В.С. ЕФИМОВ, А.Г. ПОСКАКАЛОВ Научный руководитель – А.А. ПИСАРЕВ, д.ф.-м.н., профессор

В.С. ЕФИМОВ, А.Г. ПОСКАКАЛОВ
Научный руководитель – А.А. ПИСАРЕВ, д.ф.-м.н., профессор
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ГЕЛИЯ
В ВОЛЬФРАМОВОМ «ПУХЕ» МЕТОДОМ
ТЕРМОДЕСОРБЦИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Была измерена концентрация гелия в наноструктуре типа «вольфрамовый пух»
с помощью термодесорбционной спектроскопии (ТДС). Сильно развитая наноструктура была сформирована на поверхности вольфрама под действием интенсивного плазменного облучения при температуре 1473 K. Концентрация гелия была
получена исходя из уменьшения накопления гелия после удаления слоя «пуха».
Удаленный слой содержал около 60 % общего количества захваченного гелия, а
концентрация гелия была оценена на уровне 13 ат. %.
В ряде экспериментов на линейных плазменных симуляторах [1,2] было
показано, что при облучении большими потоками гелиевой плазмы поверхности вольфрама при температуре 1000–1200 °C наблюдается рост
специфического наноструктурированного слоя, состоящего из тонких переплетенных вольфрамовых нитей толщиной несколько десятков нанометров и длиной до нескольких микрометров. Внутри нитей наблюдается
множество гелиевых пузырей. В литературе эта структура называется
вольфрамовым «пухом» (fuzz). Аналогичные структуры были получены и
на других материалах. При сформированном вольфрамовом пухе, для поверхности существенно меняются важные свойства материала, такие как
излучательная способность, коэффициент распыления, теплопроводность и
др. С одной стороны, подобные наноструктуры могут с огромной пользой
применяться в электронике. С другой стороны, применительно к управляемому термоядерному синтезу, что для нас имеет приоритетное направление, данная структура может оказать негативное воздействие, существенно
увеличивая эрозию обращенного к плазме материала. Поэтому изучение
механизмов роста этой наноструктуры является очень перспективным.
Существует несколько моделей, описывающих рост этой структуры [36]. Различные процессы играют огромную роль при формировании «пуха».
Одним из критических параметров в этих моделях является высокая концентрация гелия в поверхностном слое, при которой начинается рост пуха.
Согласно вычислениям, полученным с помощью молекулярной динамики
[6], эта концентрация должна превышать 10 ат.%.
Несмотря на интенсивное изучение этого явления, на данный момент
существует только одна работа, в которой приводятся данные о концентрации гелия в этих структурах. Согласно оценкам [7], концентрация гелия в
вольфрамовом пухе на уровне нескольких атомных процентов. Эти данные
не очень хорошо согласуются с рядом теоретических моделей.
В данной работе концентрация гелия в вольфрамовом пухе определялась методом термодесорбционной спектроскопии. Образец вольфрама
толщиной 25 мкм, на котором был сформирован слой вольфрамового пуха
при облучении гелиевой плазмой дозой 1x1027 Не/м2 при температуре 1200
°С, был разломан на несколько частей. Содержание гелия в одном из них
было определено без предварительной подготовки. На втором образце слой
вольфрамового пуха был удален механически. Из сравнения содержания
гелия в образцах было определено интегральное содержание гелия в удаленном слое. Из массы удаленного слоя, полученной взвешиванием, было
определено количество вольфрама. Согласно полученным данным, содержание гелия в вольфрамовом пухе было оценено на уровне 13 ат.%, что
существенно больше чем в [7].
Рис. 1. SEM фотографии наноструктуры типа «вольфрамовый пух» с разным увеличением после выдержки в гелиевой плазме при температуре 1473K
Список литературы
1. M.J. Baldwin and R.P. Doerner, Nucl. Fusion 48 (2008) 035001.
2. S.Kajita et al., Nucl. Fusion 49 (2009) 095005
3. S. Kajita, N. Yoshida, R. Yoshihara et al., J.Nucl.Mater, 418 (2011) 152-158.
4. S. Krasheninnikov, Phys. Scr. T145 (2011) 014040.
5. Yu.V. Martynenko and M.Yu. Nagel’. Plasma Physics Reports, 2012, Vol. 38, No. 12,
pp. 996–999.
6. R.D. Smirnov and S.I. Krasheninnikov, Nucl. Fusion 53 (2013) 082002.
7. K.B. Woller, D.G. Whyte, G.M. Wright. Journal of Nuclear Materials, 463 (2015) 289–293.