| Abstract: | The dissertation was implemented in-collaboration with international research centers in Europe, who participates in the development of new century thermonuclear reactors process. The existence of more than one plasma facing material at the ITER divertor target (CFC and W) can affect substantially the fuel retention properties of W by formation of deposited hydrocarbon layers and carbides and could lead to significant changes of the mixed-material properties with respect to that of the pure W material. The task of this work is to understand these effects by means of dedicated experimental studies to determine the influence of the various physics processes in the final erosion/redeposition pattern. The goal of the work is the fabrication of W films to be used in plasma – facing components in fusion devices, and the understanding of the mechanism of physical phenomena initiating modification of mechanical properties of W – based thin films on stainless steel substrates under Ar ion irradiation and under high-flux, low-energy H+ ions irradiation in the range of temperatures. During this work there were fabricated nanocrystalline W coatings on carbon based materials (including cfcs) using magnetron sputtering technique. Main parameters: area of deposits – 20 x 17 cm, thickness homogeneity – better than 20%, coating thickness – 3-6 µm. The microstructure of w coatings was densified by deposition under continuous ion bombardment and optimization of grain size and texture to improve working parameters of coatings according to the requirements for W coatings as plasma facing material in components on existing fusion devices. The improvement of mechanical properties (nanohardness and wear resistance) of w coatings was achieved by optimization deposition parameters employing magnetron sputtering technique with variable ionic component extracted from plasma under negative bias. In purpose to confirm the results structural and compositional investigation of W coatings were performed. It is shown that the surface properties of materials under high-flux low energy in irradiation at elevated temperatures may differ significantly from those predicted by the models developed for low-flux in irradiation at low temperatures. The surfaces become more dynamic and flexible: surface atoms are highly mobile. The presence of activated atoms changes the surface morphology and initiates mixing of atoms between monolayer and formations of an altered layer on the surface. In the work there is presented plasma erosion processes of tungsten film with different carbon content in Ar+H2 plasmas with agreement with mathematical calculations. It also included calculated dependencies of the erosion rate of two – elemental target under ion irradiation on the composition of target material. The model explaining, surface restructuring and re-deposition effects in W film under high-flux, high-fluency, low-energy hydrogen ion irradiation with the objective of understanding the prevailing process in the mechanism of restructuring and re-deposition processes in W films for conditions close to those in tokamak plasmas is described in the dissertation.
Tiriamasis darbas nagrinėja fundamentalias plazmos sąveikos su termobranduolinio reaktoriaus sienelėmis problemas. Jis atliktas bendradarbiaujant su tarptautiniais tyrimų centrais Europoje, dalyvaujančiais kuriant naujos kartos termobranduolinį reaktorių. W dangos, gautos magnetroniniu garinimo būdu, buvo paveiktos argono jonų su anglies priemaišomis spinduliuote esant skirtingiems slėgiams eksperimentiniame įrenginyje. Pagrindinis dėmesys sutelktas į teigiamų jonizuotų dalelių ir plazmos sąveiką su volframo danga anglies adsorbcijos metu ir jų poveikį volframo dangos savybėms. Darbe ištirtos ir išaiškintos sąlygos, prie kurių anglis, readsorbuota iš plazmos, efektyviai pernešama į W tūrį. Darbe parodyta, kad, vykstant vienalaikei C adsorbcijai ir joninei spinduliuotei, anglis efektyviai pernešama nuo paviršiaus į tūrį, kai W paviršius tik dalinai padengtas adsorbuota anglimi. Kai W paviršius padengtas ištisine C plėvele, anglies pernešimas nuo paviršiaus į tūrį yra blokuojamas. Gautų spinduliuote paveiktų dangų savybės buvo nagrinėjamos sekančiomis technologijomis: paviršiaus topografinė analizė atlikta naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą, atominės jėgos mikroskopą, dangų struktūra tirta su rentgeno spindulių difraktometru, dangų profilio analizė atlikta rusenančio išlydžio optinė spektroskopija. Panaudoti analizės metodai sudarė galimybes tirti dangų elementinę sudėtį, mikrostruktūrą, paviršiaus reljefą ir atlikti elementinės sudėties profiliavimą nuo paviršiaus gilyn. Taip pat parodytа, kad formuojamų medžiagų pagrindinės savybės – tankis, elektrinis laidumas, stechiometrinė sudėtis – priklauso nuo tarpusavyje koreliuojančių proceso parametrų (dujų slėgio, išlydžio įtampos ir srovės stiprumo, dengimo greičio). Darbe nagrinėjama W dangų mechaninių savybių priklausomybė nuo anglies kiekio jose panaudojant mechaninio atsparumo erozijai tyrimus. Gautieji eksperimentiniai rezultatai apibendrinti matematiniu modeliu. Teorijos ir eksperimento sutapimas gautas padarius prielaidą apie tai, kad didelių srautų ir mažų energijų jonams sąveikaujant su medžiagomis jų paviršius tampa dinaminis, tai yra sluoksnyje vyksta intensyvi paviršinio sluoksnio restruktūrizacija ir atomų maišymasis tarp viršutinių monosluoksnių. Parodyta, kad mobilių adatomų (aktyvuoti paviršiniai atomai su susilpnintais ryšiais su medžiaga) egzistavimas keičia medžiagų erozijos kinetiką ir formuoja papildomus atomų srautus nuo paviršiaus į tūrį. Darbe pateiktas netiesinis modelis, kuris aprašo W1-xCx joninę fizikinę eroziją ir įvertina medžiagos erozijos greičio priklausomybę nuo medžiagos sudėties, tai yra x. Ištirta erozija W1-xCx dangų su skirtinga C koncentracija jose Ar ir Ar+H2 plazmoje. Pirmą kartą parodyta, kad W atomų erozijos tikimybė nepriklauso nuo C koncentracijos medžiagoje, o C atomų erozijos tikimybė iš W matricos priklauso nuo C koncentracijos joje. |
