Численное моделирование рентгеновской дифракции на углеродистых наноструктурных пленках

• Автор: Неверов, Владислав Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Расчетно-теоретическая модель и численный код, рассчитывающий рентгеновскую дифракцию на нанообъектах
1. Физические принципы численного кода, моделирующего рентгеновскую дифракцию на нанообъектах
2. Приближенный расчет рентгеновской дифракции на наноструктурах из искривленного графена
3. Реализация кода на центральных процессорах
4. Реализация кода на графических процессорах с использованием технологии СІЮ А
2. Алгоритм интерпретации результатов рентгеновской дифрактометрии широкого класса углеродных наноструктур в диапазоне размеров 1-10 нм
1. Разработка алгоритма оптимизационной идентификации топологического структурного состава широкого класса углеродных наноструктур в наноматериалах
2. Создание веб-сервиса для удаленной автоматизированной обработки рентгеновской дифрактометрии углеродистых наноматериалов 47.
3. Интерпретация рассеяния синхротронного излучения на пленках из токамака Т
1. Определение топологического наноструктурного состава пленок из токамака Т
2. Оценка эффектов кластеризации наноструктур
Заключение
Благодарности
Литература

Введение
А ктушшюстъ
Настоящая работа стимулирована проблемой изучения тонкой структуры пленок, осаждаемых на стенках вакуумной камеры в установках для магнитного удержания высокотемпературной плазмы (токамаках, стеллараторах и др.) [1,2]. Такие плёнки являются информативным и доступным материалом, содержащим следы процессов взаимодействия плазмы со стенкой и пылевыми частицам. Их исследование важно, в частности, для оценки механизмов возможного захвата атомов термоядерного топлива (дейтерия и дорогостоящей компоненты - трития) в осажденных пленках. Сказанное актуально для экономики и безопасной работы строящегося токамака ИТЭР [3,4]. Наноразмерные структуры, в том числе структуры, образованные графеновыми хлопьями, отслоившимися от графитовых элементов установок, могут являться опасными тритиевыми ловушками ввиду их высокой адсорбционной способности.
В последнее время механизмам взаимодействия плазмы со стенкой в различных установках уделяется особое внимание в литературе (см. напр, обзор [1]). Подобный интерес обусловлен актуальностью проблемы первой стенки в термоядерных установках ИТЭР и ДЕМО. Образующаяся при эрозии стенки наноструктурированная пыль может иметь негативное влияние на работу установок. Адсорбция трития высокоактивной поверхностью наноструктурной пыли ведет к выводу трития из плазмы и его накоплению на стенке [4-6], что является недопустимым в силу как его высокой стоимости, так и высокой радиоактивности (300 г является предельно допустимым количеством трития в камере согласно проекту ИТЭР [7]). При этом накопление трития не достигает насыщения с ростом числа импульсов
[4].

Осажденные пленки в токамаках
Потоки отдельных атомов и наночастиц возникающие в результате эрозии поверхностей установок, обращенных к плазме, приводят к образованию наноструктурных пленок и нано и микро размерных пылевых частиц. Наиболее значительными механизмами эрозии, протекающими в токамаках, являются следующие [1,2]:
— физическое распыление в результате бомбардировки стенки ионами или нейтральными атомами изотопов водорода и примесей,
- химическое распыление, характерное в первую очередь для углеродной стенки, в результате образования летучих углеводородных соединений СНП,
- блистеринг (образование пузырей с последующим отрывом крышек блистеров) из-за накопления на поверхности водорода и гелия,
— эрозия при локализованных возмущениях на краю плазмы (т.е. ЭЛМах, в английской аббревиатуре ELM) из-за резкого повышения температуры поверхности с последующим хрупким разрушением поверхности и испарением с нее атомов.
Первые два механизма численно промоделированы в работах [8-12] на графитовой поверхности методом молекулярной динамики. Помимо физического и химического распыления в этих работах продемонстрирован эффект образования графеновых хлопьев выбитыми с поверхности атомами углерода. Теории физического распыления посвящена работа [13]. Для углеродных материалов химическое распыление является эффектом того же порядка, что и физическое [2]. Из зависимости коэффициента распыления графита изотопами водорода от температуры [14] следует, что химическое распыление резко возрастает уже при температурах ~ 600 К. Эрозия вольфрама при ЭЛМах экспериментально и теоретически исследована в работе [15]. Как для вольфрама, так и для CFC композита ЭЛМы представляют наибольшую угрозу: ожидается, что именно они будут

факторов рентгеновского рассеяния. Также код был обобщен на случай когерентного нейтронного рассеяния, при этом вместо атомных формфакторов подставляются сечения нейтронного рассеяния, не зависящие от с/.
Помимо основного кода, написанного на C++, было создано несколько модулей, написанных на python, вычисляющих координаты атомов в структурах, визуализирующих как сами структуры, так и получаемые дифракционные картины и др. В том числе был написан модуль обеспечивающий совместимость программы с форматом .cif (crystallographic information file).
Задача вычисления интенсивности рассеянного излучения является хорошо распараллеливаемой, так как каждый член в суммах (2) и (3) может быть рассчитан независимо от остальных, кроме этого каждая точка в сетке для вектора рассеяния или его модуля считается независимо от остальных. Поэтому, были написаны ОрепМР и MPI версии программы, с возможностью компиляции как отдельно ОрепМР или MPI версий, так и совместной МР1+ОрепМР версии.
Для расчета одномерных интенсивностей по формуле (3) атомы распределяются между MPI процессами, как показано на Рис. 13.
Поскольку частичные суммы вычисляются независимо, синхронизация требуется только до и после вычисления. Высокая эффективность распараллеливания достигается при очень простой реализации. Единственным условием является требование Np<< Nat, где Nat - полное число атомов в ансамбле, которое всегда достигается, так как при малых Nat распараллеливание не требуется из-за малого времени счета. В дополнении к распределению атомных данных между MPI процессами, вычисление в каждой точке дискретного пространства модуля вектора рассеяния q производится независимым ОрепМР потоком.