Зависимость коэффициента распыления от энергии и угла падения бомбардирующей частицы. Энергетический спектр и средняя энергия распыленных частиц на примере мишени из вольфрама

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Дан обзор функциональных зависимостей для описания свойств атомных частиц, распыленных при ионной бомбардировке поверхности твердого тела. Рассмотрена зависимость коэффициентов распыления от энергии и угла падения бомбардирующей частицы. Приведены энергетические спектры и средние энергии распыленных частиц. На примере мишени из вольфрама и изотопов водорода в качестве снарядов предложены формулы для расчета рассматриваемых величин. Эти данные необходимы для оценки поступления распыленных атомов вольфрама в качестве примеси в горячую плазму с использованием транспортных кодов. При концентрации примеси вольфрама более критической невозможно осуществить управляемую термоядерную реакцию с планируемым энергетическим выходом в токамаке-реакторе ИТЭР. Коэффициенты распыления также играют важную роль при моделировании поступления примесей в плазменные установки в результате взаимодействия атомов водородного топлива с материалами дивертора и первой стенки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. Ю. Бабенко

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Автор, ответственный за переписку.
Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. С. Михайлов

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. П. Шергин

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Н. Зиновьев

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: babenko@npd.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Mikhailov V.S., Babenko P.Yu., Shergin A.P., Zinoviev A.N. // Plasma Physics Reports. 2024. V. 50. № 1. P. 23. doi: 10.1134/S1063780X23601682
  2. Field A.R., Casson F.J., Fajardo D., Angioni C., Challis C.D., Hobirk J., Kappatou A., Kim Hyun-Tae, Lerche E., Loarte A., Mailloux J. // Nucl. Fusion. 2023. V. 63, P. 016028. doi: 10.1088/1741-4326/aca54e
  3. Pütterich T., Fable E., Dux R., O’Mullane M., Neu R., Siccinio M. // Nucl. Fusion. 2019. V. 59 № 5. P. 056013. doi: 10.1088/1741-4326/ab0384
  4. Loarte A., Pitts R.A., Wauters T., Nunes I., Köchl F., Polevoi A.R., Kim S.-H., Lehnen M., Artola J., Chen L., Pinches S.D., Bai X., de Vries P., Carvalho I., Dubrov M., Gribov Y., Schneider M., Zabeo L. // ITER Technical Report. ITR-24-004. 2024.
  5. Pitts R.A., Bonnin X., Escourbiac F., Frerichs H., Gunn J.P., Hirai T., Kukushkin A.S., Kaveeva E., Miller M.A., Moulton D., Rozhansky V., Senichenkov I., Sytova E., Schmitz O., Stangeby P.C., De Temmerman G., Veselova I., Wiesen S. // Nucl. Mater. Energy. 2019. V. 20, P. 100696. doi: 10.1016/j.nme.2019.100696
  6. Gao B., Ding R., Xie H., Zeng L., Zhang L., Wang B., Li Ch., Zhu D., Yan R., Chen J. // Fusion Eng. Des. 2020. V. 156, P. 111616. doi: 10.1016/j.fusengdes.2020.111616
  7. Guterl J., Bykov I., Ding R., Snyder P. // Nucl. Mater. Energy. 2021. V. 27, P. 100948. doi: 10.1016/j.nme.2021.100948
  8. Behrisch R., Eckstein W. Sputtering by Particle Bombardment. Berlin: Springer, 2007. doi: 10.1007/978-3-540-44502-9
  9. Михайлов В.С., Бабенко П.Ю., Шергин А.П., Зиновьев А.Н. // ЖЭТФ. 2023. Т. 164. В. 3. С. 478. doi: 10.31857/S004445102309016X
  10. Ziegler J.F., Biersack J.P. SRIM. http://www.srim.org.
  11. Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М.: Мир, 1995.
  12. Bohdansky J. // Nucl. Instr. Meth. B. 1984. V. 2. № 1–3. P. 587. doi: 10.1016/0168-583X(84)90271-4
  13. Falcone G., Gullo F. // Phys. Lett. A. 1987. V. 125. № 8. P. 432. doi: 10.1016/0375-9601(87)90178-2
  14. Yamamura Y., Tawara H. // At. Data Nucl. Data Tables. 1996. V. 62. № 2. P. 149. doi: 10.1006/adnd.1996.0005
  15. Sigmund P. // Phys. Rev. 1969. V. 184. № 2. P. 383. doi: 10.1103/PhysRev.184.383
  16. Фальконе Д. // УФН. 1992. Т. 162. В. 1. С. 71. doi: 10.3367/UFNr.0162.199201c.0071
  17. Wilson W.D., Haggmark L.G., Biersack J.P. // Phys. Rev. B. 1977. V. 15. № 5. P. 2458. doi: 10.1103/PhysRevB.15.2458
  18. Eckstein W., Garcia-Rosales C., Roth J., Ottenberger W. Sputtering Data. IPP report 9/82, Garching: IPP, 1993.
  19. Eckstein W., Preuss R. // J. Nucl. Mater. 2003. V. 320. № 3. P. 209. doi: 10.1016/S0022-3115(03)00192-2
  20. Eckstein W. // Vacuum. 2008. V. 82. № 9. P. 930. doi: 10.1016/j.vacuum.2007.12.004
  21. Бабенко П.Ю., Михайлов В.С., Шергин А.П., Зиновьев А.Н. // ЖТФ. 2023. Т. 93. В. 5. С. 709. doi: 10.21883/JTF.2023.05.55467.12-23
  22. Томпсон М.У. // УФН. 1988. Т. 156. В. 3. С. 513. doi: 10.3367/UFNr.0156.198811d.0513
  23. Wahl M., Wucher A. // Nucl. Instr. Meth. B. 1994. V. 94. № 1–2. P. 36. doi: 10.1016/0168-583X(94)95655-3
  24. Kittel C. Introduction to Solid State Physics. 8th edition. N.Y.: Wiley, 2005.
  25. Eckstein W. Calculated Sputtering, Reflection and Range Values. IPP report 9/132. Garching : IPP, 2002.
  26. Falcone G. // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. № 10. P. 6398. doi: 10.1103/PhysRevB.38.6398
  27. Бабенко П.Ю., Михайлов В.С., Зиновьев А.Н. // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50 В. 12. С. 3. doi: 10.61011/PJTF.2024.12.58055.19851
  28. Stuart R.V., Wehner G.K. // J. Appl. Phys. 1962. V. 33. № 7. P. 2345. doi: 10.1063/1.1728959
  29. Somogyvari Z., Langer G.A., Erdelyi G., Balazs L. // Vacuum. 2012. V. 86. № 12. P. 1979. doi: 10.1016/j.vacuum.2012.03.055
  30. Wu Sh.-M., van de Kruijs R., Zoethout E., Bijkerk F. // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. № 5. P. 054902. doi: 10.1063/1.3149777
  31. Bohdansky J., Roth J., Bay H.L. // J. Appl. Phys. 1980. V. 51. № 5. P. 2861. doi: 10.1063/1.327954

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующей частицы. Точки – эксперимент из работы [8]. Красная сплошная линия – расчет Экштайна для плоскостного поверхностного барьера из работы [8]. Черная жирная сплошная линия – наш расчет для сферического барьера. Черная жирная штриховая линия – наш расчет для плоскостного барьера. Тонкая штриховая линия – расчет по формуле Зигмунда. Пунктирная линия – расчет по формуле Богданского. Штрихпунктир-пунктирная линия – расчет по формуле Ямамуры. Штрихпунктирная линия – расчет по формуле Фальконе.

Скачать (123KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость коэффициента распыления от энергии бомбардирующей частицы. Системы: H–W (а) и T–W (б). Наш расчет для сферического барьера – сплошная жирная линия и плоскостного – штриховая жирная линия. Расчет группы Экштайна – сплошная тонкая красная линия. Расчет по формуле Фальконе – штрихпунктирная линия. Формула Богданского – линия с открытыми кружками. Формула Ямамуры – открытые квадратики. Экспериментальные данные из работы [8] – точки.

Скачать (206KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость коэффициента распыления от угла падения пучка на мишень. Рассмотрена система H–W. Энергия налетающей частицы E0 = 4 кэВ. Угол падения пучка на мишень θ отсчитывается от нормали к поверхности. Черные сплошные кружки – экспериментальные данные из работы [8]. Линия с треугольниками – наш расчет для плоскостного барьера. Сплошная красная линия – моделирование программой SDTrimSP [8]. Линия с пустыми квадратами – расчет программой ACAT. Штрихпунктирная линия – формула Ямамуры [14]. Ромбики – расчет по формуле Зиновьева (10). Штриховая линия – зависимость1/cosθ.

Скачать (93KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость коэффициента распыления, нормированного на величину при нормальном падении, от угла падения. Системы H–W, D–W и T–W. Начальная энергия бомбардирующих частиц E0 =1 кэВ. Линии – расчет группы Экштайна. Линии с символами – наш расчет. Рассмотрен случай плоскостного барьера.

Скачать (96KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Энергетический спектр распыленных частиц. Начальная энергия атомов аргона E0 = 5 кэВ. Угол падения пучка на мишень θ = 45°. Точки – эксперимент из работы [23]. Линии – расчет по формулам Томпсона (13) – (сплошная линия) и Фальконе (14) – (штриховая линия).

Скачать (75KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Энергетические спектры распыленных частиц, рассчитанные с помощью нашей программы. Случай плоскостного поверхностного барьера. Приведены результаты для различных энергий бомбардирующего пучка. а – H–W; б – D–W. Точки – наш расчет. Линии – расчет по формуле Фальконе (14).

Скачать (215KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Средняя энергия распыленных частиц в зависимости от энергии бомбардирующего пучка. Расчет нашей программой для плоскостного и сферического барьера. Рассмотрены системы: H–W, D–W и T–W. Рисунок из работы [9].

Скачать (145KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Средняя энергия распыленных частиц в зависимости от энергии бомбардирующего пучка. Наш расчет – значки. Обработка данных расчета Экштайна – линии. Системы: H–W, D–W и T–W. Плоскостной поверхностный барьер. Дополнительно, приведено сравнение с формулой Фальконе (16) – штриховая линия. Использовались значения пороговых энергий, полученные с помощью нашей программы.

Скачать (108KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Средняя энергия распыленных частиц в зависимости от отношения энергии соударения к пороговой энергии. Точки – результаты нашего расчета. Линии – расчет по формуле (17).

Скачать (88KB)
Метаданные
11. Рис.10. Зависимость параметра γEth/Us от отношения масс M2 /M1.

Скачать (111KB)
Метаданные
12. Рис.11. Зависимость параметра γEth/Us от отношения масс M2 /M1.

Скачать (93KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024