Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В настоящее время при очевидном прогрессе как плазменных технологий, основанных на взаимодействии плазмы с поверхностью конденсированных сред, так и в установках для управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием, существует проблема in situ контроля сложных процессов, происходящих на границе плазма-поверхность. Такого рода исследования, как правило, проводятся post mortem, т.е. после окончания воздействия плазмы, (либо с использованием анализа излучений, сопровождающих такое взаимодействие). Некоторые такие исследования длятся годами, что не позволяет оперативно управлять параметрами плазмы и ее воздействия на поверхность. Данный грант направлен на разработку методов контроля процессов взаимодействия плазмы с поверхностью в реальном времени непосредственно в установках с учетом свойств плазмы, существующих в установках электромагнитных полей, а также изменяющихся при плазменном воздействии характеристик поверхности материалов. Одним из важных процессов, происходящих в плазменных, в том числе термоядерных установках, являются эрозия и перенос материалов с одной части установки на другую. Часто эти части, имея разное функциональное назначение, изготавливаются из разных материалов. Так, в термоядерных установках элементы для снятия потоков мощности (диверторы и лимитеры) делают из тугоплавких материалов, например, вольфрама, а стенки установок для повышения параметров плазмы делают из материалов с малым атомным номером (например, из бериллия) или специально покрывают их соединениями бора или лития. Большое различие атомной массы участвующих в переносе элементов позволяет предложить метод, в котором для контроля эрозии и осаждения материалов используется спектроскопия рассеяния протонов низких энергий. Это дает возможность контролировать изменение толщины тонких слоев, осаждаемых или удаляемых с поверхности контрольных образцов (зондов), тем самым позволяя определить скорость осаждения или эрозии материала в выбранном месте установки. Проведенное компьютерное моделирование возможности анализа слоев используемых в ИТЭР бериллия и вольфрама показало, что по форме энергетического спектра отраженных протонов с энергией 10 кэВ можно определять толщину слоя в нанометровом диапазоне. Эксперименты по спектроскопии рассеяния ионов водорода килоэлектронвольтных энергий от мишеней, содержащих слои с резко отличающимися по массе атомами (Li на W, Au на Si), проведенные на установке «Большой масс-монохроматор МИФИ» непосредственно в процессе осаждения поверхностного слоя, позволили проверить результаты компьютерного моделирования и экспериментально определить разрешение по толщине слоя. После калибровки на профилометре заявленная точность определения толщины слоя золота на кремнии предложенным методом составила ~1 нм, а лития на вольфраме ~ 5 нм. Общая измеряемая толщина слоя зависит от энергии протонов и при энергии 25 кэВ максимальная толщина определяемого таким методом слоя Li составила 270 нм, а слоя Au на Si 12 нм. При адсорбции воды на поверхности вольфрама этим методом удалось определить не только толщину слоя (до 4-4,5 нм при насыщении), но и исследовать динамику сорбции. Размер разрабатываемого встраиваемого анализатора динамики эрозии и переосаждения материалов с резко отличающимися атомными номерами для установки с магнитным полем 3 Тл не превысит ~ 2 х 2 х 1 см. Одной из серьезных проблем современных термоядерных установок является накопление продуктов эрозии материалов (пыли). Её присутствие препятствует повышению параметров плазмы, а в создаваемом международном реакторе ИТЭР пыль может аккумулировать неприемлемо большие количества радиоактивного трития. В работе впервые исследовано поведение при нагреве и воздействии электрического поля вольфрамовой пыли (вольфрам – материал, используемый в ИТЭР) и изучена возможность собирать пыль зондом с электростатическим полем. При приложении к металлической поверхности такого поля напряжённостью в несколько сотен В/мм, направленного перпендикулярно к поверхности, частицы пыли ее покидают, преодолевая силы их адгезии к поверхности. Показано, что устройство (электростатический зонд) с потенциалом 5 кВ, движущееся на высоте 4 мм над поверхностью, может собирать до 90% частиц вольфрамовой пыли весом до 100 мг. Измерены количества изотопов водорода, содержащихся на поверхности частиц пыли и захватываемых в объём частиц при их формировании. С целью создания дистанционной диагностики поверхности плазменных установок с помощью лазерной искровой эмиссионной спектроскопии (LIBS) проведены эксперименты, продемонстрировавшие возможности регистрации этим методом осаждаемых в плазменных установках слоев лития, подвергшихся воздействию остаточных газов с образованием соединений с кислородом, азотом и углеродом. Для in situ анализа литиевых пленок на установке с магнетронным разрядом в процессе их напыления и накопления в них изотопов водорода разработан комплекс диагностики LIBS на основе двухканального лазера с энергией в каждом канале до 0,1 Дж и длительностью импульса 10 нс.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Взаимодействие плазмы с поверхностью обращенных к ней элементов технологических и термоядерных установок является важнейшим фактором, определяющим параметры плазмы и работоспособность установок в целом, при этом существующие средства диагностики зачастую позволяют анализировать результаты взаимодействия уже после его окончания, что может значительно замедлить проведение исследований. В рамках работ по данному гранту разрабатываются новые экспериментальные методики и приборы, позволяющие контролировать процессы плазменно-поверхностного взаимодействия и управлять параметрами плазмы непосредственно во время работы плазменных установок. Одним из последствий плазменного воздействия является переосаждение материалов обращенных к плазме поверхностей с одной части установки на другую. Поскольку в термоядерных установках эти материалы обычно имеют сильно отличающуюся атомную массу (например, обращенными к плазме материалами реактора ИТЭР будут «легкий» бериллий и «тяжелый» вольфрам), то появляется возможность анализа процессов переосаждения таких материалов при помощи спектроскопии рассеяния протонов кэвных энергий. Проведенные нами эксперименты показали, что если на «легкой» подложке есть поверхностный слой из «тяжелого» материала, и наоборот, то данная методика позволяет определять толщину поверхностного слоя в диапазоне от одного до нескольких десятков нанометров точностью до долей нанометров. Это позволяет использовать методику как для анализа процессов переосаждения в термоядерных установках с помощью маркерных мишеней, так и, например, как показали наши эксперименты, для определения толщины поверхностных слоев в наноэлектронике, где используются нанометровые слои золота и кремния. Проведенные нами исследования отражения протонов от слоев с очень низкой плотностью, например, от вольфрамового пуха, который образуется под действием плазмы в термоядерных установках, показали, что данный метод позволяет определить его плотность и деградацию при плазменном или ионном облучении. Испытания макета встраиваемого анализатора поверхности по рассеянию протонов, проведенные на линейном симуляторе пристеночной плазмы с продольным магнитным полем, показали работоспособность методики и возможность анализа данным методом процессов переосаждения непосредственно в процессе работы плазменных установок с магнитным полем. Другой серьезной проблемой современных термоядерных установок является накопление продуктов эрозии материалов (пыли), ее присутствие препятствует повышению параметров плазмы, а в создаваемом реакторе ИТЭР пыль может аккумулировать неприемлемо большие количества радиоактивного трития. Нами разработана конструкция и проведены испытания устройства, позволяющего собирать до 85% образуемой вольфрамовой пыли при помощи электростатического поля. Важнейшей задачей является контроль примесей, попадающих в плазму и способных существенно понизить ее температуру, что делает невозможным реакции термоядерного синтеза. Нами разработан прототип универсального материаловедческого зонда, позволяющего измерять полный поток твердотельных примесных атомов из плазмы и проводить их элементный анализ, а также измерять потоков ионов примеси с различным соотношением массы к заряду. Также разработаны методика и конструкция нового автоколебательного зонда, позволяющего с высокой скоростью измерять флуктуации потенциала и плотности плазмы. Применение лития в качестве обращённого к плазме материала стенок термоядерных реакторов – перспективное направление развития исследований в области термоядерного синтеза. Большой проблемой этих исследований является реализация диагностик литиевых слоёв и соединений без их контакта с атмосферным воздухом из-за большой химической активности лития. Лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) представляется перспективной формой бесконтактной диагностики литиевых плёнок. Нами разработан диагностический комплекс для реализации ЛИЭС в сверхвысоком вакууме и определены оптимальные параметры, позволяющие наиболее эффективно применять ЛИЭС диагностику для анализа литиевых покрытий микронной толщины и корректно интерпретировать полученные данные.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Взаимодействие плазмы с поверхностью обращенных к ней материалов является важнейшим фактором, определяющим работоспособность термоядерных установок, которые, возможно, являются решением энергетических проблем человечества. В рамках выполнения данного проекта наш научный коллектив продолжил улучшать уже имеющиеся и разрабатывать такие новые методики диагностики процессов взаимодействия плазмы с поверхностью, которые можно использовать непосредственно в процессе работы термоядерного реактора. В исследованиях по взаимодействию плотной термоядерной плазмы с поверхностью необходимо контролировать как параметры плазмы, так и состояние поверхности, то есть определять толщины перепыляемых слоев обращенных к плазме материалов. Однако немногие современные методы анализа поверхности могут быть применимы в условиях работы токамаков и линейных симуляторов взаимодействия плазмы с поверхностью. Задача усложняется тем, что толщины перепыляемых слоев могут составлять несколько нанометров, что является проблематичным для измерения большинством методов анализа. В связи с этим в отчетном году была продолжено совершенствование разработанного коллективом встраиваемого зонда анализа поверхности ЗАПИР, работающего в собственном магнитном поле установки и позволяющим анализировать толщину напыленных слоев по энергетическим спектрам протонов, отраженных от исследуемой мишени. Использование в термоядерных установках жидких металлов, таких как литий, представляется в настоящее время довольно перспективным, в связи с чем на установке «Большой масс-монохроматор МИФИ» проведены эксперименты по осаждению тонких слоев лития на вольфрамовую подложку. Контроль осаждения осуществлялся при помощи спектроскопии рассеяния протонов кэвных энергий и кварцевого микробаланса. Полученные результаты сопоставимы с результатами компьютерного моделирования, и свидетельствуют о применимости протонного рассеяния для анализа процессов осаждения химически активных элементов, таких как литий. Образование пыли в термоядерных установках может приводить к её попаданию в центральную плазму, что критично для работы термоядерной установки. Проведены разработка и изготовление устройства для измерения эффективности сбора металлической пыли раннее разработанным электростатическим зондом в вакууме и при атмосферном давлении. Были созданы зонды разных конструкций из различных немагнитных материалов (нержавеющая сталь, молибден, тантал) и протестированы при стационарном и циклическом прогревах в вакуумной печи, благодаря чему была определена оптимальная конструкция зонда. Проведено тестирование макета материаловедческого зонда УММЗ, предназначенного для анализа потоков частиц из плазмы, при различных тепловых нагрузках и условиях осаждения материалов. Измерялась температура стороны зонда, облучаемого в токамаке анализируемыми потоками частиц плазмы, и имеющей отверстие для попадания облучающего потока в полость зонда. Эти измерения позволили оптимизировать конструкцию зонда для работы непосредственно в термоядерной установке. Разработана схема применения лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (LIBS) и лазерно-индуцированной десорбции (LID) на запускаемом на кафедре физике плазмы НИЯУ МИФИ токамаке МИФИСТ-1. Данная диагностика также актуальна для исследований перспективности лития в качестве материала для защиты обращенных к плазме элементов камеры токамака с хорошей совместимостью с термоядерной плазмой. Помимо традиционной LIBS диагностики, разработанная аппаратура позволяет проводить важные для термоядерных установок измерения содержания изотопов водорода в обращенных к плазме материалах методом лазерной индуцированной десорбции LID. При этом требования к мощности лазерного импульса уменьшаются на порядки, а в качестве детектора выделившихся водорода используют масс–спектрометрию. Описанные выше системы диагностик процессов взаимодействия плазмы с поверхностью предлагается использовать комплексно на запускаемом на кафедре физике плазмы НИЯУ МИФИ токамаке МИФИСТ-1. Комбинация различных диагностик в токамаке МИФИСТ-1 позволит получать в реальном времени всю необходимую информацию о процессах взаимодействия плазмы с поверхностью в установке, что позволит осуществлять оперативный контроль параметров термоядерной плазмы в токамаке.