ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 7, с. 647-654
ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЯМИ
УДК 533.924
ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ПОЛЫХ НАНОСФЕР И ЗЕРНОГРАНИЧНЫХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В МЕТАЛЛАХ КАК ПРИМЕРЫ ПЛАЗМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ © 2013 г. А. А. Сковорода, В. Ф. Андреев, Н. В. Касьянова, А. В. Спицын
НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия e-mail: skovorod@nfi.kiae.ru Поступила в редакцию 13.10.2011 г. Окончательный вариант получен 10.10.2012 г.
Приводятся материаловедческие исследования углеродных полых наносфер (нанокапсул), образованных в термоядерных установках типа токамак в результате взаимодействия плазмы со стенкой, и аналогичных метеоритным онионам. Показана возможность материаловедческого изучения зер-нограничных фазовых переходов в твердых материалах (металлах) с использованием плазмостиму-лированной газопроницаемости водорода. Для таких материаловедческих исследований предлагается использовать термин плазменное материаловедение.
DOI: 10.7868/S036729211307007X
1. ВВЕДЕНИЕ
На протяжении, по крайней мере, сорока лет плазменные технологии, основанные на взаимодействии плазмы со стенкой, широко используются как для создания новых материалов, так и для модификации их электрофизических свойств. Материаловедение как междисциплинарный раздел науки, делающий основной акцент на изучении свойств и структуры материалов, а не на технологии их получения, уже общего понятия плазменные технологии. Мы обратили внимание, что термин плазменное материаловедение при этом не использовался. Цель настоящего сообщения устранить этот терминологический пробел и показать на двух конкретных примерах реальность плазменного материаловедения (ПМ).
В первом примере проводится исследование структуры и свойств, образованных в термоядерных установках типа токамак углеродных полых наносфер (нанокапсул) с использованием техники абелизации и их сравнение с метеоритными онионами [1]. Второй пример посвящен обоснованию новой диагностики (прибора), предназначенной для изучения зернограничных фазовых переходов в твердых материалах (металл, керамика и др.), где используется стимулированная плазмой газопроницаемость.
2. СТРУКТУРА УГЛЕРОДНЫХ НАНОКАПСУЛ
В настоящее время, когда началось сооружение международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР и развитие концепции
энергетического реактора ДЭМО, стало понятно, что пыль и наноструктурные продукты эрозии материалов (различные пленки, капли металла) имеют значение для термоядерного реактора [2, 3]. Наноструктуры, образующиеся в результате эрозии обращенных к плазме элементов камеры токамака, играют отрицательную роль, так как они ответственны за захват и накопление трития в реакторе и могут служить катализатором взрыва в случае аварийного прорыва в разрядную камеру атмосферного воздуха. Современные токамаки в подавляющем большинстве используют углеродные композиты и графит в качестве материала первой стенки и лимитера. По этой причине преобладающее число исследований коснулось углеводородных пленок и пыли (см., например, [4] и цитированную там литературу). Исследование структуры пленок и пыли указало на наличие полых нанокапсул [5].
На рис. 1 приведены микрофотография, полученная в просвечивающем электронном микроскопе, и фотометрия вдоль линии, соединяющей центры первых двух (№ 1 и 2, слева—направо) на-носфер. В режиме микродифракции был обнаружен углерод. Большое количество таких нанокап-сул на одном снимке и их расположение под случайным ракурсом к электронному пучку микроскопа, показывает, что сферическая форма и наличие внутри полости не являются визуальным обманом (артефактами). Четко выраженная стенка с толщиной 3—9 нм при значительно большем диаметре наносферы 15—40 нм позволяет определить эту структуру, как полую нанокапсулу. Но тут же возникли естественные вопросы: Как образовалась сферическая углеродная полость в
Рис. 1. Микрофотография частиц пыли в просвечивающем электронном микроскопе (слева), линии — горизонтальный и ортогональные вертикальные сканы; фотометрия фотопленки I (оцифрованная в пределах 0—256 интенсивность) вдоль горизонтальной линии с шагом 0.4 нм/дел., соединяющей центры первых двух (слева—направо) нано-сфер (справа).
Рис. 2. Профили плотности в первой капсуле: слева — вдоль хорды между капсулами, справа — вдоль центральной ортогональной хорды.
токамаке? Какова структура сферически гладкой (без угловатостей) стенки капсулы? Что внутри капсулы — конденсированное состояние с большим содержанием водорода (например, полиэтилен) или газ?
2.1. Что внутри капсулы?
Рисунок 1 отражает двумерную картину интегрального ослабления пучка электронов просвечивающего микроскопа при прохождении через капсулы (интенсивность на фотографии выше там, где ослабление меньше). Считая нанокапсу-лу сферой, можно сформулировать и решить задачу абелизации — вычисление локальной плотности нанокапсулы из интегральных измерений
плотности (в одномерном приближении). Формулировку задачи абелизации см. в Приложении.
На рис. 2 и 3 показаны рассчитанные локальные распределения плотности в двух капсулах на рис. 1 (капсулы на рисунке нумеруются слева направо) в двух ортогональных к линии, соединяющей центры капсул, и проходящих через центры капсул сечениях. Полученное отношение плотности на границе и в центре составило: 4.4; 3.7; 3.8; 3.9. Среднее значение отношения составило величину 3.95 ± 0.15.
Для проверки правильности выбора базовых функций восстановления профиля плотности и определения отношения плотности граница/центр был проведен тестовый расчет с отнесением внешней границы расчетной области за
х, радиальная переменная х, радиальная переменная
Рис. 3. Профили плотности во второй капсуле: слева — вдоль хорды между капсулами, справа — вдоль центральной ортогональной хорды.
пределы границы капсулы. На рис. 4 показан результат такого расчета (детали см. в Приложении). Видно, что стенка капсулы хорошо восстанавливается, и отношение плотности в стенке и в центре капсулы совпадает с найденным выше.
Таким образом, величина 4 — достаточно надежная оценка отношения плотности граница/центр в капсуле. Поскольку идеальный графит имеет плотность 2.265 г/см3, полиэтилен 0.95 г/см3, то, предполагая стенку капсулы графитовой, получаем в центре плотность 0.57 г/см3, т.е. существенно ниже полиэтилена [6]. Следовательно, доля водорода внутри капсулы очень большая и, вероятнее всего, в капсулах находится газ, а не очень пористая углеродная субстанция.
Оценка количества адсорбированного водорода при образовании более крупных глобул и фрактальных пленок из полых элементарных наносфер незначительно превышает цифру
Рис. 4. Профиль плотности в первой "большой" капсуле. Граница расчета плотности материала выбрана за пределами капсулы.
Н/С ~ 0.1, характерную и для других углеродных структур и наблюдаемую в эксперименте. Но тот факт, что заполнение полости нанокапсул идет быстро высокоэнергичным атомарным водородом во время плазменного разряда с последующей ассоциацией в молекулы внутри капсулы, создает эффективную ловушку для некоторого количества водорода. Это вызвано достаточно большой энергией диссоциации молекул, которая необходима для выхода атомарного водорода через твердую стенку капсулы. Этот эффект косвенно подтверждает термодесорбционный спектр (ТДС) пленок из токамака Т-10, в которых обнаруживались нанокапсулы (см. рис. 5) [4].
Для сравнения на рис. 6 приведен характерный ТДС для синтезированной в магнетронном дейте-риевом газовом разряде углеводородной пленки. В пленках из токамака наблюдается острый пик, наличие которого характерно для выхода газа из
температура, К
Рис. 5. Термодесорбционный спектр Q цветной пленки из Т-10: 1 - D2, 2 - HD, 3 - CD4, 4 -CD3H.
Рис. 6. Термодесорбционный спектр черной синтезированной пленки: 1 — Б2, 2 — НБ, 3 — СБ4, 4 — СБзН.
ловушек. Наличие ловушек в нанокапсулах и их захоронение внутри пленок может объяснить наблюдаемый в экспериментах с тритием на больших токамаках эффект невозвратности (захоронения) части топлива в объеме реактора.
2.2. Почему и как образуются капсулы в токамаке?
Углерод — рекордсмен по числу обнаруженных атомарных, молекулярных и нано-структур. На молекулярном уровне размеров известна сферическая форма фуллеренов. Обнаруженная набольших наноразмерах гладкая (без углов) сфероидная форма капсул не очень характерна для углерода. Предпочтительна нитевидная, трубочная и слоистая плоская форма.
В токамаке из-за распыления нержавеющей камеры в пленках обнаруживается много никеля, железа и идеально круглых металлических нано-шариков [2]. Никель и железо широко используются в качестве зародышей (прекурсоров) в технологии образования различных углеродных структур. Известно, что железные наношарики используются для напыления на них слоев углерода и формирования углеродных сфер [7]. Такие покрытые углеродом металлические шарики обнаруживались и в токамаках [8].
Остается без ответа вопрос: Как удаляется металл из капсул в токамаке? Высказывается только версия, что интенсивное рентгеновское излучение токамака испаряет металлическое ядро капсул. Не исключено, что важную роль играет облучение энергичными частицами (электронами). Эта гипотеза требует экспериментальной проверки.
Рис. 7. Микрофотографии трех метеоритных нано-
сфер (onion) [1].
2.3. Как устроена стенка капсулы?
Несмотря на многочисленные исследования, структура углеродных пленок в токамаке досконально не известна. Причина заключается в их большом разнообразии (полимерно-подобные мягкие, алмазно-подобные твердые, глобулярные и пр.) и в содержании большого количества водорода и металлических примесей [2]. Известно, что у этих пленок велика степень аморфности и дефектности. Однако всегда на рентгеновских дифрактограммах обнаруживаются широкие пики базового графитового шестигранника, указывающие на присутствие графеновых фрагментов. Попытки обнаружения хорошо сформированных структур фуллерена, нанотрубок, колец предпринимаются постоянно, но без убедительного результата [2].
Мы воспользуемся аналогией углеродных на-носфер в токамаке с углеродными полыми нано-сферами, к
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.