Проводимость элементов вакуумной системы

Диафрагма:M

RTFU

8

4

Круглый трубопровод: M

T

l

DU

3

1.38

23 мF116

сПамU

Воздух:

м

м

сПам l

DU

3

1213

Воздух:

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

Поглощение водорода металлами

Адсорбция

Хемосорбция Растворение Образование гидридов

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ES

ES

½ H2

H

ED

ED

Металл

Ад

сорб

ция

(H

2)

Хем

осор

бц

ия (

H)

Энергетическая диаграмма водорода в металле

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ES

ES

½ H2

H

ED

ED

Металл

Энергетическая диаграмма водорода в металле

Поток молекул водорода на поверхность металла

ppT

vn ÏàññìH

20109,1ˆ

4

112

2

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ESEС½ H2

H

ED

ED

Металл

Поглощение на поверхности металлов

Коэффициент прилипания (sticking)

kT

Ess C2

exp0

Чистая поверхность EС=0, s=1Загрязненная поверхность EС~0,1 эВ

Поглощенный поток (хемосорбция)

21 122

sf H

H– поверхностная плотность водорода в хемосорбированном состоянии

f1

32m

H

n

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ES

EB

½ H2

H

ED

ED

Металл

Уход с поверхности в толщу металла

kT

EEnf BA

m exp323

nm– концентрация атомов металла~1013 c-1частота колебаний атома водорода

EA

Поток водорода в вакуум

kT

EEnf CB

m

2exp2 232

2

f3f2

Поглощение на поверхности металлов

EС

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ES½ H2

H

ED

ED

Металл

Выход из толщи металла на поверхность

kT

EEnnf SA

Hm exp1 314

nm– концентрация атомов металла~1013 c-1частота колебаний атома водорода

Диффузия внутрь металла

xn

Df H

5

Диффузия в толщу металла

f5f4

kTE

DD Dexp0

EA

Равновесная концентрация

05 f

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ES½ H2

H

ED

ED

Металлf5f4

f3f2

f1

21 ff

5,0

32

0

2exp

2exp

12

kTEEn

kTEs

CBm

CH

43 ff

kT

EEnn SB

mH exp1

EB

EAEС

kT

En

sn S

mH

H exp3202

Равновесная концентрация

-1

0

1

2

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5x, nm

E,

eV Вакуум

Ta

Cu

ES½ H2

H

ED

ED

Металлf5f4

f3f2

f1

kTE

pKn SsH exp210

- Закон Сивертса

EB

EAEС

Энергия растворимости

kTE

pKn SsH exp210 - Закон Сивертса

ES>0 эндотермическое растворение (большинство металлов, Cu, Al, нерж.сталь)

ES<0 экзотермическое растворение (переходные металлы, Pd, Ta, V, Nb, Zr)

Энергия активации диффузии

ED, эВ

Энергия растворения,

ES, эВ

V 0.045 -0.34

Ta 0.14 -0.35

Pd 0.23 -0.11

W 0.39 1.03

Cu 0.4 0.37

Поглощение молекулярного и атомарного водорода

Чистая поверхность – идентичное поведение для молекулярного и атомарного потокаЗагрязненная поверхность (1 монослой) – отличие 10-105 раз, температурная зависимость

kT

En

sn S

mH

H exp3202

Молекулярный водород

kT

EEn

sn CS

mH

H exp320

Атомарный водородЮ0

Диффузия водорода в металле

Dt

x

D

ttxn

4exp),(

2

Характерное время диффузии через 100 мкм мембрану для разных материалов при T=400 К

W 6000 cTi 57000 cNi 2200 cBe 9000 cV 1.2 cTa 14 cNb 6.5 c

Существуют вещества с очень большой скоростью диффузии

Диффузионные натекатели

Избирательная проницаемость материалов для различных газов

Водород – палладий, палладий-сереброНапуск чистого водорода

Сверхпроницаемость

Если скорость диффузии в мембране велика, поток водорода будет определяться рекомбинацией на поверхности

kT

En

sn S

mH

H exp3202

pp

Tvn ÏàññìH

20109,1

ˆ4

112

2

P1 P2

1

2

2

1

s

s

P

P

Управляя свойствами поверхности, можно добиться одностороннего пропускания водорода

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

Образование гидридов

При больших концентрациях водорода могут образовываться упорядоченные структуры (гидриды)

-фаза – неупорядоченный твердый раствор водорода в металле-фазы – упорядоченные растворы

Диаграмма накопления водорода в металле

Terminal solid solubility (TSS) –предельное содержание в виде твердого раствораЕсли концентрация превышает TSS, часть водорода образует гидрид (упорядоченную структуру)

Накопление водорода в титане

– фаза – эндотермчески растворяет водород, предельная концентрация 0,002% вес

При нагреве (800 градусов) переходит в – фазуЭкзотермически растворяет водород, стабилизируется водородомПредельная концентрация 0,2% вес

0 10 20 30 40 50 60Î òí . ñî ä åðæàí èå âî ä î ðî äà, % àò.

0

200

400

600

800

Òåì

ïåð

àòóð

à, î Ñ

Накопление водорода в титане

Стадии насыщения титана:

Нагрев до 800 градусовОхлаждение в атмосфере водорода

0 10 20 30 40 50 60Î òí . ñî ä åðæàí èå âî ä î ðî äà, % àò.

0

200

400

600

800

Òåì

ïåð

àòóð

à, î Ñ

Накопление водорода в титане

Равновесное давление разложения гидрида

100 200 300 400 500 60010

-6

10-4

10-2

100

102

104

Temperature, oC

Pre

ssu

re, P

a

Формула Вант Хоффа

kT

эВПаP

6.1exp102,2 14

www.pulsetech.ru

Селективный реверсируемый натекатель водорода

Генератор водорода – пористый титан

Нераспыляемые геттеры

Материалы с пористой структурой и высокой скоростью диффузиигазов Пористый титан, TiV, ZrAl, Tактивации 350 - 650С

Импульсный напуск водорода

e, 1МэВ

e, 30 кэВ

Быстрый нагрев фольги для получения локального облака водорода

Импульсный напуск водорода

Титановый анод

Импульсный напуск водорода

Добавить –Накопители водорода для транспорта и прочВодородный тепловой насосТермодинамика водорода

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

Системы создания плазмы

Современные плазменные установки требуют создания начальной (мишенной) плазмы

Поверхностная ионизация – Q машинаИонизация излучением (фотоионизация)Ионизация газа током разряда (электронным ударом)

Q - машина

Термическая ионизация

Формула Саха:

Цезий – 3,89 эВ

T=2500 K

Cs0

KTI

dBa

i en

n 3

2 1~

Cs+

Ионизация излучением

Однофотонная ионизация h> I ~ 13 эВ – вакуумный ультрафиолет ( ~100 нм)

Многофотонная ионизация – пробой в поле излученияТребуется источник излучения с большой плотностью энергии (лазер)

Ионизация электронным ударом

Сечение ионизации (формула Томсона)

А.В.Бурдаков.Физика плазмы.

Таунсендовская теория пробояЭлектрический разряд в газах

Количество свободных носителей мало(электрическое поле не искажается пространственным зарядом)Образование вторичных электронов:- ионизация газа электронным ударом- эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами

катод

предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в электрическом поле он достигает энергии, превышающей потенциал ионизации:

e E z > I.

00 n

EF

n

Таунсенд нашел явный вид

z

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/ ).

)exp(0 eE

IAn

eE

IzP

Б.А.Князев.“Низкотемпературная плазма и газовый разряд” Новосибтрск 2003

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах

Длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа

00 n

A

Vn

V

))/(

exp(00 nE

BA

n

Тогда первый коэффициент Таунсенда

Распределение по длине

- уравнение непрерывностиrVnnVnndz

dnV eiie

ed 0

рекомбинациейпренебрегаем

dzndzV

Vnnzn

zze

z

d

izee

0

0

0

00 expexp)(

Плотность электронов экспоненциально возрастает при их движении к аноду-ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАВИНА

Условие зажигания разряда:число электронов, число ионов, созданных выбиваемых из испущенным с катода 1 катода ионом электроном

- второй коэффициент Таунсенда - коэффициент вторичной эмиссии

0

γ exp 1 1L

x dx

ln 1 1L

- первый коэффициент Таунсенда - количество актов ионизации на единицу длины пробега

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газахВ другом виде:

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах

Кривая ПашенаU E L

ln

ln 1 1

BpLU

ApL

1~optL n

длина свободногопробега

Uf

Напряжение пробоя

А.В.Бурдаков.Физика плазмы. Электрический разряд в газах

Нап

ряж

ение

на

пром

ежут

ке

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 100

Разрядный ток в амперах

Темный разряд Тлеющий разряд дуга

Vf

Нормальный тлеющий разряд

Дуга

Разогрев поверхности катода за счет ионной бомбардировки

Термоэлектронная эмиссия

Образование катодных пятен

Свойства дуги как разряда в газе

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

ld

Ua

UkUd

Катод Анод

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

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

Система создания начальной плазмы (ГОЛ-3)

П учок

ЗАДАЧИСоздание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровойметаллической вакуумной камереУменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка

пояс Роговского

катушки маг. поля

высоковольтныеэлектроды вакуумная камера

к системеоткачки

выходнойколлектор

плазма

дополнительны й поджиг 0.5 м

Конструкция источника плазмы

•Перенос приемника пучка в область расширителя с пониженным магнитным полем

•Использование электродов, расположенных вне области прохождения пучка

ЗАДАЧИСоздание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровойметаллической вакуумной камереУменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка

30 кВ48 мкФ

Схема питания источника плазмы

•-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

12

3

JoutJtestJ(z)5 кА