Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 5, стр. 639-643

ВВЕДЕНИЕ

Исследования на современных термоядерных установках (ТЯУ) с магнитным удержанием демонстрируют высокое влияние взаимодействия плазмы с поверхностью как на ресурс первой стенки, так и на предельно достижимые параметры плазмы. Эрозия обращенных к плазме элементов (ОПЭ) ведет к увеличению потоков примесей тяжелых по сравнению с компонентами топлива элементов [1, 2]. Потоки эродированных элементов нежелательны, так как, во-первых, ведут к радиационному охлаждению плазмы, а во-вторых, способствуют захвату компонентов топлива в ОПЭ за счет процесса соосаждения с распыленными элементами стенки [3].

В качестве топлива в ТЯУ, в частности, на токамаках ITER и JET будет использована смесь дейтерия и трития. При этом предельно допустимое количество радиоактивного трития в разрядной камере токамака ITER ограничено одним килограммом нормами радиационной безопасности [4], в связи с чем разрабатываются методы in vacuo мониторинга накопления топлива в ОПЭ. На данный момент исследование процессов взаимодействия плазмы с поверхностью первой стенки ТЯУ проводятся преимущественно post mortem посредством таких методик как вторично-ионная масс-спектрометрия [5], метод ядерных реакций и спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния [6]. При этом для анализа зачастую применяются специально подготовленные образцы со слоями-маркерами [7]. Измерение количества захваченного водорода осуществляется, как правило, термодесорбционной спектроскопией [8].

Для in vacuo изучения процессов осаждения тонких пленок и накопления компонентов топлива в стенках ТЯУ возможно применение методик, основанных на облучении анализируемой области лазером с последующей оптической спектроскопией плазмы или масс-спектрометрией потока частиц, вылетающих с поверхности. Обзор основных лазерно-индуцированных методов в применении к in vacuo анализу ОПЭ термоядерных установок приведен в работе Филлипса [9]. Наибольший интерес вызывают лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) и лазерно-индуцированная квадрупольная масс-спектрометрия (ЛИ-КМС). Широкое применение в разнообразных отраслях [10] к элементному анализу делает ЛИЭС методику привлекательной с точки зрения надежности получаемых данных и распространенности оборудования на рынке, в то время как достоинства ЛИ-КМС заключаются в возможности получить высокую чувствительность к десорбции водорода, характерную для КМС. Значительное внимание уделяется исследованию возможности применения в этих методиках Nd:YAG лазеров с длительностью импульса порядка десятков наносекунд, так как они более распространены на рынке.

Таким образом, целью данной работы является сравнение возможностей ЛИЭС и ЛИ-КМС к диагностике накопления изотопов водорода при применении Nd:YAG лазера с длительностью импульса 16 наносекунд на примере дейтерий-содержащих титановых пленок.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Основная идея лазерно-индуцированных методов анализа поверхности заключается в воздействии сфокусированного луча лазера на интересующий образец с последующим изучением потоков частиц и излучений. В зависимости от плотности энергии и длительности лазерного импульса может быть реализовано несколько режимов: при малых значениях имеет место лишь нагрев поверхности без испарения, в этом случае возможен анализ десорбированных компонентов; при больших величинах мощности происходит абляция области воздействия, ведущая к образованию факельной плазмы. Такая плазма существует порядка 0.1–10 мкс при атмосферном давлении и 0.5–1 мкс в условиях вакуума. Она эмитирует возбужденные нейтральные и заряженные частицы в широком диапазоне энергий, набираемых за счет быстрого газодинамического расширения плазмы. Изучение потоков частиц из лазерно-индуцированной факельной плазмы позволяет осуществлять элементный анализ облучаемой поверхности. В задаче диагностики захваченных в ОПЭ ТЯУ изотопов водорода можно применить квадрупольную масс-спектрометрию, позволяющую определять количество газа, покинувшего область кратера. Ввиду того, что в данном случае производится регистрация термализованных частиц (после столкновений со стенками вакуумной камеры), можно ожидать высокую чувствительность к десорбции газа. Также, определение элементного состава мишени можно осуществлять через идентификацию линий излучения из плазмы на оптических спектрах (ЛИЭС). В ряде случаев возможен и количественный ЛИЭС анализ без применения калибровочных образцов [11].

Исследование возможностей применения данных методов к диагностике материалов ТЯУ производится на ионно-пучковой установке “Большой масс-монохроматор “МИФИ” (БММ) [12, 13]. Схема установки представлена на рис. 1. Основная камера, содержащая анализируемый образец, имеет объем 74 л. Предельное остаточное давление составляет 10^–4 Па и обеспечивается турбомолекулярным насосом со скоростью откачки 800 л · с^–1. Генерация лазерного излучения производится Nd:YAG лазером с длиной волны 1064 нм. Длительность лазерного импульса согласно измерениям коаксиальным фотоэлементом ФК-19 составляет 16 нс (ширина импульса на полувысоте), предельная энергия на анализируемый образец – 38 мДж согласно измерениям с помощью Ophir StarBright 7Z01580 с пироэлектрическим измерителем энергии PE50-C. Одной из отличительных особенностей реализованной оптической системы является применение линзы с фокусным расстоянием F = 75 мм, расположенной внутри вакуумной камеры на подвижной платформе. Относительно малое F позволяет достичь лучшей фокусировки пучка и как следствие большей плотности мощности (до 3.4 · 10⁹ Вт · cм^–2 при диаметре круглого кратера 300 мкм согласно измерениям на сканирующем электронном микроскопе). Также предусмотрено варьирование предельной энергии в диапазоне 1–38 мДж за счет поляризатора, расположенного на пути пучка.

Рис. 1.

Схема установки “Большой масс-монохроматор “МИФИ”: 1 – лазер, 2 –зеркало с 90% пропускания, 3 – фотоприемник ФК-19, 4 – поляризатор, 5 – призма для отклонения пучка, 6 – регулируемая круглая диафрагма, 7 – линза, 8 – образец на пьезоприводе, 9 – система сбора излучения, 10 – КМС.

Анализ оптического спектра излучений лазерно-индуцированного плазменного факела осуществляется с помощью спектрометра Avantes AvaSpec 2048 со схемой Черни–Тернера, работающего в диапазоне 200–1100 нм при разрешении порядка 1 нм, телесный угол регистрации составляет 5 · 10^–3 ср (≈70° от нормали к поверхности). Для реализации ЛИ-КМС методики к камере подключен дифференциально откачиваемый квадрупольный масс-спектрометр Extorr 100M с вторично-электронным умножителем в качестве детектора. Таким образом, на базе БММ возможен одновременный анализ образцов посредством ЛИЭС и ЛИ-КМС, что позволяет провести сравнение их применимости к проблеме in vacuo диагностики содержания водорода в металлах.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В качестве образцов для проведения сравнительного ЛИЭС и ЛИ-КМС анализа были выбраны дейтерий-содержащие титановые пленки на молибденовой подложке. Подготовка образцов осуществлялась в установке МР-2 [14], позволяющей наносить тонкие покрытия посредством магнетронного осаждения в газовой смеси аргона и дейтерия (аргон используется как добавка для лучшего распыления катода, материал которого переосаждается на подложку). При этом толщина осажденной пленки контролируется посредством кварцевого измерителя толщины, а концентрация захваченного в результате соосаждения дейтерия в пленке может быть определена in vacuo посредством термодесорбционной спектроскопии [14]. Согласно измерениям, атомарная доля дейтерия в титановых пленках составляет около 200% при толщине пленки более 5 мкм.

Подготовленные образцы закреплялись в основной камере БММ на пьезоэлектрическом приводе, позволяющем осуществлять смещение образца с шагом 1 мкм в плоскости, перпендикулярной оси пучка лазера. Это избавляло от необходимости повторной юстировки оптических систем при смене области облучения, необходимой как для картирования поверхности, так и для измерений зависимости сигналов на диагностиках от мощности излучения.

Типичные оптические спектры на атмосфере и в вакууме при ЛИЭС анализе Ti–D пленок и плотности энергии на образец 18 Дж · см^–2 представлены на рис. 2. Можно отметить, что интегральная интенсивность спектра в вакууме ниже, что ожидаемо: классический ЛИЭС анализ реализуется в атмосфере, что дает наилучшее соотношение сигнал-шум, в то время как в вакууме разлет плазмы происходит быстрее, что приводит к ускоренному снижению плотности. В релевантных ТЯУ вакуумных условиях наблюдаются, в основном, линии ионизованного титана и возбужденного водорода, при этом соотношение сигнал/шум для водорода порядка 2, что сравнимо со значениями, полученными с помощью ЛИЭС для дейтерия в титановых образцах в работе [15]. Высокое значение шума в оптических спектрах лазерно-индуцированной плазмы обусловлено наличием непрерывного фона от тормозного излучения ускоренных электронов, а также излучения при рекомбинации свободных электронов с ионами [16].

Рис. 2.

ЛИЭС спектры при абляции Ti–D пленки лазерным импульсом с плотностью энергии 18 Дж · см^–2 на атмосфере и в вакууме.

Типичный вид сигнала КМС при открытой откачке основной камеры представлен на рис. 3а для серии выстрелов по образцу титана с различной энергией лазера. В ходе выстрела происходит резкий скачок парциального давления дейтерия. Скорость спада сигнала определяется скоростью откачки. Полное вышедшее количество дейтерия может быть определено из амплитуды пика. При этом анализировать необходимо не только сигнал 4 а.е.м. (D₂), но и другие массы, соответствующие дейтерий-содержащим молекулам. В нашем случае значительная часть вышедшего дейтерия регистрировалась на сигнале 3 а.е.м. (HD) (рис. 3б). Частично большой сигнал молекул HD может быть связан с тем, что при высокой энергии поток атомов и ионов дейтерия из лазерно-индуцированной плазмы выше, чем молекулярный, однако перед детектированием в КМС частицы испытывают многократные столкновения со стенками, в результате чего может образовываться молекула HD. При снижении плотности энергии отношение сигналов третьей и четвертой масс имеет тенденцию к снижению.

Рис. 3.

Сигнал HD, D₂ на квадрупольном масс-спектрометре при воздействии лазерных импульсов на Ti–D пленку для разных плотностей энергии (а). Форма сигнала при плотности энергии лазерного импульса на мишень 18 Дж · см^–2 (б).

Наконец, был проведен одновременный анализ образцов титана с помощью ЛИЭС и ЛИ-КМС при разной плотности энергии на образец. Сравнение сигналов представлено на рис. 4. В целом, сигналы ЛИЭС и КМС монотонно растут с увеличением плотности энергии лазерного излучения, их соотношение в диапазоне 10–18 Дж · см^–2 практически одинаковое. При этом соотношение сигнал/шум для КМС оказывается значительно выше (порядка 10³) во всем диапазоне плотностей энергии, что говорит о значительно большей чувствительности к содержанию водорода в образце при данных условиях.

Рис. 4.

Зависимость сигнала ЛИЭС и КМС от плотности энергии лазерного импульса на образец Ti–D.

При максимальных исследованных значениях плотности энергии наблюдается тенденция к замедлению роста сигнала ЛИЭС. Это можно объяснить следующим образом: при достижении определенной плотности мощности горячее ядро плазмы экранирует лазерное излучение (энергия лазера практически полностью идет на нагрев плазмы), увеличивая интенсивность фона и снижая поступление вещества из образца. Для КМС сигнала замедление роста сигнала менее выражено.

С уменьшением плотности энергии сигнал ЛИЭС спадает значительно быстрее, что вполне ожидаемо при приближении к порогу абляции титана. При значениях плотности энергии ниже 5 Дж · см^–2 сигнал ЛИЭС был не различим на уровне фона, в то время как на КМС хороший сигнал наблюдается и при плотности энергии 1 Дж · см^–2. Наличие сигнала при малых значениях энергии импульса позволяет осуществлять неразрушающий анализ поверхности с использованием наносекундного лазера, что может быть актуально для применения в ТЯУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено сравнение лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии и квадрупольной масс-спектрометрии для изучения захвата дейтерия в титановые пленки при использовании наносекундного лазерного излучения. Обе методики оказались чувствительными к наличию дейтерия в образце, при этом измерения с помощью ЛИЭС оказались возможными при плотности энергии лазера более 5 Дж · см^–2, в то время как ЛИ-КМС позволяет регистрировать сигнал HD и D₂ при плотностях энергии менее 1 Дж · см^–2. Таким образом, реализация ЛИ-КМС возможна в более широком диапазоне энергии лазерного излучения, в том числе ниже порога плавления поверхности. Также показано, что ЛИ-КМС позволяет получить значительно большее значение отношения сигнал/шум, что делает ее более чувствительной к определению десорбции водорода при данных параметрах. При этом важно отметить, что в отличии от ЛИ-КМС, регистрирующей только летучие компоненты, ЛИЭС диагностика способна проводить элементный анализ в широком диапазоне химических элементов. Так, на полученных спектрах видны линии водорода, титана, а также линии кислорода.

Можно отметить, что в применении к задаче in vacuo диагностики модификации поверхности в ТЯУ при данных режимах лазера целесообразно одновременное применение описанных диагностик, подобно тому, как это реализовано в БММ, так как это позволит получить более подробную информацию за один лазерный выстрел: определение концентрации захваченного газа с помощью ЛИ-КМС, а также анализ элементного состава поверхности ОПЭ посредством ЛИЭС.

Дальнейшее развитие исследований предполагает повышение чувствительности обеих методик к десорбции водорода из релевантных ТЯУ материалов и сравнительный анализ результатов количественных измерений.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (договор № 0723-2020-0043).