Лазерная диагностика накопления изотопов водорода во взаимодействующих с плазмой материалах токамака (промежуточный, 2 этап)

Создан макет лазерной диагностики содержания изотопов водорода на основе лазерно-индуцированной абляции (ЛИА) и лазерно-индуцированной десорбции (ЛИД). В качестве опорной системы регистрации остаточных газов используется метод квадрупольной спектрометрии (КМС), а также исследуется возможность использования оптической спектроскопии в пеннинговском разряде. Компьютерное моделирование лазерного воздействия в режиме ЛИД показало, что для нагрева плёнок вольфрама выше порога начала десорбции дейтерия (500 К) при длительности импульса 200 мкс требуется поверхностная плотность энергии выше 100 Дж/см2. Эксперимент полностью подтвердил результаты моделирования. В дальнейшем для процесса ЛИД использовались плотности энергии 100 и 150 Дж/см2. Количество атомов дейтерия в идентичных плёнках вольфрама было измерено 3-мя способами: ЛИА-КМС, ЛИД-КМС и ТДС (термодесорбционная спектроскопия). Во случаях получено схожее число атомов, которое равно 1,6±0,3·10^16 см-2. Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения ЛИА-КМС в качестве дистанционной диагностики изотопов водорода в первой стенке термоядерных реакторов. На данном этапе проведен эксперимент по измерению спектров пеннинговского разряда на длине волны Бальмер-линий для водорода и дейтерия при фиксированных потоках данных газов и при лазерно-индуцированной абляции углеводородных осаждений, полученных на сферическом токамаке Глобус-М2. Установлено, что интенсивность пеннинговского разряда изменяется линейно в диапазоне давлений 5·10^-4 Па до 8-9·10^-3 Па и отсутствует взаимное влияние линий Hα и Dα друг на друга. Получен коэффициент пропорциональности интенсивности линии Dα абсолютным значениям потоков атомов дейтерия и продемонстрирована возможность применения спектроскопии пеннинговского разряда для количественных измерений изотопов водорода. В текущей конфигурации регистрирующей системы чувствительность метода по оценки снизу составляет 1-3·10^16 атомов/с. Для исследования изотопного состава методом ЛИА-КМС были выбраны вольфрамовые плитки токамака Глобус-М2 из двух областей дивертора с толщиной осаждений 300-500 нм и 5-6 мкм. Исследовано влияние выбранной плотности энергии в лазерном луче на регистрируемое количество атомов дейтерия. Результаты полученные при плотности энергии 5 Дж/см2, 10 Дж/см2 и 15 Дж/см2, также хорошо согласуются с результатами ТДС данного образца. Вариации регистрируемого сигнала в диапазоне плотностей энергии 5-15 Дж/см2 не превышают экспериментальную неопределенность, обусловленную неоднородностью захвата дейтерия по площади исследуемых образцов, и можно выбирать плотность энергии исходя из удобства реализации профилирования осаждений. Продемонстрирована возможность профилирования содержания изотопов водорода по толщине методом ЛИА-КМС на образце с толщиной осаждений порядка 5-6 мкм. Для реализации количественных измерений захваченных изотопов водорода в материал обращенных к плазме элементов (ОПЭ) термоядерных установок лазерно-ассистированными методами необходимо определить соотношения атомной и молекулярной фракции в потоке частиц с поверхности при различных сценариях воздействия лазерного излучения. Проведено моделирование ЛИД с поверхности вольфрама и бериллия при плотности энергии лазерного излучения от 1 до 10 кДж/м2 и от 0,5 до 4,0 МДж/м2 в наносекундных и миллисекундных временных промежутках. В случае наносекундных импульсов атомарная фракция составляет всего несколько процентов от общего потока десорбции при температуре плавления вольфрама. При снижении плотности энергии вклад атомарной составляющей ещё более снижается. Для миллисекундных ЛИД атомарная фракция в потоке десорбции на вольфраме, согласно моделированию, может достигать 40% Анализ нейтральных и заряженных частиц из лазерной плазмы при облучении поверхности насыщенных дейтерием металлов лазерами с наносекундной и пикосекундной длительностями импульса проводился на установке “Большой масс-монохроматор “МИФИ” (БММ). Сравнение нормированных спектров для атомов протия и дейтерия со спектрами для ионов дейтерия показало, что для нейтральной компоненты наблюдались спектры с максимумами около 500 эВ, при этом сигнал для протия оказывается ниже, что согласуется с измерениями для ионов. Проведено экспонирование образца-свидетеля, изготовленного из предварительно обезгаженного молибдена в течение 2035 лазерных импульсов. По результатам ТДС исследований число захваченных атомов дейтерия в молибденовый образец-свидетель равно 2∙10^14 D/см2. В приближении равномерного распределения частиц по углам, общее число вылетевших из кратера образца геттера быстрых ионов и атомов дейтерия за один лазерный импульс составило около 2∙10^15 D/см2. Итоговое значение числа быстрых атомов и ионов дейтерия, эмитированных при облучении пикосекундным лазером поверхности титан-ванадиевого геттера, составило 4∙10^15 D/см2. Общее число атомов дейтерия, включая как быстрые, так и медленные частицы, измеренные посредством ЛИА-КМС для тех же импульсов в БММ, составило в среднем 7∙10^16 D/см2. При измерениях ЛИА-КМС можно пренебречь занижением результатов измерений, обусловленным возможным внедрением части частиц, эмитированных в ходе абляции анализируемой поверхности, в стенки вакуумной камеры или конструкционные элементы лабораторных стендов и термоядерных установок. В текущем году была продолжена работа по осаждению насыщенных дейтерием плёнок вольфрама направленная на создание модельных объектов для отработки дистанционных лазерных методов диагностики изотопов водорода. Использование различных внешних факторов позволяет управлять содержанием дейтерия и структурой осаждаемых плёнок, что позволяет моделировать различные типы осаждений. Проведены детальные структурные исследования плёнок вольфрама полученных методом импульсного лазерного осаждения при давлении дейтерия 10-300 Па. Результаты демонстрируют увеличение шероховатости плёнок, уменьшение размера кристаллитов, увеличение микродеформаций при росте давления дейтерия. Результаты рентгено-дифракционного анализа в предположении двух фаз, позволили сделать вывод, что в осаждаемой плёнке вольфрама образуются преимущественно кристаллиты, ориентированные вдоль кристаллографического направления подложки (Si (110)). При росте давления наблюдается плавное уменьшение размера кристаллитов основной фазы, а количество второй разориентированной фазы при этом не увеличивается, или даже уменьшается. Однако при давлениях 100 и 300 Па наблюдается резкий рост разориентированной фазы, которая имеет и большие микродеформации. Минимальное количество дейтерия наблюдается в плёнках, осажденных в атмосфере дейтерия без плазменного ассистирования. В случае с плазменным ассистированием на внешнем электроде, при давлении 30 Па наблюдается рост содержания дейтерия в плёнке всего в 1.5 раза. В случае плазменного ассистирования на подложке количество дейтерия возросло в 2.5-3 раза в сравнении с осаждением в атмосфере дейтерия. Продолжено исследование процесса прямого синтеза пленки гидрида интерметаллида Mg2NiH4, как модельного материала с высоким содержанием водорода. Проведен анализ реакции между пластиной из никеля и гидридом магния MgH2 в атмосфере водорода при давлениях, превышающих давление разложения как MgH2, так и Mg2NiH4. Синтез проводился при температурах 400 и 475 °С, что в совокупности с уже исследованной ранее температурой 450 °С, позволило определить кинетические параметры роста пленок Mg2NiH4.