Диссертация (1025103), страница 20
Текст из файла (страница 20)
3.28, 3.29). Из данных Рис. 3.30 можно сделать качественный136вывод, что эффективность взаимодействия плазмы со стенками Cu трубкизависит от внешнего магнитного поля. Это хорошо видно из Рис. 3.30, б, в:воздействие Ar плазмы в магнитном поле на стенки медной трубки приводит кобразованию стеклообразной структуры, содержащей капли металла.Механические свойства покрытий также сильно зависят от способаобработкиповерхностиплазмой.Высокиезначениямикротвердостинелегированной Cu в слоях 50 нм связаны с размерным эффектом [107].Уменьшение HV покрытий после обработки поверхности D плазмой, скореевсего, вызвано отжигом Cu, микротвердость которой резко падает с ростомтемпературы.
Этот же процесс отжига Cu наблюдается и в покрытиях приобработке Ar плазмой в магнитном поле, однако присутствие довольно высокойплотностишарообразныхскопленийчастицметалла(W,Ni,Fe),распределенных по толщине покрытия, приводит к эффективному увеличениюHV до 25 ГПа, что близко к значению микротвердости исходной Cu (27 ГПа).P(H) диаграммы подтверждают наличие тонкого слоя 20 ÷ 30 нм, болеепрочного по сравнению с остальной частью покрытия.3.11. Выводы по главе 31.
Разработаны устройства и предложены методики нанесения тонкихметаллических пленок на поверхность диэлектрических подложек (стекол) наустановке типа Плазменный фокус. Предложенные методики позволяютизбежать повреждения поверхности подложки прямым плазменным потоком, атакже уменьшить концентрацию неконтролируемых примесей, испаряемых санодного узла при электрических разрядах, в напыляемых пленках.2.
Впервые на установке Плазменный фокус получены оптически тонкиекомпозитные пленки на основе титана на диэлектрических подложках (стеклах)без заметной деструкции их поверхности. Показано, что можно получатьсравнительно большие по площади пленки, имеющие при этом достаточнуюоднородность.1373. Экспериментально показано, что с помощью установки «Плазменный фокус»можно получать тонкие проводящие пленки на диэлектрических подложках,причем проводимость возникает в локальных участках при определенномподаваемом пороговом напряжении. При этом проводящие свойства пленокобусловлены наличием тонкого слоя углерода, наносимого в процессевоздействия плазмы на поверхность стекол.4.
Продемонстрировано нанесение защитных покрытий на внутреннююповерхность длинной (l = 70 мм, d = 14 мм) медной трубки при облучении наустановке «Плазменный фокус». При этом установлено, что дейтериеваяплазменная струя, попадая в такую трубку коллимирует в тонкие струидиаметром 2 ÷ 3 мм, причем формирование этих струй и их движение независят от материала трубок (медь, нержавеющая сталь). Высокой прочностьюобладают покрытия, полученные при обработке внутренней полости Cu трубокAr плазмой в магнитном поле ≤ 0,1 Т.5.
Методом резерфордовского обратного рассеяния изучено распределениеэлементов в тонких диэлектрических пленках, полученных «при испарении Cuи W в электродном узле установки ПФ-4 типа «Плазменный фокус», в меднойтрубке и осаждении на стеклянные подложки из силикатного стекла. Из анализаполученных результатов следует, что под поверхностью твердого тела (стекла,металла) формируются композиционные слои из напыляемых элементов (C, W,Cu, Fe, Ni), поступающих с анодного узла установки.
Глубина залегания слоевзависит от энергии плазменной струи и ее скорости, для установки ПФ-4глубина составляет ~20 ÷ 200 нм. «Хвосты» профилей распределения элементовпростираются до глубин ~1,5 мкм. Таким образом, напыление пленок наустановке типа «плазменный фокус» фактически приводит к легированиюхимическими элементами поверхности материала и может быть использованодля придания ей особых физических свойств» [103].138Глава 4. Исследование проникновения и перераспределения изотоповводорода в конструкционные материалы4.1. Распределение дейтерия и водорода в Zr, Ni и Ti сборках фольг привоздействии импульсной дейтериевой высокотемпературной плазмыВ настоящее время ведутся интенсивные исследования в области физикивысокой плотности энергии, выполняемые, например, с использованием пикои фемтосекундных импульсов, генерируемых мощными лазерами [152, 153].Такого рода исследования проводятся, в частности, для изучения процессов,индуцированныхкороткими лазерными импульсами в твердых телах,–лазерного распыления, абляции, перераспределения примесныхатомов,фазообразования и фазовых превращений, возникновения мощных ударныхволн и их проявлений в твердых телах [69, 145].
Другим важным направлениемв области физики высокой плотности энергий являются исследования попрограмме лазерного управляемого ядерного синтеза по воздействию навещество мощных импульсов лазерного излучения. В указанных вышепроцессах осуществляется экстремально высокое энерговыделение в вещество,при котором теплопроводность (электронная, лучистая и фононная) не успеваетохладить мишень за время импульсного нагрева. Однако в связи с тем, чтодлина волны лазера мала, а высокочастотный скин-эффект значительноуменьшает глубину проникновения света в твердое тело, а также и вобразующуюся при этом плотную приповерхностную плазму, то в этихпроцессах имеют место лишь поверхностные эффекты.В то же время известно [1, 154], что при работе термоядерного реактора смагнитным удержанием плазмы в материале первой стенки будет происходитьнакопление компонентов плазмы - дейтерия и трития, а также продуктатермоядерной реакции - гелия.
Процессы накопления и адсорбции-десорбции139газовых атомов указанных элементов, в частности изотопов водорода, являютсявесьма важными и требуют подробного изучения [69, 145].Целью исследований, описанных в настоящей главе, является изучениераспространения ударных волн в металлических фольгах по эффектам,обусловленным процессами перераспределения и накопления ионов отимпульсной дейтериевой плазмы и присутствующей газовой примеси –водорода.Исследованияданныхэффектовпроводилисьметодамидетектирования ядер отдачи дейтерия и водорода (elastic recoil detectionanalysis – ERDА) и резерфордовского обратного рассеяния (Rutherfordbackscattering spectrometry – RBS) (см. п. 2.11.4).Сборки из двух плотно прижатых одинаковых фольг (полученных отфирмы «Goodfellow Cambridge Limited») никеля (99,98 %), циркония (99,8 %) ититана (99,6 %) были облучены на установке ПФ-4 (см.
п. 2.1, 2.2) [155-158]пятнадцатью импульсами дейтериевой плазмы (Рис. 2.14 в п. 2.7). Размерыкаждой фольги – 10 × 15 мм2, толщины фольг – 0,25 мм (Ni), 0,30 мм (Zr) и0,25 мм (Ti) при разбросах по толщине – не более ± 10 % и по габаритнымразмерам – не более ± 0,5 мм.При воздействии дейтериевой плазмы на образцы проводилось такжеизмерение выхода нейтронов по термоядерной реакции + → + издейтериевой плазмы и мишеней нейтронными детекторами, описанными в [159,160].Дляполученияпрофилейраспределенияиэлементногосоставаоблученных плотно прижатых одинаковых фольг применялся анализирующийпучок ионов гелия с энергией 2,3 МэВ при скользящем угле падения на образецв 15° на электростатическом генераторе ЭГ-5 (ОИЯИ) (см.
п. 2.11.4). Обработкаспектров была проведена с применением стандартной программы SIMNRA 6.06[121].На Рис. 4.1 изображены ERDA спектры, снятые с каждой стороны каждойфольги сборок фольг Ti|Ti, Zr|Zr и Ni|Ni. Введенное обозначение 1Me-12подразумевает следующее: наличие первого верхнего индекса означает140переднюю сторону фольги; Me – название металла; цифра после тире означаетномер фольги; второй верхний индекс означает заднюю сторону фольги.В Таблицах 7, 8, 9 указаны значения концентраций элементов по глубинедля трех сборок Zr|Zr (Таблица 7), Ti|Ti (Таблица 8) и Ni|Ni (Таблица 9).Рис. 4.1. ERDA спектры всех фольг из трех сборок Ti|Ti, Zr|Zr и Ni|Ni.Стрелками слева показано направление воздействия пятнадцати импульсовдейтериевой плазмы на сборку из двух металлических фольгНа поверхности образца при снятии спектров RBS и ERDA всегдаприсутствуетконцентрацииуглеводороднаяэлементовприпленка,котораяобработкестакжеможетизменятьаппроксимациейспектровпрограммой SIMNRA 6.06 [116].Следует также отметить, что при облучении на установке ПФ-4дейтериевой высокотемпературной плазмой сборок фольг Me|Me по мере141накопления имплантированного дейтерия наблюдалось превышение над фономвыхода нейтронов.Для ионов дейтерия с максимальной энергией в импульсе дейтериевойплазмы ED = 10 кэВ (при их максимальной скорости до ~108 см/с) значенияпроективного пробега в цирконии, титане и никеле, рассчитанные с помощьюпрограммы SRIM [161], составляют соответственно RpZr = 875 ± 647 Å,RpTi = 1119 ± 647 Å и RpNi = 694 ± 526 Å.
Из экспериментальных данных,полученных в настоящей работе, были определены значения глубиныпроникновения дейтерия в облученных образцах циркония, титана и никеля. Вчастности, для циркония значение максимальной глубины проникновения Xмакссоставляет 2,75·1018 ат./см2 (см. Таблицу 7), или 875 нм.
Для титана значениеXмакс составило 3,25·1018 ат./см2 (см. Таблицу 8), или 611 нм. Для никелязначение Xмакс составило 5,5·1017 ат./см2 (см. Таблицу 9), или 61 нм.Таблица 7.Распределение элементов скаждой стороны каждой фольги из сборки Zr|Zr,облученной 15 импульсами D+ плазмы на ПФ-4142Таблица 8.Распределение элементов с каждой стороны каждой фольги из сборки Ti|Ti,облученной 15 импульсами D+ плазмы на ПФ-4Таблица 9.Распределение элементов с каждой стороны каждой фольги из сборки Ni|Ni,облученной 15 импульсами D+ плазмы на ПФ-4143Небольшое отступление: следует сказать о том, каким образомпересчитывается глубина проникновения из размерности [ат./см2] в [нм].Точные значения глубин проникновения мы получаем из программы SIMNRA сразмерностью [ат./см2].
Затем, мы знаем, что наш образец условно разделен наслои, имеющие каждый свою концентрацию элементов. Беря справочныезначенияатомнойплотностикаждогоэлемента(размерностьат./см3),входящего в определенный слой, умножая на долю концентрации элемента вэтом слое (представлены в % в Таблицах 7-9) и суммируя, получаем среднеезначение атомной плотности в определенном слое. Процедура повторяется длякаждого слоя. Получится столько средних значений атомных плотностей,сколько слоев. Далее нужно разделить толщину слоя [ат./см2] на среднююплотность этого слоя [ат./см3], таким образом, мы и получим значение глубиныпроникновения с привычной размерностью [см], которые для удобства можноперевести в нм или Å.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
