Механізми ерозії та модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрофізики і радіаційних технологій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

01.04.07 - фізика твердого тіла

Механізми ерозії та модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками

Гаркуша І.Є.

Харків 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор Терешин Володимир Іванович, ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, директор Інституту фізики плазми

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, Бакай Олександр Степанович, ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, відділ теорії конденсованих середовищ та ядерної матерії, начальник відділу

доктор фізико-математичних наук, професор,

Пугачов Анатолій Тарасович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України, завідувач кафедри фізики металів і напівпровідників

доктор фізико-математичних наук, професор, Спольник Олександр Іванович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка МАП України, завідувач кафедри фізики

Провідна установа: Харківський Національний університет ім. В.М. Каразіна МОН України, кафедра матеріалів реакторобудування, м. Харків

Захист відбудеться “18” червня 2007 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 у Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61003, м. Харків, вул. Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ “ХПІ”, ауд. 204.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61024, м. Харків, вул. Гуданова, 13. Відзив на автореферат дисертації надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Чернишевського, 28, а/с 8812.

Автореферат розісланий “11” травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.В.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Необхідність одержання нових знань про фізичні процеси в поверхневих шарах твердих тіл при опроміненні потужними потоками плазми обумовлена потребами науки і техніки у розробці як нових джерел енергії на основі ізотопів водню, так і нового покоління високоефективних плазмових технологій модифікації твердих тіл та створення нових матеріалів з поліпшеними фізико-механічними властивостями.

Радіаційні ушкодження твердотільних елементів термоядерного реактора (ТЯР), що обумовлені ерозією в умовах значних корпускулярних і енергетичних навантажень (КЕН), є ключовою проблемою при створенні міжнародного експериментального реактора ІТЕР. Потоки часток і енергетичні плазмові навантаження на компоненти дивертора ІТЕР досягають 1025-1028 іон/м2с і Q = (10-100) MДж/м2 при t = (1-10) мс, що більш ніж на два порядки величини перевищує плазмові навантаження на існуючих токамаках. Тому основні особливості взаємодії водневої плазми з твердотільними елементами ТЯР і механізми ерозії поверхневих шарів не можуть бути повною мірою вивчені на діючих термоядерних установках. Використання потужних пучків електронів і іонів для імітаційних досліджень також обмежено через те, що при цьому не забезпечується повна сукупність параметрів ударного корпускулярно-енергетичного впливу, відсутня комплексність, що властива плазмовому опроміненню, і, як наслідок, моделюються і досліджуються тільки окремі фактори радіаційної ерозії. Таким чином, проблема дослідження фізичних властивостей твердих тіл в умовах значних КЕН вимагає поряд зі створенням складних чисельних моделей і кодів, застосування нових експериментальних підходів до взаємодії твердих тіл з високоенергетичною плазмою в умовах ТЯР.

Можливість варіації в широкому інтервалі спрямованої енергії і типу часток, густини плазми, тривалості впливу і питомої потужності визначає широкий спектр механізмів впливу потоків прискореної плазми на тверді тіла від процесів радіаційного руйнування до ефективної модифікації і зміцнення поверхні, іонної імплантації, легування і нанесення покриттів. Виникнення нових структурно-фазових станів у поверхневому шарі під дією потужних потоків плазми різних іонів надає можливість одержання матеріалів з унікальними властивостями, і, зокрема, значного поліпшення трибологічних характеристик, корозійної і радіаційної стійкості та ін. Практична цінність очікуваних застосувань стимулює проведення комплексних експериментальних досліджень механізмів модифікації структури і властивостей твердих тіл при плазмовому опроміненні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, що складають основу дисертації, одержані в ННЦ “ХФТІ” в рамках виконання планових бюджетних науково-дослідних робіт:

- “Програма робіт з Атомної науки і техніки Національного наукового Центру “Харківський фізико-технічний інститут” на 1993-2000 рр.”, затверджена протоколом ДКНТ і Міністерства статистики № 90/132 від 7.06.1994 і розпорядженням Кабінету Міністрів 08.05-КМ/03-93 від 19.12.1996 (теми: “Вивчення фізичної картини процесів утворення перехідних шарів при впливі потужних потоків плазми на поверхні матеріалів”, “Дослідження динаміки потужних квазістаціонарних плазмових потоків у повздовжньому магнітному полі”, “Дослідження плазмодинамічних процесів при впливі потужних потоків замагніченої плазми на твердотільні мішені”).

- “Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки ННЦ “ХФТІ” до 2005 р.”, затверджена розпорядженням Кабінету Міністрів № 421-р від 13.09.2001, № держреєстрації 080901UР0009 від 08.10.2001 (теми: “Дослідження потоків плазми в багатощілинній електромагнітній пастці “Юпітер-2М”, взаємодія потужних потоків плазми з поверхнею матеріалів”, “Модельні експерименти і розрахунки в обґрунтування розробки джерела термоядерних нейтронів, вибору матеріалів диверторних пластин термоядерного реактора, поліпшення властивостей конструкційних матеріалів”).

- Державної програми фундаментальних і прикладних досліджень з проблем використання ядерних матеріалів та ядерних і радіаційних технологій у сфері розвитку галузей економіки (Тема Х-813 “Дослідження стійкості конструкційних матеріалів і компонентів при опроміненні потужними іонно-плазмовими потоками та ерозійних механізмів в умовах великих енергетичних навантажень”).

Крім цього, за час роботи над дисертацією виконано 7 міжнародних проектів у рамках співробітництва з Німеччиною, Польщею та США:

- Теми міжнародного співробітництва Міністерства Освіти і Науки України (двостороння угода з Німеччиною, Дослідницький центр Карлсруе): “Ерозія розплавленого шару та дрейф при взаємодії гарячої плазми з поверхнею мішені”, № держреєстрації ОК 0203U008363, “Експериментальний аналіз ерозії розплавленого шару металів та інжекції крапель”, № державної реєстрації 013U006474, “Експериментальне та чисельне моделювання ерозії мішеней, що є типовою для перехідного режиму ІТЕРа” № державної реєстрації 0105U008855.

- Теми міжнародного співробітництва МОН України (двостороння угода з Польщею, Інститут ядерних досліджень ім. А. Солтана): “Дослідження властивостей імпульсних потоків щільної плазми, розробка плазмових методів покращення властивостей поверхонь”, № держреєстрації 0203U008364, “Розвиток і застосування різних методів діагностики плазми і поверхні для дослідження процесів модифікації твердих поверхонь матеріалів”, № держреєстрації 0104U007424.

- Проекти Українського Науково-Технологічного Центру (УНТЦ) № 881 “Підвищення стійкості проти спрацювання та корозійної стійкості конструкційних матеріалів шляхом зміцнення поверхні при дії імпульсних та квазістаціонарних потоків плазми”. (за підтримкою США і ЄС), № 881с “Модифікація структури й властивостей поверхневого шару магнітотвердих матеріалів при їх опроміненні імпульсними потоками плазми” (США).

При виконанні цих робіт автор дисертації був відповідальним виконавцем, керівником робіт з Української сторони з міжнародного співробітництва з Німеччиною, брав безпосередню участь у постановці задач і у проведенні експериментальних досліджень.

Мета та основні задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розв'язання проблеми ідентифікації домінуючих механізмів радіаційних пошкоджень твердотільних матеріалів в умовах екстремальних плазмових навантажень, що є характерними для міжнародного токамака-реактора ІТЕР, виявлення нових фізичних закономірностей у поведінці твердих тіл при взаємодії з потужними потоками плазми у широкому діапазоні корпускулярних та енергетичних навантажень, а також розробка наукових основ комплексного поліпшення фізико-механічних властивостей твердих тіл за рахунок модифікації поверхневих шарів при опроміненні високоенергетичними плазмовими потоками різних типів часток.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Для експериментального відтворення умов ІТЕРа потрібно забезпечити вихід на якісно новий рівень питомих енергетичних (25-30 МДж/м2) та корпускулярних (1028 іон/м2с) навантажень на поверхню при тривалості імпульсу не менш 0,25 мс, можливість варіації розподілу тиску плазми вздовж опроміненої поверхні, необхідну конфігурацію зовнішнього магнітного поля для забезпечення замагнічування плазми, контрольований часовий профіль КЕН, можливість зміни температури поверхні, що опромінюється, та ін.

2. Дослідити основні механізми радіаційної ерозії твердих тіл в умовах екстремальних плазмових навантажень в інтервалі Q = (10-25) MДж/м2, що відповідає процесам зриву струму та вертикального зсуву шнура (ВЗШ) в ІТЕРі.

3. Вивчити фізичні процеси, що реалізуються в результаті граничних локалізованих мод (ELMs) при впливі багаторазових циклічних плазмових навантажень Q = (0,5-3,0) MДж/м2, ~ 0,2 мс. З'ясувати поведінку диверторних матеріалів при опроміненні з енергетичними навантаженнями поблизу порогів плавлення і випаровування, що зумовлюватиме гранично - припустимі ELMs в ІТЕРі.

4. Провести порівняльний аналіз експериментальних результатів і чисельного моделювання впливу екстремальних КЕН за допомогою створених для ІТЕРа кодів, що необхідний для удосконалення чисельних моделей процесів в ТЯР.

5. Вивчити структурно-фазові перетворення при імпульсному плазмовому опроміненні, що сприяють ефективній модифікації і зміцненню поверхневих шарів конструкційних сталей і сплавів.

6. Визначити механізми модифікації твердих тіл при імпульсному плазмовому опроміненні, що призводять до поліпшення фізико-механічних властивостей поверхневих шарів в умовах мінімізації ерозійних ефектів.

7. Дослідити морфологію і трибологічні властивості модифікованих шарів (зокрема, при реалізації різних умов тертя), вивчити вплив плазмової обробки на корозійні властивості, кавітаційну стійкість та інші характеристики конструкційних сталей.

8. Визначити особливості модифікації твердотільних матеріалів різних типів, включаючи розробку комбінованих методів плазмового впливу, плазмове легування і модифікацію покриттів.

Об'єкт дослідження - фізичні процеси в поверхневих шарах твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками.

Предмет дослідження - механізми радіаційної ерозії і модифікації поверхневих шарів твердотільних матеріалів різних типів, а саме: конструкційних матеріалів термоядерних реакторів, чистих металів, промислових сталей і сплавів, рідкісноземельних магнітів, металогідридів та різних покриттів в умовах екстремальних КЕН.

Методи досліджень. Для виявлення нових фізичних закономірностей у процесах взаємодії твердих тіл з високоенергетичною плазмою проведено вимірювання параметрів плазми і КЕН на опромінювані поверхні за допомогою комплексу діагностичних методик, що включають електричні і магнітні зонди, піроелектричні болометри, п'єзоелектричні датчики тиску, калориметри, частотно-скомпенсовані дільники напруги і пояси Роговського, енергоаналізатори, спектроскопію, інтерферометрію.

Використано також такі методи дослідження структури і властивостей твердих тіл: металографія із застосуванням оптичної і скануючої електронної мікроскопії; рентгенівський енергодисперсійний мікроаналіз; конверсійна Мессбауерівська електронна спектроскопія і Мессбауерівська рентгенівська спектроскопія; виміри мікротвердості методом Віккерса; рентгеноструктурний аналіз; лазерний мас-аналізатор; зворотне ядерне розсіювання; корозійні тести у водному розчині сульфату натрію; порівняльні тести на стійкість проти спрацювання методами кулька-диск, площина-площина, абразивне зношування; кавітаційні іспити, профілометрія поверхні, методи термодесорбції та ін.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Використання потужних квазістаціонарних прискорювачів плазми вперше дало можливість здійснити експериментальне моделювання характерних режимів роботи ІТЕРа, вивчення екстремальних властивостей твердих тіл в умовах ТЯР та забезпечило опанування новими корпускулярно-енергетичними параметрами радіаційного впливу на речовину, що раніше були недоступними.

2. Вперше експериментально встановлено суть фізичних процесів в поверхневих шарах конструкційних матеріалів міжнародного токамака-реактора ІТЕР під дією екстремальних КЕН. Визначено домінуючі механізми ерозії в умовах ІТЕРа при варіації в широких межах густини енергії, переданої поверхні матеріалу, тиску і густини плазми.

3. Вперше експериментально показано, що рух розплавленого шару, викликаний градієнтом тиску плазми в процесі нестійкості зриву в ІТЕРі, є домінуючим механізмом макроскопічної ерозії вольфраму і інших металів, що призводить до формування ерозійного кратера з грядою переміщеного і повторно затверділого матеріалу на границі, а також до інтенсивної ежекції крапель з області розплаву. Показано, що градієнт поверхневого натягу вносить досить малий внесок у результуючий профіль ерозії вольфраму.

4. Вперше продемонстровано, що в умовах малих градієнтів тиску уздовж поверхні, що опромінюється, розвиток рельєфу затверділої поверхні визначається нестійкістю Кельвіна-Гельмгольця, пов'язаною з виникненням капілярних хвиль на границі розділу плазми і поверхневого шару.

5. Вперше експериментально доведено, що при опроміненні поверхні потужними плазмовими потоками, внесок випаровування в ерозію матеріалів дивертора зменшується більш ніж на порядок величини за рахунок формування шару, що екранує. Встановлено, що випаровування не є визначальним чинником ерозії твердотільних елементів при зривах струму і ELM, як вважали раніше, навіть в умовах впливу плазми з питомою потужністю до 200 ГВт/м2.

6. Вперше з'ясовано механізми тріщиноутворення в поверхневому шарі вольфраму під дією циклічних плазмових навантажень типу ELM та показано, що формування двох типів тріщин: макроскопічних і сітки мікротріщин по границях зерен, відбувається внаслідок принципово різних фізичних процесів. Макротріщини є результатом ефектів локального переходу з пластичного в крихкий стан у процесі остигання поверхневого шару. Дрібні міжзеренні тріщини є наслідком інтенсивного плавлення поверхневого шару і їх формування пов'язано з нерівноважним затвердінням розплаву.

7. Вперше виявлено граничний характер морфологічних змін поверхні вольфраму і масових втрат при циклічному опроміненні в умовах плавлення поверхневого шару. Показано, що гранична доза опромінення визначається дією сил поверхневого натягу в межах осередків сітки міжзеренних тріщин на опроміненій поверхні.

8. Вперше експериментально з'ясовано вплив електричних струмів у поверхневому шарі на процеси макроскопічної ерозії металів. Встановлено, що внесок електромагнітної сили за рахунок струмів, що виникають, і присутності зовнішнього магнітного поля В > 1 T, в ерозію поверхневого шару може бути істотним тільки при досить високій густині струму > 1 кА/см2.

9. Розвинуто фізичні основи методів модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні імпульсними плазмовими потоками. Високошвидкісний нагрів і плавлення поверхні, великі градієнти температури і концентрації домішкових часток, що виникають у поверхневому шарі, сприяють з однієї сторони швидкій дифузії атомів плазмового потоку вглиб модифікованого шару, а з іншої сторони - формуванню за рахунок високошвидкісного (10-7-10-6 с) плазмового гартування дрібнокристалічних та аморфних структур.

10. Встановлено особливості структурно-фазових перетворень в різних сталях при опроміненні імпульсними плазмовими потоками. Показано, що зниження періоду структури для -Fe і зростання для -Fe, зменшення інтенсивності дифракційних ліній фаз -Fe і -Fe та розширення дифракційних профілів слід розглядати як типовий атрибут обробки імпульсними плазмовими потоками. Вперше експериментально виявлено, що ефективна модифікація поверхневого шару при опроміненні імпульсними потоками азотної плазми здійснюється за рахунок формування N-фази (перенасиченого аустеніту), у якій атоми Fe мають у ґратці в найближчому оточенні впроваджені атоми азоту, а також утворенням фаз карбонітридів.

11. Вперше експериментально визначено основні механізми підвищення зносостійкості вуглецевих і легованих сталей при опроміненні імпульсними плазмовими потоками та показано, що два основних процеси: зміцнення внаслідок надшвидкого плазмового гартування, що призводить до формування специфічної дрібнодисперсної структури, та утворення перенасиченого аустеніту при обробці азотною плазмою, вносять приблизно рівний внесок у збільшення зносостійкості модифікованого шару.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, одержані в дисертаційній роботі, важливі для розвитку сучасних уявлень фізики твердого тіла про структуру та фізичні властивості речовини в екстремальних умовах, досліджень взаємодії високоенергетичної плазми з твердим тілом і новітніх технологій іонно-плазмової обробки. Вони можуть бути основою для проведення подальших експериментів і їх інтерпретації, а також для безпосереднього використання в роботах теоретичного та прикладного характеру.

Встановлені в дисертації механізми радіаційних ушкоджень при потужному плазмовому опроміненні використовують в даний час для удосконалення чисельних кодів, які розроблюють в ЄС у рамках міжнародного проекту ІТЕР. Результати імітаційних експериментів, а також виявлені особливості передачі енергії плазми поверхні матеріалів в умовах екстремальних КЕН визнано міжнародною спільнотою та враховано при проектуванні ІТЕРа. Розроблений підхід і одержані дані можуть бути використані і вже використовують для досліджень інших матеріалів і, зокрема, вуглець-вуглецевих композитів (CFC NB31), розроблених для роботи в умовах аномальних енергонавантажень. Результати роботи представляють також інтерес для моделювання процесів входу космічних апаратів у щільні шари атмосфери.

Одержані результати мають самостійне практичне значення, що дозволяє безпосередньо використовувати їх при аналізі властивостей широкого класу сучасних конструкційних матеріалів. Результати роботи істотно розвивають сучасні уявлення про механізми структурно-фазових перетворень, які відбуваються при опроміненні твердих тіл потужними плазмовими потоками. Розроблені фізичні основи методів модифікації поверхні металів імпульсними плазмовими потоками дозволили вирішити ряд прикладних задач: зміцнення та збільшення зносостійкості промислових сталей і сплавів та ін. У результаті виконаних експериментів з модифікації поверхневих шарів різних сталей дослідження доведені до можливості обробки зразків реальних деталей, що використовують в промисловості у вузлах сухого тертя. Поряд із цим показано, що використання даного методу є ефективним також для багатьох інших задач, наприклад “пришивання” попередньо нанесених покриттів шляхом створення проміжного перемішаного шару, легування поверхневих шарів, модифікації постійних магнітів та ін. Результати роботи можуть бути використані при розробці нового покоління пучково-плазмових технологій для обробки поверхневих шарів імпульсними потоками плазми.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь у підготовці і проведенні всіх експериментальних досліджень, результати яких покладено в основу дисертації, здійснював постановку задачі, обробку й інтерпретацію одержаних експериментальних даних.

Дисертантом вивчено основні механізми радіаційної ерозії твердих тіл в екстремальних режимах термоядерного токамака-реактора ІТЕР та проведено порівняння експериментальних досліджень з результатами чисельного моделювання фізичних процесів у перехідних режимах ТЯР.

Здобувачем досліджено механізми модифікації поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні імпульсними плазмовими потоками різних газів і їх сумішей, виявлено вплив параметрів плазмового потоку на характер структурно-фазових перетворень та фізико-механічні властивості модифікованих шарів. Дисертантом показана ефективність плазмового легування поверхневих шарів твердих тіл, проаналізовано трибологічні властивості модифікованих шарів в умовах реалізації різних схем тертя, проведено дослідження з модифікації широкого кола твердотільних матеріалів: металокерамічні сплави, рідкісноземельні магніти, кремній, титанові сплави, металогідриди, покриття FeB, TiAlN, 32Ni-21Cr-8Al-0,5Y, конструкційні сталі та ін.

Через специфіку роботи на великих експериментальних установках, публікації, що складають основу дисертації, написані в співавторстві зі співробітниками лабораторії плазмових прискорювачів і іншими учасниками експериментів, що проводили, в основному, плазмові дослідження. Дисертант вніс визначальний вклад у написання і підготовку всіх наукових статей і доповідей, опублікованих за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на таких конференціях: 7th and 10th International Conferences on Fusion Reactor Materials (ICFRM-7, Obninsk, Russia, 1995; ICFRM-10, Baden-Baden, Germany, 2001), 10-th International Colloquim Tribology-Solving Friction and Wear Problems (Technische Akademie Esslingen, Germany, 1996), 15th, 16th, 17th International Conferences on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (Gifu, Japan, 2002; Portland, USA, 2004; Hefei, China, 2006), II and III-rd German-Russian conferences on electric propulsion and their technical application (Moscow, Russia, 1993; Germany, 1994), 7-th International Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Japan, 1995), 19th Symposium on Fusion Technology (Lisboa, Portugal, 1996), ХII та ХIV Міжнародні конференції з фізики радіаційних явищ і радіаційного матеріалознавства (Алушта, 1996; Алушта, 2000), 11th International School on Vacuum, Electron and Ion Technologies (VEIT'99, Varna, Bulgaria, 1999), 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics and Modification of Materials. 5th Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2000), 1st IAEA Technical Committee Meeting on Application of Fusion Energy Research to Science and Technology (Chegdu P. R.China, 2000), 7-й Міжнародний симпозіум “Чисті метали”, МСЧМ-7 (Харків, 2001), 24th International Electric Propulsion Conference. (Мoscow, Russia, 1995), 23rd, 25th, 28th, 30th European Physical Society Conferences on Controlled Fusion and Plasma Physics (Kiev, 1996; Prague, Сzech, 1998; Budapest, Hungary, 2000; St. Petersburg, Russia 2003), 14th IAEA Technical Committee Meeting on Research Using Small Fusion Devices (Sao Paulo, Brazil, 2001), International Symposium Plasma-2001 (Warsaw, Poland, 2001), 10th International NATO Advanced Research Workshop on Hydrogen Isotope Recycling at Plasma-Facing Materials in Fusion Reactors. (Argonne, USA, 2001), Міжнародні Конференції “Воднева обробка матеріалів” (ВОМ) (Донецьк, 1995, 2001), 9-th International Conference on Ion Sources (ICIS, Oakland, USA, 2001), 15th IAEA Conference on small fusion devices (Vienna, Austria, 2003), 10th International Carbon workshop (Juelich, Germany, 2003), International Symposium on Plasma Research and Application (“Plasma'97”, Opole, Poland, 1997), 9th Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (Saint-Petersburg, Russia, 1997), 8th European Conference on Solid State Chemistry (Oslo, 2001), International Conference EUROMAT 2005 (Prague, 2005), XXIV, XXV and XXVI International Conferences on Phenomena in Ionized Gases (Warsaw, Poland, 1999; Nagoya, Japan, 2001; Grifswald Germany, 2003), International Conference Plasma2005 “Research and Applications of Plasmas” (Opole, Poland), 18-th Symposium on plasma physics and technology (Prague, Сhech,1997), 1st IAEA Expert Meeting on high energy loads to the material surfaces (Warsaw, Poland, 2005), 5th International Symposium on Applied Plasma Science (Hawaii, USA, 2005), 2nd IAEA Expert Meeting on high energy loads to the material surfaces (Warsaw, Poland, 2006), 11th International Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications (PFMC-11) (Griefswald, Germany, 2006), International School “High Current Plasma Experiments and Diagnostics” (Kudowa Sdroj, Poland, 2001), 4th International Symposium on Applied Plasma Science (Kyoto, Japan, 2003), International Conference Plasma2003 “Research and Applications of Plasmas”, IV International Conference on Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, Belarus, 2003), International Conference on Physics of Low Temperature Plasma (Kiev, Ukraine, 2003), I, II, III, IV і VII Українські конференції з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми (Київ, 1992, 1994, 1999; Харків, 1993, 1995), VI and VIII Ukrainian Conferences and Schools on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, 1998, 2000), International Conferences and Schools on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta 2002, 2004, 2006)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 55 наукових праць, у тому числі 28 статей у фахових наукових журналах та 27 публікацій у збірниках праць наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 7 розділів основного тексту з 89 рисунками, висновків і списку використаних літературних джерел з 275 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 321 сторінку. Список використаних джерел розміщений на 32 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень. Наведено відомості про зв'язок проведених досліджень з науковими програмами, що виконуються в ННЦ “ХФТІ”, та про особистий внесок здобувача. Викладено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, повідомлено про апробації роботи і про публікації за темою дисертації.

В першому розділі “Фізичні процеси при взаємодії потужних плазмових потоків з поверхнями твердих тіл: стан проблеми” зроблено огляд результатів експериментальних і теоретичних досліджень взаємодії високоенергетичних потоків плазми з поверхнями та екстремальних властивостей твердих тіл в умовах потужного плазмового опромінення. Фізичні ефекти в поверхневих шарах твердих тіл під дією значних КЕН розглянуто в основному в двох аспектах: радіаційна ерозія в умовах ТЯР та процеси модифікації твердих тіл імпульсними потоками плазми. Аналізуються критерії вибору та основні напрямки досліджень конструкційних матеріалів ТЯР. Визначено коло фізичних задач, що вимагають комплексного вирішення і, перш за все, визначення відносного внеску різних механізмів в процес ерозії в умовах ТЯР.

На основі огляду літературних джерел проаналізовано ефекти модифікації поверхневих шарів та поліпшення фізико-механічних властивостей твердих тіл в результаті опромінення імпульсними потоками плазми. Підкреслюється можливість отримання матеріалів з новими унікальними властивостями, що важливо для багатьох технологічних застосувань для зміцнення поверхневого шару, цілеспрямованого легування, нанесення покриттів та ін.

В другому розділі “Експериментальні установки та методики експериментів” представлено опис експериментальних стендів та основних методів досліджень, що використані в дисертації. Наведено також результати експериментів з оптимізації режимів роботи експериментальних установок стосовно задач дослідження механізмів ерозії в умовах ТЯР і модифікації поверхневих шарів твердих тіл імпульсними потоками плазми різних іонів. Дослідження проводили на таких експериментальних установках:

- Квазістаціонарний плазмовий прискорювач КСПП Х-50, що застосовували для вивчення радіаційної ерозії в умовах впливу потоків замагніченої плазми й імітаційних експериментів з моделювання КЕН у перехідних режимах роботи ІТЕРа. Подано опис конструкції прискорювача, що складається з таких основних вузлів: першого ступеня, де відбувається генерація й попереднє прискорення водневої плазми, та коаксіальної системи активного анодного трансформера і профільованого катодного трансформера, що утворюють основний прискорювальний канал (другий ступінь). Прискорювач розміщено у вакуумній камері діаметром 1,5 м та довжиною 10 м, що відкачувалась до тиску 10-5 Торр. Енергоживлення всіх активних елементів прискорювача здійснюється від ємнісних накопичувачів енергії з повним енерговмістом ~ 4 МДж. Густина енергії Q в плазмових потоках, що генеровані КСПП, досягала 30 МДж/м2, а повний енерговміст 600 кДж, енергія протонів Ei ? 0,9 кеВ, еквівалентний іонний струм > 5 MA, густина електронів ne=51016 см-3, тривалість генерації потоку плазми = (250-280) мкс. Важливо відзначити, що в даний час прискорювач КСПП Х-50 є унікальним і по суті єдиним існуючим інструментом для проведення модельних експериментів, пов'язаних з імітацією умов на поверхні ТЯР. З 1995 р. вивчення взаємодії високоенергетичної плазми з матеріалами першої стінки і дивертора міжнародного токамака-реактора ІТЕР проводиться в рамках міжнародного співробітництва України з Німеччиною.

- Імпульсний плазмовий прискорювач (ІПП), що застосовували для досліджень процесів модифікації твердих тіл імпульсними плазмовими потоками різних газів. Типові параметри імпульсних потоків плазми: ne = (1-3)1015 см-3; = (2-10) мкс; Q = (10-50) Дж/см2; Ei ~ 2 кеВ.

- Стрижневий інжектор IBIS (Польща) використано для проведення експериментів із зміцнення поверхневих шарів, модифікації і нанесення покриттів, що надало можливість здійснити порівняльний аналіз механізмів модифікації твердих тіл імпульсними потоками плазми варійованих параметрів та вивчити вплив режимів плазмового опромінення на фізико-механічні властивості поверхневих шарів. Інжектор генерує потоки газової і металевої плазми з = (1-3) мкс та Ei ? 10 кеВ.

- КСПП П-50, спрощена модель квазістаціонарного прискорювача, що використана для досліджень впливу тривалості плазмового імпульсу на процеси модифікації поверхневих шарів та структурно-фазових перетворень під дією плазмового опромінення. Тривалість розряду складала 250 мкс, густина плазми змінювалась в межах 1015-1016 см-3, Ei ~ (0,2-0,3) кеВ.

Аналіз структури та властивостей твердих тіл виконано за допомогою металографії з використанням оптичного і скануючого електронного мікроскопів, рентгенівського енергодисперсійного мікроаналізу, вимірювань мікротвердості методом Віккерса, рентгеноструктурного аналізу. Застосовували також лазерний мас-аналізатор, конверсійну Мессбауерівську електронну спектроскопію ліній 57Fe, Мессбауерівську рентгенівську спектроскопію, зворотне ядерне розсіювання, корозійні тести, іспити на зносостійкість методами кулька-диск, площина-площина, дослідження абразивного спрацювання, кавітаційні тести, профілометрію поверхні та ін.

Діагностичний комплекс для вимірювання параметрів плазми й аналізу КЕН на поверхню твердих тіл містив у собі електричні і магнітні зонди, піроболометри, п'єзоелектричні датчики тиску, дільники напруги і пояси Роговського, термопарні калориметри для вимірювань як густини енергії в потоці плазми, так і передачі енергії поверхні матеріалів, спектроскопію, інтерферометрію, енергоаналізатор, швидкісні фотореєстратори.

У цьому розділі встановлено також основні характеристики плазмових навантажень на поверхні твердих тіл в імітаційних експериментах на КСПП Х-50. Для адекватного відтворення процесів взаємодії плазми з поверхнею в ТЯР проведено експерименти в зовнішньому магнітному полі до 0,72 Т, що забезпечує замагнічування плазми і необхідну геометрію розташування мішеней стосовно потоку плазми. Експериментально реалізовано варіацію параметрів КЕН в широкому інтервалі, що дало можливість моделювання циклічних ELMs (0,5-3,0 МДж/м2), а також взаємодії плазми з поверхнями при зривах струму в ІТЕРі (10-25 МДж/м2). Описано режими роботи ІПП з використанням різних газів та основні параметри КЕН стосовно задач модифікації поверхневих шарів твердих тіл. Проведено аналіз однорідності КЕН на поверхні, що оброблюються, та глибини модифікованих шарів в різних режимах плазмового опромінення. Зміни питомої енергії, що передається поверхні, здійснювались як за рахунок варіації енергії іонів при незмінній густині плазми, так і зміною густини плазми при збереженні енергії іонів.

Розділ 3 “Домінуючі механізми радіаційної ерозії при опроміненні квазістаціонарними плазмовими потоками, що моделюють умови зриву струму та вертикального зсуву шнура в міжнародному токамаці ІТЕР” присвячено вивченню екстремальних властивостей твердих тіл при опроміненні потужними плазмовими потоками з параметрами, що характерні для перехідних режимів ТЯР. Експерименти проведено з мішенями вольфраму, графіту, міді, алюмінію, титану, комбінованими мішенями мідь-титан, мідь-нержавіюча сталь і вольфрамовими покриттями. Опромінення здійснювали при похилому і нормальному падінні потоку плазми при різній кількості робочих імпульсів. Особливу увагу приділено дослідженням вольфраму, оскільки він є основним компонентом елементів дивертора ІТЕРа. Інші чисті метали використано для визначення загальних особливостей ерозії поверхневого шару, уточнення динаміки і профілю ерозійного кратера, а також для одержання додаткових даних для чисельних моделей процесів радіаційної ерозії в ІТЕРі.