Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 6, стр. 25-32

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных компонентов любой системы оптической диагностики, используемой в термоядерных установках, является зеркало, принимающее излучение непосредственно из термоядерной плазмы, так называемое “входное” или “первое” зеркало. Основными проблемами при его эксплуатации являются деградация оптических свойств при распылении отражающей поверхности поступающими из термоядерной плазмы атомами перезарядки и загрязнение продуктами эрозии конструкционных материалов установки в различных режимах ее работы.

Считается, что наиболее опасным фактором является загрязнение отражающей поверхности [1], поэтому в состав всех систем оптической диагностики, разрабатываемых в настоящее время для международного термоядерного реактора ИТЭР, входит встроенная подсистема плазменной очистки входного зеркала. Для проведения очистки зеркал предусмотрен специальный режим работы установки с увеличенным давлением газа в рабочей камере. В качестве метода удаления загрязнений предполагается использовать ионное распыление поверхности в газовом разряде с осциллирующими электронами на постоянном токе [2] или в емкостном высокочастотном газовом разряде [3, 4].

Первая стенка токамака ИТЭР будет изготовлена из бериллия, поэтому именно этот материал станет основным загрязнением для входного зеркала. Скорость удаления загрязнений зависит от типа рабочего газа, используемого при очистке. Так, коэффициент распыления бериллия атомами и ионами дейтерия с энергией 200–500 эВ меняется незначительно и примерно равен Y_D–Be ≈ ≈ 4 × 10^–2 атом/ион, а при распылении ионами аргона Y_Ar–Be возрастает с 5 × 10^–2 до 5 × 10^–1 атом/ион с ростом энергии распыляющих частиц в пределах указанного диапазона [5]. По этой причине Ar рассматривается в качестве одного из кандидатов [6] на роль рабочего газа для проведения очистки зеркал: его использование позволит существенно сократить длительности процесса очистки зеркал по сравнению с He и Ne.

В настоящей работе представлены результаты исследования распыления молибденовых монокристаллических (Single Crystal – SC-Mo) и поликристаллических (Poly Crystal – PC-Mo) зеркал ионами Ar⁺ после предварительного облучения ионами He⁺. Такие зеркала предполагается использовать в качестве первого зеркала в нескольких системах оптической диагностики плазмы ИТЭР [7, 8]. Указанный сценарий моделирует условия воздействия на поверхность зеркала потока атомов перезарядки (D, T и Не), поступающих из термоядерной плазмы во время рабочих импульсов, и последующее распыление ионами Ar⁺ при использовании этого газа в плазменных системах очистки для удаления загрязнений.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальные исследования проводились на образцах поликристаллических и монокристаллических молибденовых зеркал, полученных из одной партии поставки (НИИ НПО “Луч”, г. Подольск). Диаметр исследованных образцов зеркал составлял 25 мм, толщина – 3 мм. Оба типа зеркал полировались по одной технологии механической полировки. Отметим, что производитель не раскрывает подробности технологии полировки, а контроль качества зеркал проводится посредством измерения спектров зеркального отражения и диффузного рассеяния зеркал, а также интерферометрии поверхности. В исходном состоянии (непосредственно после поставки) для всех исследованных образцов зеркал в видимом диапазоне спектра зеркальное отражение составляло 56–60%, а диффузное рассеяние было <0.2%.

Облучение образцов ионами He⁺ и Ar⁺ проводилось в разряде с цилиндрическим сеточным полым катодом диаметром 65 мм и длиной 130 мм, изготовленным из плетеной нержавеющей сетки с ячейкой 1.5 × 1.5 мм и диаметром проволоки 0.5 мм. Образцы зеркал закреплялись внутри полого катода на его “донышке”. При этом моделировался режим плазменной очистки входных зеркал систем оптической диагностики “Спектроскопия водородных линий” и “Активная спектроскопия”, разрабатываемых в России для ИТЭР [9]. В качестве анода использовался планарный магнетрон в режиме инверсного включения [10]. Плотность тока распыляющих ионов на поверхности подложкодержателя в процессе распыления измерялась плоским изолированным коллектором, выполненным в виде диска диаметром 12 мм. Схема эксперимента представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема эксперимента по облучению зеркал ионами He⁺ и Ar⁺: 1 – плоский коллектор, 2 – подложкодержатель, 3 – Mo-зеркало, 4 – цилиндрический сеточный полый катод, 5 – область локализации плазмы, 6 – анод магнетрона, 7 – корпус магнетрона.

Все эксперименты проводились при одинаковых условиях и отличались только временем облучения (флуенсом ионов). Использовались следующие режимы:

1) Облучение ионами He: давление He в вакуумной камере P_He = 4 × 10^–2 Торр, ток разряда I_He ≈ 250 мА, напряжение разряда U_He ≈ 250 В, плотность ионного тока на подложке J_He ≈ ≈ 0.8 мА/см²;

2) Облучение ионами Ar: давление Ar в вакуумной камере P_Ar = 2.5 × 10^–2 Торр, ток разряда I_Ar ≈ ≈ 200 мА, напряжение разряда U_Ar ≈ 280 В, плотность ионного тока на подложке J_Ar ≈ 1 мА/см².

Морфология поверхности исследовалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с использованием электронных микроскопов JEOL 35CF, Zeiss EVO MA10 и Zeiss Supra 40 VP.

Контроль толщины распыленного слоя проводился по результатам взвешивания образцов до и после распыления на аналитических весах CAS CAUW 220D, погрешность определения массы не превышала 0.01 мг, что позволяло контролировать толщину распыленного слоя с точностью ≈10 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

После первичного облучения SC-Mo и PC-Mo-зеркал ионами гелия (≈2 × 10¹⁹ ионов/см²) каких-либо изменений морфологии поверхности выявлено не было. При последующем облучении образцов ионами аргона с флуенсом ≈1 × × 10¹⁹ ионов/см² происходит резкое ухудшение оптического качества как PC-Mo, так и SC-Mo-зеркал. Визуально поверхность зеркал мутнеет. При электронно-микроскопическом исследовании обнаружено появление множественных ямок и длинных линейных борозд в виде царапин. На рис. 2 представлены результаты сравнительного исследования морфологии поверхности PC-Mo и SC-Mo-зеркал до и после последовательного облучения ионами He⁺ и Ar⁺.

Рис. 2.

Отражающая поверхность Mo-зеркала: а – исходное состояние; б – монокристаллическое зеркало после облучения ионами He⁺ и Ar⁺; в – поликристаллическое зеркало после облучения ионами He⁺ и Ar⁺.

Новообразования, обнаруженные после облучения зеркал, показаны на рис. 3.

Рис. 3.

Дефекты поверхности, образовавшиеся после последовательного облучения полированных Mo-зеркал ионами He и Ar: 1 – лунки, 2 – линейные борозды, 3 – блистеры.

Можно выделить следующие новообразования: круглые лунки 1, линейные борозды 2 и не вскрывшиеся блистеры 3 округлой формы, по размеру соответствующие лункам. Их характерные поперечные размеры лежат в диапазоне 0.5–1 мкм. В зоне пластической деформации поверхности металла (центральная часть рис. 3) наблюдается множественное образование круглых лунок с примерно одинаковым диаметром, что говорит о наличии в этой области высоких остаточных напряжений [11].

Исследование морфологии поверхности при бо́льших увеличениях показало (рис. 4), что как линейные борозды, так и округлые ямки с поперечным размером ≈1 мкм имеют плоское дно и практически вертикальные стенки. При этом линейные борозды формируются посредством объединения цепочки из округлых ямок, образовавшихся над замурованными на границе дефектного слоя царапинами.

Рис. 4.

PC-Mo-зеркало. Режим облучения: He (2.4 × × 10¹⁹ ионов/см²) + Ar (2.5 × 10¹⁹ ионов/см²).

При исследовании разных PC-Mo-зеркал из одной партии поставки установлено, что питтинг проявляется по-разному, несмотря на одинаковые режимы облучения (флуенс He⁺ 2.4 × × 10¹⁹ ионов/см², флуенс Ar⁺ 1.2 × 10¹⁹ ионов/см²). Соответствующие изображения приведены на рис. 5.

Рис. 5.

Различия в проявлении питтинга на двух образцах PC-Mo-зеркал из одной партии поставки.

На рис. 5a вся поверхность покрыта лунками и полностью сформировавшимися линейными бороздами, в то время как на рис. 5б наблюдается гораздо меньше лунок, а крышки над линейными углублениями не полностью удалены. При этом характерные размеры дефектов в обоих случаях примерно одинаковы. Такое расхождение можно объяснить различиями в толщине и микроструктуре дефектного слоя, которые зависят от длительности этапов полировки, размера абразивных частиц и размера зерен поликристаллической подложки и их кристаллографической ориентации. По заявлению изготовителя, при полировке зеркал длительность каждого этапа полировки определяется заданным оптическим качеством и (в зависимости от исходного состояния подложки) для разных экземпляров может значительно отличаться.

Для оценки толщины дефектного слоя на исходном образце поликристаллического зеркала был проведен эксперимент по его распылению только ионами Ar с промежуточным контролем морфологии поверхности посредством растровой электронной микроскопии. Вплоть до полного удаления дефектного слоя (контролировалось по факту проявления границ зерен) питтинг не наблюдался. При этом толщина распыленного слоя составила ≈200 нм. Предварительное удаление слоя такой же толщины с поверхности SC-Mo-зеркал посредством распыления ионами Ar позволило полностью подавить эффект питтинга при последовательном облучении ионами He и Ar.

На следующем этапе было проведено исследование зависимости изменения морфологии поверхности PC-Mo-зеркал от флуенса ионов He при последовательном облучении образцов ионами He и Ar. Флюенс ионов Ar при этом составлял 1.2 × 10¹⁹ ионов/см². Результаты представлены на рис. 6.

Рис. 6.

Зависимость морфологии поверхности PC-Mo-зеркала от флуенса ионов He, ионов/см²: а – 0, б – 0.6 × 10¹⁹, в – 1.2 × 10¹⁹, г – 4.8 × 10¹⁹. После облучения ионами He все образцы облучались ионами Ar с флуенсом 1.2 × 10¹⁹ ионов/см².

При распылении поверхности только ионами Ar (рис. 6a) питтинг не наблюдается. По мере увеличения флуенса ионов He (рис. 6б и 6в) концентрация лунок увеличивается. При флуенсе ионов He ≈ 4.8 × 10¹⁹ ионов/см² (рис. 6г) начинает проявляться поликристаллическая структура материала зеркала, что свидетельствует о почти полном распылении дефектного слоя, а питтинг наблюдался только на отдельных участках образца, где еще сохранился дефектный слой.

Результаты исследования одного и того же участка с использованием детектора вторичных электронов Эверхарта–Торнли (SE2) и внутрилинзового детектора вторичных электронов (In Lens) при использовании электронного микроскопа Zeiss Supra 40 VP показаны на рис. 7.

Рис. 7.

Изображения одного и того же участка, полученные с использованием детектора вторичных электронов Эверхарта–Торнли (а) и внутри линзового детектора вторичных электронов (б).

Детектор SE2 позволяет изучать (главным образом) топографические особенности поверхности, а детектор In Lens – визуализировать участки с измененным химическим составом [12]. На рис. 7б вокруг образовавшихся лунок наблюдаются области неправильной формы с измененной вторичной электронной эмиссией. Предположительно, это зоны, где произошло частичное переосаждение материала при разрушении крышки полости, заполненной He. Сравнение этих изображений также выявило наличие скрытых полостей, по размеру соответствующих наблюдаемым ямкам. На рис. 7б они наблюдаются в виде темных одиночных пятен без следов выбросов вокруг них. В отличие от блистеров, выпучивания крышки над ними не наблюдается (рис. 4). Отсутствие затемненных зон вокруг линейного дефекта свидетельствует о том, что процесс его формирования не завершен, то есть его “крышка” еще не потеряла герметичность. Таким образом, на этих изображениях зарегистрированы различные стадии проявления эффекта питтинга.

Распределение ямок, скрытых полостей и переосажденного при формировании питтингов материала показаны на рис. 8.

Рис. 8.

Распределение ямок, скрытых полостей и зон переосаждения при формировании питтингов, где: 1 – ямки, 2 – скрытые приповерхностные полости, заполненные He, 3 – зоны переосаждения.

Звездообразная форма зон с измененными электронно-эмиссионными свойствами (более светлые пятна на рис. 9) вокруг сформированных ямок может свидетельствовать о взрывном характере процесса формирования питтинга: направление лучей соответствует трещинам, через которые происходил выброс газа при разрушении крышки блистера. О термическом механизме разрушения свидетельствует наличие застывших капель на дне борозд и ямок, а также оплавленных остатков крышек на их краях (рис. 9).

Рис. 9.

Поверхность Mo-зеркала после проявления питтинга: 1 – застывшие капли, 2 – оплавленные остатки крышек.

В отличие от рис. 4 на рис. 9 видно, что имеются ямки, чья глубина меньше толщины дефектного слоя, а поперечный размер ≲100 нм. Их отличительной особенностью является округлое дно.

Более детальное исследование начального этапа формирования питтингов выявило, что начальной стадией их образования является блистеринг. При этом поперечная форма блистеров соответствует конечной форме питтингов. Соответствующее этому этапу изображение поверхности приведено на рис. 10.

Рис. 10.

Поверхность Mo-зеркала на этапе формирования блистеров. Режим облучения: He (1 × × 10¹⁹ ионов/см²) + Ar (1.5 × 10¹⁹ ионов/см²).

Как показали проведенные ранее эксперименты [13], при осаждении Mo-столбчатых нанокристаллитных покрытий на полированную Mo-монокристаллическую подложку скалывание покрытия вместе с дефектным слоем происходит на границе дефектный слой–подложка (аналогично технологии “Smart Cut” [14]). Эффект формирования крупных блистеров (диаметром ≈10 мкм) наблюдался ранее на молибденовых зеркалах со столбчатым нанокристаллитным покрытием толщиной ≈1 мкм при интенсивном облучении ионами He и относительно высоком давлении нейтрального газа над облучаемой поверхностью [15]. В этом случае отслоение крышек блистеров также происходило на границе дефектного слоя и основного материала подложки, что свидетельствует об общности процессов при формировании питтингов и блистеров в рассматриваемых условиях.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основной вклад в инициирование и интенсификацию структурно-фазовых процессов в облученных металлических материалах вносят два процесса: радиационно-усиленная диффузия и радиационно-индуцированная сегрегация. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие заключения об особенностях проявления эффекта питтинга на Mo-зеркалах при последовательном облучении поверхности низкоэнергетическими ионами He и Ar:

1. Эффект проявляется только при наличии на поверхности образца дефектного слоя, сформированного в ходе механической полировки. Для исследованных образцов поликристаллических и монокристаллических Mo-зеркал, полировка которых проводилась по одинаковой технологии в НИИ НПО “Луч”, толщина этого слоя находится в диапазоне 100–200 нм.

2. При одинаковом качестве (т.е. одинаковых оптических характеристиках) и технологии полировки на разных образцах зеркал (даже из одной партии поставки) проявление питтинга может сильно отличаться. Это связано с тем, что при полировке производится контроль только оптического качества зеркал и морфологии отражающей поверхности. При этом длительность обработки на разных этапах шлифовки и полировки для разных экземпляров зеркал может существенно варьироваться, что приводит к различиям в структуре и толщине поверхностного дефектного слоя.

3. Ионная бомбардировка должна производиться при достаточно высоком давлении газа вблизи облучаемой поверхности (~10^–2 Торр). За счет удаления адсорбированного на обрабатываемой поверхности газа происходит повышение скорости поступления нейтрального Не в материал нарушенного слоя (эффект ионной стимуляции). За счет диффузии по границам зерен, размер которых на несколько порядков меньше, чем в материале подложки, скорость диффузии газа внутри дефектного слоя значительно повышена по сравнению с крупнокристаллическим и монокристаллическим материалом.

4. Первичные микрополости образуются за счет диффузионного накопления He на дислокациях, образовавшихся в зоне сдвиговой пластической деформации поверхности материала при механическом воздействии зерна абразива в ходе полировки [16];

5. Характерный размер питтингов (диаметр круглых лунок, ширина борозд) пропорционален размеру абразивных частиц, использованных на разных этапах полировки [17]. На начальном этапе применяются наиболее крупнозернистые абразивы, финишная полировка производится порошками с размером частиц ≲1 мкм. Замена шлифовальной суспензии производится при уменьшении неровностей поверхности до требуемого на данном этапе значения, при этом толщина измененного слоя меньше, чем на предыдущем этапе полировки. Таким образом, формируется многослойная структура дефектного слоя, где наиболее крупные дефекты в виде царапин замуровываются в толщу нарушенного слоя. При питтинге происходит проявление скрытых структурных дефектов этого слоя.

6. Основное накопление газа происходит на дефектах, расположенных на границе дефектного слоя и малодеформированного материала подложки, за счет резкого скачка скорости диффузии и максимальной концентрации дефектов в этой зоне [16], что обеспечивает наименьшую когезионную прочность материала. В этих условиях формируется полость с максимальным поперечным размером (≈1 мкм) и плоским дном. Соответственно, исходный пузырек с газом имел полусферическую форму с плоским основанием на границе раздела дефектный слой – подложка.

7. Питтинги меньшего размера формируются над замурованными в толще нарушенного слоя дефектами полировки, полученными в результате воздействия на поверхность материала зерен с характерным размером меньше толщины дефектного слоя. Кроме меньших размеров (0.05–0.2 мкм), их отличительной особенностью является полусферическое дно углубления. Скрытые полости вблизи поверхности имеют наименьшие размеры.

8. Питтинг проявляется только после дополнительного облучения образца ионами Ar⁺: распыление поверхности ионами Ar вызывает интенсивный нагрев дефектного слоя над полостью за счет малой теплопроводности ее крышки. С ростом температуры давление He в полости увеличивается. При нарушении герметичности крышки происходит выброс газа из полости через образовавшиеся трещины. При этом за счет локального увеличения давления плотность ионного потока в этой области резко возрастает и происходит дополнительный нагрев и испарение материала крышки блистера. Наиболее толстые края оплавляются. Согласно предлагаемой гипотезе, процесс носит взрывной характер. Выброс газа из полости приводит к конденсации металлического пара над кратером питтинга и формированию капель, наблюдаемых на рис. 9. Испарившийся материал крышки частично переосаждается за счет обратного рассеяния и ионизации вблизи зоны выброса. В пользу такой гипотезы свидетельствует звездообразная форма зоны переосаждения испаренного материала вокруг вскрывшихся ямок (рис. 8). Кроме He (за счет эффекта радиационной сегрегации) в полости скапливаются примеси, среди которых присутствует O₂ и химически активные вещества, использованные при полировке. По этой причине пленки, переосажденные вблизи лунок после вскрытия блистера, имеют измененный химический состав. Форма этих пятен (одиночные языки, звездообразная и линейная форма) определяется количеством, расположением и формой трещин при разрыве крышки блистера.

9. Питтинг проявляется как на монокристаллических, так и на поликристаллических зеркалах с одинаковой технологией механической полировки (то есть определяется структурой дефектного отражающего слоя, сформированного при полировке).

10. Линейные борозды проявляются за счет объединения цепочки одиночных лунок, образующихся над скрытой (замурованной в толще дефектного слоя) царапиной.

11. Питтинг приводит к резкому ухудшению оптического качества зеркала (развитию рельефа поверхности, резкому снижению коэффициента отражения и увеличению коэффициента диффузного рассеяния).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При последовательном облучении полированных Mo-монокристаллических и поликристаллических зеркал ионами He и Ar с энергией ~100 эВ обнаружен эффект питтинга – образование множественных округлых ямок и линейных борозд над замурованными в толще нарушенного приповерхностного слоя дефектами полировки. Так как характерный размер дефектов (≈1 мкм) существенно превышает длину волны излучения, их появление приводит к резкому ухудшению оптического качества обоих типов зеркал в видимом диапазоне спектра. Проявление данного эффекта устраняется только при полном удалении дефектного слоя, образовавшегося в процессе полировки. В частности, питтинг может проявиться при использовании Ar в качестве рабочего газа при плазменной очистке входных Mo-зеркал в системах оптической диагностики установки ИТЭР. Эффект ионно-стимулированного диффузионного питтинга также может быть использован для контроля и исследования структуры нарушенного дефектного слоя, сформированного при полировке.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.