ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, < 3, с. 7-10
УДК 538.971
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ВОЛЬФРАМА ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ С УЧЕТОМ ОСАЖДЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ УГЛЕРОДА
© 2008 г. Н. Н. Трифонов, Д. К. Когут, В. А. Курнаев
Московский инженерно-физический институт, Москва, Россия Поступила в редакцию 12.07.2007 г.
В работе проведено моделирование процесса очистки ионами Ar поверхности вольфрама, покрытой углеводородной пленкой, с учетом переосаждения примеси графита. Увеличение энергии ионов аргона с 200 до 1000 эВ приводит к существенному ускорению очистки. При увеличении притока примеси графита на поверхность скорость очистки замедляется.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных задач существующих и будущих термоядерных установок является ограничение количества трития, захватываемого в обращенных к плазме элементах. Вольфрам является одним из кандидатных материалов для внутренних стенок реактора благодаря низкому коэффициенту распыления изотопами водорода и малому их захвату. Однако, помимо распыления поверхности вольфрама, в процессе плазменного облучения возможно образование на ней углеводородных пленок вследствие осаждения углеводородов и потоков примесей углерода из плазмы из-за применения в наиболее энергонагруженных местах реактора (например, в реакторе ИТЭР) графитовых материалов. Важной задачей является удаление образовавшихся на поверхности элементов разрядной камеры углеводородных пленок, так как именно в них, согласно оценкам, может накапливаться недопустимо большое количество трития. В частности, анализ накопления дейтерия в токамаках подтверждает, что основной захват изотопов водорода происходит в углеводородных пленках на поверхности конструкционных материалов [1].
Одним из возможных вариантов удаления углеводородных пленок является их распыление технологическим плазменным разрядом в промежутках между рабочими разрядами. При этом возможно перепыление материала пленок с соседних областей, что должно приводить к увеличению времени очистки. Целью данной работы является компьютерное моделирование процесса очистки поверхности вольфрама от углеводородной пленки ионами аргона с учетом дополнительного потока на поверхность атомов углерода.
МОДЕЛЬ
Для описания взаимодействия ионов плазмы с поверхностью вольфрама - процессов физического распыления, отражения и внедрения частиц -был использован существующий компьютерный код SCATTER [2], основанный на модели парных соударений (TRIM [3] - подобный код). В модели парных соударений взаимодействие частицы с веществом рассматривается как последовательность случайных соударений с атомами мишени. Для описания взаимодействия бомбардирующей частицы в этой модели используется потенциал "криптон-графит" (Kr-C). Для описания динамического изменения состава поверхности в программу был добавлен известный алгоритм TRYDIN [4]. Данный алгоритм предполагает разбиение поверхности мишени на некоторое количество слоев с первоначально заданными концентрациями компонентов. Для каждого слоя ведется статистика покинувших и приобретенных частиц каждого вида. После обработки каскада соударений от налетающей частицы происходит релаксация - изменение толщины слоев в соответствии с новыми концентрациями компонентов. Количество слоев также динамически изменяется в процессе распыления мишени. Приход примеси на поверхность мишени моделируется добавлением компонентов примеси (в нашем случае углерода) к поверхностному слою во время релаксации.
Правильный выбор шага моделирования, т.е. соответствие задаваемого числа частиц нужной дозе облучения, является не совсем очевидной задачей. Если шаг достаточно большой, то в расчете появляются ошибки. Например, из слоя удаляется больше частиц, чем добавляется, что приводит к отрицательным концентрациям; если изменение концентрации компонентов и толщины слоев
Изменение массы, мкг/см2
50 г
C (2.4 кэВ) ^ W " -SCATTER
40 30
20 10 0 10 20 30
----TRIDYN
100 200 300 400 500 Флуенс, 1016 см-2
Рис. 1. Изменения массы вольфрамовой мишени от дозы облучения ионами С с энергией 2.4 кэВ, рассчитанные в TRIDYN [4] и SCATTER.
Y, отн. ед. 0.5
0.4 0.3 0.2 0.1
0
/h Ar+ 200 эВ
\
W C
Г °
/ °
/
5 10 15 20 25 30 35 40 Флуенс, 1016 см-2
Рис. 2. Облучение мишени ионами Лг+ с энергией 200 эВ (поток углерода на поверхность 10%).
слишком велико, то это приводит к нарушению точности вычислений. Наоборот, если шаг моделирования меньше оптимального, то расчет длится неоправданно долго. Кроме того, в квазистационарном режиме, когда профиль концентрации изменяется слабо, шаг может быть увеличен. Решением данных проблем явилась реализация алгоритма динамического изменения шага, что позволило найти компромисс между быстродействием программы и желаемой точностью.
Для реализации алгоритма с переменным шагом было предложено уменьшать размер шага (эквивалентный флуенс на одну моделируемую частицу) в два раза в случае, если во время работы алгоритма релаксации появляются отрицательные концентрации компонентов в слое и если изменение толщины любого слоя или абсолютное изменение концентрации любой компоненты в слое больше заданной величины (в приведенных расчетах она равна 0.1%).
Существует минимальный размер шага, ниже которого происходит потеря точности вычислений, а в некоторых неблагоприятных случаях зацикливание программы. Если шаг не меняется на протяжении заданного количества циклов, происходит увеличение шага.
На рис. 1 представлено сравнение результатов моделирования с помощью модифицированного кода SCATTER и оригинального кода TRIDYN [5] для случая облучения вольфрамовой мишени ионами углерода с энергией 2.4 кэВ. Видно, что результаты моделирования с помощью разработанного кода хорошо согласуются с расчетами, выполненными с помощью оригинального кода TRIDYN.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При моделировании очистки аргоном вольфрамовой мишени были сделаны следующие предположения: ионы аргона имели энергию 200, 500 и 1000 эВ, угловое распределение падающих частиц - косинусоидальное. Общий флуенс был выбран равным 1017 см-2, при этом поток примесей углерода варьировался и составлял 10, 30 и 50% от потока ионов аргона. Начальная толщина пленки С:Б на поверхности вольфрама составила 5 нм (концентрация С - 70%, Б - 30 %).
В результате моделирования были получены зависимости коэффициентов распыления компонентов мишени от флуенса ионов аргона. На рис. 2 представлена соответствующая зависимость для энергии ионов аргона 200 эВ при фиксированном потоке примесей углерода (10% от основного). Из графика видно, что процесс распыления поверхности состоит из нескольких стадий: сначала происходит распыление пленки С + Б на поверхности вольфрама, при этом коэффициент распыления углерода остается постоянным, а вольфрам не распыляется. Как только углеводородная пленка становится достаточно тонкой, для того, чтобы ионы аргона достигли вольфрамовой подложки, распыление углерода резко увеличивается и соответствует пику коэффициента распыления. Это связано с тем, что ионы аргона отражаются от тяжелых атомов вольфрама, и обратный поток отраженных частиц увеличивает скорость распыления поверхностного слоя углерода. После удаления пленки с поверхности процесс облучения переходит в квазистационарный режим распыления материала мишени и осаждающегося углерода. На рис. 3 и 4 представлены аналогичные зависимости для энергий налетающих ионов 500 и 1000 эВ. Видно, что с увеличением энергии бомбардирующих частиц процесс очистки проте-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА
9
Y, отн. ед. 1.6
Ar+ 500 эВ -■-W
-□-C
10 12 14 16 Флуенс, 1016 см-2
Рис. 3. Облучение мишени ионами Лг+ с энергией 500 эВ (поток углерода на поверхность 10%).
Y, отн. ед.
10 12 14 16 Флуенс, 1016 см-2
Рис. 4. Облучение мишени ионами Лг+ с энергией 1000 эВ (поток углерода на поверхность 10%).
Y, отн. ед. 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
□ АА
C - 10% -■-W -□-C C - 30% W C
C - 50%
W C
Я
I\ s\ /
I 4j o^^^a^o^^
10 15 20 Флуенс, 1016 см-2
Рис. 5. Облучение мишени ионами Лг+ с энергией 500 эВ для равных потоков углерода на поверхность.
кает быстрее, коэффициенты распыления компонентов мишени возрастают. Так, например, для ионов Ar с энергией 200 эВ для полной очистки поверхности от углеводородной пленки требуется доза облучения 3 х 1017 см-2, а для энергии 500 эВ соответствующий флуенс составил 1017 см-2. Уменьшение относительной величины пикового значения коэффициента распыления по мере увеличения энергии падающих ионов аргона вполне коррелирует с уменьшением энергии и коэффициентов отражения частиц от поверхности вольфрама с ростом энергии ионов аргона и, соответственно, с уменьшением относительного вклада отраженного потока в распыление.
На рис. 5 приведены кривые зависимости коэффициентов распыления W и С от флуенса ионов Ar с энергией 500 эВ для трех различных потоков осаждаемого углерода, составляющих 10, 30 и 50% от основного потока ионов аргона. Видно, что ход кривых одинаков, но с ростом потока примесей поверхность очищается медленнее. Увеличение коэффициента распыления углерода в стационарном режиме после удаления поверхностного слоя хорошо согласуется с увеличением первоначального потока углерода на поверхность. Однако рост дозы облучения по мере роста потока примеси происходит существенно нелинейно: трехкратному увеличению потока примеси соответствует лишь 20-процентное увеличение флуенса ионов аргона, необходимого для удаления пленки. Это обусловлено распылением пленки, присутствующей на поверхности в начале процесса облучения.
ВЫВОДЫ
Таким образом, для решения поставленной задачи в компьютерный код SCATTER был добавлен алгоритм TRIDYN, описывающий динамическое изменение состава поверхности вольфрамовой мишени. С целью улучшения быстродействия и контроля точности расчетов в программу был добавлен алгоритм динамического изменения шага. Моделирование очистки поверхности W от пленки C:D ионами Ar с энергией 200, 500 и 1000 эВ показало, что увеличение энергии ионов от 200 до 1000 эВ приводит к существенному ускорению очистки поверхности (необходим
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.