Отражение и захват низкоэнергетичных изотопов водорода при взаимодействии с материалами ТЯР

• Автор: Левчук, Денис Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Г лава 1. Анализ существующих экспериментальных данных и методов
расчета захвата и отражения медленных частиц водорода материалами ТЯР
1.1. Компьютерное моделирование взаимодействия потоков
частиц с поверхностью твердого тела
1.1.1. Классификация моделей
1.1.2. Взаимодействие легких частиц с поверхностью материалов ТЯР
1.2. Аналитические методы определения параметров захвата
и отражения частиц
1.2.1. Аналитические модели
1.2.2. Эмпирические зависимости
1.3. Экспериментальные исследования отражения и захвата
в области низких энергий
Глава 2. Условия проведения экспериментов
2.1. Описание экспериментальной установки "Медион-2"
2.2. Методики измерения коэффициентов захвата и отражения частиц
2.3. Особенности экспериментов с ниобием
2.4. Особенности экспериментов с бериллиевыми образцами 41 Глава 3. Компьютерное моделирование отражения и захвата
изотопов водорода материалами ТЯР
3.1. Краткое описание программы SCATTER
3.2. Моделирование отражения и захвата дейтерия ниобием
3.3. Изучение захвата и отражения изотопов водорода
материалами ТЯР методом компьютерного моделирования
Глава 4. Обсуждение полученных результатов
4.1. Изучение захвата и отражения дейтерия сверхнизких энергий
4.2. Исследование захвата и отражения дейтерия различными сортами бериллия
4.3. Прогнозирование процессов захвата и отражения изотопов
водорода обращенными к плазме поверхностями ТЯР
Выводы
Список литературы

Введение
Захват и отражение изотопов водорода первой стенкой и другими поверхностями термоядерного реактора (ТЯР) являются одними из основных процессов, определяющих накопление топлива в элементах конструкции ТЯР, обращенных к плазме, а также охлаждение периферийной плазмы вследствие обратного потока медленных частиц. На эти процессы могут влиять различные факторы, такие как шероховатость поверхности, наличие на поверхности активных к падающим частицам примесей и т.д. Особый интерес представляет область сверхнизких начальных энергий (единицы - десятки эВ), поскольку энергетическое распределение частиц, приходящих на первую стенку, имеет максимум в районе порядка 10 эВ и быстро спадает в интервале до сотен эВ. В настоящий момент область электрон-вольтных энергий экспериментально практически не изучена, что объясняется сложностью получения интенсивных моноэнергетических пучков медленных ионов водорода. По этой причине широкое применение получило компьютерное моделирование процессов захвата и отражения с помощью кодов, базирующихся на двух различных подходах: решении уравнений Ньютона для некоторой группы атомов твердого тела и падающей частицы (так называемая модель молекулярной динамики) и статистическом моделировании по методу Монте-Карло (модель парных соударений). Существует множество программ, созданных на основе этих двух подходов, в большей или меньшей степени приближенных к условиям реальных экспериментов и включающих в рассмотрение рельеф мишени, состав примесей, тепловые колебания атомов решетки твердого тела, структуру исследуемого вещества и т.п. Более простая, но в то же время позволяющая более полно учитывать реальные условия экспериментов, модель парных соударений имеет ограничение по применимости, связанное с необходимостью рассматривать не парные, а коллективные взаимодействия при начальных энергиях, лежащих в диапазоне от единиц до десятков эВ. Поэтому необходимы экспериментальные исследования отражения и захвата в области, в которой применимость данной модели расчетов формально считается недопустимой. Кроме того, в некоторых случаях, например при изучении отражения от рельефных поверхностей, наблюдаются расхождения в компьютерных и экспериментальных результатах. С другой стороны, в связи с известными сложностями

проведения экспериментов с тритием, компьютерные расчеты являются дополнительным инструментом изучения взаимодействия данного изотопа водорода с материалами ТЯР. В качестве обращенных к плазме материалов международного термоядерного реактора ИТЭР предлагаются Ве, С и W, причем эксперименты с Ве стенками на крупнейшей установке JET показали, что при этом можно достичь рекордных параметров плазмы. Таким образом, представляется весьма актуальным экспериментальное исследование влияния различных факторов на захват и отражение низкоэнергетичных ионов изотопов водорода материалами как с малым, так и с большим атомным номером, а также сравнение полученных данных с результатами компьютерного моделирования для выявления применимости используемой модели расчетов и последующего прогнозирования с ее помощью поведения изотопов водорода при их взаимодействии с кандидатными материалами ТЯР.
Цель работы состояла в:
1 ) экспериментальном исследовании отражения и захвата ионов дейтерия электрон-вольтных энергий от материалов с учетом состояния их поверхности;
2) экспериментальном исследовании влияния различной степени шероховатости поверхности на коэффициенты захвата и отражения ионов дейтерия при нормальном и наклонном падении частиц на поверхность;
3) компьютерном моделировании отражения и захвата водорода низких энергий кандидатными материалами ТЯР для сравнения с результатами измерений и выявления общих закономерностей этих процессов в зависимости от энергии частиц и угла их падения для различных изотопов водорода.
На защиту выносятся следующие результаты, содержащие научную новизну:
1) впервые измеренные коэффициенты отражения и захвата водорода от поверхности твердого тела в диапазоне электрон-вольтных энергий частиц;
2) влияние шероховатости поверхности на параметры отражения низкоэнергетичных ионов дейтерия при сравнительном исследовании различных сортов бериллия;
3) определение значений энергии связи падающих частиц дейтерия с чистой и окисленной поверхностями ниобия;

основаны на измерении парциального давления молекул, содержащих используемый изотоп и образующихся при рекомбинации частиц пучка после их взаимодействия с мишенью. В этом случае было бы сложно отличить протий, приходящий в камеру исследований из пучка, от протия, содержащегося в остаточном вакууме и, возможно, в исходном материале мишени.
2.1. Описание экспериментальной установки "Медион-2"
Данная установка, общий вид которой представлен на рис. 2.1, а схема - на рис. 2.2, позволяет определять коэффициенты захвата и отражения частиц, проводить энергомассанализ потока вторичных заряженных и нейтральных частиц. "Мсдион-2" представляет собой масс-монохроматор, состоящий из источника ионов с фокусирующей системой (1); электромагнита масс-сепаратора первичного пучка (2); камеры взаимодействия (3), в которой расположены система торможения (4), исследуемая прогреваемая мишень (5) и прогреваемый до 350°С никелевый экран (6) вокруг мишени, задача которого - предотвратить захват отраженных и вышедших в результате десорбции частиц стенками камеры; высокочувствительный масс-спектрометр (7) для регистрации парциального давления молекул водорода в районе мишени; монопольный масс-спектрометр (8), позволяющий контролировать массовый состав остаточного газа в камере взаимодействия; ионизатор (9) и электромагнит масс-сепаратора (10), служащие для контроля потока вторичных нейтральных и заряженных частиц.
В качестве источника ионов используется дуоплазматрон, параметры и конструкция которого описаны в [54]. Дуоплазматрон обладает высокой эффективностью использования рабочего газа, что уменьшает натекание в вакуумную систему. Подача рабочего газа в источник осуществляется с помощью двухканальной автоматической системы напуска газа СНА-2. Она позволяет источнику работать как на отдельных газах, так и на их смеси.
Для проведения экспериментов с "чистой" мишенью уровень давления активных газов и примесей не должен превосходить 10'8Па, а для определения коэффициентов отражения методом термодесорбции (см. далее) при токе пучка медленных ионов водорода на уровне 10'8А остаточное давление водорода в камере взаимодействия