Проводимость элементов вакуумной системы Диафрагма: Круглый трубопровод: Воздух:

С.В. Полосаткин ТПЭ Водород в металлах Полосаткин Сергей Викторович, тел пятница, –

Поглощение водорода металлами Адсорбция ХемосорбцияРастворение Образование гидридов

Вакуум Ta Cu ESES ESES ½ H 2 H EDED EDED Металл Адсорбция (H 2 )Хемосорбция (H) Энергетическая диаграмма водорода в металле

Вакуум Ta Cu ESES ESES ½ H 2 H EDED EDED Металл Энергетическая диаграмма водорода в металле Поток молекул водорода на поверхность металла

Вакуум Ta Cu ESES EСEС ½ H 2 H EDED EDED Металл Поглощение на поверхности металлов Коэффициент прилипания (sticking) Чистая поверхность E С =0, s=1 Загрязненная поверхность E С ~0,1 эВ Поглощенный поток (хемосорбция) H – поверхностная плотность водорода в хемосорбированном состоянии f1f1

Вакуум Ta Cu ESES EBEB ½ H 2 H EDED EDED Металл Уход с поверхности в толщу металла n m – концентрация атомов металла ~10 13 c -1 частота колебаний атома водорода EAEA Поток водорода в вакуум f3f3 f2f2 Поглощение на поверхности металлов EСEС

Вакуум Ta Cu ESES ½ H 2 H EDED EDED Металл Выход из толщи металла на поверхность n m – концентрация атомов металла ~10 13 c -1 частота колебаний атома водорода Диффузия внутрь металла Диффузия в толщу металла f5f5 f4f4 EAEA

Равновесная концентрация Вакуум Ta Cu ESES ½ H 2 H EDED EDED Металл f5f5 f4f4 f3f3 f2f2 f1f1 EBEB EAEA EСEС

Равновесная концентрация Вакуум Ta Cu ESES ½ H 2 H EDED EDED Металл f5f5 f4f4 f3f3 f2f2 f1f1 - Закон Сивертса EBEB EAEA EСEС

Энергия растворимости - Закон Сивертса E S >0 эндотермическое растворение (большинство металлов, Cu, Al, нерж.сталь) E S

Поглощение молекулярного и атомарного водорода Чистая поверхность – идентичное поведение для молекулярного и атомарного потока Загрязненная поверхность (1 монослой) – отличие раз, температурная зависимость Молекулярный водород Атомарный водород 0

Диффузия водорода в металле Характерное время диффузии через 100 мкм мембрану для разных материалов при T=400 К W6000 c Ti57000 c Ni2200 c Be9000 c V1.2 c Ta14 c Nb6.5 c Существуют вещества с очень большой скоростью диффузии

Диффузионные натекатели Избирательная проницаемость материалов для различных газов Водород – палладий, палладий-серебро Напуск чистого водорода

Сверхпроницаемость Если скорость диффузии в мембране велика, поток водорода будет определяться рекомбинацией на поверхности P1P1 P2P2 Управляя свойствами поверхности, можно добиться одностороннего пропускания водорода

Диффузия в присутствии радиационных дефектов Радиационные повреждения создают ловушки для атомов водорода с энергиями 1-3 эВ Диффузия при низкой концентрации (ловушки не заполнены) определяется энергией ловушек, при высокой – энергией диффузии

Образование гидридов При больших концентрациях водорода могут образовываться упорядоченные структуры (гидриды) -фаза – неупорядоченный твердый раствор водорода в металле -фазы – упорядоченные растворы

Диаграмма накопления водорода в металле Terminal solid solubility (TSS) – предельное содержание в виде твердого раствора Если концентрация превышает TSS, часть водорода образует гидрид (упорядоченную структуру)

Накопление водорода в титане – фаза – эндотермчески растворяет водород, предельная концентрация 0,002% вес При нагреве (800 градусов) переходит в – фазу Экзотермически растворяет водород, стабилизируется водородом Предельная концентрация 0,2% вес

Накопление водорода в титане Стадии насыщения титана: Нагрев до 800 градусов Охлаждение в атмосфере водорода

Накопление водорода в титане Равновесное давление разложения гидрида Формула Вант Хоффа

Селективный реверсируемый натекатель водорода Генератор водорода – пористый титан

Нераспыляемые геттеры Материалы с пористой структурой и высокой скоростью диффузии газов Пористый титан, TiV, ZrAl, Tактивации С

Импульсный напуск водорода e, 1МэВ e, 30 кэВ Быстрый нагрев фольги для получения локального облака водорода

Импульсный напуск водорода Титановый анод

Импульсный напуск водорода

Добавить – Накопители водорода для транспорта и проч Водородный тепловой насос Термодинамика водорода

С.В. Полосаткин ТПЭ Системы создания плазмы Полосаткин Сергей Викторович, тел пятница, –

Системы создания плазмы Современные плазменные установки требуют создания начальной (мишенной) плазмы Поверхностная ионизация – Q машина Ионизация излучением (фотоионизация) Ионизация газа током разряда (электронным ударом)

Q - машина Термическая ионизация Формула Саха: Цезий – 3,89 эВ T=2500 K Cs 0 Cs +

Ионизация излучением Однофотонная ионизация h > I ~ 13 эВ – вакуумный ультрафиолет ( ~100 нм) Многофотонная ионизация – пробой в поле излучения Требуется источник излучения с большой плотностью энергии (лазер)

Ионизация электронным ударом Сечение ионизации (формула Томсона)

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Таунсендовская теория пробоя Электрический разряд в газах Количество свободных носителей мало (электрическое поле не искажается пространственным зарядом) Образование вторичных электронов: - ионизация газа электронным ударом - эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами катод предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в электрическом поле он достигает энергии, превышающей потенциал ионизации: e E z > I. Таунсенд нашел явный вид z Если длина свободного пробега электрона –., то вероятность того, что он пройдет без столкновений расстояние z, равна W(z) = exp(-z/ ). На пути один сантиметр среднее число столкновений, очевидно, равно 1/, а число пробегов длиной, большей или равной z, будет определяться выражением P(z) = (1/ ) · exp(-z/ ). Б.А.Князев.Низкотемпературная плазма и газовый разряд Новосибтрск 2003

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах Длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа Тогда первый коэффициент Таунсенда Распределение по длине - уравнение непрерывности рекомбинацией пренебрегаем Плотность электронов экспоненциально возрастает при их движении к аноду- ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАВИНА

Условие зажигания разряда: - второй коэффициент Таунсенда - коэффициент вторичной эмиссии - первый коэффициент Таунсенда - количество актов ионизации на единицу длины пробега А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах В другом виде:

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах Кривая Пашена длина свободного пробега UfUf Напряжение пробоя

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах Напряжение на промежутке Разрядный ток в амперах Темный разрядТлеющий разряддуга VfVf Нормальный тлеющий разряд

Дуга Разогрев поверхности катода за счет ионной бомбардировки Термоэлектронная эмиссия Образование катодных пятен

Свойства дуги как разряда в газе Ud=α+β×l Малое приэлектродное падение потенциала α ( В) Высокая плотность тока ( А/см 2 ) Термическая ионизация газа в межэлектродном промежутке (Т = К) Термоэлектронная эмиссия на катоде ldld Ua Uk Ud КатодАнод

Плазменные пушки (АМБАЛ) Начальная плазма АМБАЛ см -3, 20 см, 1.5 Тл Кольцевая плазменная пушка плотность – см -3 Температура 2 – 20 эВ Радиальное электрическое поле приводит к турбулентному нагреву плазмы (неустойчивость Кельвина - Гельмгольца) Тe до 50 эВ

Плазменные пушки (ГДЛ) Начальная плазма АМБАЛ 4*10 13 см -3, 11 см, 0,22 Тл, пробки 15 Тл Плазменная пушка в неоднородном магнитном поле плотность – см -3 Температура 2 – 20 эВ

Система создания начальной плазмы (ГОЛ-3) ЗАДАЧИ Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой металлической вакуумной камере Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка

Конструкция источника плазмы Перенос приемника пучка в область расширителя с пониженным магнитным полем Использование электродов, расположенных вне области прохождения пучка ЗАДАЧИ Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой металлической вакуумной камере Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка

Схема питания источника плазмы -Электроды 2,3 используются для инициирования пробоя в широком диапазоне плотности -Приемник пучка во время инжекции находится под плавающим потенциалом -Принудительная компенсация тока пучка обратным током по плазме JoutJtestJ(z) 5 кА