npeЯдерная физика и инжинирингNuclear Physics and Engineering2079-56292079-5637МИФИ10.1134/S2079562920040107npe-59Research ArticleМатериалы и технология для новых источников энергииMaterials and Technologies for New Sources of EnergyО возможности применения спектроскопии рассеяния протонов кэвных энергий для анализа поверхности обращенных к плазме элементов непосредственно в термоядерных установках с собственным магнитным полемOn the Possibility of Surface Analysis by keV-Energy Proton Scattering in Magnetic Fusion DevicesКурнаевВ. А.KurnaevV. A.

115409; Каширское ш. 31; Москва

115409; Moscow

БулгадарянД. Г.BulgadaryanD. G.

115409; Каширское ш. 31; Москва

115409; Moscow

DGBulgadaryan@mephi.ruСинельниковД. Н.SinelnikovD. N.

115409; Каширское ш. 31; Москва

115409; Moscow

Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian Federation202022042024114202207Copyright © Курнаев В.А., Булгадарян Д.Г., Синельников Д.Н., 20242024Курнаев В.А., Булгадарян Д.Г., Синельников Д.Н.Kurnaev V.A., Bulgadaryan D.G., Sinelnikov D.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://npe.elpub.ru/jour/article/view/59

   Процессы эрозии и переосаждения обращенных к плазме материалов термоядерных установок (ТЯУ) являются важнейшими факторами, влияющими на конечные параметры получаемой плазмы, ресурс первой стенки и ТЯУ в целом. Метод анализа тонких слоев на поверхности с помощью рассеяния ионов водорода кэвных энергий расширяет функциональные возможности определения скорости эрозии и осаждения слоев с большим атомных номером на подложку из легкого элемента, либо, наоборот, легких слоев на тяжелую подложку, что характерно для современных термоядерных установок. Анализ осаждения и/или эрозии заключается в помещении в плазменную установку специальных маркерных мишеней со слоями материала с малым атомным номером и/или материала с большим атомным номером в те места установки, в которых предполагается исследовать скорость эрозии и/или осаждения, с последующим анализом энергетических спектров, отраженных от экспонированных мишеней ионов водорода с энергиями в килоэлектронвольтном диапазоне. В данной работе приведены оценки применимости данной методики непосредственно в ТЯУ с учетом характерных параметров пристеночной плазмы.

   Erosion and redeposition processes of plasma-facing materials in fusion devices are the essential factors affecting near-wall and core plasma parameters and device lifetime. To determine the possibility of in situ analyzing these processes we developed the experimental model of built-in surface analyzer utilizing low-energy proton scattering spectroscopy. We present the results of experimental approbation of the proposed method. The processes of erosion and redeposition of plasma-facing materials in fusion devices are some of the most important factors affecting the plasma parameters and the resource of the first wall. The method of analyzing thin layers on a surface using keV-energy proton scattering expands the functionality of determining the rate of erosion and deposition of layers with a large atomic number on a substrate from a light element, or, conversely, light layers on a heavy substrate, which is typical for modern fusion installations. The analysis of deposition and/or erosion consists in placing special marker targets with layers of material with a low atomic number and/or material with a large atomic number in the places of the installation in which it is supposed to study the rate of erosion and/or deposition, with the subsequent analysis of energy spectra of hydrogen ions reflected from exposed targets with energies in the kiloelectron-volt range. In this paper, estimates of the applicability of this technique directly in a fusion device are given, considering the characteristic parameters of the near-wall plasma.

взаимодействие плазмы с поверхностьюионное рассеяниеанализ поверхностиplasma-surface interactionion scatteringsurface analysisРабота выполнена при поддержке Программы повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИThis work was carried out with the support of the Program for increasing the competitiveness of National Research Nuclear University MEPhIReferencesPhilipps V., Wienhold P., Kirschner A., Rubel M. // Vacuum . 2002. V. 67. P. 399.Philipps V., Wienhold P., Kirschner A., Rubel M. // Vacuum . 2002. V. 67. P. 399.Naujoks D., Behrisch R. // J. Nucl. Mater. 1995. V. 220−222. P. 227.Naujoks D., Behrisch R. // J. Nucl. Mater. 1995. V. 220−222. P. 227.Bulgadaryan D., Kolodko D., Kurnaev V., Sinelnikov D. // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 748. P. 012016.Bulgadaryan D., Kolodko D., Kurnaev V., Sinelnikov D. // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 748. P. 012016.Bulgadaryan D., Kurnaev V., Sinelnikov D., Efimov N. // J. Phys.: Conf. Ser . 2018. V. 941. P. 012022.Bulgadaryan D., Kurnaev V., Sinelnikov D., Efimov N. // J. Phys.: Conf. Ser . 2018. V. 941. P. 012022.Bulgadaryan D., Sinelnikov D., Kurnaev V., Efimov N., Borisyuk P., Lebedinskii Y. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res B., Sect. B. 2019. V. 438. P. 54.Bulgadaryan D., Sinelnikov D., Kurnaev V., Efimov N., Borisyuk P., Lebedinskii Y. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res B., Sect. B. 2019. V. 438. P. 54.Bulgadaryan D.G., Sinelnikov D.N., Efimov N.E., Kurnaev V.A. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., Sect. B. 2020. V. 84. P. 742.Bulgadaryan D.G., Sinelnikov D.N., Efimov N.E., Kurnaev V.A. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys., Sect. B. 2020. V. 84. P. 742.Булгадарян Д.Г., Синельников Д.Н., Сорокин И.А., Курнаев В.А., Ефимов Н.Е. // Ядерная физика и инжиниринг. 2019. Т. 10. № 1. С. 63-66.Bulgadaryan D.G., Sinelnikov D.N., Sorokin I.A., Kurnaev V.A., Efimov N.E. // Phys. At. Nucl. 2019. V. 82. P. 1364Курнаев В.А., Протасов Ю.С., Цветков И.В. // Введение в пучковую электронику. 2008. Москва: Тровант.Курнаев В.А., Протасов Ю.С., Цветков И.В. // Введение в пучковую электронику. 2008. Москва: Тровант.Koborov N.N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 1997. V. 129. P. 5.Koborov N.N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 1997. V. 129. P. 5.Смирнов Б.М. // Физическая энциклопедия (в 5-ти томах). Гл. ред. Прохоров А.М. 1988. Москва: Советская энциклопедия.Смирнов Б.М. // Физическая энциклопедия (в 5-ти томах). Гл. ред. Прохоров А.М. 1988. Москва: Советская энциклопедия.Stangeby P.C. // Nucl. Fusion. 2012. V. 52. P. 083012.Stangeby P.C. // Nucl. Fusion. 2012. V. 52. P. 083012.Kurnaev V.A., Tatarinova N.V. // J. Nucl. Mater. 1995. V. 220−222. P. 939.Kurnaev V.A., Tatarinova N.V. // J. Nucl. Mater. 1995. V. 220−222. P. 939.Borodkina I., Borodin D., Kirschner A., Tsvetkov I.V., Kurnaev V.A., Komm M., Dejarnac R., JET Contributors // Contrib. Plasma Phys. 2016. V. 56. P. 640.Borodkina I., Borodin D., Kirschner A., Tsvetkov I.V., Kurnaev V.A., Komm M., Dejarnac R., JET Contributors // Contrib. Plasma Phys. 2016. V. 56. P. 640.Wiesen S., Brezinsek S., Wischmeier M., la Luna E.D., Groth M., Jaervinen A.E., de la Cal E., Losada U., de Aguilera A.M., Frassinetti L., Gao Y., Guillemaut C., Harting D., Meigs A., Schmid K., Sergienko G., JET Contributors // Nucl. Fusion. 2017. V. 57. P. 066024.Wiesen S., Brezinsek S., Wischmeier M., la Luna E.D., Groth M., Jaervinen A.E., de la Cal E., Losada U., de Aguilera A.M., Frassinetti L., Gao Y., Guillemaut C., Harting D., Meigs A., Schmid K., Sergienko G., JET Contributors // Nucl. Fusion. 2017. V. 57. P. 066024.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.