Введение к работе
Актуальность теми исследований. Отражение частиц наряду с внедрением их в материалы окружающих плазму элементов конструкций термоядерньк установок (ТЯУ) к выбиванием из этих материалов атомов является одним из элементарных процессов, сопро-волсдающих взаимодействие ионов и атомов плазмы со стенкой. По мере продвижения по пути'создания.термоядерного реактора (ТЯ?) на основе кзазистационарных систем с магнитным удержанием плазми роль явлений на поверхности все более возрастала, и то один, то другой аспект взаимодействия плазмы со стенкой становился пред- , нетом особого пнкмания исследователей и конструкторов. Так разрушение материала ионной бомбардировкой за счет распыления и блистерообразования не.только сокращает срок службы контактирующих с плазмой элементов реактора, но и существенно влияет на рз~ мима и энергобаланс реактора» а захват и накопление в материалах гелия к трития определяют сроки его эксплуатации.
Отражение от стенок участвующих и образующихся з -реакции частиц судестпеннга образом влияет на баланс топлива и мопщостц в реакторе. Поэтому данные по отражения крайне необходили для моделирования масса к онергобаланса плазмы, к соответственно, для расчета систем подпитки топлива и эвакуации гелиевой золы. Обмен частицами «езду плазмой и стенкой определяет характер поведения плотности плазмы во время импульса в экспериментах на современных, установках, а проблема работоспособности дивертора, через который происходит съем основной мощности покидающих плазму частиц и эвакуация гелия, в настоящее время стала одной из центральных при разработке реактора токамака КТЗР.
Закономерности рассеяния поверхностью твердого тела легких ионоз и атомов,с другой стороны,с успехом могут быть использованы з других задачах УТС, например, при диагностике потоков покидающих плазму или инжектируемых в нее нейтралов.
В работе рассматривается отражение лишь наиболее легких ионов: водорода (прогни, дейтерии и гелия-. В представляющем интерес для УТС диапазоне энергий етп ионк существенно глубже проникают в мишень, чем ионы с большими атомными номерами, к, соответственно, имеют специфическую, стлкчнуа от других ИОНОВ, (ЇЙНО-менология отражения. Поэтому помимо прикладного значен'..: . '
' для TIG денная раО'о-їа ';.-йх:.е самнз для пгкжакгік ссобеккос-ївй взаимодействия cekltc легких из атомов с веществом.
В рассмаїрк-аєцом диапазоне скоростей частиц,, сравнимых или .:єньзіж скоростей эяе:строноз на внешних оболочках атомов,происходит силькс-s экранирование куяоновского взаимодействия сталниваю-іжея -;асгкц, а удооноа для многоэлектронных атомов ..томас-ферыи-евскоз списание для водорода к гелия, вообще говоря, непрекенимо. В сіло:: с єї;~: данкнэ экспериментов во рассеянию, потерям энер-Т'лу. і: Ейеггроннсм обмене при взаимодействии ЛЄГКІІХ ИОНОВ С БЄЦЄСТ-ео:-л еегсгп-: для построения адекватных моделей какого взаимодействия.
Еноргетическиз к угловые распределения отраженных легких частиц несут информации о рассеивающих и тормозных свойствах среды єто:іко?л составе и структуре поверхности, а зарядовые распределения о плотности распределения электронов.на поверхности, поэтому исследования в бтой области способствуют такие развития методов анализа поверхности язердого тела.
Реяьз работ» является комплексное экспериментальное иссле-дозанае всех основных физических процессов, характеризующих явление рассеяния конов водорода и гелия конденсированной средой применительно к задачам НС, получение количественных данных о параметрах отражения частиц для кспользования при описании энер-гомассообмена йлазш со стеннши термоядерных установок и разработке диагностических устройств, проверка адекватности имеющихся теоретических моделей описания отражения легких ионов конденсированной средой-
Научная новизна. Ниже перечислены наиболее важные из результатов, впервые полученные в настоящем исследовании: I. Предложена основанная на использовании тонкопленочных эарядово-нечувствительных детекторов методика определения зарядового, углового и энергетического распределения в рассеянных на малые углы потоках легких ионов и атомов. - 2. Экспериментально измерены зарядовые фракции в рассеянных конденсированной средой потоках водорода и гелия в диапазоне энергии 0,5 * 40 кэВ. Обнаружен максимум отрицательной фракцій; отраженных от поверхности твердого тела ионов водорода. 3- Экспериментально доказан универсальный характер отражения лєгіж конов кэвных энергий от поверхности твердого тела и sep:;a«oHKtfi xapax-тєр отражения интегрального по азїа%*гальнкм урле.: ixcwczc* Поореш, іаьпсккссіь одаіщ::і, оі^/р.^ій г-«'стаг;
5'
з плоскости падения от ice начальной ?г;ерги::.
-
Обнаружена и описана зависимость закона отр-аден;;я язгккх hohq-v о? топографии рельефа поверхности шшгеней для случат, когда проективная глубина пробега частиц много меньпз характер:^: размеров мйхренеровноетей.
-
Зкспер;":ец-галыю установлен эффект "прзлемлакия" пучка ионе-л и атомов прм наклонном падении на тенкнз слои neqacm.
-
Найден и объяснен закон иомзноикя разреаак'дей способнсся:; ?о:?-я их фолы, я зависимости от зкєргик частпл, с пс-?!сщю тдізта НЕОДНОРОДНОСТИ фОЛЬГ ПО Т0Л1ГДЯЗ.
-
Эйспзримэнтадьно доказано, что особенное?;! углор;гс іт с:-:ергг:-і.-чоскже распр-эдалега?} при мзлоуглопо"! ріс'сзяяип ненов г; szcuou водорода дэнщх анергий от поверхности тпзрдаго тела опредй-' ляятся многократном характером ресезяшгл частиц 5 г-зг^сг--з,
-
Устс.поздека ун::5сосдлы:?„1 саЬксі&'ость коэффициентов отр-згккі:^ энергии rt *пс-тт:ц длл материалов со ср-зднл,! :-ї больега ато;шг5 номзпом с? пориїльпс-Гі составдетдз;! к поезрхности скорое;';: «зстиц, ~:-фзл,-:5Нкой з единицах безргпшрнен" эийргип Лщдхард.-;.
-
Экспериментально намерены ::оссд|мпиенш отряпения час?:-::; ~.\: наклонном падении на лоюрхпостл твердого тела ионов водереп в диапазоне низких энергий ог.Ю до IG0 сВ на нуклон,
10. Обоснован и реализован метод анализа водородосодаряапис: молекулярных- и атомарных пучков, основанный на диссоциации молекулярных ионов прм малоугловом рассеянии.
Основные полоаения. внносимыо на аипнту.
-
Методика-определения зарядового,углового и онергетического psc~ предалений рассеянного конденсированной средой потока легкій; ионов и атомов с анергиями от долзй до десятков кзВ, оснозан-нал на использовании тоннолленошых эарядонвчувствительннх детекторов.
-
Конструкция и параметры удовлетвор.тшзих условия?-! Пантерпульце-ffypa установок по исследованию- взаимодействия с твердым телом ионов водорода и гелия в диапазоне энергий: от 0,0! кэВ на нук-
. лон до 60 кэВ,-
3. Результаты экспериментального определения угловых к энергети
ческих распределения суммарного по зарядам потока рассеянного
конденсированной средой ионов и атомов водорода и гелия в диагте-
соке энергий от долой до десятков килоэлектронвольт.
4. Доказательство гаго, что особенности угловых л энергетических
распределений отраженных, на малке углы частиц определяется
многократны:.! яоразстером рассеяния частиц в веществе, Олреде-
леп;;а степени соответствия результатов измерений различным теоретическим моделям рассеяния.
-
Результаты экспериментального исследования прохождения ионов водорода через тонкие свободные пленки при наклонной падении пучка, аффект "'преломления'" пучка и его зависимость от параметров задачи рассеяния.
-
Результати определения абсолютных значенні! всех зарядовых фракций ионов и атомов водорода и гелия в диапазоне энергий
0,5,-г- 40 кэЗ при малоуглопом рассеянии от поверхности твердого тела как функции начальной энергии, углов вылета и падения, электронной структуры мишеней. Немонотонный характер зависимости фракции отрицательных цонов водорода от энергии.
-
Результаты исследования влияния топографии поверхности на дифференциальные параметры рассеянного твердым телам пучка легкій ионов и атомов, их угловые, энергетические и зарядовые распределения. .Зависимость закона отражения от характера рельефа поверхности для случая, когда проективная длина пробега много, меньие размеров неровностей. Модель отражения от рельефной поверхности, позволяющую объяснить экспериментально наблюдаемые . особенности формирования угловых и энергетических.распределений отраженных частиц при малоугловом рассеянии. '
-
Результаты измерения абсолютних значений коэффициентов отражения частиц от конструкционных материалов для ионов водорода
в диапазоне, энергий от 10 до 1000 эВ на нуклон и коэффициентов отражения энергии ионов водорода и гелия с энергиями от 2,5 до 8 кдВ в зависимости от угла падения.
9. .Экспериментальное доказательство универсального характера
зависимости коэффициентов отражения частиц &w и энергии &е
для ионов водорода и гелия при рассеянии от материалов со
средними и большими атомными номерами от нормальной к поверх
ности составляющей скорости падатацих частиц, выраженной в
единицах безразмерной энергии Линдхарда (для Hw в диапазоне
от десятков «В до десятков кэВ, для ЯБ в диапазоне 2,5 *
8 кзВ).
?_.
-
Модель, позволяющую объяснить зависимость разрешающей способности точних фолы от массы, атомного номера и энергии легких ионов.
-
Принципы расчета и конструкции'энерго и масс-анализаторов потоков ионов и нейтральных атомов, основанных на причененкії малоуглового рассеяния от твердотельных конвертеров.
Научная и практическая значимость работы. Выполненные- с помощью специально разработанных установок и методик исследовзни' закономерностей формирования угловых, энергетических и зарядовых распределений в потоках рассеянных конденсированной средой легких ионов и атомов и сравнение полученных данных с результатами теоретического рассмотрения и машинного моделирования позволило построить и интерпретировать полную физическую картину отражения легких ионов конденсированной средой в диапазоне энергий от десятков эВ до десяткоз кэВ. Получены количественные данные об интегральных и дифференциальных параметрах отражения и их апрокси-мации, которые необходимы для моделирования взаимодействия плазмы с обращенными к ней Елементами реактора. На основании результатов исследований разработаны новые методики и средства для диагностики потоков нейтральных атомов. .
Апробация работа
Результаты работ были доложены на мегкду народных и всесоюзных конференциях, в том числе на УП Международной конференции по атомным столкновениям в твердом теле, Москва (1977); УІ и IX Международных конференциях по взаимодействию плазмы с поверхностью в реакторах термоядерного синтеза (1934' Кагоя, 1990, Лондон), Советско-американских совещаниях по проблемам взаимодействия плазма-стенка (Москва 1974, 1979, 1990, 1991);" 1-Х Всесоюзных конференциях по взаимодействию атомных- частиц с тверды?* телом (Харьков - 1971, Москва - 1972 , Киев 1974, Харькоз - 1976, Минск - 1978, 1981, 1984, Москва 1907, 1989, I99J); 1-Я Всесоюзных конференциях по ишймерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград 1974, 1977, 1988); IT—Ні Конференциях по исследованиям и разработкам ?латериалоз для реакторов термоядерного синтеза (Дубна - 1981, 1990, Ленинград'1984); XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной эяектронике(Ташкент.- 1982); І-ІУ Всесоюзных школах.по диагностике поверхности ионными пучками (Ужгород - 1977, 1985, Донецк.- 1980, Запорожье - 1983, Донецк _ 1988); Всесоюзных семинарах по рассеянию частиц твердым телом (Фергана - І98С,.
ITSIi 2932); У Всесоюзной конференции по диагностике плазмы, "инск, І99Й. Всеосозкьк конференциях по физике плазьат и УТС( Звенигород IS75, 1991) | научных ссь::-;нарах КА.Э 12-і. И.В.Курчатова,
щ/і^і . Лі U.
. Публикация..Результата исследований по теме диссертации опубликованы в 51 печатной работе. Основные работы приведены в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 8 приложений.'Объем работы составляет 3IS страниц, работа.изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 248 наименований.
