Исследование повреждаемости материалов с использованием установки типа плазменный фокус «Вихрь»

Представлены результаты облучения металлического (никелевый сплав Инконель 718) и полупроводникового (монокристалл кремния) материалов импульсными потоками ионов гелия и гелиевой плазмы с помощью установки типа плазменный фокус (ПФ) «Вихрь». Исследована повреждаемость материалов и оценена их радиационно-термическая стойкость при воздействии импульсных потоков ионов рабочего газа и высокотемпературной плазмы в широком интервале значений плотности мощности излучения (длительность импульса — 10^-8 - 10^-6 с). Показано, что для обоих исследуемых материалов при «мягком» режиме облучения (q = 10⁶ - 10⁷ Вт/см²), не приводящем к полному оплавлению поверхности, процесс распыления наблюдается преимущественно на тех участках, которые содержат механические дефекты. Вместе с тем зафиксированы локальные участки оплавления поверхностных слоев, что связано с неоднородным распределением плотности частиц по сечению радиационного потока, падающего на образец-мишень. На поверхности материалов обнаружена тонкая пленка: в монокристалле кремния — оксид SiO₂, в сплаве Инконель 718 — результат взаимодействия компонентов сплава с остаточными газами в камере ПФ и химическими элементами, ранее осажденными на его поверхность. Установлено, что облучение монокристалла кремния в более «жестком» режиме (q = 10⁸ - 10⁹ Вт/см²) и с большим числом импульсных воздействий приводит к плавлению и частичному испарению поверхностного слоя с образованием на нем после кристаллизации расплава волнообразного рельефа и микроструктурных дефектов типа наплывов, кратеров, пузырей и микротрещин. При этом затвердевший поверхностный слой становится очень хрупким, легко отделяется от неплавившейся кремниевой основы и распадается на мелкие (порошкообразные) частицы. После пучково-плазменной обработки в поверхностном слое присутствуют элементы, входящие в состав конструкционных и функциональных материалов, размещенных в камере ПФ. При каждом импульсном разряде они осаждаются на облучаемую поверхность монокристалла. Таким образом, применение установки ПФ «Вихрь» перспективно для моделирования экстремальных условий воздействия ионизирующих излучений на материал, реализуемых в термоядерных установках с магнитным и инерциальным удержанием плазмы, а также для создания более «мягких» режимов облучения, характерных для радиационных потоков космической среды.

1. Субботин М. Л., Курбатов Д. К., Филимонова Е. А. Обзор состояния исследований демонстрационных термоядерных реакторов в мире / ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2010. Вып. 3. С. 55 - 74.

2. Белоус А. И., Солодуха В. А., Шведов С. В. Космическая электроника. — М.: Техносфера, 2015. — 488 с.

3. Безродных И. П., Тютнев А. П., Семенов В. Т. Радиационные эффекты в космосе. Ч. 3. Влияние ионизирующего излучения на изделия электронной техники. — М.: АО «Корпорация ВНИИЭМ», 2017. — 64 с.

4. Garkusha I. E., Burdakov A. V, Ivanov I. A., Kruglyakov E. I!, et al. Plasma surface interaction during ITER transient events simulation with QSPA Kh-50 and Gold-3 Facilities / Problems of atomic science and technology. Ser. Plasma Physics. 2008. N 6. P 58 - 60.

5. Zhitlukhin A., Klimov N., Landman I., Linke J., Loarte A., Merola M., et al. Effects of ELMs on ITER divertor armour materials / J. Nucl. Mater. 2007. Vol. 363 - 365. P 301 - 308.

6. Bolt H., Barabash V, Krauss W., Linke J., Neu R., Suzu¬ki S., Yoshida N. Materials for the plasma-facing components of fusion reactors / J. Nucl. Mater. 2004. Vol. 329 - 333. P 66 - 73.

7. Bernard A., Bruzzone H., Choi P, Chuaqui H., Gribkov V, Herrera J., Hirano K., Krejci A., Lee S., et al. Scientific status of plasma focus research / J. Moscow Phys. Soc. 1998. N 8. P 93 - 170.

8. Gribkov V, Banaszak A., Bienkowska B., Dubrovsky A., Ivanova-Stanik I., Jakubowski L., et al. Plasma dynamics in the PF-1000 device under full-scale energy storage: II, Fast electron and ion characteristics versus neutron emission parameters and gun optimization perspectives / J. Phys. D. Appl. Phys. 2007. N 40. P. 3592 - 3607. doi: 10.1088/0022-3727/40/12/008.

9. Gribkov V. A. Physical processes taking place in dense plasma focus devices at the interaction of hot plasma and fast ion streams with materials under test / Plasma Phys. Control. Fusion. 2015. Vol. 57. N 6. doi: 10.1088/0741-3335/57/6/065010.

10. Pimenov V N., Maslyaev S. A., Ivanov L. I., Dyomina E. V, Gribkov V A., Dubrovsky A. V, Scholz M., et al. Surface and bulk processes in materials induced by pulsed ion and plasma beams at Dense Plasma Focus devices / Nukleonika. 2006. Vol. 51. N 1. P 71 - 78.

11. Иванов Л. И., Пименов В. Н., Грибков В. А. Взаимодействие мощных импульсных потоков энергии с материалами / ФХОМ. 2009. № 1. С. 23 - 37.

12. Krauz V, Mitrofanov K., Scholz M., Paduch M., Karpinski L., Zielinska E., Kubes P. Experimental study of the structure of the plasma-current sheath on the PF-1000 facility / Plasma Phys. Control. Fusion. 2012. Vol. 54. N 22. 025010.

13. Kubes P, Klir D., Paduch M., Pisarczyk T., Scholz M., et al. Characterization of the neutron production in the modified MA plasma focus / IEEE Trans. Plasma Sci. PS-40. 2012. P. 1075 -1081.

14. Cicuttin A., Crespo M., Gribkov V, Niemela J., Tuniz C., Zanolli C., et al. Experimental results on the irradiation of nuclear fusion relevant materials at the dense plasma focus “Bora” device / Nucl. Fusion. 2015. Vol. 55. 063037. doi: 10.1088/0029-5515/55/6/063037.

15. Боровицкая И. В., Грибков В. А., Григорович К. В., Демин А. С., Масляев С. А., Морозов Е. В., Пименов В. Н., Спрыгин Г. С., Цепелев А. Б., Гусаков М. С., Логачев И. А., Бондаренко Г. Г., Гайдар А. И. Воздействие импульсных потоков ионов гелия и гелиевой плазмы на сплав Инконель 718 / Металлы. 2018. Вып. 9. C. 826 - 834. doi: 10.1134/S0036029518090057.

16. Gribkov V, Paduch M., Zielinska E., Demin A., Demina E., Kazilin E., Latyshev S., Maslyaev S., Morozov E., Pimenov V. Comparative analysis of damageability produced by powerful pulsed ion/plasma streams and laser radiation on the plasma-facing W samples / Radiation Physics and Chemistry. 2018. Vol. 150. P. 20 - 29. doi: 10.1016/j.radphyschem.2018.03.020.

17. Бондаренко Г. Г. Радиационная физика, структура и прочность твердых тел. — М.: Лаборатория знаний, 2016. — 462 с.

18. Физические величины. Справочник / Под ред. Григорьева И. С., Мейлихова Е. 3. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.