Проводимость элементов вакуумной системы

1. Проводимость элементов вакуумной системы Диафрагма: Воздух: Круглый трубопровод: Воздух:

2. С.В. Полосаткин ТПЭ Водород в металлах Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73 пятница, 10.45 – 12.20 http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml

3. Поглощение водорода металлами Адсорбция Образование гидридов Хемосорбция Растворение

4. Энергетическая диаграмма водорода в металле H Металл Вакуум Cu ED ½ H2 ES ES ED Ta Хемосорбция(H) Адсорбция (H2)

5. Энергетическая диаграмма водорода в металле H Металл Вакуум Cu ED ½ H2 ES ES ED Ta Поток молекул водорода на поверхность металла

6. Поглощение на поверхности металлов H Металл Вакуум Cu f1 ED ½ H2 ES EС ED Ta Коэффициент прилипания (sticking) Поглощенный поток (хемосорбция) Чистая поверхность EС=0, s=1 Загрязненная поверхность EС~0,1 эВ sH– поверхностная плотность водорода в хемосорбированном состоянии

7. Поглощение на поверхности металлов H Металл f3 f2 Вакуум Cu ED ½ H2 ES EС EA ED EB Ta Поток водорода в вакуум Уход с поверхности в толщу металла nm– концентрация атомов металла n~1013 c-1- частота колебаний атома водорода

8. Диффузия в толщу металла H Металл f5 f4 Вакуум Cu ED ½ H2 ES EA ED Ta Диффузия внутрь металла Выход из толщи металла на поверхность nm– концентрация атомов металла n~1013 c-1- частота колебаний атома водорода

9. H Металл Вакуум Cu ED ½ H2 ES ED Ta Равновесная концентрация f3 f2 f5 f4 f1 EС EA EB

10. H Металл Вакуум Cu ED ½ H2 ES ED Ta Равновесная концентрация f3 f2 f5 f4 f1 EС EA EB - Закон Сивертса

11. Энергия растворимости ES>0 эндотермическое растворение (большинство металлов, Cu, Al, нерж.сталь) ES<0 экзотермическое растворение (переходные металлы, Pd, Ta, V, Nb, Zr) - Закон Сивертса

12. Поглощение молекулярного и атомарного водорода Молекулярный водород Атомарный водород qЮ0 Чистая поверхность – идентичное поведение для молекулярного и атомарного потока Загрязненная поверхность (1 монослой) – отличие 10-105 раз, температурная зависимость

13. Диффузия водорода в металле Характерное время диффузии через 100 мкм мембрану для разных материалов при T=400 К W 6000 c Ti 57000 c Ni 2200 c Be 9000 c V 1.2 c Ta 14 c Nb6.5 c Существуют вещества с очень большой скоростью диффузии

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

15. Сверхпроницаемость Если скорость диффузии в мембране велика, поток водорода будет определяться рекомбинацией на поверхности Управляя свойствами поверхности, можно добиться одностороннего пропускания водорода P1 P2

16. 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

17. Образование гидридов При больших концентрациях водорода могут образовываться упорядоченные структуры (гидриды) a-фаза – неупорядоченный твердый раствор водорода в металле b,g-фазы – упорядоченные растворы

18. 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)

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

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

21. Накопление водорода в титане Равновесное давление разложения гидрида Формула Вант Хоффа

22. Селективный реверсируемый натекатель водорода Генератор водорода – пористый титан www.pulsetech.ru

23. Нераспыляемые геттеры Материалы с пористой структурой и высокой скоростью диффузии газов Пористый титан, TiV, ZrAl, Tактивации 350 - 650°С

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

25. Импульсный напуск водорода Титановый анод

26. Импульсный напуск водорода

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

28. С.В. Полосаткин ТПЭ Системы создания плазмы Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73 пятница, 10.45 – 12.20 http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml

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

30. Q - машина Термическая ионизация Формула Саха: Цезий – 3,89 эВ T=2500 K Cs+ Cs0

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

32. Ионизация электронным ударом Сечение ионизации (формула Томсона)

33. Электрический разряд в газах А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Таунсендовская теория пробоя Количество свободных носителей мало (электрическое поле не искажается пространственным зарядом) катод Образование вторичных электронов: - ионизация газа электронным ударом - эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами z Таунсенд нашел явный вид предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в электрическом поле он достигает энергии, превышающей потенциал ионизации: e E z > I. 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

34. 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

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

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

37. Электрический разряд в газах А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Темный разряд Тлеющий разряд дуга Vf Напряжение на промежутке Нормальный тлеющий разряд 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 100 Разрядный ток в амперах

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

39. Ud=α+β×l Малое приэлектродное падение потенциала α(10-40 В) Высокая плотность тока (102-103 А/см2 ) Термическая ионизация газа в межэлектродном промежутке (Т =4000-6000 К) Термоэлектронная эмиссия на катоде Катод Анод Uk Ud Ua ld Свойства дуги как разряда в газе

40. Плазменные пушки(АМБАЛ) Начальная плазма АМБАЛ 1013 см-3, 20 см, 1.5 Тл Кольцевая плазменная пушка плотность 1013 – 1015 см-3 Температура 2 – 20 эВ Радиальное электрическое поле приводит к турбулентному нагреву плазмы (неустойчивость Кельвина - Гельмгольца) Тe до 50 эВ

41. Плазменные пушки(ГДЛ) Начальная плазма АМБАЛ 4*1013 см-3, 11 см, 0,22 Тл, пробки 15 Тл Плазменная пушка в неоднородном магнитном поле плотность 1013 – 1014 см-3 Температура 2 – 20 эВ

42. 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

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

44. Схема питания источника плазмы 1 2 5 кА J(z) Jtest Jout 3 • -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