📄Работа №201264
Тема: ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТЕНД И МЕТОДИКА ДЛЯ ИМИТАЦИОННОГО РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
146 листов
Год:
2021
Просмотров:
72
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ИМИТАЦИОННОЕ РАДИАЦИОННОЕ ОБЛУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ (ЛИТОБЗОР) 13
1.1 Методы генерации пучков атомов 14
1.2 Методы генерации мощных пучков ионов 16
1.3 Методы генерации МИП с высокой плотностью энергии 18
1.4 Методы исследования радиационных дефектов 20
1.5 Постановка цели и задач исследования 23
ГЛАВА 2 ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД И ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 25
2.1 Генератор мощных ионных пучков ТЕМП-6 25
2.2 Тепловизионная диагностика мощных ионных пучков 27
2.3 Тепловизионная диагностика МИП с высокой плотностью энергии 30
2.3.1 Расчет пороговой плотности энергии абляции 30
2.3.2 Нагрев металлической мишени 33
2.3.3 Расчет погрешности измерения плотности энергии МИП 35
2.3.4 Обсуждение 38
2.4 Времяпролетная диагностика состава ионного пучка 39
2.4.1 Модернизированная времяпролетная диагностика МИП 40
2.4.2 Влияние пространственного заряда МИП на достоверность времяпролетной
диагностики его состава 42
2.5 Сопоставление времяпролетной и тепловизионной диагностик 45
2.6 Выводы по главе 49
ГЛАВА 3 ГЕНЕРАЦИЯ ИМПУЛЬСНОГО ПУЧКА АТОМОВ 50
3.1 Генерация ионов в вакуумном диоде с пассивным металлическим анодом 50
3.1.1 Генерация импульсного пучка ионов азота 50
3.1.2 Влияние состава остаточного газа 54
3.1.3 Влияние материала анода 57
3.1.4 Модель генерации МИП в диоде с металлическим анодом 58
3.2 Фокусировка мощного ионного пучка 61
3.2.1 Измерение объемного заряда МИП 62
3.2.2 Фокусировка МИП собственным зарядом 65
3.2.3 Фокусировка МИП с помощью металлической сетки 67
3.2.4 Использование сетки с отверстием 68
3.3 Генерация импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных
ионов 73
3.3.1 Ионный диод без сетки 73
3.3.2 Ионный диод со сплошной сеткой на катоде 76
3.3.3 Использование металлической сетки с отверстием 77
3.3.4 Обсуждение 78
3.4 Расчет спектра первично выбитых атомов в мишени 83
3.5 Ионизация атомов при поглощении в мишени 88
3.6 Выводы по главе 91
ГЛАВА 4 КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ 93
4.1 Экспериментальный стенд 93
4.2 Анализ охлаждения мишени 94
4.3 Влияния радиационных дефектов на тепловизионную диагностику 97
4.3.1 Измерение плотности энергии МИП 97
4.3.2 Анализ результатов 98
4.4 Исследование количества радиационных дефектов 100
4.4.1 Экспериментальное определение количества дефектов в мишени 101
4.4.2 Экспериментальное определение количества дефектов в каскаде 105
4.4.3 Моделирование формирования радиационных дефектов с помощью SRIM .. 108
4.4.4 Расчет концентрации дефектов методом первично выбитого атома 112
4.4.5 Расчет концентрации дефектов методом коррекции баланса энергии 113
4.4.6 Моделирование формирования радиационных дефектов с помощью LAMMPS 114
4.5 Исследование энергии активации миграции радиационных дефектов 118
4.5.1 Моделирование аннигиляции радиационных дефектов 118
4.5.2 Экспериментальное определение энергии активации аннигиляции
радиационных дефектов 120
4.5.3 Моделирование миграции радиационных дефектов 125
4.5.4 Экспериментальное определение энергии активации миграции радиационных
дефектов 126
4.6 Исследование степени аннигиляции радиационных дефектов 129
4.7 Обсуждение результатов 129
4.8 Выводы по главе 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
Цитируемая литература 137
ГЛАВА 1 ИМИТАЦИОННОЕ РАДИАЦИОННОЕ ОБЛУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ (ЛИТОБЗОР) 13
1.1 Методы генерации пучков атомов 14
1.2 Методы генерации мощных пучков ионов 16
1.3 Методы генерации МИП с высокой плотностью энергии 18
1.4 Методы исследования радиационных дефектов 20
1.5 Постановка цели и задач исследования 23
ГЛАВА 2 ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД И ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 25
2.1 Генератор мощных ионных пучков ТЕМП-6 25
2.2 Тепловизионная диагностика мощных ионных пучков 27
2.3 Тепловизионная диагностика МИП с высокой плотностью энергии 30
2.3.1 Расчет пороговой плотности энергии абляции 30
2.3.2 Нагрев металлической мишени 33
2.3.3 Расчет погрешности измерения плотности энергии МИП 35
2.3.4 Обсуждение 38
2.4 Времяпролетная диагностика состава ионного пучка 39
2.4.1 Модернизированная времяпролетная диагностика МИП 40
2.4.2 Влияние пространственного заряда МИП на достоверность времяпролетной
диагностики его состава 42
2.5 Сопоставление времяпролетной и тепловизионной диагностик 45
2.6 Выводы по главе 49
ГЛАВА 3 ГЕНЕРАЦИЯ ИМПУЛЬСНОГО ПУЧКА АТОМОВ 50
3.1 Генерация ионов в вакуумном диоде с пассивным металлическим анодом 50
3.1.1 Генерация импульсного пучка ионов азота 50
3.1.2 Влияние состава остаточного газа 54
3.1.3 Влияние материала анода 57
3.1.4 Модель генерации МИП в диоде с металлическим анодом 58
3.2 Фокусировка мощного ионного пучка 61
3.2.1 Измерение объемного заряда МИП 62
3.2.2 Фокусировка МИП собственным зарядом 65
3.2.3 Фокусировка МИП с помощью металлической сетки 67
3.2.4 Использование сетки с отверстием 68
3.3 Генерация импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных
ионов 73
3.3.1 Ионный диод без сетки 73
3.3.2 Ионный диод со сплошной сеткой на катоде 76
3.3.3 Использование металлической сетки с отверстием 77
3.3.4 Обсуждение 78
3.4 Расчет спектра первично выбитых атомов в мишени 83
3.5 Ионизация атомов при поглощении в мишени 88
3.6 Выводы по главе 91
ГЛАВА 4 КАЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ 93
4.1 Экспериментальный стенд 93
4.2 Анализ охлаждения мишени 94
4.3 Влияния радиационных дефектов на тепловизионную диагностику 97
4.3.1 Измерение плотности энергии МИП 97
4.3.2 Анализ результатов 98
4.4 Исследование количества радиационных дефектов 100
4.4.1 Экспериментальное определение количества дефектов в мишени 101
4.4.2 Экспериментальное определение количества дефектов в каскаде 105
4.4.3 Моделирование формирования радиационных дефектов с помощью SRIM .. 108
4.4.4 Расчет концентрации дефектов методом первично выбитого атома 112
4.4.5 Расчет концентрации дефектов методом коррекции баланса энергии 113
4.4.6 Моделирование формирования радиационных дефектов с помощью LAMMPS 114
4.5 Исследование энергии активации миграции радиационных дефектов 118
4.5.1 Моделирование аннигиляции радиационных дефектов 118
4.5.2 Экспериментальное определение энергии активации аннигиляции
радиационных дефектов 120
4.5.3 Моделирование миграции радиационных дефектов 125
4.5.4 Экспериментальное определение энергии активации миграции радиационных
дефектов 126
4.6 Исследование степени аннигиляции радиационных дефектов 129
4.7 Обсуждение результатов 129
4.8 Выводы по главе 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
Цитируемая литература 137
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе разработан высоковольтный стенд и методика для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов, направленные на ускоренное исследование их радиационной стойкости. Актуальность исследования обусловлена потребностями атомной энергетики, космических технологий и термоядерного синтеза в материалах, устойчивых к воздействию нейтронного излучения, поскольку традиционные испытания в реакторах требуют значительного времени. Основным результатом является создание стенда, генерирующего импульсный пучок атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов в двухимпульсном режиме (150-300 кВ), чей энергетический спектр близок к спектру первично-выбитых атомов от нейтронов в реакторе. Установлено, что данный метод позволяет эффективно моделировать процессы образования радиационных дефектов, таких как распухание, и изучать их динамику. Научная значимость заключается в развитии методологии имитационного облучения, дополняющей классические подходы, описанные в трудах G.S. Was, S.J. Zinkle и L.L. Snead, а также В.А. Грибкова и др. Практическая ценность состоит в предоставлении инструмента для ускоренного скрининга и оптимизации новых сплавов, что сокращает сроки и затраты на их разработку для радиационно-напряженных применений.
📖 Введение
Актуальность темы.
Развитие атомной промышленности, активное освоение космоса и изучение термоядерного синтеза требуют разработки конструкционных материалов (прежде всего металлов и сплавов) с высокой радиационной стойкостью. При работе ядерного реактора образуется поток нейтронов, который создает радиационные дефекты в конструкционных элементах реактора и снижает их механическую стойкость. При разработке новых материалов с высокой радиационной стойкостью необходим большой объем экспериментальных исследований. Облучение образцов в ядерном реакторе требует много времени для набора необходимого флюенса нейтронов и послереакторной выдержки материалов для спада радиационной активности. Одним из важнейших изменений свойств металлов, вызванных нейтронным облучением, является распухание (swelling). Распухание, деформация и разрушение корпуса тепловыделяющих элементов в ядерном реакторе является одним из основных факторов, ограничивающих степень выгорания ядерного топлива. При облучении нейтронами в ядерном реакторе требуется около года, чтобы достичь режима заметного распухания [1].
Процесс наработки радиационных дефектов протекает значительно быстрее при облучении заряженными частицами и поэтому в последние годы активно разрабатываются методы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов с помощью электронных или ионных пучков [2]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе. При облучении железной мишени нейтронами с энергией 1-5 МэВ около 80% первично выбитых атомов (ПВА) имеют энергию 30-60 кэВ [3]. Образование радиационных дефектов ионами в металлах происходит при малоугловом рассеянии и более 90% ПВА имеют энергию менее 1 кэВ. Различие в спектре ПВА приводит к различию в микроструктуре радиационных дефектов в облучаемом образце [4].
Отличие процессов, протекающих при имитационном и реакторном облучениях, не позволяет делать точные прогнозы радиационной стойкости конструкционных материалов. Поэтому разработка имитационных методов исследования радиационной стойкости материалов, более полно соответствующих прямому облучению в ядерном реакторе, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследований.
Основы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов пучками заряженных частиц изложены в трудах Б.А. Калина [5], Г. Вас [2], Р. Смит [3], С. Цинкле [4]. В последние годы активно развиваются методы компьютерного моделирования образования, миграции и аннигиляции радиационных дефектов в металлах. Дж. Циглер разработал компьютерную программу SRIM, которую широко используют для моделирования торможения ионов с энергией до 1 ГэВ в аморфных материалах [6]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе по энергетическому спектру первично выбитых атомов в мишени и эффективности формирования радиационных дефектов [1]. Перспективно использование для генерации радиационных дефектов в металлах атомов, которые формируют в образцах первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе. Перезарядка быстрых ионов является основным методом генерации атомов, в том числе импульсных пучков атомов.
Процесс перезарядки ионов был открыт Хендерсоном в ходе экспериментов, в которых а - частицы (5,6 МэВ, а-распад радона) пропускали через фольги из слюды или золота [7]. Первые работы по изменению зарядового состояния иона при транспортировке в газе были проведены Н. Бором [8]. В работах И.Ю. Толстихиной и В.П. Шевелько [9, 10] выполнен обзор работ по изменению зарядового состояния ионов при поглощении в газах. Существенный вклад в изучение перезарядки ионов в вакуумном ионном диоде с пассивным анодом внесли Т.Д. Пойнтон [11] и М.П. Десярлаис [12]. В работе Т.Д. Пойнтона [11] наличие атомов объясняется перезарядкой ионов в анод-катодном зазоре вакуумного диода. Однако энергия образовавшихся атомов не превышает 10 кэВ. Это объясняется тем, что перезарядка иона происходит в прианодной области, где энергия иона мала. Степень перезарядки ионного пучка ниже 30%. При энергии атомов менее 20 кэВ в образцах формируются ПВА, энергетический спектр которых существенно отличается от спектра ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Объектом исследования являются генерация, аннигиляция и миграция радиационных дефектов, образующихся при облучении атомами, полученных путем перезарядки ускоренных ионов.
Предметом исследования являются стенд для имитации нейтронного облучения атомами и калориметрическая диагностика радиационных дефектов.
Целью диссертационной работы является разработка стенда для исследования радиационной стойкости конструкционных материалов (металлов и сплавов), сочетающего формирование радиационных дефектов импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение их основных параметров непосредственно после радиационного облучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Генерация импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с параметрами, необходимыми для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов. Энергетический спектр первично выбитых атомов в образце должен быть близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
2. Измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ.
3. Моделирование процесса формирования радиационных дефектов в металлах и сплавах при облучении атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с помощью компьютерных программ SRIM (аппроксимация бинарными столкновениями) и LAMMPS (метод молекулярной динамики).
Научная новизна.
Разработан новый метод генерации импульсного ионного пучка вакуумным диодом с пассивным анодом при ускоряющем напряжении 200-300 кВ и сдвоенной разнополярной форме импульса. Состав ионного пучка зависит от сорта газа в диодной камере, кратность ионизации - от режима работы диода. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде.
Впервые показано, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Установлено, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, увеличивает долю энергии атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов в полной энергии пучка с 15-30% до 90%.
Впервые показано, что при генерации радиационных дефектов атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов с энергией 200-600 кэВ, в металлических образцах формируются первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Разработана оригинальная калориметрическая диагностика радиационных дефектов, которая позволяет измерить концентрацию, пороговую энергию миграции и динамику их аннигиляции в реальном масштабе времени с высоким временным разрешением (0.01-0.1 с) непосредственно после формирования радиационных дефектов.
Обнаружен новый эффект перегрева металлической мишени при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, который обусловлен вкладом радиационных дефектов. Показано, что эффект перегрева мишени расширяет диапазон измерения плотности энергии пучка с помощью тепловизионной диагностики с 3 Дж/см2 до 15 Дж/см2.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Основным результатом диссертационной работы является новый метод исследования радиационной стойкости конструкционных материалов, включающий имитационное облучение импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, , генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов; стенд для реализации этой диагностики, предоставление научно-исследовательским организациям нового эффективного метода и средства разработки технологий мирового уровня в области исследования устойчивости конструкционных материалов к интенсивному радиационному облучению.
Практическая значимость работы заключается также в том, что ее результаты использованы при разработке технологического генератора импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с большим ресурсом работы, и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии пучка в серии импульсов.
Методология и методы исследования.
Методология исследования основана на комплексном подходе, включающем компьютерное моделирование процессов (генерация ионного пучка, перезарядка ионов, формирование ПВА и радиационных дефектов и др.); экспериментальное исследование этих процессов; сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования для уточнения закономерностей; оптимизацию алгоритма моделирования.
Для генерации импульсного ионного пучка использовали метод прямого ускорения ионов в анод-катодном зазоре полоскового вакуумного диода с магнитной самоизоляцией при работе генератора в двухимпульсном режиме. Анодная плазма формировалась при взрывной эмиссии электронов в течение первого импульса. Для формирования импульсного пучка атомов использовали перезарядку ионов на атомах десорбированного газа в области транспортировки ионов от диода до мишени.
При выполнении исследований использовали современные методы диагностики параметров пучка атомов. Полную энергию импульсного пучка и распределение плотности энергии по сечению измеряли с помощью тепловизора, по термограммам мишени до и после облучения пучком (в режиме видео). Для анализа состава ионного пучка использовали времяпролетную диагностику, которая основана на пространственном разделении разных ионов по пути движения от диода до регистрирующего устройства - коллимированного цилиндра Фарадея.
Для моделирования формирования радиационных дефектов использовали пакет программ SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter), предназначенный для моделирования физических процессов возникновения каскадов радиационных дефектов при облучении твердотельных мишеней заряженными частицами. Моделирование формирования радиационных дефектов выполняли также с помощью программного обеспечения LAMMPS.
Расчет энергетического спектра ПВА в мишени при облучении ионами, нейтронами и атомами выполнен методом бинарных столкновений с описанием межатомного взаимодействия атома с атомарным газом с помощью потенциала Леннарда-Джонса.
Положения, выносимые на защиту.
1. Вакуумный диод с пассивным анодом из нержавеющей стали при работе в двухимпульсном режиме (первый импульс отрицательной полярности амплитудой 150-250 кВ и длительностью 400-500 нс; второй импульс положительной полярности амплитудой 250-300 кВ и длительностью 100-120 нс), при магнитной самоизоляции электронов и формировании анодной плазмы при взрывной эмиссии электронов обеспечивает генерацию ионов N+ или N2+, N3+, C+, C2+ с содержанием примесных ионов не более 15%.
2. Использование металлической сетки в области транспортировки ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Количество энергии, переносимой атомами, увеличивается с 15-30% до 90% от полной энергии комбинированного пучка (ионы+атомы). Атомы формируются при зарядовом обмене между ионами и десорбированными молекулами в газовой оболочке, прилегающей к сетке.
3. Измерение радиационных дефектов, основанное на анализе охлаждения мишени после облучения импульсным пучком ионов или атомов, позволяет раздельно определить концентрацию быстрых и медленных радиационных дефектов в диапазоне более 1019 см-3, а также пороговую энергию их аннигиляции с погрешностью не больше 0.05 эВ.
Достоверность и обоснованность результатов.
Для обеспечения достоверности и обоснованности результатов по измерению параметров пучков заряженных частиц с высокой плотностью энергии применялись современные методики и оборудование.
Результаты и выводы, по итогам проведенных исследований, были получены на основе комплексных исследований, включающих:
- вольтамперные характеристики диода,
- плотность ионного тока,
- состав и энергетический спектр мощного ионного пучка (МИП ),
- тепловизионную диагностику полной энергии МИП,
- распределения плотности энергии МИП по сечению.
Результаты работы подтверждаются литературными данными по механизмам генерации ионных пучков, перезарядки ионов и формировании радиационных дефектов. Полученные результаты не противоречат существующим представлениям о механизмах генерации ионных пучков, перезарядки ионов, формирования радиационных дефектов.
Апробация.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных международных конференциях:
1. 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2018).
2. Международная научно-техническая молодежная конференция «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения» Томск: 2018.
3. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 23 - 26 апреля 2019 г.
4. II Международный научный форум «Ядерная наука и технологии». Алматы: РГП ИЯФ, 2019.
5. 24th International Conference on Ion-Surface Interactions. Moscow, Russia, 2019.
6. 21st International conference on surface modification of materials by ion beams. Tomsk, Russia, 2019.
7. 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP-2019: Tomsk: 2019.
8. XI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» 6-9 ноября 2019 года, г. Казань.
9. II Международный молодежный конгресс «Современные материалы и технологии новых поколений». Томск, 2019.
10. XVI Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа. Москва, 2019.
11. Международная научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров», г. Томск 2020г.
12. VI Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение», ТПУ, г. 2020.
13. 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Tomsk, 2020
14. 15th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" Ekaterinburg, Russia, 2021.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является итогом комплексных исследований процессов генерации пучков атомов, полученных путем перезарядки ускоренных ионов и их применения в радиационном материаловедении, проводимых в Отделении материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Томского политехнического университета. При непосредственном участии автора были выполнены эксперименты и получены данные, которые позволили выявить основные закономерности генерации пучков атомов в диодах разных конструкций. Автор участвовал при постановке и проведении экспериментов, обработке полученных данных, а также подготовке к публикации статей.
Автором самостоятельно разработана методика измерения параметров пучков атомов с помощью тепловизора. Данная диагностика впервые использовалась в лаборатории Даляньского технологического университета и позволила исследовать многие процессы в диодах, а также оптимизировать режим работы ускорителя для более стабильной генерации импульсного пучка атомов. Была модернизирована времяпролетная диагностика, позволяющая с высокой точностью определять состав и энергетический спектр ионного пучка.
Автором самостоятельно сформулированы защищаемые научные положения, сделаны выводы. Обсуждение задач исследования, проведение экспериментов и анализ результатов проводилось совместно с научным руководителем и соавторами.
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликована 1 монография, 6 статей в журналах, индексируемых Scopus и Web of Science, 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК и 8 в сборниках материалов конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 стр., содержит 97 рис., 20 таблиц, 164 источника. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана краткая характеристика исследуемых проблем, сформулирована цель работы. Кратко изложено содержание, структура диссертации и перечислены основные результаты. Во введении также сформулированы выносимые на защиту научные положения.
В первой главе приведен литературный обзор методов исследования радиационных дефектов, методов генерации пучков атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и методов диагностики параметров этих пучков.
Во второй главе представлена экспериментальная установка и диагностическое оборудование для измерения параметров МИП. Выполнен анализ влияния радиационных дефектов на погрешность тепловизионной диагностики МИП и представлена методика коррекции результатов измерений плотности энергии. Рассмотрен эффект влияния заряда ионного пучка на времяпролетную диагностику его состава.
В третьей главе представлены результаты исследования генерации МИП вакуумным диодом с металлическим пассивным анодом при работе в двухимпульсном режиме (первый 450500 нс, 150-200 кВ и второй 150 нс, 250-300 кВ) и формировании анодной плазмы при взрывной эмиссии электронов. Представлены результаты исследования перезарядки и фокусировки ионного пучка. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде.
В четвертой главе представлена калориметрическая диагностика радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком атомов, полученных путем перезарядки ускоренных ионов. Диагностика основана на анализе охлаждения мишени и сравнении экспериментальной мощности потерь энергии в мишени с расчетной мощностью теплового излучения. Диаметр пучка был больше диаметра мишени (~ 10 мм), что обеспечивало ее более равномерное облучение.
Развитие атомной промышленности, активное освоение космоса и изучение термоядерного синтеза требуют разработки конструкционных материалов (прежде всего металлов и сплавов) с высокой радиационной стойкостью. При работе ядерного реактора образуется поток нейтронов, который создает радиационные дефекты в конструкционных элементах реактора и снижает их механическую стойкость. При разработке новых материалов с высокой радиационной стойкостью необходим большой объем экспериментальных исследований. Облучение образцов в ядерном реакторе требует много времени для набора необходимого флюенса нейтронов и послереакторной выдержки материалов для спада радиационной активности. Одним из важнейших изменений свойств металлов, вызванных нейтронным облучением, является распухание (swelling). Распухание, деформация и разрушение корпуса тепловыделяющих элементов в ядерном реакторе является одним из основных факторов, ограничивающих степень выгорания ядерного топлива. При облучении нейтронами в ядерном реакторе требуется около года, чтобы достичь режима заметного распухания [1].
Процесс наработки радиационных дефектов протекает значительно быстрее при облучении заряженными частицами и поэтому в последние годы активно разрабатываются методы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов с помощью электронных или ионных пучков [2]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе. При облучении железной мишени нейтронами с энергией 1-5 МэВ около 80% первично выбитых атомов (ПВА) имеют энергию 30-60 кэВ [3]. Образование радиационных дефектов ионами в металлах происходит при малоугловом рассеянии и более 90% ПВА имеют энергию менее 1 кэВ. Различие в спектре ПВА приводит к различию в микроструктуре радиационных дефектов в облучаемом образце [4].
Отличие процессов, протекающих при имитационном и реакторном облучениях, не позволяет делать точные прогнозы радиационной стойкости конструкционных материалов. Поэтому разработка имитационных методов исследования радиационной стойкости материалов, более полно соответствующих прямому облучению в ядерном реакторе, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследований.
Основы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов пучками заряженных частиц изложены в трудах Б.А. Калина [5], Г. Вас [2], Р. Смит [3], С. Цинкле [4]. В последние годы активно развиваются методы компьютерного моделирования образования, миграции и аннигиляции радиационных дефектов в металлах. Дж. Циглер разработал компьютерную программу SRIM, которую широко используют для моделирования торможения ионов с энергией до 1 ГэВ в аморфных материалах [6]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе по энергетическому спектру первично выбитых атомов в мишени и эффективности формирования радиационных дефектов [1]. Перспективно использование для генерации радиационных дефектов в металлах атомов, которые формируют в образцах первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе. Перезарядка быстрых ионов является основным методом генерации атомов, в том числе импульсных пучков атомов.
Процесс перезарядки ионов был открыт Хендерсоном в ходе экспериментов, в которых а - частицы (5,6 МэВ, а-распад радона) пропускали через фольги из слюды или золота [7]. Первые работы по изменению зарядового состояния иона при транспортировке в газе были проведены Н. Бором [8]. В работах И.Ю. Толстихиной и В.П. Шевелько [9, 10] выполнен обзор работ по изменению зарядового состояния ионов при поглощении в газах. Существенный вклад в изучение перезарядки ионов в вакуумном ионном диоде с пассивным анодом внесли Т.Д. Пойнтон [11] и М.П. Десярлаис [12]. В работе Т.Д. Пойнтона [11] наличие атомов объясняется перезарядкой ионов в анод-катодном зазоре вакуумного диода. Однако энергия образовавшихся атомов не превышает 10 кэВ. Это объясняется тем, что перезарядка иона происходит в прианодной области, где энергия иона мала. Степень перезарядки ионного пучка ниже 30%. При энергии атомов менее 20 кэВ в образцах формируются ПВА, энергетический спектр которых существенно отличается от спектра ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Объектом исследования являются генерация, аннигиляция и миграция радиационных дефектов, образующихся при облучении атомами, полученных путем перезарядки ускоренных ионов.
Предметом исследования являются стенд для имитации нейтронного облучения атомами и калориметрическая диагностика радиационных дефектов.
Целью диссертационной работы является разработка стенда для исследования радиационной стойкости конструкционных материалов (металлов и сплавов), сочетающего формирование радиационных дефектов импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение их основных параметров непосредственно после радиационного облучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Генерация импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с параметрами, необходимыми для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов. Энергетический спектр первично выбитых атомов в образце должен быть близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
2. Измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ.
3. Моделирование процесса формирования радиационных дефектов в металлах и сплавах при облучении атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с помощью компьютерных программ SRIM (аппроксимация бинарными столкновениями) и LAMMPS (метод молекулярной динамики).
Научная новизна.
Разработан новый метод генерации импульсного ионного пучка вакуумным диодом с пассивным анодом при ускоряющем напряжении 200-300 кВ и сдвоенной разнополярной форме импульса. Состав ионного пучка зависит от сорта газа в диодной камере, кратность ионизации - от режима работы диода. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде.
Впервые показано, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Установлено, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, увеличивает долю энергии атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов в полной энергии пучка с 15-30% до 90%.
Впервые показано, что при генерации радиационных дефектов атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов с энергией 200-600 кэВ, в металлических образцах формируются первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Разработана оригинальная калориметрическая диагностика радиационных дефектов, которая позволяет измерить концентрацию, пороговую энергию миграции и динамику их аннигиляции в реальном масштабе времени с высоким временным разрешением (0.01-0.1 с) непосредственно после формирования радиационных дефектов.
Обнаружен новый эффект перегрева металлической мишени при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, который обусловлен вкладом радиационных дефектов. Показано, что эффект перегрева мишени расширяет диапазон измерения плотности энергии пучка с помощью тепловизионной диагностики с 3 Дж/см2 до 15 Дж/см2.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Основным результатом диссертационной работы является новый метод исследования радиационной стойкости конструкционных материалов, включающий имитационное облучение импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, , генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов; стенд для реализации этой диагностики, предоставление научно-исследовательским организациям нового эффективного метода и средства разработки технологий мирового уровня в области исследования устойчивости конструкционных материалов к интенсивному радиационному облучению.
Практическая значимость работы заключается также в том, что ее результаты использованы при разработке технологического генератора импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с большим ресурсом работы, и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии пучка в серии импульсов.
Методология и методы исследования.
Методология исследования основана на комплексном подходе, включающем компьютерное моделирование процессов (генерация ионного пучка, перезарядка ионов, формирование ПВА и радиационных дефектов и др.); экспериментальное исследование этих процессов; сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования для уточнения закономерностей; оптимизацию алгоритма моделирования.
Для генерации импульсного ионного пучка использовали метод прямого ускорения ионов в анод-катодном зазоре полоскового вакуумного диода с магнитной самоизоляцией при работе генератора в двухимпульсном режиме. Анодная плазма формировалась при взрывной эмиссии электронов в течение первого импульса. Для формирования импульсного пучка атомов использовали перезарядку ионов на атомах десорбированного газа в области транспортировки ионов от диода до мишени.
При выполнении исследований использовали современные методы диагностики параметров пучка атомов. Полную энергию импульсного пучка и распределение плотности энергии по сечению измеряли с помощью тепловизора, по термограммам мишени до и после облучения пучком (в режиме видео). Для анализа состава ионного пучка использовали времяпролетную диагностику, которая основана на пространственном разделении разных ионов по пути движения от диода до регистрирующего устройства - коллимированного цилиндра Фарадея.
Для моделирования формирования радиационных дефектов использовали пакет программ SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter), предназначенный для моделирования физических процессов возникновения каскадов радиационных дефектов при облучении твердотельных мишеней заряженными частицами. Моделирование формирования радиационных дефектов выполняли также с помощью программного обеспечения LAMMPS.
Расчет энергетического спектра ПВА в мишени при облучении ионами, нейтронами и атомами выполнен методом бинарных столкновений с описанием межатомного взаимодействия атома с атомарным газом с помощью потенциала Леннарда-Джонса.
Положения, выносимые на защиту.
1. Вакуумный диод с пассивным анодом из нержавеющей стали при работе в двухимпульсном режиме (первый импульс отрицательной полярности амплитудой 150-250 кВ и длительностью 400-500 нс; второй импульс положительной полярности амплитудой 250-300 кВ и длительностью 100-120 нс), при магнитной самоизоляции электронов и формировании анодной плазмы при взрывной эмиссии электронов обеспечивает генерацию ионов N+ или N2+, N3+, C+, C2+ с содержанием примесных ионов не более 15%.
2. Использование металлической сетки в области транспортировки ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Количество энергии, переносимой атомами, увеличивается с 15-30% до 90% от полной энергии комбинированного пучка (ионы+атомы). Атомы формируются при зарядовом обмене между ионами и десорбированными молекулами в газовой оболочке, прилегающей к сетке.
3. Измерение радиационных дефектов, основанное на анализе охлаждения мишени после облучения импульсным пучком ионов или атомов, позволяет раздельно определить концентрацию быстрых и медленных радиационных дефектов в диапазоне более 1019 см-3, а также пороговую энергию их аннигиляции с погрешностью не больше 0.05 эВ.
Достоверность и обоснованность результатов.
Для обеспечения достоверности и обоснованности результатов по измерению параметров пучков заряженных частиц с высокой плотностью энергии применялись современные методики и оборудование.
Результаты и выводы, по итогам проведенных исследований, были получены на основе комплексных исследований, включающих:
- вольтамперные характеристики диода,
- плотность ионного тока,
- состав и энергетический спектр мощного ионного пучка (МИП ),
- тепловизионную диагностику полной энергии МИП,
- распределения плотности энергии МИП по сечению.
Результаты работы подтверждаются литературными данными по механизмам генерации ионных пучков, перезарядки ионов и формировании радиационных дефектов. Полученные результаты не противоречат существующим представлениям о механизмах генерации ионных пучков, перезарядки ионов, формирования радиационных дефектов.
Апробация.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных международных конференциях:
1. 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2018).
2. Международная научно-техническая молодежная конференция «Перспективные материалы конструкционного и медицинского назначения» Томск: 2018.
3. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 23 - 26 апреля 2019 г.
4. II Международный научный форум «Ядерная наука и технологии». Алматы: РГП ИЯФ, 2019.
5. 24th International Conference on Ion-Surface Interactions. Moscow, Russia, 2019.
6. 21st International conference on surface modification of materials by ion beams. Tomsk, Russia, 2019.
7. 14th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP-2019: Tomsk: 2019.
8. XI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» 6-9 ноября 2019 года, г. Казань.
9. II Международный молодежный конгресс «Современные материалы и технологии новых поколений». Томск, 2019.
10. XVI Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа. Москва, 2019.
11. Международная научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров», г. Томск 2020г.
12. VI Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение», ТПУ, г. 2020.
13. 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Tomsk, 2020
14. 15th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" Ekaterinburg, Russia, 2021.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является итогом комплексных исследований процессов генерации пучков атомов, полученных путем перезарядки ускоренных ионов и их применения в радиационном материаловедении, проводимых в Отделении материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Томского политехнического университета. При непосредственном участии автора были выполнены эксперименты и получены данные, которые позволили выявить основные закономерности генерации пучков атомов в диодах разных конструкций. Автор участвовал при постановке и проведении экспериментов, обработке полученных данных, а также подготовке к публикации статей.
Автором самостоятельно разработана методика измерения параметров пучков атомов с помощью тепловизора. Данная диагностика впервые использовалась в лаборатории Даляньского технологического университета и позволила исследовать многие процессы в диодах, а также оптимизировать режим работы ускорителя для более стабильной генерации импульсного пучка атомов. Была модернизирована времяпролетная диагностика, позволяющая с высокой точностью определять состав и энергетический спектр ионного пучка.
Автором самостоятельно сформулированы защищаемые научные положения, сделаны выводы. Обсуждение задач исследования, проведение экспериментов и анализ результатов проводилось совместно с научным руководителем и соавторами.
Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликована 1 монография, 6 статей в журналах, индексируемых Scopus и Web of Science, 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК и 8 в сборниках материалов конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 стр., содержит 97 рис., 20 таблиц, 164 источника. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана краткая характеристика исследуемых проблем, сформулирована цель работы. Кратко изложено содержание, структура диссертации и перечислены основные результаты. Во введении также сформулированы выносимые на защиту научные положения.
В первой главе приведен литературный обзор методов исследования радиационных дефектов, методов генерации пучков атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и методов диагностики параметров этих пучков.
Во второй главе представлена экспериментальная установка и диагностическое оборудование для измерения параметров МИП. Выполнен анализ влияния радиационных дефектов на погрешность тепловизионной диагностики МИП и представлена методика коррекции результатов измерений плотности энергии. Рассмотрен эффект влияния заряда ионного пучка на времяпролетную диагностику его состава.
В третьей главе представлены результаты исследования генерации МИП вакуумным диодом с металлическим пассивным анодом при работе в двухимпульсном режиме (первый 450500 нс, 150-200 кВ и второй 150 нс, 250-300 кВ) и формировании анодной плазмы при взрывной эмиссии электронов. Представлены результаты исследования перезарядки и фокусировки ионного пучка. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде.
В четвертой главе представлена калориметрическая диагностика радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком атомов, полученных путем перезарядки ускоренных ионов. Диагностика основана на анализе охлаждения мишени и сравнении экспериментальной мощности потерь энергии в мишени с расчетной мощностью теплового излучения. Диаметр пучка был больше диаметра мишени (~ 10 мм), что обеспечивало ее более равномерное облучение.
✅ Заключение
В соответствии с поставленной целью разработаны научно-технические основы нового метода исследования радиационной стойкости конструкционных материалов (металлов и сплавов), который включает имитационное облучение импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых диодом с пассивным анодом при работе в двухимпульсном режиме (150-200 кВ первый импульс и 250-300 кВ второй импульс) и измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов.
Основные выводы выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Разработан стенд, который обеспечивает генерацию импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов (генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ) с параметрами, необходимыми для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов. Энергетический спектр ПВА в образце близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе. Этот стенд имеет большой ресурс работы (более 106 импульсов), высокую стабильность ускоряющего напряжения (стандартная девиация 2-3% в серии 50-100 импульсов).
2. Установлено, что при работе ионного диода в двухимпульсном режиме (первый импульс 450 нс, 150-200 кВ и второй импульс 150 нс, 250-300 кВ) и формировании анодной плазмы за счет взрывной эмиссии электронов во время первого импульса материал анода и состав остаточных газов в диодной камере оказывают большое влияние на состав ионного пучка. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде. Новый метод генерации МИП обеспечивает возможность оперативно менять состав и степень ионизации ионов.
3. Установлено, что использование металлической сетки в области транспортировки МИП повышает эффективность перезарядки ионов. Количество энергии, переносимой быстрыми атомами, увеличивается с 15% до 90%. Полная энергия комбинированного пучка (ионы+нейтралы) при этом не меняется (с учетом оптической прозрачности сетки). Быстрые атомы в ионном диоде формируются при перезарядке между ионами и молекулами в газовой оболочке, прилегающей к сетке. Разработана математическая модель процесса перезарядки ионов.
4. Показано, что радиационные дефекты, образующиеся в мишени при облучении пучком атомов, оказывают значительное влияние на охлаждение мишени. Три процесса удовлетворительно описывают динамику охлаждения мишени - отвод тепловой энергии в мишени за счет теплового излучения (0,1^70 с), высвобождение энергии при термической аннигиляции дефектов (0,1^40 с) и потребление энергии в мишени на миграцию вакансий при высокой температуре (0,1^15 с).
5. Разработана калориметрическая диагностика радиационных дефектов, которая обеспечивает измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики отжига радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком быстрых атомов. Диагностика основана на анализе охлаждения мишени и сравнении экспериментальной мощности потерь энергии в мишени с расчетной мощностью теплового излучения. Калориметрическая диагностика позволяет исследовать процессы миграции и отжига радиационных дефектов в металлах с временным разрешением ^1 мс, которое определяется используемым тепловизором.
6. Установлено, что радиационные дефекты, образованные пучком атомов в металлической мишени, можно разделить на две группы: быстрые дефекты, которые аннигилируют до начала измерения охлаждения мишени (в течение облучения и 0,1 с после облучения), и медленные дефекты, которые мигрируют к мишени из области их образования и затем аннигилируют в течение десятков секунд. Медленные радиационные дефекты составляют 24-32% от общего числа дефектов. Эта величина близка к эффективности каскада, т. е. числу пар Френкеля в конце формирования каскада столкновений, деленному на количество пар Френкеля в каскаде.
7. Моделирование SRIM показало, что основная доля кинетической энергии иона при торможении в металлической мишени расходуется на возбуждение электронной подсистемы (electronics stopping). Количество радиационных дефектов в каскаде смещений иона С+ с энергией 250 кэВ от 4 до 5 раз меньше экспериментальных значений. Это подтверждает высокую концентрацию быстрых атомов в пучке, который формируется фокусирующим диодом с металлической сеткой на катоде.
8. Показано, что при облучении металлической мишени пучком атомов в ней формируется значительное количество радиационных дефектов. Потери энергии пучка на их формирование (равные энергии аннигиляции радиационных дефектов при охлаждении мишени) пропорциональны начальной тепловой энергии в мишени после облучения ионным пучком и составляют 22% в мишени из нержавеющей стали, 30% в медной мишени и 70% в титановой мишени. Учет потерь энергии МИП на формирование радиационных дефектов позволяет устранить большой разброс показаний тепловизионной диагностики (от 40 до 60%) при использовании мишеней из разных металлов.
9. Обнаружено подавление абляции металлической мишени при облучении импульсным пучком быстрых атомов, который обусловлен вкладом радиационных дефектов. Показано, что эффект перегрева мишени расширяет диапазон измерения плотности энергии пучка с помощью тепловизионной диагностики с 3 Дж/см2 до 15 Дж/см2,
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты использованы при разработке технологического генератора импульсного пучка атомов с большим ресурсом работы и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии мощного ионного пучка в серии импульсов. Результаты диссертационной работы использованы в плановой научной деятельности Даляньского технологического университета, г. Далянь, Китай
Основные выводы выполненного исследования заключаются в следующем:
1. Разработан стенд, который обеспечивает генерацию импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов (генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ) с параметрами, необходимыми для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов. Энергетический спектр ПВА в образце близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе. Этот стенд имеет большой ресурс работы (более 106 импульсов), высокую стабильность ускоряющего напряжения (стандартная девиация 2-3% в серии 50-100 импульсов).
2. Установлено, что при работе ионного диода в двухимпульсном режиме (первый импульс 450 нс, 150-200 кВ и второй импульс 150 нс, 250-300 кВ) и формировании анодной плазмы за счет взрывной эмиссии электронов во время первого импульса материал анода и состав остаточных газов в диодной камере оказывают большое влияние на состав ионного пучка. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде. Новый метод генерации МИП обеспечивает возможность оперативно менять состав и степень ионизации ионов.
3. Установлено, что использование металлической сетки в области транспортировки МИП повышает эффективность перезарядки ионов. Количество энергии, переносимой быстрыми атомами, увеличивается с 15% до 90%. Полная энергия комбинированного пучка (ионы+нейтралы) при этом не меняется (с учетом оптической прозрачности сетки). Быстрые атомы в ионном диоде формируются при перезарядке между ионами и молекулами в газовой оболочке, прилегающей к сетке. Разработана математическая модель процесса перезарядки ионов.
4. Показано, что радиационные дефекты, образующиеся в мишени при облучении пучком атомов, оказывают значительное влияние на охлаждение мишени. Три процесса удовлетворительно описывают динамику охлаждения мишени - отвод тепловой энергии в мишени за счет теплового излучения (0,1^70 с), высвобождение энергии при термической аннигиляции дефектов (0,1^40 с) и потребление энергии в мишени на миграцию вакансий при высокой температуре (0,1^15 с).
5. Разработана калориметрическая диагностика радиационных дефектов, которая обеспечивает измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики отжига радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком быстрых атомов. Диагностика основана на анализе охлаждения мишени и сравнении экспериментальной мощности потерь энергии в мишени с расчетной мощностью теплового излучения. Калориметрическая диагностика позволяет исследовать процессы миграции и отжига радиационных дефектов в металлах с временным разрешением ^1 мс, которое определяется используемым тепловизором.
6. Установлено, что радиационные дефекты, образованные пучком атомов в металлической мишени, можно разделить на две группы: быстрые дефекты, которые аннигилируют до начала измерения охлаждения мишени (в течение облучения и 0,1 с после облучения), и медленные дефекты, которые мигрируют к мишени из области их образования и затем аннигилируют в течение десятков секунд. Медленные радиационные дефекты составляют 24-32% от общего числа дефектов. Эта величина близка к эффективности каскада, т. е. числу пар Френкеля в конце формирования каскада столкновений, деленному на количество пар Френкеля в каскаде.
7. Моделирование SRIM показало, что основная доля кинетической энергии иона при торможении в металлической мишени расходуется на возбуждение электронной подсистемы (electronics stopping). Количество радиационных дефектов в каскаде смещений иона С+ с энергией 250 кэВ от 4 до 5 раз меньше экспериментальных значений. Это подтверждает высокую концентрацию быстрых атомов в пучке, который формируется фокусирующим диодом с металлической сеткой на катоде.
8. Показано, что при облучении металлической мишени пучком атомов в ней формируется значительное количество радиационных дефектов. Потери энергии пучка на их формирование (равные энергии аннигиляции радиационных дефектов при охлаждении мишени) пропорциональны начальной тепловой энергии в мишени после облучения ионным пучком и составляют 22% в мишени из нержавеющей стали, 30% в медной мишени и 70% в титановой мишени. Учет потерь энергии МИП на формирование радиационных дефектов позволяет устранить большой разброс показаний тепловизионной диагностики (от 40 до 60%) при использовании мишеней из разных металлов.
9. Обнаружено подавление абляции металлической мишени при облучении импульсным пучком быстрых атомов, который обусловлен вкладом радиационных дефектов. Показано, что эффект перегрева мишени расширяет диапазон измерения плотности энергии пучка с помощью тепловизионной диагностики с 3 Дж/см2 до 15 Дж/см2,
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты использованы при разработке технологического генератора импульсного пучка атомов с большим ресурсом работы и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии мощного ионного пучка в серии импульсов. Результаты диссертационной работы использованы в плановой научной деятельности Даляньского технологического университета, г. Далянь, Китай
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.