Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Синельников, Дмитрий Николаевич

• Синельников, Дмитрий Николаевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Синельников, Дмитрий Николаевич

Оглавление

Введение

Глава 1 Предпробойные токи с обращенных к плазме материалов, как инициаторы униполярных дуг

1.1 Униполярные дуги

1.2 Вольт-амперная характеристика вакуумного промежутка

1.3 Формула Фаулера-Нордгейма для интерпретации предпробойных токов

1.4 Влияние на АЭЭ монослоя инородных адсорбированных атомов

1.5 Зависимость эмитируемых токов от длины вакуумного промежутка

1.6 Механизм «включения» эмиссионных центров

1.7 Механизм пороэмиссии

1.8 Эмиссионные свойства материалов ТЯР при наличии пленок окисла

Выводы из главы 1:

Глава 2 Описание экспериментальных установок

2.1 Стенд для измерения токов низкополевой эмиссии

2.2 Описание установки «Большой масс-монохроматор МИФИ»

2.3 Выводы из главы 2

Глава 3 Низкополевая электронная эмиссия с материалов ТЯУ

3.1 Эмиссия из газонасыщенных образцов графита МПГ-8

Выводы

3.2 Эмиссионные свойства материалов ТЯР

3.2.1 Эмиссионные свойства вольфрамовых поверхностей

3.2.2 Эмиссионные свойства углеродосодержащих образцов

3.2.3 Выводы

3.3 Измерение эмиссионных свойств катодов, покрытых диэлектрической пленкой

3.3 Выводы

3.4 Визуализации эмиссионных центров на поверхности катода

3.4 Выводы

Глава 4 Эмиссия отрицательных ионов при низкополевой эмиссии электронов

4.1 Отрицательные ионы, как дополнительный источник примесей в плазму

4.2 Отрицательные ионы при низкополевой электронной эмиссии

4.2.1 Спектры отрицательных ионов в зависимости от напуска рабочих газов

4.2.2 Спектры отрицательных ионов при прогреве образца

4.2.3 Анализ элементного состава поверхности образца

4.2.4 Экспериментальное измерение и теоретическая оценка тока отрицательных ионов

4.3 Выводы к главе 4

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установок»

Введение.

В настоящее время при проектировании первого термоядерного реактора ITER большое внимание уделяется процессам, приводящим к эрозии первой стенки. Одним из негативных явлений в термоядерных установках, оказывающих существенный вклад в эрозию первой стенки, а также являющихся источником загрязнения плазмы, является образование униполярных дуг. Причиной зажигания дуги является разность потенциалов между плазмой и стенкой и, т.к. этот потенциал устанавливается на малом расстоянии от стенки, то создается сильное электрическое поле между ними. Механизм зажигания униполярной дуги до конца не изучен, однако, существует множество экспериментальных работ, в которых показано, что наибольшая вероятность зажигания униполярных дуг наблюдается на поверхностях, покрытых пленкой оксида [1-3], а также имеющих развитый рельеф [4]. Такие поверхности по сравнению с чистыми и гладкими часто обладают более высокой способностью эмитировать электроны, в том числе и при напряженностях электрического поля на несколько порядков меньших, чем необходимо для классической полевой эмиссии. Эмиссию электронов при таких напряженностях поля принято называть низкополевой [5]. Низкополевая эмиссия электронов (НПЭ) может вносить вклад в энергетический и массовый обмен между плазмой и стенкой, а также приводить к поверхностно-плазменным неустойчивостям [6]. В настоящее время нет общепринятой теории, объясняющей такой вид эмиссии электронов в широком диапазоне напряженностей электрических полей. Существует множество моделей низкополевой эмиссии, например, модель "включения" [7], модель пороэмиссии [8], которые в некоторых случаях значительно лучше согласуются с экспериментом, чем полевая эмиссия с учетом усиления поля на микроостриях. Однако эмиссия электронов в этих моделях определяется рядом параметров, (например, наличием или отсутствием пор и инородных включений на поверхности,

длительностью откачки и др.), которые сложно контролировать в эксперименте. Поэтому для корректного сравнения эмиссионных свойств применяемых в ТЯР материалов необходимо сравнительное исследование их эмиссионных свойств при одинаковых, воспроизводимых условиях. Более того, помимо электронов в состав тока НПЭ могут входить отрицательные ионы. Отрицательные ионы, наряду с распыленными нейтральными атомами, могут вносить вклад в процесс взаимодействия плазмы с поверхностью, загрязняя плазму, и их влияние требует оценки. Тем не менее, генерация отрицательных ионов при НПЭ практически не изучена.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы является сравнительное исследование низкополевой эмиссии отрицательно заряженных частиц (как электронов, так и ионов) с различных материалов обращенных к плазме элементов термоядерных установок.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать методики и экспериментальное оборудование, позволяющие производить измерения токов низкополевой эмиссии с материалов ТЯР в одинаковых экспериментальных условиях.

2. Измерить вольт-амперные характеристики низкополевой эмиссии с характерных для обращенных к плазме материалов ТЯР и зависимости НПЭ от таких параметров, как температура, газонасыщенность и других.

3. Выявить возможные центры низкополевой эмиссии на поверхности катода.

4. Определить вклад в НПЭ отрицательных ионов, возможный механизм их генерации и оценить их роль в загрязнении плазмы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика измерения токов низкополевой эмиссии при сравнительных испытаниях образцов материалов ТЯР и экспериментальный стенд для ее реализации.

2. Данные по значениям токов низкополевой эмиссии с применяемых в ТЯР материалов с разной структурой поверхности, позволяющие провести их ранжирование по вероятности образования униполярных дуг.

3. Методика измерения НПЭ при одновременном контроле толщины поверхностной диэлектрической пленки, а также элементного состава поверхности по спектроскопии ионного рассеяния и ионов отдачи.

4. Методика обнаружения центров НПЭ на поверхности с помощью установки «Магнитный микроскоп».

5. Экспериментально зарегистрированные спектры отрицательных ионов при НПЭ, а также методика их измерений, позволяющая наблюдать корреляцию между составом обладающих сродством к электрону примесей (водород, углерод, кислород и их соединения) на поверхности и их концентрацией в объеме.

6. Экспериментально подтвержденный механизм генерации потоков отрицательных ионов при низкополевой эмиссии в широком диапазоне изменения давления и состава остаточных газов.

Научная новизна

1. Впервые произведено сравнительное исследование применяемых в ТЯУ материалов с разной структурой поверхности по величине токов НПЭ, влияющих на образование униполярных дуг.

2. Впервые проведено измерение НПЭ с поверхности, покрытой диэлектрической пленкой, при Одновременном контроле ее толщины и состава.

3. Проведена локализация эмиссионных центров НПЭ на поверхности с помощью магнитного микроскопа.

4. Исследован массовый спектр отрицательных ионов при низко полевой эмиссии и предложена модель их генерации.

Научная и практическая значимость

1. Проведено ранжирование материалов ОПЭ по отношению к вероятности возникновения на них униполярных дуг.

2. Проведенная оценка глубины проникновения отрицательных ионов в плазму относительно нейтральной компоненты позволяет определить их вклад в загрязнение плазмы.

3. Разработанная для установки «Магнитный микроскоп» методика анализа эмиссионных центров НПЭ на поверхности может найти применение при исследовании плоских автокатодов.

4. Измерение массовых спектров отрицательных ионов НПЭ может быть дополнительным неразрушающим методом анализа состава поверхности.

5. Интенсивность эмиссии отрицательных ионов НПЭ может быть чувствительным индикатором водяных течей в плазменных установках.

Апробация работы

По результатам работы опубликовано 18 печатных работ, 4 из которых в реферируемых журналах, 3 входят в базу данных Web of science, 2 входят в базу данных Scopus:

1. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов, Холодная эмиссия отрицательных ионов с пористого графита // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2012, № 8, с. 5054 (входит в базу web of science, входит в список журналов ВАК)

2. Д.Н. Синельников, А.И. Маркин, В.А. Курнаев, В.Е. Черковец, Н.И. Сыромятников Визуализация центров эмиссии заряженных частиц при холодной низкополевой эмиссии // Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, № 7, с. 631—635 (входит в список журналов ВАК)

3. Sinelnikov D.N., Kurnaev V.A., Mamedov N.V., Popov, A.P. Emission of Negative Ions From Surfaces With High Emissivity // IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2013 Vol.:41, Issue:8,Part:2 p. 2113 - 2116 (входит в базу web of science, входит в список журналов ВАК)

4. Мамедов Н.В., Курнаев В.А., Иванов Д.В., Синельников Д.Н.. Применение спектроскопии рассеянных ионов для анализа взаимодействия плазмы с поверхностью // Известия РАН. Серия физическая - Москва, 2012, том 76, № 6, с. 781-784 (входит в базу Scopus, входит в список журналов ВАК)

5. В.А. Курнаев, Д.Н. Синельников, Ю.М. Гаспарян Холодная эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов термоядерных реакторов // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ-2010, 2010, том 2, с. 11-14

6. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов, А.А. Дворнова, Д.В. Колодко Эмиссионные свойства модельного материала стенки ТЯР с диэлектрической пленой // XVII конференция "Взаимодействие плазмы с поверхностью" Москва 2014, с. 77-80

7. Д.Н. Синельников, Д.А. Труфанов, В.А. Курнаев Оценка проникновения распыленных отрицательных ионов в плазму ТЯР // XVII конференция "Взаимодействие плазмы с поверхностью" Москва 2014, с. 6568

8. Sinelnikov D.N., Kurnaev V.A., Mamedov N.V., Popov, A.P. Cold emission of negative ions from the graphite with the rough surface // XXV International Symposium on discharges and electrical insulation in vacuum 2012, Vol. 2, p. 8082

9. V. Kurnaev, K. Gutorov, N.Mamedov, A.Popov, D. Sinelnikov, I.Vizgalov Emission properties of PFCs under plasma and its components impact // Abs. of the 20th International conference «Plasma Surface Interaction» 2012, p. 233

10. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов Хо-лодная эмиссия отрицательных ионов с пористого графита // XX International Conference on Ion Surface Interactions 2011, Том 1, с. 309-312

11. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев, Н.В. Татаринова Низкополевая эмиссия заряженных частиц // Научная сессия МИФИ-2009, т.1, с.93

12. N.V. Tatarinova D.N. Sinelnikov Method of suppression of poro-emission, расширенные тезисы // XXIII International Symposium on discharges and electrical insulation in vacuum 2008 p. 785-788

13. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев Н.В. Татаринова Низкополевая эмиссия заряженных частиц // 7-я молодежная курчатовская научная школа 2009, с. 246

14. D. Sinelnikov, V. Kurnaev, A. Markin, N. Siromyatnikov Cold emission of the negativly charged particles from porous surfaces // Fourth International Workshop and Summer School on Plasma Physics 2010, p. 53

15. Д.Н. Синельников, Д.В. Иванов, В.А. Курнаев, Н.В. Мамедов Масс-спектрометрия заряженных частиц при низкополевой эмиссии // Научная сессия МИФИ-2011, т. 1, с. 75

16. Д.Н. Синельников, В.А. Курнаев Эмиссия заряженных частиц из газонасыщенных материалов // Научная сессия МИФИ-2010, т.1, с. 70

17. Н.В. Татаринова, Д.Н. СинельниковО природе низкополевой эмиссии заряженных частиц с пористых электродов // Материалы XVIII конф. "Вакуумная наука и техника" с. 158-162

18. D. Sinelnikov, V. Kurnaev, A. Markin, N. Siromyatnikov Cold emission of the negativly charged particles from porous surfaces // 19th International Conference on Plasma Surface Interactions 2010, p. 233

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Работа содержит 102 страницы текста, включая 58 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 70 наименований.

Личный вклад автора

Результаты, описанные в работе, получены соискателем самостоятельно, либо с соавторами. Создание стенда для измерения НПЭ, модернизация установки «Большой Масс-Монохроматор МИФИ» для возможности измерения токов НПЭ и спектров отрицательных ионов, написание программ по автоматизации управления осуществлены автором самостоятельно. Проведение экспериментов на установке «Магнитный микроскоп», обработка полученных данных, моделирование движения отрицательных ионов в полях ТЯР получены на паритетной основе с соавторами.

Глава 1 Предпробойные токи с обращенных к плазме материалов, как инициаторы униполярных дуг

1.1 Униполярные дуги

В термоядерных установках типа токамак наибольшие повреждения поверхности за счет воздействия плазмы происходят за счет процессов термического испарения, ионного распыления и образования униполярных дуг. В отличие от первых двух, униполярные дуги еще и существенно изменяют локальные электромагнитные поля.

Униполярные дуги зажигаются между обращенными к плазме элементами (ОПЭ) стенки и плазмой, выполняющими роль катода и анода соответственно, и могут перемещаться по поверхности под действием силы Ампера. Следы от униполярных дуг обнаруживались на обращенных к плазме элементах еще в ранних работах (см. обзор [9]), однако опубликовано небольшое количество работ, в которых исследуется их образование на различных материалах ТЯР. Также в [9] отмечено, что дуги могут приводить к значительной эрозии в области дивертора термоядерных установок, однако в настоящее время недостаточно экспериментальных данных для экстраполяции последствий от них на установки класса ITER. Локальная эрозия, вызванная дугообразованием, была обнаружена на поверхности лимитеров, покрытых слоем В4С, на токамаке TEXTOR [12]. Недавние исследования на токамаке ASDEX Upgrade [11-13] показали, что дугообразование может быть в некоторых областях основным источником эрозии с металлических ОПЭ. Также известно, что дугообразование является источником загрязнения плазмы за счет инжекции в плазму микрочастиц в твердом и расплавленном виде [9, 13].

На рис. 1.1 приведены фотографии следов от униполярных дуг, полученные на токамаке DIII-D [14], а также профилограмма поверхности на месте этих следов. Повреждения от дуг преимущественно находились в зоне верхнего и

Рис. 1.1 Следы от униполярных дуг на верхнем графитовом диверторе токомака £)///-/) и профили поперечного сечения треков дуг (масштаб по горизонтали сжат)

нижнего дивертора, т.е. в зонах наибольшего контакта плазмы с поверхностью. Из профилей поверхности рассчитывалась масса эродированного графита, которая оказалась порядка одного грамма в год со всей поверхности дивертора, при этом в расчете не учитывалось перепыление.

70 ц гп

Причиной зажигания дуги является разность потенциалов между плазмой и стенкой. Т.к. этот потенциал устанавливается на малом расстоянии от стенки (порядка нескольких радиусов Дебая), то возникает сильное электрическое поле между ними. Поскольку плазма квазинейтральна, то ионная и электронная концентрации примерно равны, но т.к. электроны имеют большую тепловую скорость, то они быстрее ионов покидают плазму, в

результате чего последняя получает положительный относительно стенки потенциал. Из равенства потоков ионов и электронов на стенку в [15] приведена формула для потенциала плазмы относительно стенки:

где 8 — коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии. Величина этого потенциала пропорциональна электронной температуре (т.к. значение логарифма слабо меняется от температуры), слабо зависит от отношения массы электрона к массе ионов плазмы и температуры ионов к температуре электронов и не зависит от плотности плазмы. Этот потенциал устанавливается на расстоянии где А-а—радиус Дебая:

Поскольку напряженность электрического поля слабо зависит от выражения под логарифмом, то Е~ ^¡Т/г.

В работе [16] приведена оценка возможных электрических полей для различных токамаков (таблица 1.1): Таблица 1.1

что приводит к возникновению электрического поля:

Токашак

пе (1018т~3)

Ге (еУ)

£0(Ю6У/т)

ЮЛг> (10~6т)

ТОЗСА Т-10

тгт

1ЕТ ТБТ-2М О-Ш О 1ТЕК

50 150 1210 500 410

0.6 2.4

1.4 4

10

5

55 50

6 10

1.3 15 170

0.33 046

1.9

2.3 5.2

5.4 11.7 35.6

300 105 460 260 25 19 2.3 12.6 47

Из таблицы видно, что при параметрах плазмы, близких к термоядерным, из-за уменьшения дебаевского радиуса возникают довольно сильные электрические поля. Учитывая усиление электрического поля на микронеровностях поверхности, такие поля могут приводить к активации эмиссионных центров, которые согласно [17] играют ключевую роль не только в зажигании дуги, но и в процессе ее горения. Кроме того, волны в плазме и связанные с ними флуктуации потенциала могут приводить к скачкам токов электронной эмиссии.

Для зажигания дуги также необходимо увеличение плотности ионов в плазме над центром повышенной эмиссии электронов [18]. Такое увеличение может произойти за счет ионизации электронами нейтралов, десорбирующихся за счет омического нагрева области эмиссии. Также к разогреву эмиссионного центра может приводить интенсивная бомбардировка ионами из плазмы, вызванная эмиссией в нее электронов за счет локального усиления электрического поля вблизи центра, и выделение энергии при рекомбинации ионов. В свою очередь разогрев приводит к возникновению термоавтоэлектронной эмиссии и еще большему потоку электронов в плазму. Все эти процессы приводят к возникновению взрывной электронной эмиссии [19] : резкий рост температуры приводит к микровзрыву эмиссионного центра и из образовавшегося плазменного сгустка электроны устремляются в плазму. При этом за короткий период времени возможно протекание рекордных плотностей тока до 109 А/см2.

Таким образом, минимальное электрическое поле, при котором возможно зажигание дуги, зависит прежде всего от материала и состояния поверхности [17]. В работе [20] показано, что с вольфрамового «нанопуха», образующегося при облучении горячих вольфрамовых поверхностей интенсивными потоками гелия (рис. 1.2) и способного эмитировать значительно более высокие плотности тока, по сравнению с чистой вольфрамовой поверхностью, униполярные дуги образуются чаще, а в работе

[21] приведено объяснение механизма зажигания униполярной дуги за счет взрывной эмиссии согласно эктонной модели [22].

Рис. 1.2 Фотографии вольфрамового «нанопуха», полученные в сканирующем электронном микроскопе

Помимо повышенной вероятности зажигания униполярной дуги, эмиссия электронов в плазму за счет электрического поля может понизить потенциал У^ значение которого влияет на процессы распыления первой стенки и, как следствие, загрязнения плазмы, также как это происходит за счет вторичной электронной эмиссии, влияние которой на параметры плазмы исследуется, например, в работе [23].

Таким образом, необходимо исследование эмиссионных свойств кандидатных материалов ТЯР, позволяющее провести сравнительный анализ их эмиссионных способностей. Основным показателем эмиссионной способности поверхности является зависимость плотности эмитируемого тока от значения внешнего электрического поля, при котором происходит эмиссия. Для простоты расчета электрического поля при известной разности потенциалов между электродами, в большинстве случаев используют

14

е

плоскопараллельную геометрию электродов. В этом случае измерение эмиссионных свойств сводится к измерению вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного диода.

1.2 Вольт-амперная характеристика вакуумного промежутка

Для пары плоскопараллельных очищенных электродов ВАХ в сверхвысоком вакууме, согласно [7], обладают следующими особенностями. Существует некоторое пороговое электрические поле напряженностью 50-150 кВ/см, при котором предпробойный ток резко увеличивается: так из фонового тока на уровне 1 пА, сигнал резко возрастает до уровня 10-100 пА. При дальнейшем увеличении напряжения ток увеличивается, но также возможны ступенчатые скачки. Предположительно это связано с «включением» новых эмиссионных центров. Токовый сигнал в вакуумном промежутке довольно шумный, с частыми резкими скачкам, известными как микропробои. Длительность этих всплесков варьируется от 50 до 1000 мкс с увеличением амплитуды сигнала иногда более чем на два порядка. С увеличением напряжения частота микропробоев возрастает вплоть до пробоя промежутка, когда его сопротивление резко падает до нуля. В литературе описывается множество вероятных механизмов образования микропробоев: взрыв микрочастиц в результате перегрева за счет протекания тока большой плотности [19]; за счет ионизации газа, выходящего в результате десорбции из пор электрода; в результате ионного обмена между электродами, когда случайно появившийся в вакуумном промежутке ион, ускоряясь к катоду, образует отрицательные ионы, которые в свою очередь выбивают из анода положительные и т.д. [24]. Исследования, посвященные тому, могут ли микропробои привести к пробою вакуумного промежутка, были проведены в работе [25], где авторы пришли к выводу, что корреляция частотой микропробоев и вероятностью пробоя есть при малых напряжениях на промежутке, что нельзя сказать при переходе к большим напряжениям на промежутке.

Поскольку частота микропробоев, а следовательно и вероятность пробоя (в случае малых промежутков, актуального для ТЯР), пропорциональна эмитируемым предпробойным токам, приведем основные механизмы, описывающие возникновение этих токов.

1.3 Формула Фаулера-Нордгейма для интерпретации предиробойных токов.

Рассмотрим установленный Фаулером и Нордгеймом в 1928 году механизм эмиссии за счет квантово-механического туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер с металлических поверхностей в вакуум при наличии сильного внешнего электрического поля (Е ~ 107 В/см). Приложенное внешнее поле, вытягивающее электроны, превращает потенциальный порог, существующий на границе тела с вакуумом, в потенциальный барьер, туннелирование электронов через который приводит к появлению автоэлектронной эмиссии электронов (АЭЭ), происходящей, таким образом, без энергетических затрат на их возбуждение [26].

Так как прозрачность потенциального барьера быстро падает с понижением энергии электронов, энергетический спектр АЭЭ достаточно узкий и соответствует небольшому диапазону вблизи уровня Ферми. Его полуширина составляет всего десятые доли эВ.

Для получения сильных электрических полей при меньших напряжениях между катодом и анодом для исследования АЭЭ используют геометрию электродов, когда анод плоский, а катод - острие. В такой геометрии электрическое поле усиливается по мере приближения к вершине острия и для расчета плотности тока вводят коэффициент усиления внешнего поля р. Для расчета плотности тока по величине электрического поля вблизи поверхности катода используют формулу Фаулера-Нордгейма (Ф-Н):

3 =

е3 (РЕ)2 ЪтЬ(р?{рЕ,<р)

ехр

8л: л/2

т ср'

ЪЬе рЕ

в(рЕ,ср)

(1Л),

где б{рЕ,ф) и - получившиеся при расчете специальные функции,

которые учитывают влияние на величину тока АЭЭ степени понижения треугольного потенциального барьера за счет сил зеркального отображения. Подставляя значения физических констант, можно получить формулу:

3/

Зое ~

1,54x10 £

ехр

6,83x109ср/2у{у) Е

# 2

где J в А/см , Е в В/см, ср в эВ. Как видно из формулы 1.1, в координатах \п(1/Е2)=/(\/Е) график должен представлять собой прямую линию, наклон которой связан с работой выхода эмитирующей поверхности. Отклонение от линейности при больших плотностях тока объясняется влиянием объемного заряда эмитированных электронов: плотный отрицательный объемный заряд уменьшает напряженность поля у поверхности эмиттера и, следовательно, обуславливает более слабую зависимость АЭЭ от приложенной разности потенциалов. Для построения графиков в координатах можно использовать инженерную формулу:

1ё у = -5,185 - 0,297^-0(.у) + 1ё

Е

Г

<рг(у)

у

где ] в А/см , Е в В/см, ф в эВ. Во многих работах предполагают, что если геометрия электродов плоская, то электрическое поле усиливается на микронеровностях поверхности, и вводят коэффициент усиления поля на микронеровностях (3. При известной работе выхода с материала поверхности по наклону прямых в координатах Фаулера-Нордгейма экспериментально определяют значение этого коэффициента, а по смещению по оси ординат -эффективную площадь эмиссии.

1.4 Влияние на АЭЭ монослоя инородных адсорбированных атомов

Адсорбция атомов на поверхность требует корректировки формулы для тока АЭЭ, учитывающей свойства адсорбата, так как его наличие изменяет работу выхода. Электроотрицательные атомы, адсорбируясь, захватывают свободные электроны, что приводит к возрастанию напряженности поля двойного электрического слоя вблизи поверхности металла, что в свою очередь ведет к увеличению работы выхода. Наличие же на поверхности электрода электроположительных атомов, напротив, приводит к уменьшению величин потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам для выхода в вакуум. Если же на поверхность адсорбируется полярная молекула, то в зависимости от того, какой заряд диполя будет ближе к поверхности, работа выхода будет либо уменьшаться, либо увеличиваться [27].

Влияние адсорбированных атомов на АЭЭ впервые, согласно [28], было рассмотрено Штерном Госслингом и Фаулером. Реальный потенциальный барьер системы металл - адсорбированный слой - вакуум в присутствии внешнего поля авторы аппроксимировали ломаной линией. В приближении одномерной модели зоммерфельдовского металла с однородной работой выхода для плотности тока сквозь барьер (линия 2 на рис. 1.3) при наличии адсорбционного слоя получено следующее выражение:

] = 6,2 ■ 10"6 £°2Е2 у — ехр Оо+Ро )<Ро 9

г

х ехр

" Г-6,85.107^»+¥, + ^Л

V

л/^о + л/^

( з/2\ 6,85-Ю7^

V у

где J — плотность автоэлектронного тока, А/см ; 8о — уровень Ферми металла, эВ; сро, ср — работа выхода чистого и покрытого слоем адатомов металла соответственно, эВ; Е — напряженность внешнего поля, В/см; с1 — толщина адсорбционного слоя в см. Температура считается близкой к нулю.

От формулы, полученной Фаулером и Нордгеймом для автоэлектронного тока с поверхности чистого металла, выражение отличается появлением множителя: '

а также заменой в числителе второй экспоненты формулы сро на ср. Таким образом, коэффициент Р численно равен отношению величин работ выхода чистого и покрытого слоем адсорбированных атомов металла (поскольку экспоненциальный множитель стремится к 1), т.е. имеет значение до 10. Однако согласно некоторым экспериментальным данным [29], значения Р могут достигать несколько сотен, чего данная теория объяснить не может.

Рис. 1.3. Форма потенциального барьера на границе металл-вакуум при наличии слоя электроположительных адсорбированных атомов и в присутствии внешнего поля (У-потенциалъная энергия).

1.5 Зависимость эмитируемых токов от длины вакуумного промежутка.

Увеличение вакуумного промежутка при постоянном напряжении между электродами приводит к уменьшению электрического поля и параллельному сдвигу прямых, построенных в координатах Ф-Н. Однако, на практике оказалось, что коэффициент усиления внешнего электрического поля также зависит от (1 (рис. 1.4) [30]: при увеличении вакуумного промежутка

/

Уровень сокуума

?о

й | Ферми -уровень -—I металла

требуются меньшие макроскопические электрические поля, чтобы поддерживать неизменными предпробойные токи. Изначально такое поведение объяснялось влиянием усиления электрического поля на краях электродов, но в работе [31] с помощью миниатюрного зонда-анода для изучения эмиссионных центров на поверхности катода, было показано, что предпробойный. ток зависит прежде всего от приложенного между электродами напряжения. Это явление получило название «эффект полного напряжения». Одно из объяснений этого эффекта предложено в работе [32]: при более высоких напряжениях растет коэффициент распыления образующимися в межэлектродном промежутке или эмитированными анодом положительными ионами адсорбированного на поверхности катода кислорода, тогда как чистая от кислорода поверхность имеет более низкую работу выхода и, соответственно, больший эмиссионный ток. Другая интерпретация приведена в работе [33]: нагрев поверхности за счет ее бомбардировки более энергетичными положительными ионами приводит к увеличению количества микровыступов и дополнительному усилению на них поля.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Синельников, Дмитрий Николаевич, 2014 год

Литература

1. D.L. Rudakov et. al. Arcing and its role in PFC erosion and dust production in DIII-D // J. ofNucl. Mater Vol. 438 (2013), p. 805-808

2. K. Jakubka B. Juttner On the influence of surface conditions on initiation and spot types of unipolar arcs in a tokamak. // J. Nucl. Mater. Vol. 102 (1981) p. 259-266

3. H. Ehrich, j. Karlau and K.G. Miller Initiation of arcing at a plasma-wall contact // J. ofNucl. Mater. Vol. 111-112 (1982) p. 526-528.

4. S. Kajita et. al. Observation of Arc Spots Initiated on Nanostructured Tungsten // Transactions on plasma science, Vol. 41, N. 8, (2013) p. 1889-1895

5. A.A. Дадыкин О механизмах низкополевой электронной эмиссии. // Письма в ЖТЭФ, т. 65, вып. 11, (1997), стр. 823-827.

6. V. Kumaev et. al. Emission properties of PFCs under plasma and its components impact // Abs. of the 20th International conference «Plasma Surface Interaction» - Aachen, 2012, p.233

7. R.V. Latham High voltage vacuum insulation // Academic press, (1995)

8. Татаринова H.B. Вакуумная электроизоляция // Вакуумная техника и технология (обзор) т. 13, вып. 1, (2003) с. 3-29

9. G. Federici et al., Plasma-material interactions in current tokamaks and their implications for next step fusion reactors // Nucl. Fusion Vol. 41, No. 12R (2001) p. 1967-2137

10. M. Laux et al., ELM energy and particle losses and their extrapolation to burning plasma // J. Nucl. Mater. Vol. 313-316 (2003) p.62.

11. Herrmann et al., Influence of toroidal and vertical magnetic fields on ion cyclotron wall conditioning in tokamaks // J. Nucl. Mater. Vol. 390-391 (2009) p. 747

12. V. Rohde et al., Multi machine scaling of fuel retention in 4 carbon dominated tokamaks // J. Nucl. Mater.Vol. 415 (2011) p. 46

13. V. Rohde et al., Global migration of 13C impurities in high-density L-mode plasmas in ASDEX Upgrade // J. Nucl. Mater. Vol. 438 (2013) p. 694-697

14. D.L. Rudakov et al., Arcing and its role in PFC erosion and dust production in DIII-D // J. of Nucl. Mater. Vol. 438 (2013) p. 805-808

15. P. Stangeby The plasma boundary of magnetic fusion devices // Institute of Physics Publishing, (1997).

16. Kurnaev V.A., Tatarinova N.V. Erosion of PFC materials induced by poroelectron emission // J. Nucl. Mater. Vol. 220-222, (1995), p.939-942.

17. Anders A. Cathodic arcs. // Springer, 2008.

18. F. Schwirzke Surface damage by sheath effects and unipolar arcs // J. Nucl. Mater. Vol. 93-94, (1980), p.780-784

19. Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия // М.: Физматлит (2011) 280 с.

20. S. Kajita et al. Field emission property of nanostructured tungsten formed by helium plasma irradiation // Fusion Engineering and Design Vol. 88 (2013) p.2842- 2847

21. S.A. Barengolts, G.A. Mesyats, M.M. Tsventoukh Explosive electron emission ignition at the "w-fuzz" surface under plasma power load // IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 39, no. 9, (2011) p.1900-1904

22. Г.А.Месяц Эктоны в электрических разрядах // Письма в ЖЭТФ, том 57, вып. 2, (1993) с. 88 - 90

23. J. Kawata Monte-Carlo simulation of secondary electron emission from plasma facing materials // Rudiurion Effects und Dejecrs in Solids, № 142, (1997) p. 149-161

24. V.I. Gerasimenko // Sov. Phys.-Tech. Phys., Vol. 13,, (1968), p. 107-112

25. R. Berland et. al. // Proc. IV-ISDEIV, (1970) p. 56-60

26. Фортов B.E. Энциклопедия низкотемпературной плазмы: вводный том III // М.:Наука, (2000) с. 74-84

27. Somorjai G.A., Introduction to Surface Chemistry and Catalysis. // John Wiley & Sons, New York, (1994)

28. Месяц Г.А., Баренгольц Ю.А., Янкелевич Ю.Б. О «неметаллическом» характере явлений, предшествующих взрывной эмиссии электронов // Изв. АН СССР. Сер. Физ., Том. 49, № 9, (1985) с. 1725-1729

29. J. Chen et. al. High field emission enhancement of ZnO-nanorods via hydrothermal synthesis // Solid-State Electronics, Vol. 52 Is. 2 (2008) p. 294-298

30. Kobayashi S., Xu N.S., Saito Y., Latham R.V. // Proc. of XVIIIth ISDEIV, (1998) p.56

31. Chatterton P.A. // Proc. Phys. Soc., London, Vol. 88 (1966), p. 231-245

32. Beukema G.P. // J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 6, (1973), p. 1455-1466

33. Jiittner B. // Proc. 8th Int. Conf. Phenom. ionised Gases, (1967) p.70

34. Татаринова H.B. Метод увеличения электрической прочности вакуумной электроизоляции // ЖТФ, том 82, вып. 11, (2012), стр. 70-75

35. Xu N.S., Latham RV. // Surface Science, Vol. 274, (1992) p. 147-160

36. Coulombe S, Meunier, J. Thermo-field emission - a comparative study // J.Phys. D: Appl. Phys.Vol. 30, (1997) p. 776-780

37. Xu NS. "Field-Induced Hot-Electron Emission from Composit Metal-Insulator-Metal Microstructures", Ph D Thesis, Aston University, UK, 1986

38. Тамм И., Блохинцев Д. // ЖЭТФ, том. 3, вып.2, (1933) с.77

39. Bernheim М. // Surface science Vol. 566-568 (2004) p. 1222-1228

40. Гуторов К. М., Визгалов И. В., Маркина Е. А., Курнаев В. А. // ИЗВЕСТИЯ РАН: СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, , том 74, № 2 (2010), с. 208-211.

41. F. Jamali-Sheini et. al. Influence of chemical routes on optical and field emission properties of Au-ZnO nanowire films // Vacuum, Vol. 101, (2014) p. 233237

42. R. Thapa Enhanced field emission from Si doped nanocrystalline A1N thin films //Applied Surface Science, Vol. 255, Is. 8, (2009), p. 4536^541

43. M.S. Mousa, T.F. Kelly Stabilization of carbon-fiber cold field-emission cathodes with a dielectric coating // Ultramicroscopy Vol. 95, (2003), p. 125-130

44. Y.X. Wang, et. al. Influence of thickness on field emission characteristics of

A1N thin films //Applied Surface Science Vol. 243 (2005) p. 394-40

99

45. V. V. Zhirnov et. al. Investigation of thickness effects on A1N coated metal tips by in situ I-V measurement //Applied Surface Science 191 (2002) p. 20-25

46. Исмаилов Ш. К. Электрическая прочность изоляции электрических машин локомотивов. // Омск: Оме. гос. ун-т путей сообщ., (2003)

47. Мамедов Н.В. Методика исследования взаимодействия плазмы с поверхностью на основе спектроскопии ионного рассеяния и установка для ее реализации // Дис. на соиск. ст. к.ф.-м.н. Москва (2013)

48. M.J. Baldwin, R.P. Doerner Helium induced nanoscopic morphology on tungsten under fusion relevant plasma conditions // Nucl. Fusion Vol. 48 (2008) p.035001

49. G. de Temmerman et. al. Nanostructuring of molybdenum and tungsten surfaces by low-energy helium ions// J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 30 (2012), p. 041306

50. S. Takamura, N. Ohno, D. Nishijima, S. Kajita, Formation of nanostructured tungsten with arborescent shape due to helium plasma irradiation // Plasma Fusion Res., Vol. 1 (2006), p. 51

51. G.M. Wright et. al. Tungsten nano-tendril growth in the Alcator C-Mod divertor // Nucl. Fusion Vol. 52 (2012) p. 042003

52. D.M.Goeble, G.Campbell, R.W.Conn Plasma surface interaction experimental facility (PISCES) for material and edge physics studies// J. Nucl. Mater, Vol. 121, (1984) p. 277

53. Xinli Liu et. al. Structureand field-emission properties of W/WO2.72 heterostructures fabricated by vapordeposition //Physica E, Vol. 53, (2013) p. 260265

54. Proceedings of the 20th International conference on Plasma Surface Interaction in controlled fusion devices - Aachen, 2012

55. S. Kajita Tungsten blow-off in response to the ignition of arcing: Revival of arcing issue in future fusion devices // J. of Nucl. Mater. Vol. 415 (2011) p. 42-45

56. Климов Н.С. и др. // ВАНТ: Сер. Термоядерный синтез, , вып. 2, (2009) с. 52-61

57. Трифонов Н.Н. Взаимодействие ионов водорода термоядерных энергий с тонкими слоями вещества // Дис. на соиск. ст. к.ф.-м.н. Москва (2002)

58. V. Rohde et. al. Tungsten erosion by arcs in ASDEX upgrade // J. of Nucl. Mater 415 (2011), p. 46-50

59. Маркин А.И., Полулях Е.П., Черковец B.E. Магнитный микроскоп для исследования эмиттирующих заряженные частицы поверхностей. // Приборы и техника эксперимента, № 5, 1999, с. 108-113

60. Маркин А.И., Утюгов Е.Г., Черковец B.E. а-, [5- изображение радиоактивных источников в магнитном поле // Атомная энергия, Том 88, Вып. 4, (2000), с. 287-292

61. Азизов Э.А., Маркин А.И., Черковец В.Е. Исследование диффузии и запаса трития в материалах методом магнитной микроскопии. // Инженерная физика, № 1, (2002)

62. Ю.В. Готт, В.А. Курнаев, O.JI. Вайсберг Корпускулярная диагностика лабораторной и космической плазмы // М.:МИФИ Учебная книга (2008) 142 с.

63. Г. Месси «Отрицательные ионы», // М.: «МИР» Москва, (1979)

64. Пивовар Л.И., Гордиенко В.И. // ЖТФ, Том 28, Вып. 10, (1958) с. 22892294

65. И. С. Григорьев, Е. 3. Мейлихов Справочник «Физические величины» // М.: "Энергоатомиздат", (1991), с. 420-422

66. Я.М. Фогель «Вторичная ионная эмиссия» // УФН, т.91, №1, (1967), с. 75-112

67. V. Kurnaev et. al. Spectroscopic localization of water leaks in ITER // Fusion Engineering and Design Vol. 88 Is. 6-8 (2013) p. 1414-1417

68. Русинов А. А. и др. Стенд для термодесобционных измерений // Приборы и техника эксперимента, №6, (2009) с. 116-121

Райзер Ю.П. Физика газового разряда // М.: Наука, (1992)