Аннотация результатов, полученных в 2022 году
При взаимодействии плазмы с поверхностью в термоядерных установках в диапазоне энергий падающих ионов гелия от десятков до сотен эВ возможет рост наноструктуры нановолокон на вольфраме (W-fuzz). Такая структура поверхности уменьшает эффективный коэффициент распыления падающими ионами. При увеличении энергии более уровня сотен эВ, рост наноструктуры сменяется ее распылением. Кроме того, спонтанно инициируются всплески взрывной электронной эмиссии. Проект нацелен на 1) определение свойств нановолокон вольфрама образующихся при воздействии плазмы на поверхность при повышенной энергии падающих ионов - до сотен эВ, так как такие условия характерны для термоядерных установок, а также на 2) описание механизма спонтанного инициирования взрывоэмиссионных процессов в таких условиях, через развитие модели взрыва жидкометаллических наноперешейков. Для этого применялись 1) аналитические и численные оценки на основе развитых нами моделей и известных экспериментальных результатов, 2) численное моделирование методом молекулярной динамики при помощи кода LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator), и 3) экспериментальные исследования процессов роста структуры нановолокон в ВЧ плазме. В первый этап выполнения проекта (июнь-декабрь 2022) были получены следующие основные результаты. 1. Получены оценки эквивалентного коэффициента распыления для потери массы поверхностью при горении дугового разряда на наноструктурированной поверхности в пристеночном слое плазмы водорода или гелия. Отношение плотностей атомов вольфрама, покидающих стенку, n_W и плотности пристеночной плазмы n_pl: Y_eff = n_W/n_pl = e γ v_i / (M_W v_W) = 4.8e3 γ Для энергии ионов порядка 100 eV (ниже порога физического распыления вольфрама) и характерных экспериментальных величин потери массы при горении дуги γ = 1-2 mg/C, полученный эквивалентный коэффициент распыления Y_eff достигает ~10. Для плотности пристеночной плазмы крупных термоядерных установок (JET, ИТЭР) 10^13 - 10^14 cm^-3 соответствующий поток атомов вольфрама с поверхности в результате горения дуговых разрядов, составляющий Y_eff n_pl v_W, может достигать уровня 10^20 - 10^21 cm^-2 s^-1. Показано, что высокая величина потери массы во время взрывоэмиссионных всплесков γ = 1-2 mg/C, характерная для высоких нановолокон (> 1 μm), может быть связана с двумя факторами - 1) механическим разрушением соседних волокон при взрыве и разлете плазмы и 2) снижением эффективной критической температуры для нановолокон, определяющим снижение и среднего заряда ионов плазмы. Отсюда можно сделать оценку эффективной критической температуры нановолокон, аналогично [Tsventoukh 2022 JPhysD Appl Phys 55 355204], которая для слоев нановолокон выше 1 μm может снижаться до уровня менее 1 eV. 2. Формирование взрывоэмиссионной плазмы из нановолокон можно описать про помощи развитой модели взрыва жидкометаллических наноперешейков. В структуре волокон в качестве "перешейков" могут выступать стенки пузырей гелия, накапливающегося в волокне. Интенсивность джоулева энерговыделения будет определяться геометрией "перешейков", а она - геометрией, количеством и распределением пузырей гелия, образующихся в волокнах. При моделировании методом молекулярной динамики получены характерные распределения кластеров гелия по объему вольфрама. При росте начальной энергии бомбардирующих частиц растет число внедренных атомов гелия, а также размазывается профиль внедрения, что коррелирует с базовыми закономерностями, наблюдаемыми при облучении поверхности. Во всех случаях большинство кластеров гелия включает менее 10 атомов, что, по большей части вызвано малым числом внедренных атомов, однако с ростом дозы облучения формируются кластеры с большим числом атомов, что говорит о коалесценции кластеров и образовании больших пузырей газа. Также можно заметить, что на начальном этапе облучения положение наибольшего скопления кластеров гелия смещается вглубь образца при повышении начальной энергии бомбардирующих частиц. На поздних этапах облучения в приповерхностной области формируется слой гелиевых пузырей, что ограничивает диффузию внедренных атомов вглубь. Были оценены коэффициенты распыления вольфрама в зависимости от энергии бомбардирующих атомов. Увеличение эффективности захвата гелия при росте начальной энергии обусловлено как снижением коэффициента отражения, так и ростом количества дефектов, образующихся при облучении. 3. В процессе взаимодействия ионов гелия повышенного потенциала (сотни eV) с вольфрамовыми нановолокнами процесс их роста сменяется распылением. Исходя из соотношения масс M_W/M_He = 46, можно видеть, что в каждом соударении атомам вольфрама от гелия передается только небольшая часть энергии, и полная передача произойдет за порядка M_W/M_He соударений. Для характерной энергии для роста волокон ~ 50 eV доля передаваемой атомам вольфрама энергии составляет доли eV, что достаточно для нагрева волокон, и может быть существенным для роста волокон. При повышении энергии ионов гелия до 500 eV переданная атомам вольфрама энергия может достигать ~10 eV, что сравнимо с энергией связи W в нормальных условиях, и может быть достаточным для существенного распыления поверхности и формирования вторичной плазмы. При этом на пути трека атома гелия, испытывающего порядка M_W/M_He соударений, будут находится пузыри гелия с высокой плотностью, в которых замедление будет происходить гораздо эффективнее. На основе результатов 2000 отдельных моделирований методом молекулярной динамики взаимодействия быстрого атома гелия с начальной энергией в диапазоне E∈{20…100} эВ и пузыря радиуса r∈{2a,3a} с количеством He/V∈{1,2} были определены характерные времена диссипации введенной энергии на уровне единиц пикосекунд. Оценивая частоту попадания атомов гелия в пузырь как n_He * v_He * σ_Bubble ~ 1/(4e-7 s), можно оценить длину распространения энергии как √at ~ 2 μm (a = 0.1 cm^2/s), что существенно больше поперечных и продольных размеров нановолокон. Таким образом, можно ожидать, что выделение энергии в пузыре, происходящее за единицы ps и приводящее к его разрушению, должно происходить за одно попадание быстрого атома гелия. 4. Проведение численного моделирования свойств нановолокон при повышенном потенциале нужно соотнести с результатами экспериментальных наблюдений. Начаты эксперименты по облучению вольфрама ионами плазмы гелия на установке «Белла». Для генерации плазмы высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда использовалась плоская катушка (антенна), размещенная непосредственно в вакуумном объеме. Рабочая частота источника ВЧ-мощности 13.56 МГц. ВЧ-мощность передается на антенну через автоматическое согласующее устройство. Плазма помещена в слабое однородное магнитное поле, создаваемое двумя электромагнитными катушками, включенными в конфигурации Гельмгольца. Тестовое облучение производилось в диапазоне температур образцов от 1000 до 1300 К, при потенциале смещения на них –150 В. Получены наноструктурированные вольфрамовые поверхности. Результаты первого этапа проекта (полгода) были направлены и приняты для представления на юбилейной 50-й Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (три доклада). Был сделан доклад на III Международной конференции «газоразрядная плазма и синтез наноструктур», Казань 1-4 декабря 2022 г. Планируется представление полученных результатов на конференции "XXVI Конференции "Взаимодействию плазмы с поверхностью." НИЯУ МИФИ (PSI2023)", "XXXVIII Fortov International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter (ELBRUS 2023)", и 30th International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) Okinawa, Japan (направлен доклад).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
К основным полученным результатам второго этапа работ по проекту относится следующее. 1. В теории взрывоэмиссионных процессов на наноструктурированной поверхности. Вычислена зависимость изменения заряда ионов плазмы вакуумной дуги на наноструктурированных слоях вольфрама в соответствии с известными экспериментальными данными. Результирующая величина критической температуры и энергии связи совпала с оценками, полученными в первый год выполнения проекта. Показано, что для количественного описания процессов спонтанного инициирования взрывоэмиссионных всплесков на наноструктурированной поверхности волокон не достаточно рассматривать "поверхностные" эмиссионные модели, а требуется учет 1) объемного энерговыделения и 2) измененных свойств нановолокон (проводимости). [Tsventoukh 2023 Phys. Plasmas 30 092511] 2. В атомистическом моделировании деталей образования плазмы из нановолокон под воздействием гелиевой плазмы с повышенной энергией ионов получены "быстрые взрывы" приповерхностных нанопузырей гелия. Условием для взрыва является E_growth < E_bubble < E_ign, где E_bubble - суммарная энергия атомов гелия в нанопузыре, составляющая порядка 100 эВ, E_growth - энергия падающего иона гелия, соответствующая росту нановолокон (десятки эВ), E_ign - энергия падающего иона гелия (сотни эВ), соответствующая 1) распылению нановолокон 2) спонтанному инициированию взрывоэмиссионных всплесков E_ign = e U_ign. Термин "быстрые" взрывы означает времена менее ~10 пс - до релаксации вводимой энергии в системе нанопузыря гелия, удерживаемого в вольфраме. Данное время было определено в результате численного моделирования методом молекулярной динамики с набором статистики. (Среднее время релаксации <τ> = 0.23 + 1.40⋅(r/a) пс, его разброс δτ = 0.29 + 0.49⋅(r/a) пс.) 3. В атомистическом моделировании объемного распределения нанопузырей гелия получены пространственные распределения нанопузырей гелия в вольфраме при повышенной энергии падающих ионов (от 100 до 500 эВ). По сравнению с предыдущим этапом расширена статистика и систематизированы результаты моделирования. Получено, что глубина образования нанопузырей при большой энергии сопоставима и превышает характерный поперечный размер нановолокон - 10 нм. Получены распределения среднего размера и концентрации нанопузырей. Они составили соответственно ~2 Å и ~10^20 см^-3. Частота соударений электронов с нанопузырями может быть оценена как nvσ, где v ~10^8 см/с, σ = 4πr^2 = 5e-15 см^2, (nvσ)_0 ~5e13/c, что сравнимо и меньше, чем частота столкновений с дефектами в вольфраме и частота рассеяния на фононах. При этом следует отметить, что в экспериментах полный флюенс Φ [Gasparyan et al 2016 Nucl. Fusion 56 054002] примерно на два порядка выше, чем задавался в расчетах Φ_0. Из геометрических соображений можно получить оценки сверху и снизу для частоты соударений в нановолокнах nvσ: (Φ/Φ_0)^2/3 < nvσ/(nvσ)_0 < Φ/Φ_0 Таким образом, можно ожидать увеличения частоты соударений nvσ на полтора порядка - до уровня более 1e15/c, что может вносить существенный вклад в увеличение электрического сопротивления нановолокон. (Отметим, что недавно была измерена теплопроводность наноструктуры вольфрама [S. Kajita et al 2023 30th ISDEIV Okinawa Japan pp. 526-528], которая составила 0.14-0.26 % от нормальной величины для вольфрама.) 4. В экспериментальной части удалось зарегистрировать спонтанное инициирование взрывоэмиссионных всплесков при повышенном потенциале. Для регистрации данных редких событий было модернизировано экспериментальное оборудование. Особенностью работы является то, что регистрировались и осциллограммы тока и напряжения, и изменение рельефа поверхности. Определены диапазоны параметров облучения вольфрамовых поверхностей ионами гелия в ВЧИ плазме, благоприятные для возникновения на них спонтанных дуговых разрядов. Прежде всего, такими условиями являются поддержание температуры образца около значения 1200 К, характерного для стабильного роста «классического» вольфрамового пуха, и поток ионов гелия 2.5×10^20–2.0×10^21 1/м^2/с. При этом возникновение дуг наблюдалось только при работе с повышенным напряжением смещения –800 В, которое определяет энергию ионов гелия, бомбардирующих поверхность. Структуры, вырастающие при повышенном потенциале при фиксированной длительности эксперимента, характеризуются значительно меньшей высотой, чем при облучении ионами низких энергий, однако толщина волокон сохраняется. Стоит отметить, что указанные энергии соответствуют переходу от роста наноструктуры волокон к их распылению. При этом этот диапазон с одной стороны характерен для взаимодействия плазмы с поверхностью в термоядерных установках, а с другой стороны мало изучен, так как большинство экспериментальных работ нацелено на исследование стабильного роста нановолокон. Разработана методика контроля длительности возникающей на поверхности дуги, и получены данные о протекании «коротких» (менее 1 мкс) и «долгих» (более 100 мкс) дуговых разрядов. СЭМ диагностика поверхности образцов после появления дуговых пробоев продемонстрировала наличие характерных кратеров и следов воздействия как в случае короткой (1 мкс), так и в случае долгой (200 мкс) дуги, а также существенное изменение структуры поверхности в области кратера в случае продолжительного воздействия (200 мкс). В обоих случаях в области пробоя при дальнейшем облучении поверхность также покрывалась наноструктурами. Таким образом, впервые в режиме одиночных импульсов проведены согласованные экспериментальные исследования тока и напряжения в гелиево-вольфрамовой плазме со спонтанным инициированием дугового разряда и микроструктуры возникающего в результате взаимодействия с поверхностью рельефа. (защищена дипломная работа исполнителя проекта - М.С. Кукушкиной) Подготовленные в рамках работы образцы были применены в качестве перспективных мишеней для лазерно-плазменного источника мощного рентгеновского излучения. Свойства слоев нановолокон таковы, что средняя плотность вещества ~3e21 см^-3 близка к критической плотности для оптической длины волны лазерного излучения, что приводит к эффективному поглощению [Tsventoukh 2023 "UltrafastLight-2023" LPI RAS, October 02-04, 2023, p. 29]. Быстрый рост более толстых слоев возможен при соосаждении вольфрама [Kenta Hori et al 2023 Scientific Reports 13 5450], и, при примененном нами, комбинированном режиме с предварительным использованием магнетронного разряда [Kharkov et al 2023 High Temperature Material Processes 27(4) pp. 25-32].