Рассеяние протонов кэвных энергий как инструмент анализа тонких слоев на поверхности материалов ТЯР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Булгадарян Даниэль Грантович

• Булгадарян Даниэль Грантович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Булгадарян Даниэль Грантович

Введение

Глава 1. Современное состояние методов диагностики взаимодействия плазмы с поверхностью в термоядерных установках

1.1. Взаимодействие плазмы с поверхностью в термоядерных установках с магнитным удержанием

1.2. Методы анализа состава поверхности, используемые для диагностики ОПЭ

1.3. Методы анализа ОПЭ, основанные на отражении ионов от поверхности

1.3.1. Общие принципы спектроскопии ионного рассеяния

1.3.2. Аналитические методики, использующие ионные пучки

1.4. Выводы к главе

Глава 2. Компьютерное моделирование процессов анализа обращенных к плазме материалов с помощью спектроскопии рассеяния протонов кэвных энергий

2.1. Отражение от двухслойной мишени с тяжелой подложкой и легким поверхностным слоем

2.2. Отражение от двухслойной мишени с легкой подложкой и тяжелым поверхностным слоем

2.3. Выводы к главе

Глава 3. Экспериментальная проверка методики

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2. Осаждение золота на кремний и кремния на золото

3.2.1. Перепыление золота ионным пучком

3.2.2. Термическое осаждение золота

3.2.3. Ионное перепыление кремния на золото

3.3. Осаждение лития на вольфрам

3.4. Анализ вольфрама с наноструктурированным слоем на поверхности

3.5. Выводы к главе

Глава 4. Способ определения эрозии и осаждения тонких слоев

на обращенных к плазме элементах плазменных установок

4.1. Концепция реализации предлагаемой методики непосредственно

в термоядерных установках с собственным магнитным полем

4.2. Разработка и испытание встраиваемого анализатора поверхности

4.3. Выводы к главе

Заключение

Список литературы

Список сокращений и условных обозначений

DRS — спектроскопия атомов отдачи, direct recoil spectroscopy ERDA — спектроскопия ядер отдачи, elastic recoil detection analysis FWHM — ширина на полувысоте, full width at half maximum IBSD — перепыление ионным пучком, ion beam sputter deposition LEIS — спектроскопия рассеяния ионов низких энергий, low-energy ion scattering MEIS — спектроскопия рассеяния ионов средних энергий, medium-energy ion scattering

NRA — спектроскопия ядерных реакций, nuclear reaction analysis PIXE — спектроскопия ионно-индуцированного характеристического рентгеновского излучения, particle-induced x-ray emission ВИМС, SIMS — вторично-ионная масс-спектрометрия, secondary ion mass spectrometry

ЛИЭС, LIBS — лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия, laser-

induced breakdown spectroscopy ОПЭ — обращенные к плазме элементы

РФЭС, XPS — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, x-ray

photoelectron spectroscopy СОРР, RBS — спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния,

Rutherford backscattering spectroscopy ТЯР — термоядерный реактор

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рассеяние протонов кэвных энергий как инструмент анализа тонких слоев на поверхности материалов ТЯР»

Актуальность темы исследования

Взаимодействие плазмы с поверхностью обращенных к ней элементов в современных термоядерных установках с магнитным удержанием является одним из основных факторов, определяющих работоспособность установки, поскольку плазменное воздействие на обращенные к ней материалы приводит к модификации их физических свойств и эрозии, при этом продукты эрозии, попадая в плазму, также меняют ее параметры. Соответственно, одной из важнейших задач для осуществления управляемых термоядерных реакций в современных установках, таких как строящийся реактор ИТЭР, является диагностика процессов взаимодействия плазмы с поверхностью и контроль изменения состояния поверхности. Поскольку взаимодействие плазмы с поверхностью представляет из себя совокупность множества процессов энергетического, массового и зарядового обмена, то исследование всей этой совокупности в целом обычно достаточно затруднительно. Для упрощения задачи используются экспериментальные установки—плазменные симуляторы, на которых при помощи низкотемпературной плазмы или ионных пучков моделируются и исследуются отдельно взятые аспекты взаимодействия пристеночной плазмы термоядерных реакторов с обращенными к ней поверхностями. При этом основным недостатком является то, что состояние поверхности обычно исследуется ex situ, то есть уже после плазменного воздействия, что не позволяет отслеживать динамику модификации поверхности. Данная работа посвящена применению спектроскопии рассеяния ионов водорода кэвных энергий для in situ анализа тонких слоев, образующихся в процессе перепыления и эрозии материалов термоядерных установок с магнитным удержанием плазмы.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью данной работы является разработка метода исследования поверхности обращенных к плазме материалов при помощи спектроскопии рассеяния

ионов водорода кэвных энергий непосредственно во время модификации поверхности и исследование аналитических возможностей этого метода для комбинаций материалов с резко отличающейся атомной массой, характерных для современных термоядерных установок. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено компьютерное моделирование процессов отражения атомов водорода кэвных энергий от материалов ТЯР, на основании которого определены оптимальные параметры спектроскопии, позволяющей определять толщину поверхностной пленки по энергетическим спектрам рассеянных ионов.

Модернизирована лабораторная установка «Большой масс-монохроматор МИФИ» для экспериментальной реализации методики спектроскопии рассеяния ионов водорода кэвных энергий.

Проведены серии экспериментов, доказывающие возможность применения спектроскопии рассеяния ионов водорода кэвных энергий для анализа поверхности обращенных к плазме материалов непосредственно в процессе их модификации.

Разработана концепция встраиваемого анализатора, позволяющая реализовать данную методику в термоядерных установках с магнитным удержанием. Спроектирован и испытан на линейном симуляторе макет встраиваемого анализатора.

Научная новизна

Впервые экспериментально продемонстрирована применимость спектроскопии рассеяния ионов водорода кэвных энергий для анализа поверхностных слоев в нанометровом диапазоне толщин, если атомная масса поверхностного слоя сильно отличается от атомной массы подложки.

3.

4.

2. Впервые спектроскопия рассеяния ионов водорода кэвных энергий использована для контроля толщины осаждаемого слоя непосредственно в процессе осаждения, реализованная методика подтверждена патентом на изобретение.

3. Впервые продемонстрирована возможность непосредственного контроля с помощью спектроскопии рассеяния протонов деградации наноструктури-рованной поверхности вольфрама в процессе облучения.

4. Разработана и экспериментально проверена концепция применения встраиваемого непосредственно в плазменную установку с собственным магнитных полем анализатора энергетических спектров рассеянных от поверхности протонов кэвных энергий, позволяющим определять ее состав.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость заключается в создании экспериментальной базы данных по взаимодействию ионов водорода кэвных энергий с тонкими слоями вещества, позволяющая уточнить возможности применения существующих компьютерных кодов для описания взаимодействия плазмы с поверхностью. Разработанная методика и прибор могут быть применены для анализа процессов эрозии и переосаждения в термоядерных установках, а также в качестве средства анализа характеристик поверхностных пленок в нанометровом диапазоне толщин в других областях науки и техники, таких как, например, наноэлектроника.

Положения, выносимые на защиту

1. Закономерности формирования энергетических спектров ионов водорода в диапазоне начальных энергий 5-25 кэВ при отражении от двуслойных мишеней с различающимися атомными массами и структурой.

2. Экспериментальные данные по энергетическим спектрам ионов водорода при их рассеянии от двуслойных мишеней с различающимися значени-

ями средней атомной массы слоев, позволяющие определить толщину осажденного на подложку тонкого слоя вещества.

3. Способ определения скорости эрозии и осаждения тонких слоев на обращенных к плазме элементах плазменных установок.

4. Метод непосредственного контроля с помощью спектроскопии рассеяния протонов деградации наноструктурированной поверхности вольфрама в процессе ионного облучения.

5. Концепция встраиваемого анализатора процессов эрозии и переосаждения, позволяющего реализовать данную методику непосредственно в плазменной установке с собственным магнитным полем.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных результатов обусловлена их повторяемостью, а также сопоставимостью экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования. Анализ результатов исследований основан на современных научных представлениях о взаимодействии ионов с поверхностью и физических свойствах изучаемых материалов. Основные результаты диссертации были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. XXIII конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью» (Москва, 2020)

2. XXIV International Conference on Ion-Surface Interactions (Москва, 2019)

3. XI Конференция «Современные средства диагностики плазмы и их применение» (Москва, 2018)

4. 9th International Workshop on High-Resolution Depth Profiling (Уппсала, Швеция, 2018)

5. 5th International Symposium on Liquid metals Applications for Fusion (Москва, 2017)

6. 22nd International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions (Дрезден, Германия, 2017)

7. XXIII International Conference on Ion-Surface Interactions (Москва, 2017)

8. XVII Всероссийская конференция «Диагностика высокотемпературной плазмы» (Звенигород, 2017)

9. XX конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью» (Москва, 2017)

10. 7th International Workshop & Summer School on Plasma Physics (Китен, Болгария, 2016)

Работы по теме диссертации выполнялись автором в качестве исполнителя в рамках государственного контракта № Н.4Х241.9Б.17.1007 на выполнение научно-исследовательской работы (заказчик — Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом») и гранта Российского научного фонда № 17-12-01575 «Новые методы in situ диагностики взаимодействия плазмы с поверхностью».

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 6 статей в рецензируемых журналах [1—6], 3 статьи в сборниках трудов конференций [7-9]. Получен патент на изобретение № 2655666 «Способ определения скорости эрозии и осаждения тонких слоев на обращенных к плазме элементах плазменных установок (варианты)» [10].

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Компьютерное моделирование

и обработка его результатов, а также обработка экспериментальных данных выполнены лично автором. Проведение экспериментов осуществлялось совместно с соавторами. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором либо на паритетной основе с соавторами. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 116 страниц, включая 65 рисунков. Библиография содержит 149 наименований.

Глава 1

Современное состояние методов диагностики взаимодействия плазмы е поверхностью в термоядерных установках

1.1. Взаимодействие плазмы с поверхностью

в термоядерных установках с магнитным удержанием

Исследования в области осуществления реакций управляемого термоядерного синтеза (УТС) и его применения для генерации электроэнергии ведутся еще с 50-х гг. XX в. В настоящее время усилия специалистов в этой области науки сосредоточены на создании и запуске токамака ИТЭР [11, 12] — реактора, который должен продемонстрировать возможность осуществления термоядерных реакций синтеза ядер дейтерия и трития при температуре ЭТ-смеси порядка 10 кэВ в течение достаточного длительного 400 с) времени. При этом, несмотря на значительный научно-технический прогресс в сфере термоядерного синтеза, остаются открытыми многие вопросы, связанные в первую очередь с взаимодействием плазмы с обращенными к ней поверхностями термоядерных установок. Обращенные к плазме элементы (ОПЭ) в термоядерных установках с магнитным удержанием подвергаются большим механическим нагрузкам из-за взаимодействия протекающих по ним токов с магнитным полем установки посредством силы Ампера (1 х В) [13]. ОПЭ должны выдерживать большие стационарные тепловые нагрузки (до 10 МВт/м ), огромные пиковые тепловые нагрузки (^ ГВт/м2) [14] и большие потоки частиц (1018 - 1024 м-2 с-1) [15] с энергиями диапазоне от нескольких эВ до МэВ, приводящие к эрозии материалов, их деградации, ухудшению теплопроводности и механических свойств, а также к ускорению процессов захвата трития. Взаимодействие плазмы с по-

верхностью состоит одновременно из множества процессов: захвата и отражения частиц первой стенкой, обмена веществом между плазмой и стенкой, распыления обращенных к плазме материалов термоядерного реактора, эрозии и деградация ОПЭ и переосаждения материалов в различных частях установки (рис. 1.1). При этом процессы взаимодействия плазмы с поверхностью ОПЭ самосогласованны, то есть воздействие плазмы приводит к изменению свойств поверхности, что в свою очередь влияет на параметры пристеночного слоя плазмы. Примеси, попадающие со стенки в центральную плазму, приводят к ее охлаждению, что может быть критично для работы термоядерного реактора. Эрозия материалов ОПЭ, их перенос и переосаждение накладывают существенные ограничения на работу термоядерных установок, соответственно, контроль состояния поверхности ОПЭ является критически важным для работоспособности термоядерных реакторов [16-19]. Поскольку в качестве основных обращенных к плазме материалов ИТЭР рассматриваются вольфрам и бериллий (рис. 1.2), особый интерес представляет изучение эрозии и переосаждения именно этих материалов, а также материалов, используемых в качестве покрытий ОПЭ для улучшения параметров плазмы, таких как литий или карбид бора [20—23].

Рис. 1.1. Схематическое изображение совокупности процессов, протекающих в термоядерных установках на границе «плазма - стенка» [24]

Рис. 1.2. Поперечное сечение рабочей камеры ИТЭР. Синий — бериллий (690 м2), зеленый — вольфрам (195 м2)

1.2. Методы анализа состава поверхности, используемые для диагностики ОПЭ

Распространенным методом исследования поверхности является вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС, SIMS) (рис. 1.3). Для анализа используется распыление поверхности пучком ионов инертных газов или щелочных металлов с начальными энергиями от десятков эВ до десятков кэВ. Выбиваемые из анализируемой поверхности частицы, вылетевшие в ионизованном состоянии (их доля обычно составляет ^ 5%), сепарируются по отношению их массы к заряду и затем попадают на детектор. При этом в статическом режиме ВИМС плотность тока первичного пучка ионов составляет 10-10 — 10-9 А/см2, что

позволяет определить элементный состав первых атомных монослоев анализируемой мишени. В динамическом режиме используется большая плотность тока первичного ионного пучка (порядка 10-6 А/см2), позволяющая получать распределение элементов изучаемой мишени по глубине посредством постепенного распыления мишени и непрерывного сбора масс-спектров.

Рис. 1.3. Принципиальная схема ВИМС

В работах [25, 26] ВИМС использовалась для анализа переосажденных слоев бериллия, углерода, никеля, вольфрама и захваченного дейтерия в дивер-торе токамака JET во время экспериментальных кампаний 1998 - 2004 гг. C той же целью ВИМС применялась на токамаке ASDEX Upgrade [27, 28]. Недостатком данной методики является сложность количественной характеризации элементов анализируемого образца из-за разной вероятности ионизации при распылении для различных атомов и в зависимости от их окружения («матричный эффект» [29, 30]), а также преимущественного распыления одного или нескольких компонентов образца [31]. Перемешивание атомов поверхностных слоев анализируемой мишени при ее распылении ограничивает разрешение ВИМС по глубине величиной в десятки нм. Также следует отметить, что данная методика, особенно в динамическом режиме, является разрушающей, то есть анализ образца другими методами после ВИМС зачастую невозможен.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС, ХР8) используется для анализа поверхности по энергоспектру эмитируемых из нее фотоэлектронов. В этой методике анализируемый образец подвергается воздействию рентгеновского излучения — обычно с энергиями 1253,6 эВ или 1486,6 эВ (линии излучения Ка магния и алюминия соответственно) — при поглощении которого из атомов образца в вакуум эмитируются электроны со всех энергетических уровней атома, энергия связи Еы на которых меньше энергии падающего излучения Ни; энергия этих электронов измеряется энергоанализатором (рис. 1.4). Энергия связи определяется как Еы = Ни — Ек — р, где Ек - кинетическая энергия электронов, измеряемая в эксперименте, ^ - работа выхода материала спектрометра. Получаемый энергетический спектр электронов (набор энергий связи) характеризует электронную структуру исследуемого образца, позволяя идентифицировать не только отдельные элементы, но и химические соединения, входящие в состав мишени, в том числе при анализе многокомпонентных многослойных мишеней [32].

Рис. 1.4. Принципы реализации РФЭС

В работе [33] РФЭС использовалась для анализа результатов кондиционирования стенок до и после разрядов в токамаке HT-7. В Принстонской лаборатории физики плазмы (США) разработан диагностический зонд MAPP [34, 35] для in vacuo анализа состояния ОПЭ с помощью РФЭС. На токамаках NSTX, NSTX-U и LTX данный зонд применялся для анализа поверхности ОПЭ при боронизации и литизации [20, 36-38]. К недостаткам РФЭС относится невозможность детектирования водорода и гелия, а также малая глубина анализа (несколько нм), ограниченная глубиной выхода фотоэлектронов из мишени. Профилирование по глубине можно проводить с помощью распыления анализируемой мишени ионным пучком во время анализа [39, 40], что, очевидно, делает методику разрушающей.

В последнее время распространенным методом анализа поверхности ОПЭ стала лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС, LIBS). Данный метод заключается в облучении анализируемого образца лазерными импульсами длительностью от нано- до фемтосекунд и оптической спектроскопии излучения образуемой при этом плазмы элементов образца (лазерная абляция) (рис. 1.5). Обычно для реализации ЛИЭС используются твердотельные лазеры, например, Nd:YAG с длиной волны 1064 нм, с энергией от десятков мДж до единиц Дж на импульс, при этом энергия и длительность импульса определяют количество испаряемого с анализируемой мишени вещества. Использование точной системы фокусировки и спектрометра с хорошим разрешением позволяет охарактеризовать элементный состав образованной лазерной плазмы.

ЛИЭС использовалась для анализа процессов переосаждения материалов ОПЭ и захвата изотопов водорода на токамаках TEXTOR [42] и Tore Supra [43]. В работе [44] показана возможность применения ЛИЭС для измерения распределения элементов анализируемой мишени (Al-Ti) по глубине при толщинах исследуемых слоев в несколько мкм. В работах [45, 46] описано исследование возможностей количественного анализа материалов ОПЭ в термоядерных установках. Определение профилей концентрации захваченных изотопов водорода

Computer

Рис. 1.5. Общая схема реализации ЛИЭС [41]

проводилось в работах [47, 48]. На установке Magnum PSI, генерирующей плазму с параметрами, ожидаемыми в диверторе ИТЭР, ЛИЭС применялась для анализа влияния плазмы на вольфрамовые покрытия в стационарном режиме горения разряда и при ELM-ax [49], схожие исследования проводились и на линейном симуляторе Pilot-PSI [50]. В работе [51] описано использование ЛИЭС на установке PSI-2 для анализа захвата изотопов водорода вольфрамом во время воздействия плазмы и после него. Применение ЛИЭС для анализа эрозии и переосаждения материалов ОПЭ на стеллараторе Wendelstein 7-X описано в работе [52]. Большое количество исследований возможностей применения ЛИЭС для анализа ОПЭ, проведенных за последние годы, свидетельствует о широких возможностях данной диагностики, однако у нее есть и некоторые недостатки. Так, разрешение по глубине ограничивается глубиной кратера, образуемого при воздействии лазерного импульса, и обычно составляет сотни нм. Уменьшение количества испаряемого материала на импульс и соответствующее улучшение разрешения возможно при использовании импульсов субнаносекунд-ной длительности, однако пико- и фемтосекундные лазеры являются весьма дорогостоящим оборудованием. Количественные измерения при помощи ЛИЭС

возможны при использовании калибровочных образцов с известным распределением элементов, либо без калибровки, но с рядом допущений, которые могут привести к значительной ошибке [53].

Среди прочих методов анализа тонких поверхностных слоев заслуживают внимание методики анализа, использующие отраженные от исследуемой поверхности электроны с энергиями в диапазоне от долей до десятков кэВ. Возможен анализ толщины поверхностных слоев и распределения концентрации элементов по глубине в нанометровом диапазоне с использованием спектроскопии пиков упруго отраженных электронов (СПУЭ) [54] или спектроскопии отраженных электронов (СОЭ) [55], учитывающей также неупругие столкновения. В работах [56, 57] данные методики использовались для анализа содержания изотопов водорода в исследуемых образцах. В статьях [58, 59] описано применение электронной спектроскопии для анализа толщины поверхностных слоев ниобия и золота на кремнии. К недостаткам данных методик можно отнести сложность интерпретации получаемых спектров, а также, в случае СПУЭ, необходимость использования энергоанализатора с очень высоким разрешением (менее электронвольта).К некоторым другим средствам, применяемым для диагностики ОПЭ, относятся Оже-спектроскопия [20, 60], ускорительная масс-спектрометрия [61, 62], термодесорбционная спектроскопия [63], колориметрия [64]. Несмотря на распространенность описанных выше аналитических методик, наиболее популярными средства анализа поверхности ОПЭ в настоящее время являются ионно-пучковые методы, рассмотренные далее.

1.3. Методы анализа ОПЭ, основанные на отражении ионов от поверхности

1.3.1. Общие принципы спектроскопии ионного рассеяния

Ионно-пучковые методы анализа поверхности основаны на детектировании энергии ионов (атомов) либо после их рассеяния на исследуемой мишени под определенным углом относительно направления их движения до рассеяния, либо же на детектировании частиц, выбитых из мишени под известным углом первичным пучком ионов. Также может детектироваться излучение, образуемое при взаимодействии частиц. Простая схема этих процессов приведена на рис. 1.6: частица с массой М1 и энергией Е0 налетает на атом мишени с массой М2 под углом а относительно поверхности мишени и передает ей часть энергии, рассеиваясь с энергией Е1 на угол $ относительно первоначального направления, а атом мишени с полученной энергией Е2 движется под углом (р к изначальной траектории налетающей частицы. Законы сохранения энергии и импульса для упруго взаимодействующих частиц описываются следующим образом:

где у0 — скорость налетающей частицы до столкновения, — скорость налетающей частицы после столкновения, у2 — скорость частицы мишени после столкновения. Из (1.1) выводятся следующие соотношения:

_ м^2

2 2 + 2 '

+

М1у0 = М1у1 сое $ + М2у2 сое

(1.1)

М1У1 вШ $ = М2У2 Бт р,

где д = М2/М1 — отношение масс взаимодействующих частиц, и

2

Еч = 1Е0 сое

(1.3)

где 7 = 4М1М2/ (Mi + М2) —коэффициент передачи энергии. В формуле (1.2) перед корнем стоят два знака (±). В случае М2 > Mi перед корнем берется только знак (+), при этом частица может отразиться под любым углом $ (0 ^ $ ^ 180°). При центральном столкновении налетающая частица изменит свое направление движения на противоположное, а ее энергия станет минимальной. Если М2 ^ М1, то при столкновении отклонение частицы М1 от первоначального направления движения возможно только на углы заключенные в пределах 0 ^ $ ^ $тах, где Фтах = arcsin д — максимальный возможный угол отклонения. В этом случае перед корнем в (1.2) берутся оба знака. Знак (-) соответствует центральному столкновению, после которого частица М1 будет двигаться без изменения направления своего движения ($ = 0), но ее скорость и энергия уменьшатся до минимального значения [65].

Рис. 1.6. Бинарное столкновение налетающей частицы с атомом твердого тела

Таким образом, формулы (1.2) и (1.3) связывают параметры взаимодействующих частиц, тем самым положения пиков на энергетическом спектре рассеянных или упруго выбитых из мишени на определенный угол частиц (с учетом неупругих потерь энергии частиц, то есть передачи энергии электронам мишени) будут однозначно определяться элементом исследуемой поверхности (рис. 1.7).

Количество М атомов мишени на единицу анализируемой площади определяется по вероятности столкновения налетающих частиц с атомами мишени, то есть количеству Мл задетектированных частиц относительно общего количества N частиц первичного пучка. Соотношение между М и Nd определяется с помощью сечения рассеяния. Дифференциальное сечение рассеяния с1а ($)/(№ для отражения частицы в телесный угол сЮ при полярном угле $ ± (1$ (рис. 1.8) выражается следующим образом:

.М. = ^, (1.4)

где N¿0^ — количество частиц, рассеянных в <Л0. Отсюда можно получить усредненное сечение рассеяния:

(<*> = 01 % ^ (15)

о

Рис. 1.7. Энергетические спектры ионов Пв+, рассеянных на угол 140° от кремниевой мишени с атомами серебра, кремния и кислорода на поверхности [66]. Отражение от каждого из элементов формирует пик на спектрах. Верхний спектр: рассеяние ионов низких энергий (Е0 & 1 кэВ); нижний спектр: обратное резерфордовское рассеяние (Е0 & 1 МэВ)

В общем случае сечение рассеяния является также функцией энергии налетающей частицы. Сечение для конкретных пар взаимодействующих частиц может быть определено экспериментально [67, 68] или рассчитано [69] для заданного потенциала межатомного взаимодействия [70].

Рис. 1.8. Рассеяние частиц в телесный угол dQ [71]

1.3.2. Аналитические методики, использующие ионные пучки

Ионно-пучковые методы анализа поверхности можно условно разделить на три группы в зависимости от начальной энергии частиц ионного пучка:

• Е0 от сотен кэВ до десятков МэВ: спектроскопия обратного резерфор-довского рассеяния (СОРР, RBS), спектроскопия ядер отдачи (ERDA), спектроскопия ядерных реакций (NRA), спектроскопия ионно-индуцированного характеристического рентгеновского излучения (PIXE)

• Е0 от десятков до сотен кэВ: спектроскопия рассеяния ионов средних энергий (MEIS)

• Е0 от сотен эВ до десятков кэВ: спектроскопия рассеяния ионов низких энергий (LEIS)

RBS является мощным инструментом для количественного элементного анализа и (в некоторых случаях) получения распределения элементов по глубине исследуемой мишени. Для анализа обычно используются ионы H+ или He+

Мэвных энергий, при которых потенциал взаимодействия частиц первичного пучка и мишени является кулоновским:

ад = ^ ^, (1.6)

где и Z2 — атомные номера налетающей частицы и атома мишени соответственно, е — элементарный заряд, £0 — электрическая постоянная, г — расстояние между взаимодействующими частицами. Дифференциальное сечение рассеяния (1.4) имеет следующий вид:

2

(1.7)

da i Z1Z2e2\ _ 4 у16тт £ qEj si

2 \2 4 ^у71 — ß 2 sin2 $ + cos$^

(Ы £ 0E) sin4$ Vi — ß—2 sin2 $ '

где E — энергия налетающей частицы. Видно, что сечение квадратично растет с увеличением атомного номера частиц мишени, из-за чего чувствительность RBS к легким элементам существенно ниже, чем к тяжелым: так, нижний предел детектирования тяжелых примесных элементов в легкой мишени составляет ~ 1011 атомов/см2 (золото в кремнии) [72], а в обратном случае — ~ 1016 - 1017 атомов/см2 [73]. Детектирование же водорода с помощью RBS в принципе невозможно, поскольку обратное рассеяние может произойти только при М2 > М1, поэтому для идентификации легких элементов применяется спектроскопия атомов отдачи (ERDA, elastic recolil detection analysis), в которой детектируются частицы, выбитые из мишени пучком тяжелых ионов. Измерение энергии рассеянных/выбитых частиц обычно производится с помощью твердотельных полупроводниковых детекторов [74], что позволяет регистрировать частицы вне зависимости от их зарядового состояния. Попадая в детектор, частица теряет энергию на генерацию электронно-дырочных пар, количество которых и измеряется. Типичное энергетическое разрешение таких детекторов составляет 15 - 20 кэВ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Булгадарян Даниэль Грантович, 2020 год

Список литературы

[1] D. Bulgadaryan и др. «Facility and the method for MEIS analysis of layers redeposited in plasma devices». в: Journal of Physics: Conference Series 748.1 (сент. 2016), с. 012016. DOI: 10.1088/1742-6596/748/1/012016.

[2] D Bulgadaryan и др. «On the possibility of thin layers thickness determination with low energy proton scattering». в: Journal of Physics: Conference Series 941.1 (дек. 2018), с. 012022. ISSN: 1742-6588. DOI: 10.1088/1742-6596/ 941/1/012022.

[3] D. Bulgadaryan и др. «Proton scattering from tungsten fuzz». в: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 434 (1 нояб. 2018), с. 9—12. ISSN: 0168-583X. DOI: 10.1016/j.nimb.2018.07.038.

[4] D. Bulgadaryan и др. «Application of keV-energy proton scattering for thin film analysis». в: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 438 (January 2019 2019), с. 54—57. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/j.nimb.2018.10.043.

[5] D. G. Bulgadaryan et al. "Built-In Surface Analyzer for Plasma Devices with Magnetic Field". In: Phys. Atom. Nuclei 82.10 (Dec. 1, 2019), pp. 1364-1367. ISSN: 1562-692X. DOI: 10.1134/S1063778819100089.

[6] Д. Г. Булгадарян и др. «Применение спектроскопии рассеяния протонов кэвных энергий для анализа осаждения лития на вольфрам». в: Известия Российской академии наук. Серия физическая 84.6 (2020), с. 903—907. ISSN: 0367-6765. DOI: 10.31857/S036767652006006X.

[7] D. Sinelnikov и др. «Scattering of hydrogen ion beam from tungsten fuzz». в: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ВИП-2017 труды XXIII Международной конференции. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ВИП-2017. Москва: Национальный исследователь-

ский ядерный университет "МИФИ", 2017, с. 235—238. URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id=30639646.

[8] D Bulgadaryan, D. Sinelnikov и V Kurnaev. «MEIS analysis of Li layers deposition». в: 5TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIQUID METALS APPLICATIONS FOR FUSION book of abstracts and scientific programme. 5TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIQUID METALS APPLICATIONS FOR FUSION. Moscow: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 27 сент. 2017, с. 66. URL: https: //elibrary.ru/item.asp?id=32559791.

[9] D. Bulgadaryan et al. "Application of kev-energy proton scattering for surface analysis". In: 24th International Conference on Ion-Surface Interactions (ISI-2019). Moscow: National Research Nuclear University MEPhI, 2019, pp. 174-177. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=41169468 (visited on 03/30/2020).

[10] В А Курнаев, Д Г Булгадарян и Д Н Синельников. «Способ определения скорости эрозии и осаждения тонких слоев на обращенных к плазме элементах плазменных установок (варианты)». пат. 2655666 (РФ). 29 мая 2018. URL: http://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet? DB=RUPAT&DocNumber=2655666&TypeFile=html.

[11] R Aymar, P Barabaschi и Y Shimomura. «The ITER design». в: Plasma Physics and Controlled Fusion 44.5 (май 2002), с. 304. ISSN: 07413335. DOI: 10.1088/0741-3335/44/5/304.

[12] N. Holtkamp. «An overview of the ITER project». в: Fusion Engineering and Design 82.5-14 (2007), с. 427—434. ISSN: 09203796. DOI: 10. 1016/j . fusengdes.2007.03.029.

[13] Sunil Pak et al. "Electromagnetic load calculation of the ITER machine using a single finite element model including narrow slits of the in-vessel com-

ponents". In: Fusion Engineering and Design 88.12 (Dec. 2013), pp. 32243237. ISSN: 09203796. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2013.09.012.

[14] R. Mitteau et al. "Allowable heat load on the edge of the ITER first wall panel beryllium flat tiles". In: Nuclear Materials and Energy 12 (Aug. 2017), pp. 1067-1070. ISSN: 23521791. DOI: 10.1016/j.nme.2017.02.001.

[15] D.M. Duffy. "Modeling plasma facing materials for fusion power". In: Materials Today 12.11 (Nov. 2009), pp. 38-44. ISSN: 13697021. DOI: 10.1016/S1369-7021(09)70297-4.

[16] V Philipps h gp. «Erosion and redeposition of wall material in controlled fusion devices». b: Vacuum 67.3-4 (ceHT. 2002), c. 399—408. ISSN: 0042-207X. DOI: 10.1016/S0042-207X(02)00238-5.

[17] R. Ding et al. "Simulation of gross and net erosion of high-Z materials in the DIII-D divertor". In: Nuclear Fusion 56.1 (Jan. 1, 2016), p. 016021. ISSN: 0029-5515, 1741-4326. DOI: 10.1088/0029-5515/56/1/016021.

[18] R. Ding et al. "Advances in understanding of high-Z material erosion and re-deposition in low-Z wall environment in DIII-D". In: Nuclear Fusion 57.5 (May 1, 2017), p. 056016. ISSN: 0029-5515, 1741-4326. DOI: 10.1088/1741-4326/aa6451.

[19] Chandra Prakash Dhard et al. "Erosion and deposition investigations on Wendelstein 7-X first wall components for the first operation phase in divertor configuration". In: Fusion Engineering and Design (Dec. 2018). ISSN: 09203796. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2018.12.031.

[20] C.H. Skinner h gp. «Plasma facing surface composition during NSTX Li experiments». b: Journal of Nuclear Materials 438 (2013), S647—S650. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.136.

[21] A. A. Airapetov h gp. «Boron carbide coating deposition on tungsten and testing of tungsten layers and coating under intense plasma load». b: Physics of Atomic Nuclei 78.14 (2015), c. 1640—1642. ISSN: 1063-7788. DOI: 10.1134/ S106377881514001X.

[22] E. Azizov h gp. «Boron carbide (B4C) coating. Deposition and testing». b: JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS 463 (aBr. 2015), c. 792—795. ISSN: 0022-3115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.015.

[23] P.T. T Lang h gp. «Impact of lithium pellets on plasma performance in the ASDEX Upgrade all-metal-wall tokamak». b: Nuclear Fusion 57.1 (hhb. 2017), c. 016030. ISSN: 0029-5515. DOI: 10.1088/0029-5515/57/1/016030.

[24] B.D. Wirth et al. "Fusion materials modeling: Challenges and opportunities". In: MRS Bulletin 36.03 (Mar. 2011), pp. 216-222. ISSN: 0883-7694, 1938-1425. DOI: 10.1557/mrs.2011.37.

[25] J. Likonen et al. "Structural investigation of re-deposited layers in JET". In: Journal of Nuclear Materials 377.3 (July 2008), pp. 486-491. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2008.04.005.

[26] J. Likonen et al. "Post-mortem measurements of fuel retention at JET with MKII-SRP divertor". In: Journal of Nuclear Materials 390-391 (June 2009), pp. 631-634. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2009.01.176.

[27] M Mayer et al. "Tungsten erosion and redeposition in the all-tungsten divertor of ASDEX Upgrade". In: Phys. Scr. T138 (Dec. 2009), p. 014039. ISSN: 0031-8949,1402-4896. DOI: 10 . 1088/0031-8949/2009/T138/ 014039.

[28] A Hakola et al. "Long-term erosion of plasma-facing materials with different surface roughness in ASDEX Upgrade". In: Phys. Scr. T159 (Apr. 1, 2014), p. 014027. ISSN: 0031-8949,1402-4896. DOI: 10.1088/0031-8949/2014/T159/014027.

[29] M P Seah. "Quantifying SIMS of Organic Mixtures and Depth Profiles—Characterizing Matrix Effects of Fragment Ions". In: Journal of the American Society for Mass Spectrometry (30 (13) 2018), p. 12. DOI: 10.1007/s13361-018-2086-8.

[30] M Misnik. "Application of 'Storing Matter' technique in SIMS depth profile analysis". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 450 (2019), p. 4. DOI: 10.1016/j.nimb.2018.05.017.

[31] S Hofmann. "Preferential sputtering effects in depth profiling of multilayers with SIMS, XPS and AES". In: Applied Surface Science 483 (2019), pp. 140-155. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.03.211.

[32] A. Lubenchenko h gp. «XPS study of multilayer multicomponent films». b: Applied Surface Science 427 (2018), c. 711—721. ISSN: 01694332. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.07.256.

[33] LI Jiangang et al. "Wall Conditioning with a High Magnetic Field in HT-7 Superconducting Tokamak". In: Journal of Plasma and Fusion Research SERIES (2000), pp. 40-45.

[34] C. N. Taylor et al. "Materials analysis and particle probe: A compact diagnostic system for in situ analysis of plasma-facing components (invited)". In: Review of Scientific Instruments 83.10 (Oct. 2012), p. 10D703. ISSN: 0034-6748, 1089-7623. DOI: 10.1063/1.4729262.

[35] M. Lucia et al. "Development progress of the Materials Analysis and Particle Probe". In: Review of Scientific Instruments 85.11 (Nov. 2014), p. 11D835. ISSN: 0034-6748, 1089-7623. DOI: 10.1063/1.4890257.

[36] M. Lucia h gp. «Dependence of LTX plasma performance on surface conditions as determined by in situ analysis of plasma facing components». b: Journal

of Nuclear Materials 463 (2015), с. 907—910. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/ j.jnucmat.2014.11.006.

[37] F. Bedoya et al. "Initial studies of plasma facing component surface conditioning in the national spherical tokamak experiment upgrade with the materials analysis particle probe". In: Nuclear Materials and Energy 12 (Aug. 2017), pp. 1248-1252. ISSN: 23521791. DOI: 10.1016/j.nme.2017.03.035.

[38] F. Bedoya et al. "Effect of deuterium irradiation on graphite boronized in the NSTX-U tokamak". In: Sci Rep 9.1 (Dec. 2019), p. 2435. ISSN: 2045-2322. DOI: 10.1038/s41598-019-38941-9.

[39] Steffen Oswald et al. "XPS and AES sputter-depth profiling at surfaces of biocompatible passivated Ti-based alloys: concentration quantification considering chemical effects". In: Surf. Interface Anal. 46.10-11 (Oct. 2014), pp. 683-688. ISSN: 01422421. DOI: 10.1002/sia.5437.

[40] Krzysztof Rokosz et al. "XPS depth profiling analysis of passive surface layers formed on austenitic AISI 304L and AISI 316L SS after high-current-density electropolishing". In: Surface and Coatings Technology 276 (Aug. 2015), pp. 516-520. ISSN: 02578972. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.06. 022.

[41] David A Cremers and Leon J. Radziemski. Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. John Wiley & Sons Ltd, 2006. ISBN: 978-0-47009301-6. URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/ 0470093013.

[42] A Huber и др. «Study of the feasibility of applying laser-induced breakdown spectroscopy for in-situ characterization of deposited layers in fusion devices». в: Physica Scripta T145.T145 (дек. 2011), с. 014028. ISSN: 0031-8949. DOI: 10.1088/0031-8949/2011/T145/014028.

[43] L. Mercadier et al. "Analysis of deposited layers on plasma facing components by laser-induced breakdown spectroscopy: Towards ITER tritium inventory diagnostics". In: Journal of Nuclear Materials 415.1 (Aug. 2011), S1187-S1190. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2010.10.079.

[44] Peeter Paris et al. "Determination of elemental depth profiles by multi-spot averaging technique of LIBS spectra". In: Fusion Engineering and Design 86.6-8 (Oct. 2011), pp. 1125-1128. ISSN: 09203796. DOI: 10. 1016/j. fusengdes.2011.01.117.

[45] A. Malaquias et al. "Development of ITER relevant laser techniques for deposited layer characterisation and tritium inventory". In: Journal of Nuclear Materials 438 (July 2013), S936-S939. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.203.

[46] J Karhunen et al. "Development of laser-induced breakdown spectroscopy for analyzing deposited layers in ITER". In: Phys. Scr. T159 (Apr. 1, 2014), p. 014067. ISSN: 0031-8949,1402-4896. DOI: 10.1088/0031-8949/2014/T159/014067.

[47] J. Karhunen et al. "Applicability of LIBS for in situ monitoring of deposition and retention on the ITER-like wall of JET - Comparison to SIMS". In: Journal of Nuclear Materials 463 (Aug. 2015), pp. 931-935. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.10.028.

[48] Peeter Paris et al. "Development of laser induced breakdown spectroscopy for studying erosion, deposition, and fuel retention in ASDEX Upgrade". In: Fusion Engineering and Design 98-99 (Oct. 2015), pp. 1349-1352. ISSN: 09203796. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.03.004.

[49] K. Piip et al. "LIBS analysis of tungsten coatings exposed to Magnum PSI ELM-like plasma". In: Journal of Nuclear Materials 463 (Aug. 2015), pp. 919-922. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.017.

[50] K. Piip et al. "LIBS detection of erosion/deposition and deuterium retention resulting from exposure to Pilot-PSI plasmas". In: Journal of Nuclear Materials 489 (June 2017), pp. 129-136. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j. jnucmat.2017.03.044.

[51] X. Jiang et al. "An upgraded LIBS system on linear plasma device PSI-2 for in situ diagnostics of plasma-facing materials". In: Fusion Engineering and Design (Dec. 2018), S0920379618307518. ISSN: 09203796. DOI: 10. 1016/j.fusengdes.2018.11.044.

[52] Cong Li et al. "Laser-induced breakdown spectroscopy for Wendelstein 7-X stellarator limiter tile analysis". In: Physica Scripta T170 (Jan. 1, 2017), p. 014004. ISSN: 0031-8949,1402-4896. DOI: 10.1088/0031-8949/2017/T170/014004.

[53] E. Tognoni et al. "Calibration-Free Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: State of the art". In: Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 65.1 (Jan. 2010), pp. 1-14. ISSN: 05848547. DOI: 10.1016/j.sab.2009.11.006.

[54] V. P. Afanas'ev et al. "Measurement of the isotope composition of hydrogen in carbon materials using elastically scattered electron peak spectroscopy". In: Tech. Phys. 54.11 (Nov. 12, 2009), p. 1667. ISSN: 1090-6525. DOI: 10.1134/S106378420911019X.

[55] Victor P. Afanas'ev и др. «Study of Al/Nb interface by spectroscopy of reflected electrons». в: Journal of Applied Physics 101.6 (15 марта 2007), с. 064912. ISSN: 0021-8979. DOI: 10.1063/1.2716385.

[56] V. P. Afanasev et al. "Determination of atomic hydrogen in hydrocarbons by means of the reflected electron energy loss spectroscopy and the X-ray photoelectron spectroscopy". In: J. Phys.: Conf. Ser. 748 (Sept. 2016), p. 012005. ISSN: 1742-6596. DOI: 10.1088/1742-6596/748/1/012005.

[57] V. P. Afanas'ev et al. "Investigation of Deuterium Implantation into Beryllium Sample by Electron Energy Loss Spectroscopy". In: J. Phys.: Conf. Ser. 891 (Nov. 2017), p. 012303. ISSN: 1742-6596. DOI: 10.1088/ 1742-6596/891/1/012303.

[58] V. P. Afanas'ev, P. S. Kaplya h I. A. Kostanovskiy. «Determination of the thickness of a gold layer deposited onto silicon via reflected electron spectroscopy». b: Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques 7.1 (hhb. 2013), c. 123—129. ISSN: 1027-4510. DOI: 10. 1134/S1027451012080046.

[59] V. P. Afanas'ev et al. "Depth Profiling Using Reflected Electron Spectroscopy". In: J. Synch. Investig. 12.6 (Nov. 1, 2018), pp. 1194-1199. ISSN: 1819-7094. DOI: 10.1134/S1027451018050531.

[60] C Tomastik, W Werner, and H Stori. "Oxidation of beryllium—a scanning Auger investigation". In: Nucl. Fusion 45.9 (Sept. 2005), pp. 1061-1065. ISSN: 0029-5515, 1741-4326. DOI: 10.1088/0029-5515/45/9/005.

[61] I. Bykov et al. "Studies of Be migration in the JET tokamak using AMS with 10 Be marker". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 371 (Mar. 2016), pp. 370-375. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/j.nimb.2015.12.007.

[62] C. Stan-Sion et al. "Tritium retention measurements by accelerator mass spectrometry and full combustion of W-coated and uncoated CFC tiles from the JET divertor". In: Nucl. Fusion 56.4 (Apr. 1, 2016), p. 046015. ISSN: 0029-5515, 1741-4326. DOI: 10.1088/0029-5515/56/4/046015.

[63] A. Baron-Wiechec et al. "Thermal desorption spectrometry of beryllium plasma facing tiles exposed in the JET tokamak". In: Fusion Engineering and Design 133 (Aug. 2018), pp. 135-141. ISSN: 09203796. DOI: 10.1016/ j.fusengdes.2018.05.075.

[64] F Weschenfelder et al. "In situ measurement of erosion/deposition in the DIII-D divertor by colorimetry". In: Plasma Phys. Control. Fusion 38.7 (July 1, 1996), pp. 1043-1051. ISSN: 0741-3335, 1361-6587. DOI: 10.1088/0741-3335/38/7/009.

[65] В В Евстифеев. Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью твердого тела. Учебное пособие. Пенза: Пензенский государсвенный университет, 2015. URL: https://elib.pnzgu.ru/library/14121300.

[66] J. C. Vickerman and Ian S. Gilmore, eds. Surface analysis: the principal techniques. 2nd ed. OCLC: ocn254529018. Chichester, U.K: Wiley, 2009. 666 pp. ISBN: 978-0-470-01763-0.

[67] A.F. Gurbich and C. Jeynes. "Evaluation of Non-Rutherford Alpha Elastic Scattering Cross-sections for Silicon". In: Nuclear Data Sheets 119 (May 2014), pp. 270-272. ISSN: 00903752. DOI: 10.1016/j.nds.2014.08.074.

[68] E. Ntemou et al. "Differential cross-section measurements for deuteron elastic scattering on natSi for elastic backscattering purposes". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 450 (July 2019), pp. 24-30. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/j.nimb.2018.02.033.

[69] Wolfgang Eckstein. Computer Simulation of Ion-Solid Interactions. Berlin: Springer, 1991. 302 pp. ISBN: 978-3-662-02803-2.

[70] D O'Connor and J P Biersack. "Comparison of theoretical and empirical interatomic potentials". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 15.1-6 (Apr. 1986), pp. 14-19. ISSN: 0168-583X. DOI: 10.1016/0168-583X(86) 90243-0.

[71] T Alford, R Feldman и J Mayer. Fundamentals of nanoscale film analysis. Springer, 2007. 349 с. ISBN: 978-0-387-29260-1.

[72] F Ernst. "Rutherford Backscattering Spectrometry". 2005. URL: http:// www . nuclear . lu . se/fileadmin/nuclear/Undervisning/TillSubFys/ RBS-01-Principle.pdf.

[73] В И Троян и др. Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела. Москва: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 2014. 260 с. ISBN: 978-5-7262-2076-5.

[74] Instrumentation for PIXE and RBS. International Atomic Energy Agency, 2000.

[75] Helmut Fritzsche, Jacques Huot, and Daniel Fruchart, eds. Neutron Scattering and Other Nuclear Techniques for Hydrogen in Materials. Neutron Scattering Applications and Techniques. Cham: Springer International Publishing, 2016. ISBN: 978-3-319-22792-4. DOI: 10.1007/978-3-31922792-4.

[76] Pirkko Kuisma-Kursula. "Accuracy, precision and detection limits of SEM-WDS, SEM-EDS and PIXE in the multi-elemental analysis of medieval glass". In: X-Ray Spectrometry 29.1 (Jan. 2000), pp. 111-118. ISSN: 0049-8246, 1097-4539. DOI: 10.1002/(SICI) 1097-4539(200001/02)29 : 1<111::AID-XRS408>3.0.CO;2-W.

[77] PIXE. URL: http://www.viaduct-diadrasis.net/methods/4.

[78] M. Mayer и др. «Erosion at the inner wall of JET during the discharge campaigns 2001-2009». в: Journal of Nuclear Materials 438 (2013), S780— S783. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.167.

[79] M. Mayer и др. «Erosion and deposition in the JET divertor during the first ILW campaign». в: Physica Scripta. т. 2016. 2016. DOI: 10.1088/0031-8949/T167/1/014051.

[80] S. Krat h gp. «Erosion at the inner wall of JET during the discharge campaign 2013-2014». b: Nuclear Materials and Energy 11 (2017), c. 20—24. ISSN: 23521791. DOI: 10.1016/j.nme.2017.02.026.

[81] A. Hakola et al. "Erosion of tungsten and steel in the main chamber of ASDEX Upgrade". In: Journal of Nuclear Materials 463 (Aug. 2015), pp. 162-165. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.034.

[82] P. Ström et al. "Analysis of deposited layers with deuterium and impurity elements on samples from the divertor of JET with ITER-like wall". In: Journal of Nuclear Materials 516 (Apr. 2019), pp. 202-213. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2018.11.027.

[83] Petter Ström et al. "Compositional and morphological analysis of FeW films modified by sputtering and heating". In: Nuclear Materials and Energy 12 (Aug. 2017), pp. 472-477. ISSN: 23521791. DOI: 10.1016/j.nme.2017.03. 002.

[84] Petter Strom et al. "Sputtering of polished EUROFER97 steel: Surface structure modification and enrichment with tungsten and tantalum". In: Journal of Nuclear Materials 508 (Sept. 2018), pp. 139-146. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2018.05.031.

[85] G. M. Wright et al. "An experiment on the dynamics of ion implantation and sputtering of surfaces". In: Review of Scientific Instruments 85.2 (Feb. 2014), p. 023503. ISSN: 0034-6748, 1089-7623. DOI: 10.1063/1.4861917.

[86] F. Bedoya, K. B. Woller h D. G. Whyte. «Study of the properties of thin Li films and their relationship with He plasmas using ion beam analysis in the DIONISOS experiment». b: Review of Scientific Instruments 89.10 (2018), 10J106. ISSN: 0034-6748. DOI: 10.1063/1.5034240.

[87] Accelerator j Max-Planck-Institut für Plasmaphysik. URL: https://www.ipp. mpg.de/4218067/accelerator.

[88] P Bailey et al. "Monolayer resolution in medium energy ion scattering". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 183.1-2 (July 2001), pp. 62-72. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/S0168-583X(01)00384-6.

[89] J F Ziegler, M D Ziegler и J P Biersack. SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter. Chester, Maryland: SRIM Co., 2008. 405 с. ISBN: 0-9654207-1-X.

[90] P T Wedepohl. "A simple analytical form of the Thomas-Fermi screening function and of Firsov's atomic interaction potential". In: Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics 1.2 (Mar. 1968), pp. 307-314. ISSN: 00223700. DOI: 10.1088/0022-3700/1/2/323.

[91] Cody V. Cushman et al. "Low energy ion scattering (LEIS). A practical introduction to its theory, instrumentation, and applications". In: Anal. Methods 8.17 (2016), pp. 3419-3439. ISSN: 1759-9660, 1759-9679. DOI: 10.1039/C6AY00765A.

[92] Philipp Briiner и др. «Thin film analysis by low-energy ion scattering by use of TRBS simulations». в: Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 33.1 (2015), 01A122. ISSN: 0734-2101. DOI: 10.1116/1.4901451.

[93] L. Salazar Alarcon et al. "Direct recoil spectroscopy of adsorbed atoms and self-assembled monolayers on Cu(001)". In: Vacuum 105 (July 1, 2014), pp. 80-87. ISSN: 0042-207X. DOI: 10.1016/j.vacuum.2014.01.017.

[94] Nikita V. N.V. Mamedov и др. «Elemental analysis of the surface during plasma irradiation». в: 2014 Tenth International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC). IEEE, июнь 2014, с. 1—2. ISBN: 978-1-4799-5772-9. DOI: 10.1109/IVESC.2014.6892031.

[95] H. Hantsche. "Comparison of basic principles of the surface-specific analytical methods: AES/SAM, ESCA (XPS), SIMS, and ISS with X-ray microanalysis, and some applications in research and industry". In: Scanning 11.6 (1989), pp. 257-280. ISSN: 1932-8745. DOI: 10.1002/sca.4950110602.

[96] D.P Woodruff h T A Delchar. MODERN TECHNIQUES OF SURFACE SCIENCE. Cambridge: Cambridge University Press, 1994.

[97] H. Ibach. Physics of surfaces and interfaces. OCLC: ocm74270148. Berlin ; New York: Springer, 2006. 646 pp. ISBN: 978-3-540-34709-5.

[98] Edmund Wilson and Edward J. N. Wilson. An Introduction to Particle Accelerators. Oxford University Press, 2001. 276 pp. ISBN: 978-0-19-8508298. Google Books: hOseyyFa394C.

[99] David W. Hahn and Nicolo Omenetto. "Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Part II: Review of Instrumental and Methodological Approaches to Material Analysis and Applications to Different Fields". In: Appl Spectrosc 66.4 (Apr. 2012), pp. 347-419. ISSN: 0003-7028, 1943-3530. DOI: 10.1366/11-06574.

[100] Analysis Methods. URL: https : / / www . materialinterface . com / comparison-analysis-methods/ (visited on 02/06/2020).

[101] R.A. Vidal et al. "Electron capture and loss in the scattering of H+ from HOPG graphite". In: Surface Science 605.1-2 (Jan. 2011), pp. 18-23. ISSN: 00396028. DOI: 10.1016/j.susc.2010.09.016.

[102] M. Kolibal et al. "TOF-LEIS spectra of Ga/Si: Peak shape analysis". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 265.2 (Dec. 2007), pp. 569-575. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/j.nimb.2007.09.038.

[103] R.J. MacDonald и др. «The scattering of low energy hydrogen ions from surfaces». в: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 78.1-4 (1993), с. 56—62. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/0168-583X(93)95776-2.

[104] VA Kurnaev et al. "On the possibility of the in situ growth control and nondestructive depth profiling of ultrathin multilayer structures using keV hydrogen ions". In: Vacuum 56.4 (2000), pp. 253255. ISSN: 0042207X (ISSN). URL: https : / /www . scopus . com/ inward/record. uri?eid=2-s2 . 0-33645718358&partnerID=40&md5 = 2d7f166786b9397fc2c36076682db5c0.

[105] David P. Smith. «Analysis of surface composition with low-energy backscattered ions». в: Surface Science 25.1 (1971), с. 171—191. ISSN: 00396028. DOI: 10.1016/0039-6028(71)90214-7.

[106] A Simple Sputter Yield Calculator [IAP/TU Wien]. URL: https://www.iap. tuwien.ac.at/www/surface/sputteryield.

[107] James F. Ziegler, M. D. Ziegler и J. P. Biersack. «SRIM - The stopping and range of ions in matter (2010)». в: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 19th International Conference on Ion Beam Analysis 268.11 (1 июня 2010), с. 1818—1823. ISSN: 0168-583X. DOI: 10.1016/j.nimb.2010.02.091.

[108] Yong Gang Li и др. «IM3D: A parallel Monte Carlo code for efficient simulations of primary radiation displacements and damage in 3D geometry». в: Scientific Reports 5 (August 2015), с. 1—13. ISSN: 20452322. DOI: 10.1038/ srep18130. pmid: 26658477.

[109] W. Eckstein et al. "Influence of the interaction potential on simulated sputtering and reflection data". In: Zeitschrift fur Physik D Atoms, Molecules

and Clusters 24.2 (June 1992), pp. 171-176. ISSN: 0178-7683, 1434-6079. DOI: 10.1007/BF01426703.

[110] Ordean S. Oen и Mark T. Robinson. «Computer studies of the scattering of low energy hydrogen ions from polycrystalline solids». в: Journal of Nuclear Materials 63 (1 дек. 1976), с. 210—214. ISSN: 0022-3115. DOI: 10.1016/0022-3115(76)90328-7.

[111] OriginLab - Origin and OriginPro - Data Analysis and Graphing Software. URL: https://www.originlab.com/.

[112] I.S. Tilinin and G. Betz. "Reflection coefficients of light ions/atoms from solids: comparison of analytical results with simulation codes using the binary encounter approximation". In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 115.1-4 (July 1996), pp. 565-568. ISSN: 0168583X. DOI: 10.1016/0168-583X(95)01555-8.

[113] В А Курнаев, Е С Машкова и В А Молчанов. Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. Москва: Энергоатомиздат, 1985. 192 с.

[114] N.V. V. Mamedov и др. «Applying scattered-ion spectroscopy to the analyzing of plasma-surface interactions». в: Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics 76.6 (июль 2012), с. 683—686. ISSN: 1062-8738. DOI: 10.3103/S1062873812060214.

[115] Ju Hwan Kim и др. «Enhancement of efficiency in graphene/porous silicon solar cells by co-doping of graphene with gold nanoparticles and bis(trifluoromethanesulfonyl)-amide». в: J. Mater. Chem. C 5 (Cvd 2017), с. 9005—9011. ISSN: 2050-7526. DOI: 10.1039/C7TC02686B.

[116] Arun Vinod, Mahendra Singh Rathore и Srinivasa Rao Nelamarri. «Investigation of electrical and compositional properties of SiO2/Au/SiO2 for

nonvolatile memory application». b: Applied Physics A 124.8 (2018), c. 548. ISSN: 0947-8396. DOI: 10.1007/s00339-018-1961-2.

[117] H. Winter. «Collisions of atoms and ions with surfaces under grazing incidence». b: Physics Report 367.5 (2002), c. 387—582. ISSN: 03701573. DOI: 10.1016/S0370-1573(02)00010-8.

[118] I. K. Gainullin. «Three-dimensional modeling of resonant charge transfer between ion beams and metallic surfaces». b: Physical Review A 95.5 (Ma0 2017), c. 052705. ISSN: 2469-9926. DOI: 10.1103/PhysRevA.95.052705.

[119] Maria Mateev h gp. «Systematic investigation of the reactive ion beam sputter deposition process of SiO2». b: The European Physical Journal B 91.2 (2018), c. 45. ISSN: 1434-6028. DOI: 10.1140/epjb/e2018-80453-x.

[120] J. Derrien h gp. «Au on Si (111): A study of the interface under UHV conditions and its modifications in air by surface techniques and MeV ion scattering». b: Applied Physics Letters 39.11 (1981), c. 915—917. ISSN: 00036951. DOI: 10.1063/1.92605.

[121] Jafar Safarian h Thorvald A. Engh. «Vacuum Evaporation of Pure Metals». b: Metallurgical and Materials Transactions A 44.2 (2013), c. 747—753. ISSN: 1073-5623. DOI: 10.1007/s11661-012-1464-2.

[122] V. Philipps. "Tungsten as material for plasma-facing components in fusion devices". In: Journal of Nuclear Materials. Proceedings of the 19th International Conference on Plasma-Surface Interactions in Controlled Fusion 415 (1, Supplement Aug. 1, 2011), S2-S9. ISSN: 0022-3115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2011.01.110.

[123] G. De Temmerman, T. Hirai, and R. A. Pitts. "The influence of plasma-surface interaction on the performance of tungsten at the ITER divertor vertical targets". In: Plasma Phys. Control. Fusion 60.4 (Mar. 2018), p. 044018. ISSN: 0741-3335. DOI: 10.1088/1361-6587/aaaf62.

[124] Robert Kaita. "Fusion applications for lithium: wall conditioning in magnetic confinement devices". In: Plasma Phys. Control. Fusion 61.11 (Oct. 2019), p. 113001. ISSN: 0741-3335. DOI: 10.1088/1361-6587/ab4156.

[125] Leonid E. Zakharov. "On a burning plasma low recycling regime with P DT = 23-26 MW, QDT = 5-7 in a JET-like tokamak". In: Nucl. Fusion 59.9 (July 2019), p. 096008. ISSN: 0029-5515. DOI: 10.1088/1741-4326/ab246b.

[126] Leonid E. Zakharov et al. "Low Recycling Divertor for JET Burning Plasma Regime ($P_{\mathrm{DT}}$ > 25 MW, $Q_{\mathrm{DT}}$ > 5), Insensitive to Plasma Physics". In: IEEE Transactions on Plasma Science 48.6 (June 2020), pp. 1849-1856. ISSN: 0093-3813, 1939-9375. DOI: 10. 1109/TPS.2019.2953591.

[127] D. K. Mansfield и др. «Enhancement of Tokamak Fusion Test Reactor performance by lithium conditioning». в: Physics of Plasmas 3.5 (1 мая 1996), с. 1892—1897. ISSN: 1070-664X. DOI: 10.1063/1.871984.

[128] M. Ono et al. "Liquid lithium applications for solving challenging fusion reactor issues and NSTX-U contributions". In: Fusion Engineering and Design 117 (Apr. 2017), pp. 124-129. ISSN: 09203796. DOI: 10.1016/j. fusengdes.2016.06.060.

[129] J. Ren et al. "Investigations on interactions between the flowing liquid lithium limiter and plasmas". In: Fusion Engineering and Design 102 (Jan. 1, 2016), pp. 36-43. ISSN: 0920-3796. DOI: 10.1016/j.fusengdes. 2015.11.006.

[130] Qingxi Yang et al. "Development of the flowing liquid lithium limiter for EAST tokamak". In: Fusion Engineering and Design 124 (Nov. 2017), pp. 179-182. ISSN: 09203796. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.04.063.

[131] A. de Castro et al. "Temperature dependence of liquid lithium film formation and deuterium retention on hot W samples studied by LID-QMS. Implications for future fusion reactors". In: Nuclear Fusion 58.4 (Apr. 1, 2018), p. 046003. ISSN: 0029-5515, 1741-4326. DOI: 10.1088/1741-4326/aaa8d0.

[132] K. Morita et al. "Change in Li depth profiles of Au/LCO/mixed LATP-LAGP/Pt battery under discharging studied by ion beam analysis techniques with 9 MeV O4+ ions". In: Solid State Ionics 344 (Jan. 1, 2020), p. 115135. ISSN: 0167-2738. DOI: 10.1016/j.ssi.2019.115135.

[133] I. E. Lyublinski, A. V. Vertkov, and V. A. Evtikhin. "Application of lithium in systems of fusion reactors. 1. Physical and chemical properties of lithium". In: Plasma Devices and Operations 17.1 (Mar. 2009), pp. 42-72. ISSN: 1051-9998, 1029-4929. DOI: 10.1080/10519990802703277.

[134] M.J. Baldwin h R.P. Doerner. «Formation of helium induced nanostructure 'fuzz' on various tungsten grades». b: Journal of Nuclear Materials 404.3 (ceHT. 2010), c. 165—173. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2010.06.034.

[135] G.M. Wright h gp. «Tungsten nano-tendril growth in the Alcator C-Mod divertor». b: Nuclear Fusion 52.4 (anp. 2012), c. 042003. ISSN: 0029-5515. DOI: 10.1088/0029-5515/52/4/042003.

[136] Jiri MatejiCek h gp. «ELM-induced arcing on tungsten fuzz in the COMPASS divertor region». b: Journal of Nuclear Materials 492 (aBr. 2017), c. 204—212. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2017.05.032.

[137] Yu. Gasparyan, V. Efimov h K. Bystrov. «Helium concentration measurement in tungsten fuzz-like nanostructures by means of thermal desorption spectroscopy». b: Nuclear Fusion 56.5 (Mau 2016), c. 054002. ISSN: 0029-5515. DOI: 10.1088/0029-5515/56/5/054002.

[138] K. B. Woller, D. G. Whyte h G. M. Wright. «Dynamic measurement of the helium concentration of evolving tungsten nanostructures using Elastic

Recoil Detection during plasma exposure». в: Journal of Nuclear Materials 463 (2015), с. 289—293. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.126.

[139] Dai Nishijima и др. «High-Density Deuterium Plasma Discharge in NAGDIS-II with Double Anode Configuration». в: 29 (July 2005), с. 30—33.

[140] D. Sinelnikov и др. «Modification of Nanostructured Tungsten Surface by Ion Beam Irradiation». в: Physics Procedia 71 (2015), с. 73—77. ISSN: 18753892. DOI: 10.1016/j.phpro.2015.08.315.

[141] G. M. Wright и др. «Characterizing the recovery of a solid surface after tungsten nano-tendril formation». в: Journal of Nuclear Materials 463 (2015), с. 294—298. ISSN: 00223115. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.083.

[142] В А Курнаев, Ю С Протасов и И В Цветков. Введение в пучковую электронику. Москва: Тровант, 2008. 452 с.

[143] A. Yu Barnyakov и др. «Test of microchannel plates in magnetic fields up to 4.5T». в: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 845 (2017), с. 588—590. ISSN: 01689002. DOI: 10.1016/j.nima.2016.05.131.

[144] P. C. Stangeby. "The Chodura sheath for angles of a few degrees between the magnetic field and the surface of divertor targets and limiters". In: Nucl. Fusion 52.8 (July 2012), p. 083012. ISSN: 0029-5515. DOI: 10.1088/00295515/52/8/083012.

[145] V A Kurnaev и N V Tatarinova. «Erosion of PFC materials induced by poroelectron emission». в: Journal of Nuclear Materials 220-222 (1995), с. 939—942. DOI: 10.1016/0022-3115(94)00615-6.

[146] С.К. Жданов и др. ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ И ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВКАХ. Москва: МИФИ, 2008. 368 с.

[147] I. Borodkina и др. «An Analytical Expression for the Electric Field and Particle Tracing in Modelling of Be Erosion Experiments at the JET ITER-like Wall». в: Contributions to Plasma Physics 56.6-8 (2016). DOI: 10.1002/ctpp. 201610032.

[148] S. Wiesen et al. "Impact of the JET ITER-like wall on H-mode plasma fueling". In: Nucl. Fusion 57.6 (Apr. 2017), p. 066024. ISSN: 0029-5515. DOI: 10.1088/1741-4326/aa69dd.

[149] I. A. Sorokin, K. M. Gutorov и M. D. Bolotov. «Measurement of Temperature and Density Profiles of the Plasma at PR-2 Facility». в: Physics of Atomic Nuclei 80.11 (дек. 2017), с. 1656—1661. ISSN: 1063-7788. DOI: 10.1134/ S1063778817110175.