Захват водорода в осаждаемые в плазме углеродные слои

• Автор: Шигин, Павел Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Актуальность работы
Основные цели и задачи работы
Выносимые на защиту результаты
Научная и практическая значимость работы
Глава 1. Состояние исследований по захвату изотопов водорода в углеродных слоях
1.1. Захват изотопов водорода в осаждаемых в токамаках углеродных слоях
1.1.1. Газовый баланс дейтерия в токамаках
1.1.2. Захват изотопов водорода в осаждаемых углеродных слоях
1.2. Методы удаления и кондиционирования осажденных пленок
1.3. Лабораторные исследования углеродных слоев
1.3.1. Влияние температуры подложки на структуру углеродных пленок
1.3.2. Влияние температуры подложки на содержание в пленках водорода
1.3.3. Зависимость структуры углеродных слоев и содержания в них водорода от энергии ионов
1.3.4. Изменение структуры напыленных углеродных слоев под действием ионной бомбардировки
1.3.5. Зависимость концентрации водорода в углеродных слоях от давления
1.3.6. Кислород в углеродных слоях
1.4. Механизм сорбции частиц на поверхности графита
1.5. Заключение
Глава 2. Исследование захвата водорода в осаждающихся углеродных слоях
2.1. Экспериментальный стенд для осаждения углеродных пленок
2.1.1. Испаритель графита
2.1.2 Узел крепления подложек
2.1.3. Плазменная камера
2.2. Параметры стенда
2.3. Стенд термодесорбционного анализа ТДС
2.4. Методика проведения экспериментов
2.4.1. Зависимость скорости напыления и толщины пленок от тока нагрева электрода
2.4.2. Условие стабильного напыления пленок
2.4.3. Рассеяние потока углерода на молекулах водорода
2.4.4. Влияние толщины пленок на форму ТД спектров
2.4.5. Возможное влияние атомарного водорода
2.5. Результаты и обсуждение
2.5.1. Углеродные пленки, напыленные в остаточном газе
2.5.2. Осаждение пленок в атмосфере водорода
2.5.3. Углеродные пленки, напыленные с сопутствующим плазменным облучением
2.5.4. Зависимость захвата водорода в углеводородные пленки от материала и
температуры подложек
2.6. Заключение
Глава 3. Особенности захвата и десорбции изотопов водорода при плазменном облучении напыленных углеводородных слоев
3.1. Экспериментальный стенд для осаждения углеводородных слоев
3.1.1. Основные элементы конструкции стенда
3.1.2. Мишенный узел
3.2. Параметры стенда
3.3. Методика проведения экспериментов
3.3.1. Подготовка установки и подложки к напылению
3.3.2. Подбор оптимальных параметров напыления
3.3.3. Осаждение углеводородных слоев
3.4. Установка ТДС анализа и плазменного облучения ТДС
3.5. Параметры установки ТДС
3.6. Результаты и обсуждение
3.6.1. Характеристика углеводородных пленок
3.6.2. Облучение углеводородных пленок в плазме
3.6.3. Расчет десорбции водорода
3.6.4. Расчет распределения дейтерия по глубине
3.7. Заключение
Глава 4. Исследование углеводородных слоев, напыленных в токамаке Тор Супра
4.1. Материаловсдческий зонд для Tore Supra
4.1.1. Конструкция зонда
4.1.2. Расположение зонда в токамаке
4.2. Параметры зонда
4.2.1. Ток ионов на образцы
4.2.2. Температура образцов
4.2.3. Поток углерода на образцы
4.2.4. Энергия ионов углерода
4.3. Стенд ТДС анализа в лаборатории Tore Supra
4.3.1. Конструкция стенда
4.3.2. Характеристики стенда
4.4. Методика проведения экспериментов
4.5. Результаты и обсуждение
4.5.1. Осаждение слоев на подложки CFC
4.5.2. Осаждение слоев на подложки В4С
4.6. Заключение
4.7. Практические рекомендации для токамаков
5. Выводы
Список цитированной литературы

Актуальность работы
Во многих современных токамаках в качестве одного из контактирующих с плазмой материалов используются графиты. Использование графитов в термоядерных установках обусловлено тем, что углерод имеет малый атомный номер; некоторые типы графитов и углеграфитовые композиты (CFC) устойчивы к большим тепловым нагрузкам, срывам плазмы. К отрицательным характеристикам графитов и композитов можно отнести их способность захватывать большие количества водорода, сравнительно высокие коэффициенты физического и химического распыления. Распыленные атомы углерода осаждаются в виде углеродных слоев как на контактирующих с плазмой материалах первой стенки токамаков, так и в теневых частях установок: в тени дивертора или лимитера, в диагностических портах камеры, в откачных патрубках и сорбируют значительные количества изотопов водорода. Исследования [1], проведенные на токамаках, показали, что в Tore Supra до 50 %, в JET до 40 %, в ASDEX Upgrade 3 - 4 % инжектируемого дейтерия аккумулируется в камере, предположительно, в основном в перепыленных углеродных слоях.
Захват газов в материалах первой стенки токамака и пленках является причиной неуправляемой десорбции изотонов водорода в процессе плазменного разряда, что приводит к потере контроля над экспериментом.
Накопление 700 г трития в камере ИТЭР, что соответствует предельно допустимой дозе, может произойти через 500 плазменных разрядов, если ИТЭР будет работать с графитовым дивертором. Согласно современным оценкам большая часть накопленного трития будет сосредоточена именно в перенапыленных углеродных слоях.
Разработка способов уменьшения захвата изотопов водорода в напыленные углеродные слои и методов их обезгаживания оказывается затруднительным из-за того, что до настоящего времени не выполнено

Н2/(С2Н2+Н2), %
Рис. 1.29. Содержание в пленках водорода в зависимости от концентрации водорода в смеси Н2/С2Н2 [62].

55 а
50 §
45 о
40 £
35 «3
30 3

25 1S
20 с I
о fid
О 573 К О 623 К 673 К о 723 К

0J 1 и
Deuterium gas pressure during discharge (Pa)
Рис. 1.30. Содержание в пленках дейтерия в зависимости от давления и температуры подложки [63].
1 5 “о

I 2 &
Ramp rate 0.5 KJs
Р„ = 1.3 Ра dis Л* о,
: т = 573 к sub

сц. HD
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temperature (К)

U 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Temperature (К)
Рис. 1.31. ТД спектры дейтерия (а) пленок, осажденных в дуговом разряде, и водорода (б) из пленок, напыленных методом испарения углерода электронным лучом [63].
1втрега4игв [К]
Рис. 1.32. ТД спектры десорбции [69], измеренные с поверхности НОРО, имеющей краевые дефекты [69]. Параметры экспонирования атомарным дейтерием указаны на рисунке.