Проникновение водорода из плазмы через поликристаллические материалы и графит

• Автор: Спицын, Александр Викторович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Список сокращений

Список обозначений

1. Обзор литературы

1.1. Взаимодействие водорода с материалами: основные определения

1.2. Взаимодействие атомов и ионов с материалами в неравновесных условиях

1.3. Методы измерения диффузии в материалах

1.4. Методы измерения газовых потоков

1.5. Транспорт водорода по дефектам материалов

Рисунки к главе

2. Экспериментальные установки

2.1. Стенды
2.2. Плазма
2.3. Свойства ниобия и подготовка образцов из ниобия
2.4. Свойства углеродных материалов и подготовка образцов из графита и
алмазоподобных пленок
Рисунки к главе
3. Низкотемпературная проницаемость ниобиевых фольг при облучении плазмой
3.1. Проницаемость ниобиевых фольг с толщиной 25 мкм в зависимости от температуры при облучении ионами водорода при разлитых состояниях поверхности мембраны
3.2. Зависимость проницаемости от толщины мембраны
3.3. Зависимость проницаемости от энергии падающих ионов
3.4. Сорбция и десорбция молекулярного водорода ниобием
3.5. Ультразвуковая диагностика ниобиевых фольг
3.6. Выводы к главе
Рисунки к главе 3
4. Газовая проводимость пористых и углеродных материалов
4.1. Актуальность
4.2. Эксперименты по измерению проводимости графита
4.3. Эксперименты по проницаемости тонких углеродных пленок
4.4. Выводы к главе
Рисунки к главе
5. Обсуждение экспериментальных результатов
5.1. Влияние поверхностных слоев на газовую проницаемость ниобиевых мембран в экспериментах данной работы и в режиме сверхпроницаемости
5.2. Проникновение водорода через ниобий без учета влияния дефектов
5.3. Модель проникновения водорода через дефектный поликристаллический ниобий

5.4. Оценка эффективного коэффициента диффузии по экспериментальным данным
5.5. Расчет значений коэффициента диффузии атомов водорода через ниобий с учетом влияния дефектной структуры. Сравнение с экспериментальными данными
5.6. Газовая проницаемость углеродных материалов
5.7. Проницаемость двухслойных образцов
Выводы к главе
Рисунки к главе
Заключение
Благодарности
Список публикаций по теме диссертации
Дополнение 1. Вычисление поправок для случая ограниченной емкости
межкристаллитных промежутков
Дополнение 2. Влияние интенсивности плазменных потоков на обратный выход
водорода из образца
Список использованной литературы
Список сокращений
У ТС - управляемый термоядерный синтез
ТЯР - термоядерный реактор
СЭМ - сканирующий электронный микроскоп
ЭЦР - электрон-циклотронный резонанс
ЭМА - электромагнитно-акустические методы
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
ICP - Inductively Coupled Plasma
ERA - Elastic Recoil Analysis
CFC - carbon fiber composite
ХА термопара - хромель-алюмелевая термопара
Список обозначений
А [м2] - площадь мембраны,
В [м2/с] - коэффициент проницаемости пористой среды,
С [ат.Н-м*3] - концентрация атомов водорода в материале,
<С> [ат.Н-м'3] - средняя концентрация атомов водорода в образце,
Сщ [част/м3] - равновесная растворимость газа в твердом теле,
С0 [ат.Н-м*3] - концентрация атомов водорода в приповерхностном слое у лицевой поверхности мембраны,
Ci [ат.Н-м*3] - концентрация атомов водорода в приповерхностном слое у обратной поверхности мембраны,
Сс [ат.Н-м*3] - концентрации атомов водорода внутри кристаллита,
Сь [ат.Н-м*3] - концентрации атомов водорода в межкристаллитном промежутке,
D [м2/с] - коэффициент диффузии,
D0 [mV1] - предэкспоненциальный множитель коэффициента диффузии,
Db± [м2с*'] - коэффициент диффузии поперек межкристаллитного промежутка,
Dc [mV1] - коэффициент диффузии атомов водорода по кристаллической решетке ниобия,
Db±o [mV1] - предэкспоненциальный множитель коэффициента диффузии в межкристаллитном промежутке,
DCo [mV1] - предэкспоненциальный множитель коэффициента диффузии по кристаллической решетке,
Deff [м2с*‘] - эффективный коэффициент диффузии атомов водорода в поликристаллическом металле,
DbH [м2с*’] - эффективный коэффициент диффузии атомов водорода вдоль межкристаллитных промежутков,
D*cff[yi2cA] - эффективный коэффициент диффузии, который учитывает как диффузию через кристаллиты с учетом преодоления межкристаллитных промежутков, так и диффузию вдоль дефектов,
В>газа [mV1] - коэффициент самодиффузии газа,
Dexp [mV1] - эффективный коэффициент диффузии атомов водорода в ниобии, вычисленный из экспериментальных данных, d [м] - толщина графитового образца,
Ed [кДж/моль] - энергия активации диффузии,
Е0 [эВ] - высота потенциального барьера на поверхности мембраны,

затягивать их внутрь трубки. Появляется объемный положительный заряд, который позволяет и ионам проходить внутрь трубки.
Таким образом были найдены параметры, при которых измеренная величина потока ионов аргона на обратную поверхность мембраны составила 5 А/м2. Такая величина потока достигается только при использовании цилиндрического электрода вблизи мембраны, на который подается положительный потенциал. Этот же электрод позволяет запирать ионы, препятствуя их попаданию на обратную поверхность образца и использовать СВЧ-разряд для вакуумной подготовки (обезгаживания) измерительной камеры.
2.3. Свойства ниобия и подготовка образцов из ниобия
Начиная с 50-х годов активно изучается вопрос о структурных проблемах фазовых превращений водорода в ниобии. Очень подробно этот вопрос обсуждается в работе [45]. В работе, в частности, делаются попытки предсказать, в каком положении находятся атомы водорода внутри кристаллической решетки ниобия. Исходя из простого геометрического критерия, основанного на соображении устойчивости упаковки твердых сфер, указываются пределы существования структур с различными координационными числами. Для гидридов показывается, что в случае 0.41<КН/Кт<0.73, где 11н - атомный радиус водорода, Чт - атомный радиус металла, выгодна октайдерическая конфигурация, в случае 0.22<Кн/Кт<0.41 выгодна тетраэдрическая конфигурация. Для ниобия соотношение Кц/Ят= 0.37, таким образом, для систем ЫЬ-Н должны наблюдаться преимущественно тетраэдры (Рис. 2. 17).
Кроме принципа устойчивости упаковки твердых сфер, существуют иные способы описания расположения водорода в металлах, например принцип, основанный на рассмотрении величины упругой деформации и использовании термодинамических соображений, который дает, что в ниобии возможны и иные типы позиций внедрения.
Для определения позиций растворенных атомов водорода используются только дифракционные методы, например метод дифракции медленных нейтронов.