Коэффициенты распыления бериллия и вольфрама различными атомами от водорода до вольфрама

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

С помощью компьютерного моделирования рассчитаны коэффициенты распыления мишеней из Be и W, перспективных материалов для первой стенки и дивертора в токамаке ИТЭР, в широком диапазоне энергий налетающих атомов 10–100 000 эВ. В качестве налетающих частиц выбраны атомы: H, D, T, He, Be, C, N, O, Ne, Ar, W. Показано сильное влияние формы поверхности на получаемые результаты. Рассмотрены предельные случаи плоского потенциального барьера (гладкая поверхность) и сферического потенциального барьера (шероховатая поверхность). Получены данные о средней энергии и угловых распределениях распыленных атомов, необходимые для расчета поступления примесей в плазму токамака. Оценено поступление атомов материала стенки в плазму токамака ИТЭР при распылении стенки потоками быстрых атомов дейтерия и трития, покидающими плазму.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. С. Михайлов

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

П. Ю. Бабенко

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Автор, ответственный за переписку.
Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. П. Шергин

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Н. Зиновьев

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Бабенко П.Ю., Михайлов В.С., Зиновьев А.Н. // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49. №8. С. 42. doi: 10.21883/PJTF.2023.08.55138.19432
  2. Бабенко П.Ю., Михайлов В.С., Шергин А.П., Зиновьев А.Н. // ЖТФ. 2023. Т. 93. №5. С. 709. doi: 10.21883/JTF.2023.05.55467.12-23
  3. Михайлов В.С., Бабенко П.Ю., Шергин А.П., Зиновьев А.Н. // ЖЭТФ. 2023. Т. 163.
  4. Babenko P.Yu., Mironov M.I., Mikhailov V.S., Zinoviev A.N. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2020. V. 62. N4. ArtNo: 045020. doi: 10.1088/1361-6587/ab7943
  5. Afanasyev V.I., Mironov M.I., Nesenevich V.G., Petrov M.P., Petrov S.Y. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2013. V. 55. N4. P. 045008. doi: 10.1088/0741-3335/55/4/045008
  6. Ziegler J.F., Biersack J.P. SRIM. http://www.srim.org.
  7. Behrisch R., Eckstein W. Sputtering by Particle Bombardment. Berlin: Springer, 2007. doi: 10.1007/978-3-540-44502-9
  8. Clark R.E.H. Atomic and plasma-material interaction data for fusion, V. 7. Part B. Viena: IAEA, 2001.
  9. Granberg F., Byggmästar J., Nordlund K. // J. Nucl. Mater. 2021. V. 556. P. 153158. doi: 10.1016/j.jnucmat.2021.153158
  10. Bjorkas C., Nordlund K. // J. Nucl. Mater. 2013. V. 439. P. 174. doi: 10.1016/j.jnucmat.2013.04.036
  11. Lyashenko A., Safi E., Polvi J., Djurabekova F., Nordlund K. // J. Nucl. Mater. 2020. V. 542. P. 152465. doi: 10.1016/j.jnucmat.2020.152465
  12. Bjorkas C., Juslin N., Timko H., Vortler K., Nordlund K., Henriksson K., Erhart P. // J. Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 445002. doi: 10.1088/0953-8984/21/44/445002
  13. Прокофьев М.В., Светухин В.В., Тихончев М.Ю. // Изв. Самарского НЦ РАН. 2013. Т. 15. №4. С. 1024.
  14. Зиновьев А.Н., Бабенко П.Ю. // ПЖЭТФ. 2022. Т. 115. №9. С. 603. doi: 10.31857/S1234567822090105
  15. Zinoviev A.N., Nordlund K. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. Sect. B. 2017. V. 406. P. 511. doi: 10.1016/J.NIMB.2017.03.047
  16. Zinoviev A.N., Babenko P.Yu., Nordlund K. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. Sect. B. 2021. V. 508. P. 10. doi: 10.1016/j.nimb.2021.10.001
  17. Primetzhofer D., Rund S., Roth D., Goebl D., Bauer P. // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. N16. P. 163201. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.163201
  18. Mann A., Brandt W. // Phys. Rev. B. 1981. V. 24. N9. P. 4999. doi: 10.1103/PhysRevB.24.
  19. Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М.: Мир, 1995.
  20. Falcone G., Gullo F. // Phys. Lett. A. 1987. V. 125. Iss. 8. P. 432. doi: 10.1016/0375-9601(87)90178-2
  21. Sigmund P. // Phys. Rev. 1969. V. 184. P. 383. doi: 10.1103/PhysRev.184.383
  22. Behrisch R., Maderlechner G., Scherzer B.M.U., Robinson M.T. // Appl. Phys. 1979. V. 18. Iss. 4. P. 391. doi: 10.1007/BF00899693
  23. Мелузова Д.С., Бабенко П.Ю., Зиновьев А.Н., Шергин А.П. // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. №24. С. 19. doi: 10.21883/PJTF.2020.24.50422.18487
  24. Yang X., Hassanein A. // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 293. P. 187. doi: 10.1016/j.apsusc.2013.12.129
  25. Yamamura Y., Tawara H. // Atom. Data Nucl. Data Tabl. 1996. V. 62. P. 149. doi: 10.1006/ADND.1996.0005
  26. Brezinsek S. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 463. P. 11. doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.12.007
  27. Afanasyev V.I., Chernyshev F.V., Kislyakov A.I., Kozlovsky S.S., Lyublin B.V., Mironov M.I., Melnik A.D., Nesenevich V.G., Petrov M.P., Petrov S.Ya. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2010. V. 321. P. 456. doi: 10.1016/j.nima.2010.06.201
  28. Миронов М.И., Чернышев Ф.В., Афанасьев В.И., Мельник А.Д., Наволоцкий А.С., Несеневич В.Г., Петров М.П., Петров С.Я. // Физика плазмы. 2021. Т. 47. №1. С. 29. doi: 10.31857/S0367292121010108
  29. Makarov S., Kaveeva E. // MATEC Web of Conferences. EECE-2018 V. 245 P. 13002. doi: 10.1051/matecconf/201824513002
  30. Gervids V.I., Kogan V.I. // JETP Lett. 1975. V. 21 № 6. P. 150.
  31. Meade D.M. // Nucl. Fusion. 1974. V. 14. Iss. 2. P. 289. doi: 10.1088/0029-5515/14/2/017
  32. Bell K.L., Gilbody H.B., Hughes J.G., Kingston A.E., Smith F.J. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1983. V. 12. Iss.4. P. 891. doi: 10.1063/1.555700
  33. Kwon D.-H., Rhee Y.-J., Kim Y.-K. // Int. J. Mass Spectrom. 2006. V. 252. Iss. 3. P. 213. doi: 10.1016/j.ijms.2006.03.007
  34. Kukushkin A.S., Pacher H.D., Kotov V., Pacher G.W., Reiter D. // Fusion Eng. Des. 2011. V. 86 Iss.12. P. 2865. doi: 10.1016/j.fusengdes.2011.06.009
  35. Senichenkov I.Yu., Kaveeva E.G., Sytova E.A., Rozhansky V.A., Voskoboynikov S.P., Veselova I.Yu., Coster D.P., Bonnin X., Reimold F., ASDEX-Upgrade Team // Plasma Phys. Control. Fusion. 2019. V. 61 Iss.4. P. 045013. doi: 10.1088/1361-6587/ab04d0
  36. Jesko K., Marandet Y., Bufferand H., Gunn J.P., van der Meiden H.J., Ciraolo G. // Contrib. Plasma Phys. 2018. V. 58. Iss. 6–8. P. 798. doi: 10.1002/ctpp.201700186
  37. Rozhansky V., Kaveeva E., Senichenkov I., Vekshina E. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2018. V. 60. Iss. 3. P. 035001. doi: 10.1088/1361-6587/aaa11a
  38. Köchl F., Loarte A., de la Luna E., Parail V., Corrigan G., Harting D., Nunes I., Reux C., Rimini F.G., Polevoi A. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2018. V. 60. Iss. 7. P. 074008. doi: 10.1088/1361-6587/aabf52

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Форма потенциального барьера для различных поверхностей: (а) плоскостной барьер (гладкая поверхность), (б) сферический барьер (поверхность, состоящая из остриев). Жирной стрелкой указано направление вылета распыленной частицы. Пунктирными стрелками показаны направления силовых линий электрического поля

Скачать (136KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Коэффициенты распыления для мишени из бериллия атомами H, D, T, He, C, N, O, Ne, Ar для нормального падения пучка на мишень в зависимости от энергии налетающих атомов: (а) – плоскостной барьер, плоская поверхность, (б) – сферический барьер, поверхность, состоящая из отдельных атомов

Скачать (285KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Коэффициенты распыления для мишени из вольфрама атомами H, D, T, He, C, N, O, Ne, Ar, W для нормального падения в зависимости от энергии налетающих атомов: (а) – плоскостной барьер, плоская поверхность, (б) – сферический барьер, поверхность, состоящая из отдельных атомов

Скачать (294KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость отношения пороговой энергии для распыления к энергии сублимации от соотношения масс сталкивающихся частиц. Результаты наших расчетов: мишень из Be, открытые кружки – сферический барьер, заполненные кружки – плоскостной барьер; мишень из W, открытые квадраты – сферический барьер, заполненные квадраты – плоскостной барьер. Маленькие черные точки – результаты работы [6]. Линии – аппроксимации (см. текст)

Скачать (103KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Коэффициент распыления мишени из бериллия атомами: (а) He, (б) Be, (в) O, (г) Ne, (д) Ar в зависимости от энергии бомбардирующих частиц. Наш расчет: для плоского барьера – линия с квадратами, для сферического барьера – линия с кружками. Синяя сплошная линия – расчет группы Экштайна [7]. Точки – результаты экспериментальных работ, приведенных в монографии [6]. На рис. 5a штриховой линией показан расчет по формуле (2) [19]

Скачать (320KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Коэффициент распыления мишени из вольфрама атомами: (а) – He, (б) – Be, (в) – O, (г) – Ne, (д) – Ar и (е) – W в зависимости от энергии бомбардирующих частиц. Наш расчет: для плоского барьера – линия с квадратами, для сферического барьера – линия с кружками. Синяя сплошная линия – расчет группы Экштайна [6,7]. Точки – результаты экспериментальных работ, приведенных в монографии [6]. Штриховая линия – расчет по формуле (2) [19]. Для случая Be-W приведены данные расчетов из работ [22,23] (квадраты и треугольники) с использованием методов молекулярной динамики, пунктирная кривая – расчет с использованием формул из работы [24], штрихпунктирная линия – расчет программой SDTrimSP из работы [25]

Скачать (378KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость средней энергии распыленного атома от начальной энергии бомбардирующей частицы при облучении различными атомами: (а) – мишень из Be, (б) – мишень из W. Сплошные точки – плоскостной поверхностный барьер, открытые точки – сферический барьер

Скачать (247KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Нормированное угловое распределение распыленных частиц для сферического поверхностного потенциального барьера: (а) случай He-Be; (б) случай He-W; (в) W-W

Скачать (291KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Нормированные угловые зависимости распыленных частиц для случая плоскостного потенциального поверхностного барьера: (а) случай He-Be; (б) случай He-W; (в) случай W-W

Скачать (294KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Энергетический спектр dN/dE атомов дейтерия и трития, бомбардирующих первую стенку токамака. θn – угол падения относительно нормали к поверхности, φn = 0°. Рисунок взят из нашей работы [4]

Скачать (100KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость вклада быстрых атомов D и T, покидающих плазму, от их энергии в распыление стенки из Be и W для различных поверхностных потенциальных барьеров. Сплошные линии – плоскостной барьер, штриховые линии – сферический барьер

Скачать (129KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024