Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1) Разработана теоретическая модель, позволяющая предсказывать содержание изотопов водорода, включая радиоактивный тритий, в осаждаемых из плазмы металлических слоях в условиях осаждения, характерных для термоядерных установок. При помощи разработанной модели проведены расчёты и предсказаны характер зависимости содержания отдельных изотопов водорода от параметров осаждения, разницы свойств отдельных изотопов водорода между собой. Выявлена особенность зависимости содержания изотопов водорода от температуры, не свойственная системам с одним сортом газа (одним изотопом водорода). 2) Разработана теоретическая модель, описывающая медленный процесс обезводораживания тонких металлических слоёв при повышенных температурах. Модель верифицирована экспериментальными данными для вольфрам-дейтериевых слоёв с толщинами 50 нм и 250 нм для вакуумного обезгаживания и замещения дейтерия на протий путём выдержки в атмосфере протия. Установлено, что для более толстых слоёв диффузия является главным фактором, ограничивающим скорость потери водорода из осаждённого слоя. На основе модели оценено время, необходимое для эффективного обезводораживания слоёв. Для обезводораживания методом вакуумного отжига для достижения 99% эффективного может потребоваться более месяца отжига при температуре 300 С (573 К), в то время как путём выдержки в лёгких изотопах водорода для удаления 99% тяжёлых изотопов достаточно 1 часа выдержки при температуре ~ 250 С (523 К). 3) Экспериментально показано, что эффект полого катода между двумя параллельными пластинами сохраняется при подаче на одну из них дополнительного высоковольтного смещения (в узком диапазоне рабочих давлений для фиксированной геометрии разрядного промежутка). Это позволило реализовать эффективную систему распыления с электростатическим удержанием электронов без магнитного поля. На основе разномасштабных прототипов (с выходной апертурой 20 и 60 мм соответственно) был разработан проект масштабируемой системы распыления на базе разряда с полым катодом с дополнительным смещением мишени. Получены стабильные режимы работы разрядных устройств при напряжении разряда ~600 В, напряжении смещения 1 кВ и рабочем давлении аргона от 10 до 70 Па; скорость осаждения тонких пленок железа при этом достигали 1.0-1.5 мкм/ч. 4) С помощью масштабного прототипа (выходная апертура 20 мм) ионно-плазменной распылительной системы на базе разряда с полым катодом с асимметричной подачей напряжения определены границы устойчивых режимов горения исследуемого разряда и применимости устройства для осаждения тонких металлических пленок на примере железа, а также проведено исследование влияния дополнительного смещения на вольт-амперную характеристику разряда и параметры плазмы для различных рабочих давлений аргона. В исследуемой распылительной системе обнаружен шестикратный линейный рост скорости осаждения с ростом напряжения смещения мишени с 0 до 900 В (при напряжении разряда 600 В и рабочем давлении аргона 40 Па). Данный эффект объясняется совокупным влиянием роста скорости распыления железа в ~1.7 раза и увеличением температуры и плотности плазмы в 2.5 и 2 раза соответственно.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведено исследование содержания изотопов водорода в со-осаждаемых из плазмы смеси изотопов вольфрамовых слоях. Установлено, что удержание дейтерия и протия в слое различается как количественно, так и качественно. Полученные результаты описаны при помощи разработанной на прошлом году работы теоретической модели, таким образом верифицируя её. Разработана теоретическая модель, описывающая содержание водорода в слое гидридооборазующего металла в зависимости от условий осаждения с учётом изменения коэффициента диффузии в зависимости от локального содержания гидридной фазы. На основе данных о удержании дейтерия в бериллиевых слоях подобраны значения параметров диффузии дейтерия через гидрид бериллия, позволяющие провести моделирование данного содержания в широком диапазоне параметров. Разработана модель транспорта материала в распылительной системе на основе разряда с полым катодом с дополнительным смещением мишени. Моделью предсказано увеличение толщины осаждаемого слоя на границах подложки. Предсказания модели верифицированы экспериментально и физически. Для распылительной системы на основе разряда с полым катодом с дополнительным смещением мишени определены диапазоны рабочих параметров разряда, обнаружен эффект ионного ассистирования в процессе осаждения металлических пленок, составлена качественная модель зарядового обмена между плазмой и частями электродной системы. Свойства вольфрам-дейтериевых слоёв, полученных в распылительной системе на основе разряда с полым катодом с дополнительным смещением мишени сравнены со свойствами слоёв, полученных при помощи магнетронного осаждения. Установлено, что плёнки, получаемые в новой распылительной системе имеют гораздо более развитую микро- и наноструктуру, а также способны удерживать большое количество дейтерия даже при высоких температурах осаждения, особенно при распылении чистой дейтериевой плазмой. Проведено исследование влияния контакта с атмосферой на содержание дейтерия в соосаждённых слоях. Установлено, что даже непродолжительный контакт длительностью 1 час достаточен для потери половины дейтерия из слоя, а в целом процесс потери дейтерия продолжается и на масштабах времени ~ 1 месяца. Потеря дейтерия происходит быстрее из более толстых слоёв. Установлено, что для вольфрам-дейтериевых слоёв толщиной от 50 до 750 нм распределение относительных концентраций ловушек по энергиям близко, и можно применять тонкие слои для моделирования более толстых.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На примере титана и магния изучено накопление водорода (дейтерия) в осаждённых из водород-содержащей плазмы металлических слоях. Установлены общие закономерности, характерные для обоих металлов, такие как характерный «ступенчатый» вид зависимости содержания дейтерия в плёнках от температуры осаждения, хорошо описываемый разработанной теоретической моделью, даже без необходимости учёта вероятного изменения фазового состава плёнок (образования в них вкраплений гидридной фазы). Для обоих изученных металлов содержание дейтерия в плёнках не превышало ~ 60 ат.%, то есть было существенно ниже стехиометрического для гидридов MgD2, TiD2 При помощи разработанной теоретической модели с учётом изотопных эффектов проведена предварительная оценка скорости накопления трития в ИТЭР с новым базовым сценарием – полностью вольфрамовой стенкой, покрытой возобновляемым слоем бора. Обнаружен критический недостаток данных о транспорте (диффузии, рекомбинации на поверхности, захвате в ловушки и т.д.) изотопов водорода в боре. Предварительная оценка показала, что, в зависимости от реализуемого сценария плазмы и оценки по накоплению водорода в боре, максимально допустимое содержание трития в ИТЭР может быть достигнуто за время от ~ 120 разрядов с использованием D-T смеси до ~ 11 тысяч разрядов. Проведено исследование возможности масштабирования ионно-плазменной распылительной системы (ИПРС) на базе разряда с полым катодом (РПК) с дополнительным смещением мишени. Для этого разработаны и созданы три прототипа ИПРС с плоскими электродами с различными выходными диафрагмами/выходными апертурами диаметром 25, 50 и 170 мм, соответственно. Исследовались рабочие режимы рассматриваемых ИПРС для аргона в качестве плазмообразующего газа в диапазоне давлений до 50 Па. Установлено, что при увеличении размеров ИПРС величина вкладываемой мощности линейно зависит от объема, что говорит о сохранении основного механизма ионизации рабочего газа в объеме ограниченным электродной системой ИПРС. Таким образом показано, что возможно масштабирование системы более, чем на порядок (в 18 раз) при сохранении основных параметров ИПРС, таких как рабочее давление, разрядное напряжение и напряжение смещения мишени и скорости осаждения. При помощи ИПРС с РПК получены плёнки основных элементов конструкционных материалов термоядерных установок Fe-D и Ni-D. Для обоих материалов были обнаружены устойчивые режимы работы ИПРС на дейтерии со скоростью нанесения покрытия до (50-70) нм/ч, достаточной для практического получения покрытий. Это позволило проводить осаждения без добавления аргона к газовой смеси, то есть в условиях максимально релевантных для моделирования термоядерных установок. Для Fe-D пленок обнаружено, что слои подвергаются практически мгновенному окислению при контакте с атмосферой и уже после ~ получаса имеют степень окисления FeOx, где x=0,7, наблюдается различие в структуре и толщине осаждённой плёнки в зависимости от ориентации зёрен подложки. Для плёнок никеля степень окисления гораздо ниже и не наблюдается эффекта преференционного осаждения или структурирования по ориентации зёрен подложки. Для обоих типов материалов наблюдается содержание дейтерия, сравнимое с вольфрамом. Для плёнок никеля содержание дейтерия составило 0,24 ат.% при температуре осаждения 260 С (530 К) и опускалось до ~0,04 ат.% при температуре осаждения 500 С (770 К). Для плёнок железа содержание дейтерия было ~ 0,8 ат% при температуре осаждения ~215 С (~490 К), и 0,03 ат.% при температуре осаждения 500 С (770 К). Для обоих типов плёнок наблюдались довольно сложные ТДС-спектры десорбции дейтерия, с выделенными пиками в температурных областях от 400 К до 1000 К, что говорит о наличии большого количества типов ловушек в полученных слоях с разными энергиями связи.