Регистрация / Вход
Прислать материал

Развитие методов теоретического и экспериментального моделирования поведения металлических систем под воздействием мощных потоков плазмы

Докладчик: Кожевин Владимир Михайлович

Должность: с.н.с., Старший научный сотрудник

Цель проекта:
Проект является составной частью международного проекта «Nuclear Energy Systems and Materials under Extreme Conditions» в рамках программы Partnerships for International Research and Education (PIRE) Основная задача международного проекта: Исследование взаимодействия интенсивных пучков частиц и потоков плазмы с различными материалами в экстремальных условиях. Задача российской части проекта: Развитие методов теоретического и экспериментального моделирования поведения металлических систем под воздействием мощных потоков плазмы Целями исследований, проводимых в рамках российской части проекта, являются: 1.Разработка теоретической модели горячей плазмы, контактирующей со стенкой, с учётом влияния ленгмюровского слоя на динамику расплавленного слоя. 2.Разработка макета электрического экрана для защиты оптических элементов в лазерно-плазменных источниках энергии. 3.Разработка метода получения новых наноструктурированных материалов на основе тугоплавких металлов и исследование их стойкости при высоких нагрузках. Поставленные цели направлены на решение ключевых проблем международного проекта, полученные результаты будут использоваться для разработки новых расчётных программ и для выбора режимов работы макетных установок.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В соответствии с заявленными в проекте целями исследований планируется достижение следующих результатов:

1.1 Будут разработаны теоретические и численные модели развития неустойчивости расплавленного слоя под воздействием горячей плазмы, основной отличительной особенностью которых будет учёт влияния электрического поля и давления потока ускоренных ионов, возникающих в ленгмюровском слоя, формируемом на границе плазмы и стенки.
С использованием этих моделей будут проведены расчетно-теоретические исследования особенностей формирования и динамики пылевой плазмы, обусловленных развитием этой неустойчивости. Анализ, проведённый по результатам этих расчётов, позволит определить оптимальные режимы функционирования реальных систем.

1.2 На основе результатов расчетно-теоретических исследований процессов заряжения и последующего отклонения микрочастиц в плотном потоке электронов, проведённых в рамках проекта, будет разработан, сконструирован и создан макет электрического экрана, предназначенного для защиты оптических элементов в лазерно-плазменных источниках энергии. Будут проведены экспериментальные и теоретические исследования, направленные на поиск зависимости оптимальных параметров электрического экрана от спектра энергий и размеров микрочастиц.

1.3 С использованием технологии лазерного электродиспергирования, разработанной ранее авторами проекта, будут отработаны режимы формирования аморфных наноструктур тугоплавких металлов (W, Mo) на различных типах металлов и проведены исследования влияния наноструктур на стойкости полученных композитных материалов при воздействии на них интенсивных потоков плазмы.

2.Основные характеристики планируемых результатов планируемой научно-технической продукции.

2.1 Модель капиллярной неустойчивости облучаемой мишени предназначена для определения размеров и скоростей микрочастиц, вылетающих с поверхности расплава мишени.
2.2 Модель капиллярной неустойчивости облучаемой мишени должна учитывать влияние поверхностного натяжения расплава мишени, влияние неоднородности газодинамического давления вблизи поверхности мишени и влияние сил кулоновского расталкивания заряженной мишени.
2.3 Макет системы электрической защиты оптических элементов должен содержать источник (эмиттер) электронов, а также систему ускорения электронов и заряженных частиц
2.4 Система электрической защиты оптических элементов должна уменьшать поток пыли на поверхность оптических элементов не менее чем на 80%.
2.5 Модель динамики заряжения и каскадного деления капель в плотной плазме предназначена для расчёта размеров и скоростей пылевых частиц, сформированных в результате деления капель, вылетающих с поверхности мишени
2.6 Модель динамики заряжения и каскадного деления капель в плотной плазме должна описывать процесс непрерывного заряжение наночастиц в плазме с плотностью от 1016 см-3 до 1021 см-3.
2.7 Модель динамики заряжения и каскадного деления капель в плотной плазме должна описывать процесс каскадного деления заряженных капель с размерами от 10 нм до 10 мкм.
2.8 Метод лазерного электродиспергирования тугоплавких металлов должен обеспечивать получение аморфных наночастиц W и Mo;
2.9 Размеры аморфных металлических наночастиц лабораторных образцов наноструктур, получаемых с помощью разрабатываемого метода, должны быть не менее 1,5 нм и не более 5,0 нм;
2.9 Относительная дисперсия размеров получаемых аморфных металлических наночастиц лабораторных образцов наноструктур должна быть не более 20 %

3. Новизна предлагаемых решений

3.1 Все заявленные в проекте теоретические модели являются новыми.
3.2 Идея использования электрического экрана для защиты оптических элементов является новой.
3.3 Наноструктуры из аморфных наночастиц W и Mo до настоящего времени не были сформированы.

4 Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

4.1 Процессы эрозии материалов под воздействием мощных потоков частиц, излучения или плазмы интенсивно исследуются как экспериментально, так и теоретически в течение последних 20 -30-ти лет. Результаты многочисленных экспериментальных исследований указывают на тот факт, что основным механизмом эрозии является выплеск микрокапель с поверхности расплавленного материала. Однако практически все теоретические модели, используемые до настоящего времени для описания этого механизма, в качестве основной причины рассматривают наличие градиента давления плазмы вдоль поверхности мишени. При этом используется лишь гидродинамическое приближение и не учитывается наличие ленгмюровского слоя у поверхности расплава. Как следствие, не учитываются силы , определяемые давлением электрического поля и давлением ускоренных этим полем ионов, хотя в большинстве случаев они превосходят силы определяемые градиентом давления плазмы. В данном проекте гидродинамическое приближение будет дополнено учётом ленгмюровского слоя, соответственно модели будут более полными и реалистичными.
4.2 Защита оптических элементов от попадания на них пылевых частиц очень важна для многих приложений. Особенно принципиальным решение этой проблемы является в технологиях с использованием интенсивных лазеров, например, при разработке EUV нанолитографов, или в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу, где продукты эрозии облучаемой мишени загрязняют зеркала или линзы. Для защиты зеркал в EUV нанолитографах облучение мишеней осуществляют в сильном магнитном поле, которое направляет поток плазмы с погруженными в неё частицами по силовым линия поля, что предотвращает попадание основной массы пыли на зеркала. Однако продукты эрозии мишени, образовавшиеся после окончания лазерного импульса погружены в рекомбинировавшую плазму,которая не чувствует магнитного поля и часть их попадает на поверхность зеркал, что не позволяет снизить поток грязи до требуемого уровня. В данном проекте предлагается установить дополнительно между мишенью и оптическими элементами электрический экран, представляющий собой ленточный пучок электронов, направленный коллинеарно магнитным силовым линиям. Частицы грязи, пролетая через этот пучок будут заряжаться и отклоняться электрическим полем, ускоряющим этот пучок. Таким образом решение поставленной в проекте задачи является важным и востребованным.
4.3. Использование наноструктурированных покрытий для повышения срока службы материалов при высоких тепловых нагрузках является новой задачей. В настоящее время о первых успешных экспериментах, проведённых в этом направлении, сообщается лишь участниками данного проекта со стороны Германии. При этом нанопокрытия, используемые ими состоят из кристаллических частиц, которые , как известно коагулируют при соприкосновении,что делает невозможным формирования плёнок с высокой плотностью наночастиц. Предлагаемый российской стороной метод лазерного электродиспергирования, характеризуется тем, формируемые с его использованием структуры состоят из аморфных наночастиц, которые не коагулируют при соприкосновении. Это позволяет создавать структуры с любой плотностью без изменения размера наночастиц, соответственно, является привлекательным проведение сравнительного анализа эффективности использования двух типов принципиально разных структур.

5 Ограничения и риски относятся, прежде всего, к задаче создания электрического экрана. Основная проблема состоит в том, что эффективность заряжения частиц определяется процессом вторичной эмиссии электронов. Так, если коэффициент вторичной эмиссии равен единице, заряжения частиц не происходит. В то же время анализ литературных данных показывает, что исследования величины этого коэффициента проводились лишь для плоских поверхностей, т.е. размерные зависимости этого коэффициента неизвестны. Поскольку эти данные необходимы для конструирования и выбора параметров электрического экрана мы начали работы как по компьютерному моделированию этого эффекта, так и по созданию экспериментального стенда для контроля результатов этого моделирования. Кроме того рассматриваются варианты создания электрического экрана с пучком низкоэнергетичных электронов, для которых чувствительность к размерному эффекту минимальна.







Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые в рамках проекта теоретические модели предназначены для использования при проектировании и выборе режимов работы устройств, в которых мощные энергетические потоки взаимодействуют с твёрдым телом. В настоящее время к таким устройствам прежде всего следует отнести установки предназначенные для осуществления процессов лазерного и магнитного термоядерного синтеза, а также EUV нанолитографы. В этих же установках могут быть использованы электрические экраны и композитные материалы с наноструктурированным покрытием. В рамках данного проекта проводятся международные семинары и видеоконференции с привлечением не только ведущих учёных, но и студентов и молодых научных сотрудников. Создан сайт проекта, на котором освещаются все основные события. Организован обмен студентами для их практики в ведущих институтах и университетах.


Текущие результаты проекта:
Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической литературы по проблеме моделирования неустойчивости расплавленного слоя поверхности, контактирующей с плазмой.
Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической литературы по проблеме заряжения частиц в потоке электронов и по методам формирования потока электронов
Подготовлен аналитический обзор современной научно-технической литературы по проблема поведения материалов в экстремальных условиях.