исследование теплового взаимодействия атома водорода с неповрежденным и самоповрежденным вольфрамом (перевод статьи))
advertisement
Исследование теплового взаимодействия атома водорода с неповрежденным и самоповрежденным вольфрамом Аннотация Удержание дейтерия в неповрежденном и поврежденном поликристаллическом вольфраме, подвергнутом воздействию теплового пучка D, было исследовано в диапазоне от 370 к до 500 К в зависимости от потока D. Поврежденные образцы были получены методом W-ионного облучения с концентрацией повреждений до 0,89 смещения на атом. ERDA была использована для отслеживания приповерхностных H и D площадных плотностей in situ (на месте?) во время экспозиции, а профили глубины D до 6 мкm были извлечены ex situ (с сайта?) с помощью NRA. Оба метода дают одинаковую концентрацию D в пределах первых 400 Нм. Впервые было отмечено удержание D в неповрежденном и поврежденном состоянии W, подвергнутом воздействию тепловых (0,2 эВ) атомов. Установлено, что удержание в поврежденном состоянии W выше, чем в неповрежденном, из-за дополнительных ловушек, создаваемых предварительным облучением тяжелыми ионами. Изотопный обмен на поверхности и в объеме поврежденного W также исследовался in situ методом ERDA при различных температурах образца. 1. Вступление Прогнозирование рециркуляции и удержания изотопов водорода в вольфраме является важным вопросом в связи с производительностью плазмы и ограничениями безопасности запасов трития в будущих термоядерных реакторах. Помимо воздействия на термоядерное топливо (дейтерий и тритий), обращенные к плазме компоненты термоядерных реакторов будут также подвергаться воздействию нейтронов 14 МэВ и He от термоядерной реакции. Комбинированное воздействие n-irradiation (НИР-излучения) и включение в него изотопов гелия и водорода окажет влияние на свойства плазменно-облицовочного материала. Повреждение, вызванное n-облучением, изменяет термомеханические свойства материала, удержание топлива, поверхностное распыление и т.д. Экспериментальные данные о влиянии смещения повреждения на накопление и рециркуляцию водорода в материалах очень скудны и теоретическое понимание переноса водорода через поврежденный материал также неполно. Удерживание D в поврежденном вольфраме, подвергнутом бомбардировке энергичными частицами ионами или плазмой для различных энергий, потоков и fluence (плотность потока?), было исследовано несколькими группами. Показано, что удержание в поврежденном состоянии W выше по сравнению с неповрежденным. Удержание дейтерия в поврежденном вольфраме, подвергнутом воздействию нейтральных термических атомов, до сих пор не рассматривалось. Однако, в то время как магнитно удерживаемые (удерживаемые магнитным полем) ионы будут взаимодействовать только с поверхностями в непосредственной близости от плазмы, нейтральные атомы водорода достигнут любой поверхности внутри сосуда после многократных столкновений. Это может привести к значительному вкладу удерживаемого водорода в отдаленных районах в общий топливный баланс. Поэтому целью данной работы является изучение влияния радиационного повреждения на гидрогенное удержание вольфрама при воздействии тепловых атомов водорода. Повреждение производится путем имплантации высокоэнергетических ионов W (до 0,89 dpa), что является наиболее подходящим подходом для моделирования n-облучения. При облучении материала тяжелыми ионами образуется плотный каскад с крупными кластерами, характерными для n-облучения. Само-имплантация (W, W) гарантирует, что химические эффекты будут предотвращены. 2. Эксперимент Удержание и рециркуляция D в поликристаллическом вольфраме изучались in situ методом ионного пучка ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis - Анализ Обнаружения Упругой Отдачи). В качестве зондирующего ионного пучка для этих измерений, выполненных на тандемном ускорителе 2 МВ в Институте Юзефа Стефана (JSI), Любляна, был использован 4,3 МэВ Li2+. Экспериментальная конфигурация установки показана на Рис. 1. Рисунок 1. Показана экспериментальная конфигурация для натурных исследований взаимодействия атомарного пучка водорода (H или D) с материалами методом ионного пучка ERDA. Также отмечен детектор RBS (Rutherford Backscattering), который в данном случае в основном используется для проверки дозы ионов. Атомарный пучок водорода создается горячим капиллярным источником (HABS). Более подробную информацию можно найти в работе [9]. Метод ERDA является одним из редких методов, позволяющих одновременно проводить глубинное профилирование водорода и дейтерия. В ходе эксперимента были зарегистрированы спектры ERDA с типичными дозами 1,7 мкC и 3,42 мкС, обеспечивающие временное изменение площадной плотности адсорбированных H и D на поверхности, так называемые поверхностные площадные плотности H и D. Они были получены путем интегрирования поверхностных пиков, имеющих глубинное разрешение около 10 нм. Интегрированные области для пиков поверхности H и D отмечены на рисунке.2 как Hs и Ds соответственно, где представлены типичные спектры ERDA. Сигнал, возникающий при энергиях ниже поверхностных пиков H и D, обусловлен H или D в ‘объеме", соответственно, также отмеченным на рисунке.2, достигая до 400 Нм ниже поверхности вольфрама. Погрешности для "bulk (объемной?) " концентрации выше из-за несогласованности упругого сечения D-7Li, принимающего ту же форму, что и упругое сечение Резерфорда, только умноженное на 3 см.работу [9], и из-за перекрывающегося вклада близлежащего резонанса в измеряемый сигнал см. работу [8]. Рисунок 2. Спектры ERDA, полученные на образце dam 1 (а) после воздействия атомов D до fluence (плотности потока?) 2,3×1022 D/m2 (doted lines); (Б) после воздействия атомов D до fluence (плотности потока) 4×10 23 D / m2 и (в) на образце dam 2 после воздействия атомов D до fluence 4,1×1023 D/m2 и воздействия атомов H до fluence 1×1023 H / m2 . Соответствующие спектры, полученные с помощью фитинга SIMNRA, показаны в виде линий в (А) и (Б). В верхней части графика отмечены отдельные H и D поверхности и объемные области. Энергия обнаруженной частицы пропорциональна номеру канала, 6,1 кэВ / канал. Более подробно об определении упругого поперечного сечения D-Li(7) на поверхности можно прочитать в работе [9]. Он был определен равным (236 ± 16)×10-27 см2/sr, что в 3,0 ± 0,2 раза выше, чем упругое сечение Резерфорда (79×10-27 см2/sr) при энергии 4,3 МэВ и угле отдачи 30. При подгонке спектров для получения соответствующих концентраций объемные концентрации H и D были приняты постоянными во всем анализируемом объемном слое из-за довольно плохой статистики. Объемную концентрацию D определяли до тех пор, пока не было получено наилучшее согласие между интегрированными D-сигналами установленного и измеренного спектров в области ‘D-bulk-1’. В области H объемных сигналов H и D объемные сигналы перекрываются. Если наблюдалось увеличение интенсивности сигнала в этом диапазоне, то рис. 2А, то объемную концентрацию H необходимо добавить в слой, чтобы получить хорошее согласие между измеренными и подобранными спектрами. Были использованы поликристаллические образцы вольфрама, изготовленные компанией Plansee AG, с зернами, вытянутыми перпендикулярно поверхности, диаметром 30 мм и толщиной 0,1 мм. Они были механически отполированы до зеркального блеска. Поврежденные образцы были получены путем воздействия 20 МэВ ионов W6+, создающих пиковое распределение повреждений при 1,3 мкm (?) (два образца), или путем облучения при различных энергиях ионов, создающих плоское распределение повреждений (профили повреждений показаны на рис. 5). Глубинная толщина поврежденного слоя в обоих случаях составляет около 2,4 мкm. Концентрация повреждений рассчитывалась следующим образом: dpa = N(disp)Ф/Nw, где N(disp) - число смещений, U-fluence имплантации ионов W, а NW-атомная плотность вольфрама [2]. Расчеты SRIM показывают, что для этого случая с учетом пороговой энергии смещения Ed = 90 эВ было получено 0,89 dpa [2]. Пучок атомарного водорода (H или D) создается путем термической диссоциации молекул водорода в горячем капилляре источника пучка атомов водорода, HABS [10]. Плотность атомного потока определяли путем воздействия на атомы водорода нагретой (при 573 к) плотной аморфной гидрированной углеродной (А-С:Н) тонкой пленки [11] в тех же условиях, что и для образцов вольфрама. Из эрозии, которая была количественно определена ex situ с помощью эллипсометрии, был выведен атомный поток. Для данных условий, когда расстояние между поверхностью образца и выходом капилляра составляет 80 мм, плотность потока центрального атома в образце составляет 1,6×1019 Ат. M-2 С-1 ч и 1.1×1019 по. m-2 s-1 для D-образного луча [9]. Пятно пучка пучка атома водорода имеет слегка эллиптическую форму с приблизительно 18 мм главной осью и 15 мм малой осью. Размер и положение пятна ионного пучка были выведены из измерения на каптонной фольге и составляют 2×5 мм2 на образце. Средняя плотность потока в положении зондирующего ионного пучка составила 0,63×1019 at. m-2 s-1 для пучка атомов D и 1 1019 at. m-2 s-1 для H атомного пучка. Исследуемый образец вольфрама устанавливали на нагреватель, температура которого контролировалась компьютером в диапазоне от 300 К до 800 К и контролировалась термопарой. Температура образца для поврежденных образцов не превышала 500 К во избежание отжига радиационно-индуцированных дефектов. Мы провели несколько различных экспонирующих экспериментов на поврежденных образцах W. Два образца (dam 1 и dam 2) подвергались воздействию атомов D при 500 К с fluence 4×1023 D/m2 в положении зондирующего луча. Для исследования температурной зависимости удержания D образец dam 2 дополнительно подвергался воздействию fluence при температуре 380 К с fluence 3,1×1023 D / m2. Третий поврежденный образец, dam 3, с плоским профилем повреждения, подвергался воздействию атомов D при 500 К с fluence 7,5×1022 D / m2 в положении зондирующего луча. Неповрежденный образец W, S1, подвергался воздействию в тех же условиях, что и поврежденный образец dam 1. Детали экспозиции образцов и анализ, выполненный на них, приведены в Таблице 1. После первого длительного воздействия D на dam 2 на этом образце был изучен поверхностный и объемный изотопный обмен при 480 К и 380 К, а также так называемая термоадсорбция. Во время процедуры термоадсорбции (та) образец постепенно охлаждается от начальной повышенной температуры примерно до 350 К и одновременно подвергается воздействию пучка атомов дейтерия. Здесь, в отличие от термодесорбции, мы наблюдаем последовательное заполнение участков адсорбции в зависимости от их энергий связывания. В ходе экспериментов спектры ERDA регистрировались одновременно, за исключением dam 3. После экспозиции, образцы были проанализированы на удалении от 3He NRA at IPP, Гархинг. Глубинный профиль дейтерия получен по распределению энергии протонов в результате ядерной реакции D( 3He, p)4He, обнаруженной при 135° [12]. Для получения профиля глубины D в исследуемых образцах были использованы пять различных энергий пучка ионов 3He от 650 кэВ до 4 МэВ [13]. В отличие от метода ERDA, который чувствителен только к малым глубинам (примерно до 0,4 мкm), диапазон глубины NRA составляет до 6 мкm для максимальной используемой энергии. Концентрацию D в приповерхностном слое измеряли с помощью реакции D(3He, aльфа)H при наименьшей энергии ионного пучка. В этом случае альфа (не понятная буква, ну наверно альфа) частицы, обнаруженные при малом угле рассеяния 102°, подвергались энергетическому анализу [2]. Для моделирования как ERDA, так и NRA спектров использовалась программа SIMNRA [14]. 3. Результаты и обсуждение Типичные спектры ERDA на W поврежденного образца dam 1 показаны на фиг. 2А, для "нетронутого" образца и после fluence D 2,3×1022 D / m2 при 500 К. Для "нетронутого" образца можно наблюдать высокий поверхностный пик H, а также некоторый сигнал ниже, обусловленный H в объеме. Когда этот образец подвергается воздействию атомов D и нагревается до 500К, поверхностный пик H исчезает, а небольшой поверхностный пик D появляется в более высоких каналах, т. е. энергии. Тем не менее, есть еще сигнал, внесенный в H в объеме, и также некоторый сигнал появляется ниже пика поверхности D. Сначала мы сосредоточимся на плотности площади поверхности D, полученной после воздействия D при различных температурах. Это было исследовано с применением процедуры та. Эксперимент по термоадсорбции проводился на dam 2 в диапазоне температур 480-370 К. При понижении температуры поверхностная плотность D постепенно увеличивается, как показано на Рис.3 в зависимости от температуры и во вставленном графике в зависимости от времени. Каждая точка была получена путем интегрирования пика D поверхности индивидуального спектра ERDA, зарегистрированного во время TA. Чтобы проверить, есть ли какое-либо изменение концентрации D в объеме, сигнал ERDA между поверхностными пиками H и D был интегрирован для каждого спектра (обозначенного как ‘D-bulk-1’ на рис. 2), что соответствует D в объеме до примерно 200 nm. Интегральный сигнал был постоянным при понижении температуры, поэтому увеличение поверхностной площадной плотности происходит не за счет изменения удерживаемого D в объеме, а исключительно за счет изменения на поверхности. В этом температурном диапазоне поверхностная плотность D увеличивалась от одного значения насыщения к другому. Такое увеличение поверхностной плотности D с понижением температуры образца можно объяснить последовательным заполнением различных состояний связывания, присутствующих на поверхности W, что указывает на существование двух различных состояний связывания для поврежденного W. средние поверхностные площадные плотности насыщения при средних температурах стабилизации также приведены на Рис.3, в атомной поток 6.4×1018 D/m2. Для сравнения поверхностная плотность дейтерия для неповрежденного вольфрама также показана на фиг. 3. Здесь показано увеличение поверхностной плотности D с температурой для одного случая TA на неповрежденной W и средние плотности поверхности насыщения при температурах стабилизации, полученные для трех различных неповрежденных W. Подробная информация о воздействии неповрежденных образцов W приведена в другом месте [15]. Из рисунка видно, что поверхностная плотность дейтерия выше для поврежденных Вт при самой низкой температуре. (Рис.3. Изменение поверхностной площадной плотности D в зависимости от температуры образца для поврежденного W, dam образца 2 (пунктирная линия с квадратами) и для неповрежденного (пунктирная линия с кругами) при воздействии атомного потока D 6.4×1018 D/m2 С. средние значения площадной плотности D, полученные по нескольким измерениям, показаны при средних температурах стабилизации в виде больших кругов и квадратов для неповрежденного и поврежденного W соответственно. На вставленном графике изменение поверхностной плотности D показано как функция времени, полученная на dam 2. Показано также уменьшение поверхностной плотности D (полных квадратов) после воздействия атомного потока H за счет изотопного обмена при 380 К после fluence 4×1022 at/cm2 и при 490 К после fluence 2×1022 at/cm2.) Поверхностная площадная плотность D при 380 к примерно в 1,4 раза выше для поврежденного W, чем для неповрежденного W при 350 К, в то время как концентрация D при 490 К существенно не увеличилась для поврежденного W. поверхностная плотность D после изотопного обмена атомами H на dam 2 при двух различных температурах также показана на фиг.3. Поверхностная плотность D уменьшается до предела обнаружения при 490 К, но все еще обнаруживается при 380 К, что показывает, что удаление D на поверхности путем изотопного обмена является эффективным методом удаления. Для лучшего представления спектров ERDA до и после воздействия атома Н в случае 490 к приведены на Рис.1. 2С. Можно отчетливо наблюдать, что D пик поверхность исчезает и сигнал, Можно ясно наблюдать что пик поверхности D исчезает и сигнал где должен появиться пик поверхности H увеличивается. fluence H, необходимый для изотопного обмена, составляет 2×1022 H/ m2 при 490 К и 4×1022 H/ m2 при 380 К. Теперь мы сравним объемные концентрации D и H, полученные методом ERDA после кратковременного и длительного воздействия на неповрежденные и поврежденные образцы. Мы называем “объемной” концентрацией величину, полученную в результате подгонки спектров ERDA, достигающих 400 nm с исключением поверхностного пика. Объемные концентрации были получены путем суммирования спектров с суммированной дозой 13,68 мкС. Объемные концентрации в зависимости от fluence показаны на рис.4а для D и на рис. 4B для H. репрезентативные спектры ERDA для поврежденного W показаны на рис. 2. Спектры приблизительно после одного часа воздействия Д (fluence 3×1022 D/m2) и после 16 ч выдержки D (fluence 4×1023 D/m2) показаны на рис. 2a и b, соответственно, вместе с подогнанными спектрами SIMNRA. Можно видеть, что Н присутствует в основной массе образца еще до любого воздействия, рис. 2а. После одного часа воздействия D объемный сигнал D увеличивается, а объемные сигналы H и D перекрываются. Полученные объемные концентрации D после одного часа воздействия при 490 К (что соответствует fluence 3×1022 D/m2) почти в 2 раза выше для поврежденных образцов по сравнению с неповрежденным образцом (Рис.4). (Рис. 4 Объемная концентрация (А) D и (Б) имеет функцию fluence D для неповрежденных образцов, полученных в результате измерения ERDA.) Кроме того, после fluence 4×1023 D/m2 объемная концентрация D поврежденного W увеличивается в три раза, в то время как она остается постоянной в пределах точности измерений для неповрежденного W. с другой стороны, концентрация H уменьшается до предела обнаружения в случае поврежденных образцов. Это можно наблюдать из спектра на рис.2b, где объемный сигнал D увеличился по сравнению со спектром на рис.2А и она оставалась постоянной, в пределах точности измерения, также в области H-объема. Можно констатировать, что изотопный обмен в объеме происходил для поврежденного W, чего не наблюдалось в случае неповрежденного образца. По-видимому, уменьшение H тесно коррелирует (один к одному) с увеличением D во время воздействия атома D на поврежденный W, причем концентрация D достигает того же насыщения, что и H до воздействия. Это означает, что концентрация объемного насыщения H может представлять собой предельное количество удерживаемого водорода в вольфраме, и атомы H занимают возможные места связывания в объеме, которые в данном случае могут быть эффективно заменены D только при повреждении материала. Обратный объемный изотопный обмен (D на H) также был исследован на dam 2 после первого длительного воздействия при 480 К. При анализе интегрального объемного сигнала D в области "D-bulk1" до и после воздействия H он уменьшился с 12,4 ± 1,8 отсчетов до 9,75 ± 1,8 отсчетов, что соответствует примерно (27 ± 9)% - ному снижению после 160 мин воздействия атомов H, fluence 1×1023 H/m2. Соответствующие спектры ERDA до и после Н-облучения показаны на рис.2С. Экспонированные образцы были проанализированы ex situ 3He NRA в IPP, Гарчинг, чтобы определить количество D, удерживаемого в основной массе неповрежденного и поврежденного материала, и сравнить его с результатами, полученными ERDA. Профили глубины дейтерия после длительного воздействия для неповрежденных и поврежденных образцов вместе с профилем глубины повреждения показаны на рис. 5. (Рис. 5 Профиль глубины дейтерия для неповрежденных и поврежденных образцов, полученных методом измерения ex situ NRA. Дополнительные сведения см. в тексте и Таблице 1. Профиль глубины повреждения в dpa для dam 1 и dam 2 показан пунктирной линией, а для dam 3-пунктирной. Детали данных для первых нескольких сотен nm показаны на вставленном графике.) Концентрация D, полученная из NRA для dam 1 до 400 nm (диапазон глубины ERDA), составляет 0,4 at.%, что хорошо согласуется с измерением ERDA. Удержание D в неповрежденном образце более чем на порядок меньше по сравнению с dam 1. Концентрация D, измеренная NRA для неповрежденного W, примерно в 10 раз меньше, чем была получена ERDA, рис.4. Это может быть связано с тем, что образец находился в воздухе в течение некоторого времени, прежде чем была проведена NRA. Кроме того, вполне возможно, что связывание D в объеме не столь сильно, как в случае поврежденного W, а это означает, что оно может диффундировать наружу или глубже в образце в течение времени между измерениями ERDA и NRA. Это означает, что под ERDA мы видели динамическое удержание D, которое не наблюдается в течение более позднего ex situ NRA. Тем не менее, как было получено NRA, D проникает на глубину 1 мкм, где, как и в случае ERDA, мы могли обнаружить только до 400 nm. Для другого поврежденного образца, dam 2, он сначала подвергался длительному воздействию при 480 к, fluence 4,1×1023 D/m2, а затем при 380 к, fluence 3,1×1023 D/m2. Измеренная концентрация NRA dam 2 вблизи поверхности выше по сравнению с dam 1, так как температура образца была ниже и при этой температуре занято самое слабое место связывания. Поверхностная плотность, рассчитанная по первым двум точкам профиля глубины NRA для образца dam 2, составляет 16×1015 D/cm2. Это хорошо согласуется с измерением ERDA (22×1015 D/cm2), принимая во внимание, что образец находился в воздухе в течение некоторого времени между двумя измерениями и что измерение NRA не было выполнено в том же месте на образце, что и измерение ERDA. Поверхностная площадная плотность, измеренная методом ERDA, действительно увеличилась с 10×1015 D/cm2 в начале воздействия атома D до 22×1015 D/cm2 в конце длительного воздействия при 380 к. это увеличение может свидетельствовать о наличии некоторого поверхностного водородсодержащего загрязнения [9], но так как плотность площади D была стабильной в течение последних 6 ч, то увеличение также может быть связано с влиянием зондирующего ионного пучка. Профиль глубины для плотины 2 аналогичен профилю глубины для dam 1 за пределами 100 nm. Это указывает на то, что при 380 к диффузия D в объем происходит значительно медленнее по сравнению с 480 К, А D, полученный в объеме, в основном обусловлен первым длительным воздействием при 480 К. образец dam 3 подвергался примерно в пять раз меньшему fluence (7,5×1022 D/m2), чем первые два, и его профиль глубины повреждения был плоским до 2 мкм. D не диффундировал так глубоко (до 2 мкм), как в случае двух других (до 3,5 мкм), что указывает на то, что заполнение ловушек, вызванное повреждением образца, зависит от fluence. Влияние профиля глубины повреждения не наблюдается, так как D не распространялся достаточно глубоко, чтобы насытить все дефекты повреждения. 4. Выводы Взаимодействие между концентрацией водорода и дейтерия на поверхности и в “объеме” поврежденного W впервые было исследовано in situ методом ERDA при различных fluence и температурах атомов D и по сравнению с неповрежденным W. показано, что изотопный обмен активен на поверхности и даже в объеме в случае поврежденного W. покрытие поверхности при воздействии атома D выше монослоя и уменьшается с повышением температуры. Самое высокое покрытие поверхности получается при самых низких температурах образца, в нашем случае 380 К. Профиль глубины дейтерия до 6 лм в неповрежденном и поврежденном W после длительного воздействия D был также измерен ex situ с помощью NRA. Это первый случай, когда удержание D глубоко в объеме наблюдается и изучается в W при воздействии термических атомов D. Удержание D выше для поврежденных W, но сохраняется даже в неповрежденных В.
