Анотація до роботи:

Бізюков І.О. «Розпилення та модифікація поверхні плівок вольфраму при опроміненні пучками дейтерію та вуглецю», - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.20. - фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр ”Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, Харків, 2007.

Спільне застосування вольфраму й вуглецю як матеріалів першої стінки, що контактують із плазмою в термоядерному реакторі, спричиняє бомбардування вольфрамової поверхні одночасно іонами палива й вуглецю середніх енергій. У дисертаційній роботі досліджені процеси розпилення й елементної модифікації поверхні в результаті бомбардування вольфраму пучками іонів вуглецю, вуглецю й гелію, вуглецю й дейтерію. Як основний метод дослідження поверхні використовувався іонно-променевий аналіз, а також різні види мікроскопії поверхні. Для чисельного моделювання використовувався код TRIDYN. Досліджено вплив мікронерівностей на динаміку розпилення поверхні й імплантації вуглецю іонними пучками. Запропоновано наближення, яке дозволяє використати чисельну модель для опису елементної модифікації «шорсткуватої» поверхні. Теоретично й експериментально досліджений перехід від розпилення поверхні до зростання захисної вуглецевої плівки в міру того, як відбувається збільшення концентрації іонів вуглецю в потоці, що налітає. Показано, що процеси взаємодії пучків іонів з поверхнею визначаються в основному кінетичними процесами. Впливом хімічних процесів на процеси розпилення й імплантації у такій системі можна знехтувати.

У дисертаційній роботі були проведені теоретичні та експериментальні дослідження взаємодії пучків іонів вуглецю, вуглецю та гелію, вуглецю та дейтерію середніх енергій з поверхнею вольфраму. Це дозволило вирішити важливу наукову задачу, що полягає в ідентифікації процесів спільної взаємодії пучків іонів дейтерію та вуглецю середніх енергій з поверхнею вольфраму, які впливають на модифікацію елементного складу поверхні та її розпилення. Отримані в роботі наукові й практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. Уперше проведене роздільне спостереження динаміки імплантації вуглецю й розпилення атомів вольфраму з поверхні, що дозволило якісно поліпшити перевірку точності чисельного моделювання за допомогою імплантаційно-розпилювальних кривих.

2. Досліджено вплив мікронерівності на динаміку елементної модифікації поверхні вольфраму при опроміненні пучком вуглецю й одночасному опроміненні пучками вуглецю й дейтерію. Запропоноване наближення дозволило одержати якісні оцінки кількості імплантованого вуглецю й швидкості розпилення вольфраму. Отримані результати дають можливість врахувати у моделюванні вплив мікронерівностей поверхні уникаючи 2-х та 3-х мірних моделей поверхні, що має спростити моделювання.

3. Показано, що утворення хімічних сполук між вуглецем і вольфрамом не додає істотного внеску в динаміку модифікації елементного складу поверхні при взаємодії пучка іонів вуглецю з поверхнею вольфрамової плівки. Показано, що вплив цих процесів набагато менший, ніж вплив мікронерівності поверхні. Отримані результати дозволяють знехтувати зміною густини шарів змішаної поверхні при моделюванні взаємодії іонів вуглецю з поверхнею вольфраму.

4. Отримано кількісну відповідність теорії й експерименту для крапки переходу від рівноважного розпилення до зростання захисної вуглецевої плівки для випадку, коли розпилення й імплантація обумовлені кінетичними процесами. Цей результат був досягнутий завдяки експериментальним умовам, які були приведені у відповідність з умовами чисельного моделювання. Доведена застосовність моделі для розрахунку крапки переходу для випадку превалювання кінетичних процесів.

5. Показано, що при одночасній імплантації вуглецю й дейтерію кількість утриманого дейтерію в зоні імплантації набагато менше ніж кількість імплантованого вуглецю. Динаміка елементної модифікації поверхні вольфрамової плівки при одночасним опроміненні іонними пучками вуглецю й дейтерію може бути якісно описана моделлю, яка враховує тільки кінетичні процеси. Очевидно, кількість утриманого дейтерію є недостатньою для того, щоб зробити помітним вплив кінетично індукованого хімічного розпилення вуглецю. Таким чином, при бомбардуванні поверхні вольфраму іонами вуглецю та дейтерію, превалює фізичне розпилення.

Сукупність наведених у дисертації теоретичних та експериментальних даних дозволяє ідентифікувати процеси, які впливають на швидкість ерозії поверхні вольфраму при опромінені пучками газоподібних іонів та іонів вуглецю. Ідентифікація цих процесів дозволяє спрогнозувати час життя диверторного покриття в термоядерних реакторах.

Публікації автора:

1. Bizyukov I., Krieger K., Azarenkov N., Levchuk S., Linsmeier Ch. Formation of D inventories and structural modifications by deuterium bombardment of W thin films. // Journal of Nuclear Materials. – 2005. – V.337-339. – P.P. 965-969.

2. Azarenkov N., Bizyukov I., Kashaba A., Sereda K. Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge. // Problems of Atomic Science and Technology, №2, Series: Nuclear Physics Investigations. –2004. – V. 43. – P.P.114-116.

3. Bizyukov I., Krieger K., Azarenkov N. Capabilities of a new dual beam experiment for simultaneous irradiation of materials with two ion species. // Problems of Atomic Science and Technology, Series: Plasma Physics (11). – 2005. – V.2. – P.P.101-103.

4. Bizyukov I., Krieger K., Azarenkov N., von Toussaint U. Relevance of surface roughness to tungsten sputtering and carbon implantation. // Journal of Applied Physics – 2006. – V.100. – 113302, 7 стр.

5. Bizyukov I., Krieger K., Azarenkov N., Bizyukov A.. Erosion of tungsten layers by deuterium bombardment. // Book of Abstract, 16^th International Conference on Plasma Surface Interactions In Controlled Fusion Devices. – 2004. – P2-31.

6. Bizyukov I., Krieger K., Azarenkov N. The dual beam experiment for investigation of ion-surface interactions. // Book of Abstract, 10^th International Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. – 2004. Alushta (Crimea), Ukraine. – P.125.

7. Bizyukov I., Krieger K., Azarenkov N., Linsmeier Ch., Levchuk S. Tungsten sputtering and accumulation of implanted carbon and deuterium by simultaneous bombardment with D and C ions. // Book of Abstract, 17^th International Conference on Plasma Surface Interactions In Controlled Fusion Devices. – 2006. – P2-27.

8. Бизюков И.А., Кригер К., Азаренков Н.А. Динамика формирования поверхностных нанослоев при совместной бомбардировке вольфрама ионами гелия и углерода средних энергий. // Сборник тезисов, 7-я международная конференция «Вакуумные нанотехнологии и оборудование». – 2006. Харьков, Украина. – C.386.