Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0014

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0014
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Название доклада
Развитие методов теоретического и экспериментального моделирования поведения металлических систем под воздействием мощных потоков плазмы
Докладчик
Кожевин Владимир Михайлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на поиск решения проблемы деградации конструкционных материалов электрофизических установок в случае воздействия на их поверхность горячей плазмы. Также запланировано разработать в ходе проекта электрический экран для защиты оптических элементов в лазерно-плазменных электрофизических установках от потоков пылевых частиц.
Целями исследований, проводимых в рамках российской части являются:
- Разработка теоретической модели для описания параметров горячей плазмы учётом влияния ленгмюровского слоя и для расчетов динамики расплавленного слоя.
- Разработка макета электрического экрана для защиты оптических элементов от пылевых потоков в лазерно-плазменных источниках энергии.
- Разработка метода получения новых наноструктурированных материалов на основе тугоплавких металлов и исследование их стойкости при высоких тепловых нагрузках.
Задачи, которые должны быть решены в 2016 году в рамках российской части проекта:
- Расчеты динамики пылевой плазмы и разработка нелинейной численной 3D модели слоя Ленгмюра и проведение расчетов динамики расплавленного слоя с использованием аналитического описания динамики пристеночной плазмы;
- Расчёт режимов работы электрического экрана с использованием детальной модели зарядки и отклонения микрочастиц. Экспериментальное исследование режимов заряжения и отклонения частиц олова и вольфрама различных размеров в широком диапазоне энергий.
- Нанесение наноструктур вольфрама и молибдена на вольфрамовые носители и исследование стойкости образцов вольфрама, покрытых этими наноструктурами, при высоких тепловых нагрузках.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность разработки модели, описывающей взаимодействие плазмы с поверхностью конструкционных материалов определяется тем, что потребность в использовании таких моделей возрастает в связи с необходимостью конструирования новых электрофизических установок, в которых материалы находятся в экстремальных условиях контакта с горячей плазмой.
Новизна разрабатываемых моделей и программ состоит в том, что в них впервые учитываются эффекты, определяемые влиянием слоя Ленгмюра. Анализ показал, что основным из этих эффектов является формирование электрического поля на поверхности конструкционных материалов, которое определяет процессы развития неустойчивости расплава и экранирования потока испаренных атомов слоем Ленгмюра, поскольку напряженность этого поля может быть сравнима или превышать напряженность атомных полей.
Актуальность разработки электрического экрана определяется необходимостью разработки методов защиты оптических элементов от потока пылевых частиц во многих приложениях, а новизна такого экрана определяется тем, что впервые эффект экранирования основывается на процессе заряжения микрочастиц металла в потоке электронов с дальнейшим отклонением траекторий этих части в сильном электрическом поле.
Актуальность получения новых наноструктурированных материалов на основе тугоплавких металлов, определяется необходимостью снижения интенсивности деградации этих материалов при мощных тепловых нагрузках, а новизна исследования состоит в том, что впервые для достижения этой цели на поверхности материалы создаются наоструктурированные покрытия, формируемые методом лазерного электродиспергирования.
Описание исследования

В качестве основной физической модели для слоя Ленгмюра была выбрана стационарная модель бесстолкновительного слоя объемного положительного заряда, предложенная Маккоуном, которая описывает динамику потока ионов под воздействием электрического поля, генерируемого зарядом слоя. Выбор стационарного приближения был сделан на основании предварительного анализа, результаты которого показали, что для рассматриваемых нами экспериментальных условий время установления равновесия в слое Ленгмюра существенно меньше характерного времени изменения параметров плазмы в пристеночной области.

Для численной реализации предложенной физической модели использовался метод конечных объемов (Finite Volume Method), выбор которого обусловлен, прежде всего, возможностью его использования на неструктурированных сетках, что позволяет проводить решение уравнений в сложной области (в том числе в областях с нарушением односвязности). Кроме того, преимуществом данного метода является то, он основан на применении к каждому элементу объема физических законов сохранения в интегральном виде, что позволяет расширять модель слоя Ленгмюра без существенного изменения архитектуры программы. Одно из расширений модели Маккоуна заключается в необходимости учета эффекта ионизации в слое Ленгмюра атомов, испаренных с поверхности расплава.

Необходимость учета ионизации атомов в слое Ленгмюра связана с тем, что все существующие на настоящий момент модели построены в предположения прозрачности слоя объемного заряда для испаренных атомов. Обоснованием этого предположения всегда служил тот факт, что при плотности потока энергии на поверхность, при которой испарение мишени существенно, толщина слоя Ленгмюра составляет несколько нанометров. При этом границы применимости используемого предположения нигде не оговариваются. В связи с этим на четвертом этапе проекта было проведено аналитическое исследование применимости этого предположения, которое показало, что именно при плотности потока энергии на поверхность, когда испарение мишени интенсивно, потоки электронов в слое Ленгмюра многократно возрастают, может привестик интенсивной ионизация испаренных атомов.

Для точного была разработана модель заряженного слоя, учитывающая процессы ионизацию инжектированных с поверхности атомов в слое потоками электронов из плазмы и потоками электронов, эмитированных из расплава, которая использовалась для расчета коэффициента экранирования потока испаренных атомов в плазму.

            Для разработки электрического экрана исследовались генерация пылевых частиц олова и вольфрама, их зарядка в потоке электронов и отклонение потоков этих заряженных пылевых частиц во внешнем электрическом поле. Исследования проводились на экспериментальной установке, спроектированной и введенной в эксплуатацию на предыдущих этапах данного проекта. Также для выбора режимов эффективной работы экрана проводились численные расчеты зарядки и отклонения металлических микрочастиц.  

Одной из возможностей повышения стойкости тугоплавких материалов при высоких тепловых нагрузках является покрытие их поверхности наноструктурированным слоем. В данном проекте для создания такого слоя используется разработанный ранее авторами проекта метод лазерного электродиспергирования материалов, предназначенный для формирования структур, состоящих наночастиц с узкой дисперсией размеров. Использование этого метода в данном проекте обусловлено также тем, что получаемые металлические наночастицы не коагулируют при соприкосновении. Это позволяет создавать пленки из любого числа слоев тугоплавких наночастиц без изменения размеров самих наночастиц. Отметим, что создание таких структур любыми другими известными нам методами невозможно из-за слияния наночастиц в сплошную пленку.

Для формирования исследовательских образцов наночастицы вольфрама и молибдена наносились на пластины вольфрама толщиной 3 мм. Толщина наноструктурированных покрытий для всех образцов составляла 100 нм. Контроль толщины осуществлялся с помощью профилометра. Облучение образцов проводилось на стенде плазменной пушки, который позволяет получать плазменные потоки с длительностью импульса 15 мкс и уникальными параметрами плазмы, которым, прежде всего нужно отнести  скорость ионов гелия ~100 км/с, энергия ионов ~300 эВ, плотность ионов ~1022 м-3 и плотность потока энергии до 35 ГВт/м2.

Результаты исследования

Аналитическое исследование, проведенное на данном этапе проекта, показало необходимость учета эффекта экранирования потока испаренного вещества в слое Ленгмюра, который возникает вследствие возвращения образовавшихся ионов в расплав под воздействием электрического поля. Показано, что учет эффекта экранирования важен как для определения массы плазмы, сформировавшейся при лазерной абляции материалов, так для определения механизма развития неустойчивости расплава под воздействием плазм, контактирующей с мишенью.

Расчеты, проведенные с использованием разработанной модели, показали, что электрическое поле на поверхности металла является ключевым параметром, определяющим как испарение с поверхности конструкционных материалов, так и интенсивность эрозии этих материалов вследствие выплескивания микрокапель с поверхности расплава, образующегося при контакте горячей плазмы с поверхностью. Величина этого поля определяется, прежде всего, плотностью потока энергии на поверхность и при плотности мощности этого потока 1-10 ГВт/см2 она близка к 108 В/см.

Расчеты подтвердили также выводы предварительного аналитического исследования о необходимости учета эффекта экранирования испаренных атомов, возникающего вследствие их ионизации, и показали, что условия возникновения этого эффекта чрезвычайно чувствительны к температуре кипения металла.

         Отметим также, что результаты проведенных исследований указывают на необходимость модификации пакетов программ, использующихся в настоящее время для моделирования взаимодействия плазмы с конструкционными материалами электрофизических установок

Исследования зарядки и отклонения микрочастиц олова, которые формируются при лазерной абляции Sn мишени, показали, что исходные частицы являются заряженными. Однако начальный заряд мал и не позволяет эффективно отклонять частицы во внешнем поле. Также установлено, что время задержки между импульсом потока электронов и импульсом лазерного облучения слабо влияет на отклонение потока микрочастиц, что, скорее всего, связано с тем, что основной поток микрочастиц находится в объеме расширяющейся плазмы. Соответственно, заряд частиц определяется балансом между потоком электронов и потоком ионов из этой плазмы, а внешний пучок электронов не влияет на этот баланс.  

Образцы вольфрама покрытые пленками, состоящими из 30 слоев наночастиц тугоплавких металлов облучались мощными потоками гелиевой плазмы, формируемыми на стенде плазменной пушки при плотностях потока энергии: 5 GW/m2, 10 GW/m2, 20 GW/m2 и 35 GW/m2. Для исследования изменений морфологии образцов под воздействием этих потоков использовался сканирующий микроскоп CamScan S4-90 FE.

Проведенные эксперименты показали, что при величине фактора теплового воздействия соответствующего превышению порога плавления вольфрама. на всех вольфрамовых подложках появляются трещины, при этом образцы, покрытые пленкой из наночастиц, обладают большей устойчивостью к появлению трещин по сравнению с объемным вольфрамом. Кроме того, обнаружена стабильность вольфрамовых наночастиц до величин потоков мощности 35 GW/m2.

Практическая значимость исследования
Ожидается, что разработанные в ходе проекта расчетно-теоретические модели смогут быть использованы как при проектировании установок для магнитного и лазерного термоядерного синтеза, так и для наработки ядерного топлива в реакторах-источниках нейтронов.
В случае решения проблемы создания экрана для защиты оптических элементов такой экран сможет найти применение на установках лазерного термоядерного синтеза и для защиты рентгеновских зеркал в EUV нанолитографах. Разрабатываемые в рамках проекта материалы с использованием покрытий из аморфных наноструктур тугоплавких металлов (Мо, W) могут найти применение в условиях экстремальных нагрузок. Например, в качестве диверторных пластин в реакторе Токамак.
Потенциальными потребителями являются крупные исследовательские центры, ведущие исследования в области УТС.