ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 8, с. 50-54
УДК 533.9
ХОЛОДНАЯ ЭМИССИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ С ПОРИСТОГО ГРАФИТА © 2012 г. Д. Н. Синельников, Д. В. Иванов, В. А. Курнаев, Н. В. Мамедов
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия
Поступила в редакцию 27.01.2012 г.
Напряженность электрического поля в пристеночном слое термоядерных установок может быть достаточной для эмиссии отрицательных ионов с поверхности обращенных к плазме материалов. Исследованы масс-спектры отрицательных ионов с пористого графита МПГ-8 при напряженности электрического поля до 4 х 106 В/м, а также состав поверхности мишени методом спектроскопии ионного рассеяния. Измерена зависимость массового состава отрицательной ионной эмиссии и остаточного газа от температуры образца и установлена корреляция между интенсивностью эмиссии отрицательных ионов водорода и десорбцией воды. Температурная зависимость эмиссии отрицательных ионов и кластеров углерода и углеводородов качественно соответствует химической эрозии графита.
ВВЕДЕНИЕ
При оценке эрозии обращенных к плазме элементов термоядерных установок под действием ионов и нейтральных частиц перезарядки используются хорошо известные данные по распылению материалов под действием атомных частиц. Энергия падающих на поверхность ионов определяется пристеночной разностью потенциалов, которая образуется на границе плазма—стенка за счет ухода на нее более быстрых электронов. Эта разность потенциалов устанавливается на расстоянии порядка десяти радиусов Дебая при параметрах плазмы, характерных для пристеночных слоев термоядерных установок. Напряженность этого поля может составлять 104—107 В/м. Ранее было показано, что уже при напряженности поля 105—106 В/м плотность токов с пористых катодов может достигать величин вплоть до 1 А/м2 [1].
Если в составе эмиссионного тока наряду с электронами присутствуют отрицательные ионы, то такая эмиссия может стать дополнительным источником загрязнения плазмы. Эмитированные со стенок отрицательные ионы примесей, ускоряясь в тонком дебаевском слое между плазмой и стенкой и имея даже в сильном магнитном поле термоядерных установок большой ларморовский радиус, могут глубоко проникать в слой пристеночной плазмы, а затем, легко теряя в ней электрон и превращаясь в нейтральную частицу, могут с большей, чем десорбированные или распыленные со стенок нейтральные атомы, вероятностью попасть в область удержания основной плазмы.
Впервые наличие отрицательных ионов в эмитируемом между холодным катодом и анодом токе было определено при помощи сильного запирающего электроны магнитного поля, приложенного поперек вакуумного промежутка [2]. Однако на-
пряженность электрического поля в этих экспериментах была довольно высока ~(1—5) х 107 В/м, что с учетом усиления поля на микрорельефе поверхности достаточно для возникновения автоэмиссионных процессов (при этом измерялся лишь суммарный ионный ток).
Ранее нами был проведен эксперимент, который показал, что и при напряженности поля ~106 В/м, недостаточной для возникновения автоэмиссионных процессов, в состав эмитируемых токов также входят отрицательные ионы. Для этого был использован коллектор за отверстием в аноде и постоянный магнит, который задерживал электроны, тогда как ионы могли беспрепятственно попадать на коллектор. Эксперимент показал, что в эмитируемом потоке содержится несколько процентов отрицательных ионов.
Данная работа посвящена анализу массового состава токов отрицательной эмиссии из широко используемого в термоядерных установках графита [3] и состава его поверхности методом ионного рассеяния.
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования массового состава "низкополевой" эмиссии отрицательных ионов была использована установка "Большой масс-монохрома-тор МИФИ", которая для этих экспериментов использовалась в инверсном режиме (рис. 1). Большой радиус центральной траектории ионов на этой установке (50 см) позволяет при приемлемой разрешающей способности обеспечить максимальную чувствительность за счет использования большой (1 см2) площади эмиссии с исследуемой поверхности.
На расстоянии 2 мм от поверхности располагался плоский анод с отверстием, покрытым сет-
Рис. 1. Принципиальная схема эксперимента: 1 — образец графита МПГ-8 (катод), 2 — сетчатый анод, 3 — сепарирующий электромагнит, 4 — вторичный электронный умножитель ВЭУ-6М, 5 — выдвижная пластинка для токовых измерений, 6 — малогабаритная лампа накаливания, 7 — хромель-алюмелевая термопара.
кой с прозрачностью 80%. Графитовый образец 1 х 1 х 2 см нагревался встроенной малогабаритной лампой накаливания из кварцевого стекла 6. Температура поверхности оценивалась по показа-
ниям термопары 7, установленной в толще графита. Ток отрицательной эмиссии измерялся в цепи между образцом, на который подавался отрицательный потенциал 2—8 кВ, и анодом. Таким образом, в вакуумном промежутке создавались поля напряженностью до 4 х 106 В/м. Для юстировки пучка отрицательных ионов, прошедших через сетчатый анод, использовалась измерительная пластинка 5. Далее ионный пучок проходил через сепарирующий электромагнит 3 монохроматора и, попадая на установленный вблизи ионного источника вторичный электронный умножитель ВЭУ-6, регистрировался с помощью наноамперметра ЭК-1601. Управление электромагнитом и регистрация ионов осуществлялись с помощью разработанной для данной установки системы управления, позволяющей за 2—3 минуты снять спектр из 1000 точек. Эмиссия отрицательных ионов происходит с поверхности графита МПГ-8, полученной в результате разлома. Установка откачивалась с помощью турбомолекулярных насосов до давления 10-7 Торр. Спектр остаточного газа регистрировался с помощью автоматизированного для данных опытов монопольного масс-спектрометра МХ-7304.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 2 приведен зарегистрированный при отрицательном потенциале 6 кВ на образце масс-спектр ионов, основными элементами в котором являются водород, углерод и его соединения с водородом. Согласно справочным данным [4] (таблица), эти молекулы обладают наибольшей энергией сродства к электрону. Спектр отражает сложные
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Масса, ат. ед.
Рис. 2. Масс-спектр отрицательных ионов при Т = Тк
Табличные значения [2] энергии сродства к электрону зарегистрированных отрицательных ионов
Ион Н- С- СН- сн- О- ОН- с- С2Н- С 2Н 2
Масса, ат.е.м 1 12 13 14 16 17 24 25 26
Энергия сродства, эВ 0.75 1.26 1.24 1.07 1.46 1.83 3.39 3.73 3.82
физико-химические процессы на поверхности гра- ативной ионизации на поверхности образующихся фита [5], которые могут происходить при адсорб- соединений. Об этом свидетельствует наличие в ции молекул остаточного газа, а также при диссоци- спектре ионов С- и кластеров С-, которые, очевид-
60
50
3 40
¡30
в
и
нс20
е
т
н
я 10
10 15 20 25 30 35
Масса, ат. ед.
40 45 50 55 60
0
0
5
Масса, ат. ед.
Рис. 3. Спектры отрицательных ионов и состав остаточного газа при прогреве образца.
8 х 10
и о
Н 4 х 10-7
300 400 500 600 700 800 900 1000 Температура, К
Рис. 4. Термодесорбционный спектр образца графита МПГ-8.
но, могут десорбироваться с поверхности только в результате диссоциации углеродсодержащих молекулярных ионов.
Одной из причин образования отрицательных ионов в вакуумном промежутке может быть отрицательная поверхностная ионизация [6]. Однако расчеты по формуле для токов поверхностной ионизации показывают, что поля и температура катода в наших экспериментах недостаточны для возникновения регистрируемых токов.
Равновесная степень ионизации и скорость химических реакций сильно зависят от температуры поверхности. Одновременно при прогреве увеличивается термодесорбция и поток газа, поступающего на поверхность из глубины образца. Результаты одновременного измерения эмиссии отрицательных ионов и выделения из него газов [7] в зависимости от температуры образца приведены на рис. 3а, б соответственно. Около каждой кривой указана температура в начале и в конце снятия спектра. Если в спектре отрицательных ионов наблюдается четко выраженный максимум в интервале ~100—300°С с преимущественной эмиссией отрицательных ионов водорода (хотя энергия сродства для них в несколько раз меньше, чем для приведенных в таблице фрагментов молекул), то в спектре выделяющихся газов преобладают молекулы воды. При температуре более 500°С наблюдается также рост пиков Н2 и СО2. Последнее может соответствовать химической эрозии графита за счет наличия кислорода и воды. Следует отметить, что интенсивность эмиссии отрицательных ионов водорода коррелирует с интенсивностью тепловой десорбции молекул воды (рис. 4), измеренной на термодесобционном стенде [8]. Таким образом, можно предположить, что отрицательные ионы в нашем эксперименте образуются в результате разложения молекул воды. В пользу этого предположения свидетельствует также результаты специального эксперимента, в ходе которого была проведена выдержка предварительно прогретого до 550°С образца в течение двух суток в парах воды при давлении 10-1 Торр. После такой выдержки пик во-
700 600
(а)
к
О 500
л
т
о о
X «
о X
е т
X
И
400 -300 200 -100 -
-100 I—ь 50
150 250 350 450 Температура, °С
550 650
4
р р
° 3
н 3 о 2
1 -
50 150 250 350 450 550 650 Температура, °С
Рис. 5. Зависимость тока С2Н- (а) и давления в вакуумной камере (б) при прогреве образца.
дорода значительно вырос. Обращает на себя внимание также пик эмиссии отрицательных ионов углеводородов (С2Н- С 2Н -), что может свидетельствовать о химической эрозии графита.
Был проведен эксперимент, в котором измерялся ток ионов С2Н- (рис. 5а) и давление в камере (рис. 5б) при прогреве образца. Время изменения температуры в этом эксперименте составляло 500 с. Постоянная времени откачки камеры т ~ 0.05 с, поэтому из уравнения газового баланса:
Р = 0 - р _Т_
следует, что давление Р в камере при характерных временах его изменения At ~ 50 с пропорционально скорости газовыделения Q (Б — скорость откачки). Как видно, ток отрицательных ионов массы 25 ат.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.