Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (Новосибирский государственный университет, НГУ)

Физический факультет

Квалификационная работа на соискание

степени бакалавра

Кафедра физики плазмы____________________________________________

__________________________________________________________________

Васильев Александр Александрович

Название работы:

Термодесорбционный анализ изотопов водорода на поверхности мишеней,_________ облученных потоками плазмы_________________________________________________ _____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

Научный руководитель:

к. ф.-м. н. Шошин Андрей Алексеевич________________________________

Новосибирск – 2012 год

Содержание

1. Введение и постановка задачи 3

2. Теоретическая часть и методика 4

3. Экспериментальная часть

   1. Установка ГОЛ-3 12

   2. Станция ТДА 14

4. Результаты и их обсуждение 18

5. Выводы и заключения 22

6. Список литературы 23

1. Введение

Современная человеческая цивилизация очень сильно зависит от различных источников энергии. Трудно представить нашу жизнь без каких-либо энергопотребляющих приборов. Но промышленность, транспортная инфраструктура и другие отрасли нашего общества каждый день используют все большее и большее количество энергии. С другой стороны, количество традиционно используемых природных энергоресурсов, таких как уголь, нефть и газ, убывает с каждым днем. При этом скорость их восстановления безусловно не может восполнить то, что расходует человек. Именно поэтому так важно найти альтернативные источники энергии. Одним из них способен стать так называемый управляемый термоядерный синтез (УТС), основанный на слиянии легких ядер в более тяжелые с выделением большого количества энергии. УТС возможен только в очень нагретом веществе – плазме, т.к. для него необходимо преодолеть силы кулоновского отталкивания между ядрами. Но с другой стороны, управляемый термоядерный синтез сложно осуществить. Одна критических задач в области УТС – взаимодействие плазмы и материала стенки реактора – наиболее остро встала на примере токамака ИТЭР – экспериментального прототипа термоядерного реактора на основе DT-реакции. При облучении дейтерий-тритиевой плазмой материалов возможно накопление радиоактивного трития. На площадке ИТЭРа лицензией разрешено 700 грамм трития, и в случае превышения разрешенного значения потребуется остановка на очистку или полное закрытие установки. Задача данных исследований – определение параметров сорбции изотопов водорода (энергии активации, порядок десорбцинной кинетики, предэкспоненциальный множитель, полный выход) на поверхности материалов стенки термоядерного реактора после облучения потоками дейтериевой плазмы.

Данное исследование является частью совместного проекта ИЯФ СО РАН с Исследовательским центром Юлих (Германия) по изучению взаимодействия плазмы с материалами термоядерного реактора.

1. Метод термодесорбционного анализа

Метод термодесорбционного анализа (ТДА) является наиболее прямым методом получения информации о концентрации адсорбированных частиц и энергии связи на поверхности. В основе метода лежит явление испарения в вакуум адсорбированных газов с поверхности материала. В простейшем варианте метода ТДА информацию о процессах десорбции получают из анализа зависимостей давления в замкнутом объеме от температуры образца.

В большинстве опытов в качестве парциальных манометров применяют масс-спектрометры. Они позволяют не только контролировать чистоту исследуемых газов, но также продвинуться в область изучения адсорбции смесей газов и регистрировать потоки конденсирующихся веществ и радикалов. Масс-спектрометры обладают высокой чувствительностью и при использовании в методе ТДА обеспечивают регистрацию до 10^-5 монослойного покрытия адсорбата, десорбирующегося в виде конденсирующегося вещества при площади поверхности адсорбента ~ 1 см².

При рассмотрении феноменологической теории метода ТДА следует различать диффузионный и кинетический режимы газовыделения.

Диффузионный режим обычно наблюдается в области самодиффузии собственных ионов решетки и при объемном начальном распределении адсобированного вещества. В этом случае процесс газовыделения описывается решением уравнений Фика с учетом соответствующих начальных и граничных условий, а также геометрии образца. Наличие зависимости коэффициента диффузии от температуры усложняет математический аппарат. Обычно полагают, что температурная зависимость коэффициента диффузии может быть описана уравнением Аррениуса:

где D₀ – предэкспоненциальный множитель, Е – энергия активации диффузии, R - газовая постоянная, Т – температура. В режиме линейного нагревания температура увеличивается по закону:

где Т - температура образца, Т₀ - начальная температура, b - скорость увеличения температуры (град/мин), t - время нагревания (мин). Тогда временную зависимость коэффициента диффузии можно представить в виде:

Для получения зависимости потока от времени нет необходимости в специальном решении исходных дифференциальных уравнений с учетом временной зависимости коэффициента диффузии: можно воспользоваться готовыми выражениями для постоянного коэффициента диффузии (полученными при соответствующих краевых условиях), заменив в них все D на D(t) по уравнению (1), а все произведения - на τ­­­­_и (так называемое интегральное время):

где T₀ – начальная температура, T – текущая температура, θ – переменная интегрирования. В режиме линейного увеличения температуры:

К сожалению, зависимость (2) не может быть представлена в аналитическом виде и интегрально-показательную функцию находят, используя табулированные значения для различных величин Е и b. Для |τ|>1:

В случае сферы радиуса r₀ с равномерным распределением адсорбата поток газа из образца в режиме линейного нагревания имеет вид:

где N₀ – концентрация в начале нагрева, S – площадь поверхности сферы. То же самое в нормированном виде:

Как следует из уравнения (3), поток газа из образца по мере роста температуры описывает максимум, асимметрично расширенный в сторону низких температур.

Рис 1 ― Теоретические кривые термостимулированной десорбции в режиме линейного нагревания. а) Нормировка на площадь пика; б) Нормировка на высоту пика. 1 - кинетический режим; 2 - диффузия из пластины c равномерным распределением адсорбированного газа, 3 – то же самое из сферы.

На рис. 1 приведены кривые газовыделения при линейном нагревании, рассчитанные для образцов различных геометрий (пластина, сфера) и различных механизмов диффузии (объемная диффузия и кинетический режим диффузии). Видно, что геометрия образца сказывается сильнее всего на низкотемпературном участке пика. При одних и тех же значениях параметров диффузии и размеров образца максимальная скорость газовыделения из сферы достигается при более низкой температуре, пик шире и симметричнее, чем при выделении из образцов других геометрии.

На форму пиков ТД-спектра существенное влияние оказывает функция распределения адсорбата по толщине образца: равномерное распределение, описываемое функциями ехр(-х) или х⋅ехр(-х), в виде плоского источника, замурованного на некотором расстоянии от поверхности. При диффузии из полуограниченного твердого тела для обработки результатов можно воспользоваться формулой [5]:

где Е – энергия активации десорбции в ккал/моль, b – скорость нагрева в град/мин, k₀=D₀/d² с^-1, d – постоянная решетки, T_M – температура пика газовыделения. Коэффициенты А и В для различных начальных распределений адсорбированного вещества приведены в табл.1.

Таблица 1 — Коэффициенты А и В для расчетной формулы (4) [5]

Рис. 2 ― Влияние на ТДС-спектры предварительной дегазации образца

1 - время предварительной десорбции t=π²D∆t/H²=0, 2 - 0,002, 3 - 0,005: 4 - 0,01, 5 - 0,02, 6 - 0,05 (H – полутолщина пластины или радиус сферы(цилиндра)). а) Нормировка на площадь пика; б) Нормировка на высоту пика

Отметим, что чем глубже расположен в начальный момент времени адсорбированный газ, тем при более высокой температуре происходит газовыделение (рис. 3 [6]). Кроме того, классическая форма линий ТД-спектра часто искажается из-за потери диффузанта при манипуляциях с образцом после адсорбции. На рис. 2 приведены кривые термостимулированного газовыделения из образцов первоначально с равномерным распределением адсорбированного газа, но затем подвергнутых диффузионному отжигу в течение определенного времени. Видно, что обеднение приповерхностного слоя образца приводит к изменению низкотемпературного участка ТД-спектра, причем по мере увеличения времени предварительной дегазации кривые стремятся к зависимости, характерной для кинетического режима диффузии.

Рис. 3 ― Влияние исходного распределения метки по глубине образца на форму ТД-спектра. А) Влияние глубины залегания монослоя газа (Е=2 эВ, b=20 К/с, k₀=10¹³ с^-1) 1 - глубина залегания метки - 5, 2 - 10, 3 - 20, 4 - 40, 5 - 60, 6 - 80, 7 - 100 постоянных решетки; Б) Гауссовcкое распределение метки по толщине образца (Е=2 эВ, b=20 К/c, k₀=10¹³ с^-1) Средняя глубина залегания метки h=10 (а), 20 (б), 30 (в) постоянных решетки, ширина концентрационного профиля δ= h/10 (1), h/5 (2), h/2 (3)

Кинетический режим газовыделения встречается при больших временах объемной диффузии (при больших долях газовыделения F≥80%, точнее - через время τ=r₀²/4π²D) ( F=М_t/М_∞ , М_t и М_∞ - количества выделившегося газа в момент времени t и в конце эксперимента). Однако часто кинетический режим наблюдается в течение всего эксперимента. Подобное выделение газа характерно для десорбции с поверхности, диффузии в сильно дефектных средах, при начальном концентрировании адсорбата в тонком приповерхностном слое, в случае образцов с сильно развитой поверхностью, а также при наличии интенсивных твердофазных процессов: отжига дефектов, фазовых переходов, твердофазных реакции и др. В этом режиме газовыделение практически не зависит от типа начального концентрационного профиля и геометрии.

В кинетическом режиме уравнение для 2-го закона Фика переходит в уравнение химической реакции первого порядка:

где d - величина диффузионного скачка (сравнима с постоянной кристаллической решетки), С - число атомов газа, оставшихся в образце к моменту времени t. Тогда поток газа из образца в режиме линейного нагревания описывается уравнением (3), в котором можно ограничиться первым членом ряда:

Для больших значений энергий активации можно записать:

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы