Исследование осаждения металлических слоёв из плазмы и накопления изотопов водорода в них

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-10097

НазваниеИсследование осаждения металлических слоёв из плазмы и накопления изотопов водорода в них

Руководитель Крат Степан Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-501 - Физика высокотемпературной плазмы и УТС

Ключевые слова Управляемый термоядерный синтез, тонкие плёнки, накопители водорода, распылительные системы, полый катод, транспорт частиц,

Код ГРНТИ29.19.16

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В данном проекте проводится теоретическое и экспериментальное комплексное исследование накопления изотопов водорода в осаждённых из плазмы металлических слоях. Актуальность проекта заключается в необходимости предсказания скорости накопления радиоактивного изотопа водорода трития в различных областях термоядерных установок, а также в актуальности создания новых типов накопителей водорода для нужд промышленности, в частности подборе оптимальных параметров осаждения металлических плёночных накопителей из плазмы, обеспечивающих максимальное содержание водорода в них. Работа состоит из двух основных частей: развития теоретической модели, предсказывающей содержание и распределение изотопов водорода в осаждённых из плазмы металлических слоях в зависимости от условий осаждения, а также создания и исследования свойств распылительной системы на основе эффекта полого катода с дополнительным смещением мишени, необходимой для получения осаждённых из плазмы смешанных слоёв и экспериментальной верификации предсказаний теоретической модели для материалов, осаждение которых с использованием более традиционных распылительных систем затруднено. Заделом первой части работы является разработанная ранее при поддержке РНФ теоретическая модель, основанная на модфицированном одномерном уравнении диффузии с ловушками и подвижной границей, описывающая распределение содержания водорода в квазистатически растущих металлических слоях с малым, по сравнению с количеством атомов металла, количеством дефектов, служащих ловушками для водорода. Разработанная модель [1–4] была успешно верифицирована на экспериментальных данных для осаждённых слоёв вольфрама [1], молибдена, алюминия [2] и, в ограниченном по сравнению с доступным в литературе, диапазоне параметров осаждения для бериллия [4]. В ходе проекта область применимости модели будет расширена на гидридообразующие металлы, такие как бериллий, применяемый в качестве облицовки первой стенки международного экспериментального токамака ИТЭР, и титан, являющегося эффективным накопителем водорода. Также, будет достигнута возможность предсказания содержания отдельных изотопов водорода в осаждённом из плазмы слое. Данная информация критически важна с точки зрения оценки скорости накопления трития в термоядерных установках, в которых рабочей газовой смесью будет D-T, а в остаточном газе будет присутствовать H, а также при определении необходимых вакуумных параметров осаждения плёночных накопителей тяжёлых изотопов водорода, например при транспортировке трития. Полученные теоретические расчёты будут верифицированы на основе экспериментальных данных, полученных при помощи разрабатываемой и исследуемой во второй части данной работы распылительной системы. При изучении накопления изотопов водорода в соосажденных из плазмы металлических пленках будет использована ионно-плазменная распылительная система (ИПРС) на базе тлеющего разряда с полым катодом (РПК) оригинальной конструкции. В отличие от магнетронных распылительных (МР) систем в РПК не используется магнитное поле, что позволяет распылять ферромагнитные материалы (например, железо и никель) [5-7]. Также отсутствие магнитного поля исключает возникновение магнитогидродинамических неустойчивостей поверхности жидких материалов мишени, их расплёскивание. Предлагаемая ИПРС обладает схожими с МР скоростями осаждения металлических пленок (до 1 мкм/ч для железа) за счет подачи дополнительного высоковольтного смещения на мишень, при котором происходит значительное увеличение плотности плазмы (более 3 раз), а эффект полого катода между электродами РПК сохраняется. Значительным отличием РПК от МР является большее рабочее давление (до 40 Па), однако при схожих скоростях осаждения повышенное давление приводит к изотропии потока распыленного материала, а плоская геометрия хорошо масштабируется. Список использованной литературы: 1. Krat S. et al. Tungsten-deuterium co-deposition: Experiment and analytical description // Vacuum. 2018. Vol. 149. P. 23–28. 2. Gasparyan Y. et al. Temperature dependence of hydrogen co-deposition with metals // Fusion Eng. Des., 2019. Vol. 146. P. 1043–1046. 3. Krat S.A. et al. Model for hydrogen accumulation in co-deposited layers // Nucl. Mater. Energy. 2020. Vol. 24. P. 100763. 4. Krat S.A. et al. … Nuclear materials and engineering, 2021, in print. 5. Delahoy A.E., Jansen K., Robinson C. et al. // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2012. V. 1323. P. 35. 6. Muhl S., Pérez A. // Thin Solid Films. 2015. V. 579. P. 174. 7. Kolobov V.I., Metel A.S. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2015. V. 48. № 23. P. 233001.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Крат С.А., Фефелова Е.А., Пришвицын А.С., Гаспарян Ю.М.,Сорокин И.А., Ефимов В.С., Писарев А.А. Effect of helium presence on tungsten-deuterium co-deposited films Nuclear Materials and Energy (год публикации - 2022)
10.1016/j.nme.2022.101336

2. Сорокин И.А., Колодко Д.В. Planar hollow cathode sputtering with asymmetrical voltage supply Vacuum, Vacuum 207 (2023) 111570 (год публикации - 2022)
10.1016/j.vacuum.2022.111570

3. Степан Крат, Александр Пришвицын, Елена Фефелова, Мария Попова, Иван Сорокин, Юрий Гаспарян, Александр Писарев Deuterium to protium isotope exchange in W-D co-deposited films below 200°C Journal of Nuclear Materials, Journal of Nuclear Materials 575 (2023) 154228 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jnucmat.2022.154228

4. С.А. Крат, А.С. Пришвицын, И.А. Сорокин, Е.А. Фефелова, Ю.М. Гаспарян, А.А. Писарев Сравнение удержания дейтерия в вольфрамовых пленках различной толщины Ядерная физика и инжиниринг, Physics of Atomic Nuclei, 2023, Vol. 86, No. 10, pp. 2186–2190 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778823100241

5. КРАТ С.А., ПРИШВИЦЫН А.С., ГАСПАРЯН Ю.М. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОПИСАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ГАЗОВ В ОСАЖДЁННЫХ ИЗ ПЛАЗМЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЯХ МАТЕРИАЛЫ XXVI КОНФЕРЕНЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ, Материалы XXVI конференции: Сборник научных трудов. Москва, 2023, стр. 32-33 (год публикации - 2023)

6. КРАТ С.А., ФЕФЕЛОВА Е.А., ЕФИМОВ В.С., ПРИШВИЦЫН А.С., СОРОКИН И.А., ГАСПАРЯН Ю.М. ВЛИЯНИЕ КОНТАКТА С АТМОСФЕРНЫМ ВОЗДУХОМ НА СОДЕРЖАНИЕ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ОСАЖДЁННЫХ ИЗ ПЛАЗМЫ ВОЛЬФРАМОВЫХ СЛОЯХ МАТЕРИАЛЫ XXVI КОНФЕРЕНЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ, Материалы XXVI конференции: Сборник научных трудов. Москва, 2023, стр. 45-46 (год публикации - 2023)

7. С.А. Крат, А.С. Попков, Я.А. Васина, Ю.М. Гаспарян, А.А. Писарев Lithium-deuterium co-deposition Journal of Nuclear Materials, Volume 584, October 2023, 154598 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jnucmat.2023.154598

8. С.А. Крат, А.С. Пришвицын, Ю.М. Гаспарян Theoretical estimation of multiple hydrogen isotope content in metal layers slowly co-deposited from plasmas Journal of Nuclear Materials, Volume 588, January 2024, 154793 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jnucmat.2023.154793

9. С.А. Крат, Е.А. Фефелова, В.С. Ефимов, А.С. Пришвицын, Ю.М. Гаспарян, М.М. Зарипова, М.Г. Исаенкова, А.А. Писарев Effect of exposure of W-D co-deposited films to air on deuterium content in the films Vacuum, Volume 219, Part B, January 2024, 112764 (год публикации - 2023)
10.1016/j.vacuum.2023.112764

10. Крат С.А., Пришвицын А.С., Гаспарян Ю.М., Писарев А.А. ИЗОТОПНЫЙ ЭФФЕКТ В НАКОПЛЕНИИ ВОДОРОДА В ОСАЖДЁННЫХ ИЗ ПЛАЗМЫ ВОЛЬФРАМОВЫХ СЛОЯХ Материалы XXVII конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Москва, 24-25 января 2024 г.: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, Материалы XXVII конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Москва, 24-25 января 2024 г.: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2024., стр. 30 (год публикации - 2024)

Публикации