достаточного для взрыва.
Таким образом, продукты эрозии, образующиеся в термоядерных установках, создают серьезные проблемы для их безопасности и экономичности.
Поэтому, для создания термоядерного реактора необходимо знание о механизмах формирования пленок и пыли, их свойствах (температуре, рельефе пленок, заряде пылевых частиц), условиях образования пыли и пленок на стенках реактора, продолжительности их существования.
Кроме того, знание механизмов и условий образования осаждаемых пленок с тем или иным типом рельефа является важным для технологий нанесения покрытий, которые должны иметь определенный рельеф поверхности, в зависимости от назначения. Покрытия с защитными и износостойкими свойствами должны иметь гладкую поверхность. Для некоторых специальных задач, напротив, нужны пленки с как можно более развитым рельефом, например, для производства покрытий эндокардиальных кардиостимуляторов, катализаторов, газоанализаторов.
Цели работы
Целями работы является выяснение закономерностей образования и отшелушивания пленок, осаждаемых на поверхностях, контактирующих с плазмой и процессов образования, поведения и мобилизации пыли в термоядерных установках с помощью теоретических исследований и численного моделирования. Для достижения указанных целей были поставлены следующие задачи:
1) Объяснение образования осаждаемых пленок с тем или иным типом рельефа в зависимости от условий осаждения и свойств подложки на основе

Далее это приводит к росту верхних несоприкасающихся слоев кластеров и придает поверхности вид «булыжной мостовой», что вполне согласуется с рис.2.16. При достаточно больших дозах, когда образование новых зародышей начинает конкурировать с ростом новых слоев уже существующих кластеров, на поверхности крупных «булыжников» видны более мелкие кластеры. Таким образом, появляется иерархия поколений кластеров.
2.3.2. Рост столбчатых пленок
В процессе осаждения на поверхность пленки во многих случаях
происходит ее разогрев, и, соответственно температурный градиент направлен к поверхности. Покажем, что при высоких температурах может происходить направленный перенос адатомов «наверх», к наиболее горячим местам рельефа. Направление переноса атомов обратно градиенту коэффициента диффузии, который определяется не только явной зависимостью от температуры, но и изменением энергии активации с температурой:
£гасЮ ~ 5ехр(-Еа/кТ)/дх == ехр(-Еа/кТ)(Еа/кТ2 + (бЕа/ЭТ)/кТ)ёгас1Т (2.7) Если полагать, что причиной зависимости энергии активации диффузии Еа от температуры является тепловое расширение, то можно считать что: сЕа/<ЭТ ~ - КП-сц где К - модуль сжатия, а - коэффициент линейного расширения, П - атомный объем [36]. Тогда при достаточно высокой температуре:
Т > КПа/Еа ~ 1 ООО К (2.8)
направление переноса атомов совпадает с направлением возрастания температуры, то есть к наружным более горячим местам пленки и кластеры растут преимущественно «вверх». Предполагается, что такой механизм, может приводить к образованию вискеров [33], которые наблюдаются в случае распыления подложки при достаточно высокой температуре и столбчатые пленки как, например, пленка из токамака ТехЩг (рис.2.3) [12].