Rezumat Teza Doctorat Porosnicu

Embed Size (px)

Citation preview

UNIVERSITATEA DIN BUCURETIFACULTATEA DE FIZIC

Tez de Doctorat ~Rezumat~

Sinteza i caracterizarea filmelor de interes pentru fuziune nuclear prin metoda arcului termoionic n vid (T.V.A.)Corneliu-Constantin Poronicu

Coordonator tiinific: Prof. Univ. Dr. Victor Ciupin

Bucureti, 2011

MulumiriSunt contient c finalizarea tezei de doctorat, prin care se ncheie o etap important n formarea mea profesional se datoreaz i celor care m-au ajutat i mi-au fost alturi, alturi de care am format o echip pe plan profesional. Elaborarea i fundamentarea acestei teze de doctorat a fost posibil numai cu condiia unei ndrumri tiinifice de calitate i a unor condiii adecvate activitii de cercetare pentru obinerea rezultatelor propuse n aceast lucrare. Adresez mulumiri n primul rnd domnului profesor doctor Victor Ciupin, care pe parcursul celor trei ani, ct a durat elaborarea acestei teze de doctorat i atingerea tuturor etapelor necesare obinerii titlului de doctor, mi-a fost aproape cu valoroase sfaturi tiinifice i ncurajri, fr de care aceast misiune nu ar fi putut fi dus la bun sfrit. Mulumiri speciale domnului cercettor dr. Cristian Petrica Lungu pentru ncrederea acordat nc din anul 2007, cnd m-a acceptat ca membru al echipei sale din cadrul lab. 260, n special pentru sprijinul i ndrumarea tiinific de care m-am bucurat de-a lungul devenirii mele ca cercettor, pentru grija printeasc cu care m-a nconjurat n momentele dificile ale acestei profesii. Adresez mulumiri pline de recunotin domnului cercettor dr. Ion Musta, care m-a iniiat n utilizarea instalaiilor i realizarea depunerilor de filme subiri, pentru c a crezut n mine i mi-a transmis o parte din bogata sa experien tiinific, punnd astfel o piatr important la baza formrii mele profesionale. De asemenea, le mulumesc colegilor mei dr. Alexandru Anghel i drd. Ionu Jepu, cu care am purtat numeroase discuii tiinifice i mi-au oferit sugestii competente, care, cred eu, ne-au folosit tuturor n egal msur. mi exprim profunda recunotin, respectul i mulumirile fa de colegii mei Valentin Zaroschi, Mioara oinac, Vasile Drguin si alii care au reprezentat un ajutor de nepreuit, prin cunostinele lor n domeniul tehnic i participarea nemijlocit la obinerea rezultatelor propuse a fi atinse n aceast lucrare. Mulumesc ntregului laborator 260 pentru grija cu care am fost nconjurat i nepreuitele sfaturi tiinifice, importante n atingerea obiectivelor propuse n aceast lucrare. n continuare, mulumesc colaboratorilor de la Max-Planck-Institut fr Plasmaphysik, Garching, care mi-au fost aproape n tot acest timp i mi-au acordat rgazul necesar elaborrii acestei teze. O meniune special pentru domnul dr. Kayuzoshi Sugiyama, fr a le crui cunotine despre analiza cu fascicule de ioni nu ar fi putut fi elaborat aceast lucrare. M simt dator a le mulumi n continuare tuturor dasclilor care m-au cluzit i care mi-au druit o parte din cunotinele lor. Mulumesc ntregului colectiv al Catedrei de Fizica Solidului din cadrul Facultii de Fizic, Universitatea din Bucureti, care a contribuit la formarea mea profesional. Mulumesc cadrelor didactice din cadrul Facultii de Fizic care de-a lungul anilor de studiu au contribuit la formarea mea ca fizician. n final, mulumesc familiei mele pentru inelegerea de care a dat dovad n toat aceast perioad, n special soiei mele Aida-Elvira i n primul rnd fiului meu LucaDavid, care nu m-a lsat s dorm nopile i s lucrez zilele, oferindu-mi timp berechet pentru a gndi modul de elaborare al acestei teze, crora le dedic aceast lucrare.

CuprinsIntroducere................................................................................................01 Capitolul I Descrierea materialelor de interes i a diferiilor compui pentru acest studiu................................................................02I.1 Beriliu......................................................................................................03 I.2 Carbon......................................................................................................06 I.3 Wolfram...................................................................................................07

Capitolul II Metoda arcului termoionic n vid folosit pentru obinerea filmelor compozite de interes pentru fuziune............10I.1. Metode de depunere................................................................................10 I.2. Metodologie............................................................................................10 I.3. Avantajele arcului termoionic n vid .....................................................11

Capitolul III Metode i tehnici de investigare structural i morfologic ale filmelor compozite de interes pentru fuziune........................ 12 Capitolul IV Stadiul actual al cercetrilor n domeniul interaciei plasm-perete reactor de fuziune.......................................................14IV.1 Obtinerea si caracterizarea materialelor mixte de tip Be-W.................14 IV.2 Influena morfologiei de suprafa asupra reteniei de deuteriu n filmele de beriliu preparate folosind tehnologia arcului termoionic n vid...........................................................................................15 IV.3 Consecinele reteniei i eliberrii de deuteriu din materialele mixte pe baz de Be folosite pentru gestionarea cantitii de tritiu n ITER...............18

Capitolul V Obinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip C -W.. ............................... .............................................................19V.1 Montajul experimental...........................................................................19 V.2 Rezultate experimentale........................................................................19 V.3 Analiza compoziional prin GDOES ...................................................21 V. 3 Analize compoziionale i chimice prin metoda ESCA a filmelor de tip C-W ...................................................................................................22

Capitolul VIObinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip Be -W.. ............................... 24 VI.1. Montajul experimental.........................................................................24 VI.2. Sistematizarea probelor........................................................................24 VI.3. Analiza probelor obinute.....................................................................25 VI.3.1 Analiza de suprafa i de compoziie................................................25 VI.3.2 Analiza de compoziie n adncime a filmelor obinute.....................26 VI.3 Studii asupra reteniei i desorpiei ......................................................28

Capitolul VII Obinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip Be -C...............................................................................................32VII.1 Montaj experimental............................................................................32 VII.2 Analiza probelor:.................................................................................32 VII.3 Studii privind retenia i desorbia n filmele compozite de tip Be-C ...................................................................................................33

Capitolul VIII Obinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip Be C- W.............................................................................. ............38VIII.1 Prepararea straturilor mixte de Be-C-W ............................. .............38 VIII.2 Caracterizarea morfologic i compoziional a filmelor preparate........... ...........................................................................................38 VIII.3Studii privind retenia desorbtia deuteriului........................................41 Concluzii........................................................................................44 Bibliografie....................................................................................47

IntroducereDezvoltarea experimental a reactoarelor de fuziune nuclear controlat este o sarcin extrem de dificil. Prima metod tehnologic propus pentru realizarea fuziunii definete reactorul cu confinare magnetic. n cadrul acestei metode, combustibilul nuclear este plasat n interiorul unui electromagnet toroidal (Tokamak), al crui scop este realizarea unei confinri de lung durat a nucleelor n zona activ a reactorului (cmpul magnetic al Tokamak-ului curbeaz prin fora Lorentz traiectoriile nucleelor ncrcate electric i nu le permite s prseasc volumul de reacie). A doua metod tehnologic definete reactorul cu confinare interial. O instalaie tokamak este un tip de dispozitiv care utilizeaz camp magnetic pentru a confina plasma sub forma unui tor (toroidal). Atingerea echilibrului unei plasme stabile necesit linii de cmp magnetic care se deplaseaz n jurul unui tor n form elicoidal. Un astfel de cmp elicoidal poate fi generat prin adugarea unui cmp toroidal (cltorind n jurul torului n cerc) i a unui cmp poloidal ( cltorind n cercuri ortogonal fa de cmpul toroidal). ntr-un tokamak, cmpul toroidal este produs de ctre electromagneii care nconjoar torul, iar cmpul poloidal este rezultatul unui curent electric toroidal care curge n plasm. Acest curent este indus n plasm cu ajutorul unui al doilea set de electromagnei. ntr-un tokamak, nucleii sunt prini n mijlocul unui cmp magnetic de form toroidal (vezi figura). Aceast form a camerei reactorului mpiedic particulele s scape din cmpul magnetic, readucndu-le n mijlocul aciunii atunci cnd au tendina s scape cmpului magnetic. Dup cum se tie, n reactorul termonuclear se manifest un puternic flux caloric, ionic i mai ales de neutroni care poate deteriora peretele prin generarea de crpturi, pulverizri, transporturi de material dintr-o parte n alta a reactorului, desprinderi de straturi superficiale, schimbarea compoziiei chimice a pereilor, etc. Aa cum este prevzut s funcioneze reactorul de fuziune ITER, funcionarea efectiv ncepnd n anul 2018, plasma de tritiu i deuteriu atinge o temperatur de peste 100 milioane de grade i principala problem a funcionrii o reprezint contaminarea plasmei cu materialele peretelui prin mecanismele amintite mai sus. Primul perete este unul dintre componentele principale ale ITER i trebuie proiectat astfel ncat s nlture fluxul caloric din plasm, s reduc efectele nucleare n camera de vidare i s protejeze bobinele supraconductoare contra nclzirii i aciunii radiaiilor. Puterea de fuziune emis este de ordinul a 1500 MW cu un flux de neutroni mediu la perete de 1MW/m2. De asemenea, primul perete trebuie s reziste la sarcinile termice i electromagnetice cauzate de disruptiile de plasm.

1

Figura 1 Macheta instalaiei ITER

Un mare interes pentru funcionarea viitorului reactor termonuclear l reprezint simularea condiiilor aprute n reactor la interacia plasm - perete i studiul schimbrilor ce pot aprea n structura materialelor folosite pentru a se putea lua msuri care s asigure pierderi energetice i de materiale ct mai mici. Combinaiile carbon-wolfran, beriliu-wolfram, beriliu-carbon i beriliu-carbonwolfram nu au fost niciodat testate n tokamak; materialele fiind interesante. n timp ce wolframul este rezistent la temperaturi foarte nalte (se topete la 3695 K) avnd un numr atomic mare, se ionizeaz foarte uor ceea ce face ca eventualii atomi de wolfram ajuni n plasm s provoace o mare absorbie de energie de la ionii de tritiu i deuteriu. Procedura sugerat pentru ndeprtarea tritiului din reactor este coacerea peretelui ITER la temperatur de 515K i coacerea camerei principale la temperatura de 625 K. Depunerile combinatoriale de filme subiri sunt folosite pentru a obine structuri care se presupun a avea caracteristici similare cu suprafeele straturilor mixte obinute n timpul funcionrii ITER. Compozitele depuse prin metoda propus vor fi studiate prin supunerea lor la condiii experimetale asemntoare cu cele existente n ITER n timpul funcionrii (bombardament cu ioni, electroni, neutroni, cu pulsuri termice mari etc.).

2

Capitolul IDescrierea materialelor de interes i a diferiilor compui pentru acest studiuI.1 BeriliulElement bivalent, beriliul se gsete n stare natural n minerale, dar numai n combinaie cu alte elemente. Pietre preioase importante care conin beriliu includ berilul (acvamarinul, smaraldul) i crisoberilul. Elementul liber este un metal de pmnt alcalin, casant i uor, de culoare cenuie. Este folosit cu precdere n aliaje cu rol de agent de ntrire, n special n aliajul beriliu cupru.

Figura I.1. Minereu de beriliu

Proprieti fiziceBeriliul deine unul dintre cele mai ridicate puncte de topire (1560K) dintre metalele uoare. Prezint o rigiditate excepional la ndoire (modulul lui Young - 287 GPa). Modulul de elasticitate al beriliului este cu aproximativ 50% mai ridicat dect al oelului. Combinaia acestuia la care se adaug densitatea relativ sczut i confer beriliului o vitez a sunetului prin el neobinuit n condiii standard (aproximativ 12.9 km/s). Alte proprieti semnificative sunt reprezentate de valorile ridicate pentru cldura specific (1925 Jkg1K1) i conductivitatea termic (216 Wm1K1), recomandnd beriliul ca metalul cu caracteristicile cele mai bune n disiparea cldurii per unitatea de greutate.

AplicaiiBeriliul se folosete n mare parte n aplicaiile militare, aadar informaiile despre acesta nu sunt uor de obinut.

3

Ferestre de raze X

Figura I.2 Fereastra raze X din beriliu

Datorit numrului atomic sczut i absorbiei foarte sczute pentru raze X, cea mai veche i nc cea mai important aplicaie a beriliului este n domeniul ferestrelor de radiaii pentru tuburile cu raze X. Msurile extreme vizeaz puritatea i curenia Be pentru a evita urmele n imaginile cu raze X. Foie subiri de beriliu sunt folosite drept ferestre detector pentru raze X iar absorbia extrem de sczut minimalizeaz efectele nclzirii cauzate de intensitatea ridicat, raze X cu energie sczut tipice radiaiilor din sincroton. Ferestrele pentru vid i tuburile de fascicule destinate experimentelor cu radiaii n sincrotroane sunt manufacturate exclusiv din beriliu. Datorit numrului atomic sczut, beriliul este aproape transparent pentru majoritatea particulelor energetice. Aadar este folosit la construirea nucleului din jurul regiunii de ciocnire n experimentele de ciocnirea particulelor. De notat c toate cele patru experimente principale din detector de la acceleratorul Large Hadron Collider (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb) folosesc beriliu n interior (nucleu). Aplicaii mecanice Datorit rigiditii, greutii uoare i stabilitii dimensionale la o scal larg de temperaturi, metalul beriliu este folosit pentru componente structurale uoare n domeniul aprrii i n domeniul industriei aerospaiale pentru navetele rapide, proiectile de rachete, vehicule spaiale i satelii folosii n comunicare. Cteva rachete pe combustibil uor folosesc ajutaje din beriliu pur. Beriliul este folosit ca agent n crearea aliajelor n producerea de beriliu-cupru, aliaj care conine pn la 2.5% beriliu. Aliajele beriliu-cupru sunt folosite n multe aplicaii datorit combinrii proprietilor de conductivitate electric i termic ridicat, rezisten i duritate ridicate, proprietilor nonmagnetice mpreun cu rezisten bun la corodare i uzur. Aceste aplicaii includ fabricarea electrozilor folosii pentru sudarea electric prin puncte, arcuri, unelte care nu produc scntei i contacte electrice. Extraordinara rigiditate elastic a beriliului a condus la uzul extins al acestui metal n instrumentele de precizie, ex. sisteme giroscopice de ghidare inert i n structura suporturilor pentru sisteme optice. Beriliul a fost de asemenea utilizat pentru pistoalele Jason folosite pentru a cura vopseaua de pe fuzelajele avioanelor. n acest caz, beriliul a fost utilizat n aliaj cu cuprul i folosit ca agent de ntrire. Oglinzi Oglinzile din beriliu prezint un interes particular. Oglinzile cu suprafa mare, frecvent ntlnite cu structur de fagure, se folosesc pentru sateliii meteorologici unde 4

dimensiunile de stabilitate pe termen lung i de greutate sczut sunt critice. Oglinzile mici de beriliu se folosesc n sistemele de ghidare optic i n sistemele de controlare a focului, ex. tancuri de lupt fabricate n Germania Leopard 1 i Leopard 2. n aceste sisteme, se cere o micare foarte rapid a oglinzii care impune din nou mas mic i rigiditate ridicat. De obicei, oglinda din beriliu este acoperit cu electrozi placai cu nichel care pot fi mai uor lefuii pn se obine o finisare optic mai fin dect beriliul. Unele aplicaii cer ca bucata de beriliu s fie polizat fr a fi acoperit. Acest tip de procedeu se aplic n mod particular funcionrii criogenice unde dezechilibrele de dilatare termic pot cauza ndoirea stratului superficial. Telescopul spaial James Webb va avea 18 seciuni hexagonale din beriliu pentru ferestre. Deoarece JWST poate rezista unei temperaturi de 33K, oglinda este realizat din beriliu, capabil s reziste unei temperaturi extrem de sczute mult mai bine dect sticla. La astfel de temperaturi beriliul se contract i se deformeaz mai puin dect sticla i se menine mai uniform. Din acelai motiv, componentele optice ale telescopului spaial Spitzer sunt n ntregime din metal - beriliu. Aplicaii magnetice Beriliul este un metal non magnetic. Prin urmare, instrumentele fabricate din beriliu sunt folosite n domeniul militar sau naval de ctre echipele care se ocup cu artileria exploziv pentru a desfura activiti n sau n apropierea minelor navale deoarece aceste mine au de obicei fitile de amorsare magnetice. Se regsete de asemenea n ntreinerea i construirea materialelor pentru mainile de imagistic a rezonanei magnetice (MRI). Aplicaii nucleare Plci subiri sau folii de beriliu sunt folosite uneori n crearea armelor nucleare asemeni stratului exterior al miezului de plutoniu din fazele primare ale bombelor termonucleare, poziionat astfel nct s nconjoare materialul care fisioneaza. Aceste straturi de beriliu sunt buni reflectori de neutroni aa cum se comport n reactoarele nucleare moderate de beriliu. Beriliul este folosit de asemenea n mod obinuit ca surs de neutroni n experimentele realizate n cadrul laboratoarelor care necesit un numr relativ mic de neutroni (dect s se foloseasc un ntreg reactor nuclear). n aceste experimente, o int de beriliu-9 este bombardat cu particule energetice alfa dintr-o surs radioactiva. n cadrul reaciei nucleare care se creeaz, nucleii de beriliu sunt transmutai n carbon-12, i se emite un neutron liber care cltorete n aproape aceeai direcie n care erau particulele alfa. Uneori beriliul mai este folosit ca surs de neutroni pentru armele nucleare, surs n care beriliul este combinat cu un emitor de particule alfa, asemeni poloniu-210, radiu-226 sau americiu-241. Aa numitul iniiator de neutroni folosit la crearea bombelor atomice timpurii folosea o combinaie de beriliu i poloniu. Beriliul se folosete de asemenea i n reactorul de cercetare privind fuziunea nuclear JET i va fi folosit i n ITER pentru confectionarea primului perete care va fi in apropierea plasmei de fuziune. De asemenea, acest metal se utilizeaza in fabricarea tecilor de combustibil nuclear utilizate in reactoarele de tip CANDU, datorit bunei combinri a proprietilor mecanice, chimice i nucleare.

5

Aplicaii electronice Beriliul este un dopant de tipul p n semiconductoarele compuse III-V. Este folosit la scar larg n materiale precum GaAs, AlGaAs, InGaAs i InAlAs crescute prin epitaxie cu facicul molecular (MBE) . Oxidul de beriliu este util n multe aplicaii care necesit proprietile combinate ale unui izolator electric i ale unui excelent conductor termic, cu rezisten i duritate ridicate dar i un punct de topire ridicat. Oxidul de beriliu se utilizeaz adesea ca plcu izolatoare n tranzistorii de putere mare ai transmitorilor de radiofrecventa.

ToxicitateGradul de toxicitate al beriliului depinde de durata, intensitatea i frecvena expunerii (caracteristici ale dozei) precum i de forma beriliului i modul de expunere (inhalare, cutanat, ingerare). Conform Ageniei Internaionale pentru Cercetarea Cancerului (IARC), beriliul i compuii si se regsesc n categoria 1 a carcinogenelor; pot cauza cancerul att animalelor ct i fiinelor umane. Berilioza cronic este o boal pulmonar i granulomatoas cauzat de expunerea la beriliu. Boala acut sub form de pneumonie chimic a fost raportat prima dat n Europa n anul 1933 iar n Statele Unite ale Americii n anul 1943. Cazuri de berilioz cronic au fost descrise pentru prima dat n anul 1946 contactat de muncitorii care lucrau n fabricile de manufacturare a lmpilor fluorescente n Massachusetts. n multe cazuri, berilioza cronic produce sarcoidoza iar stabilirea unui diagnostic diferenial este adesea dificil de realizat. Ocazional a ucis muncitori care lucrau la proiectarea armelor nucleare, cum este Herbert Anderson. Recent, a fost realizat cu succes un test pentru a verifica concentraia de beriliu n aer i pe suprafee, publicat ca standard internaional de acord voluntar (ASTM D7202; www.astm.org). Procedura utilizeaz diflorur de amoniu diluat pentru dizolvarea i detectarea flourescent a legturii de beriliu n hidroxibenzochinolina sulfonat, permind detectarea de pn la 100 de ori mai mic dect limita recomandat pentru concentraia de beriliu la locul de munc. Fluorescena crete odat cu creterea concentraiei de beriliu. Noua procedur a fost testat cu succes pe o varietate de suprafee i este eficient n dizolvarea i ultra detectarea urmelor de oxid de beriliu refractar i de beriliu silicic. (ASTM D7458).

I.2 CarbonulCarbonul este elementul chimic reprezentat prin simbolul C i are numrul atomic 6. Membru al grupei 14 n tabelul periodic al elementelor, carbonul este non metalic i tetravalent avnd patru electroni care pot forma legturi chimice covalente. Exit trei izotopi care se formeaz natural, 12C and 13C stabili, n timp ce 14C este radioactiv, descompunnd-se cu un timp de injumatatire care dureaz aproximativ 5730 de ani. Carbonul este unul dintre puinele elemente cunoscute din antichitate. Denumirea acestuia provine din limba latin, carbo, crbune. Exist cteva forme alotropice de carbon dintre care, cele mai cunoscute sunt grafitul, diamantul i carbonul amorf. Proprietile fizice ale carbonului variaz foarte mult n funcie de forma alotropic. De exemplu, diamantul este extrem de transparent n timp ce grafitul este opac i de culoare neagr. Diamantul se numr printre cele mai dure materiale cunoscute n timp ce grafitul este suficient de moale nct s lase o dung pe hrtie (de aici i denumirea dat n limba greac, care nseamn a scrie). Diamantul este caracterizat prin conductivitate electric sczut spre deosebire de grafit care este un 6

foarte bun conductor. n condiii normale, diamantul prezint cea mai ridicat conductivitate termic dintre toate materialele cunoscute. n condiii normale, toate formele alotropice sunt solide dar grafitul este cel mai stabil din punct de vedere termodinamic. Toate formele de carbon sunt foarte stabile, necesitnd temperatur ridicat pentru a intra n reacie chiar i cu oxigenul. Cea mai comun stare de oxidare a carbonului n compuii anorganici este +4, n timp ce +2 se regsete n monoxidul de carbon i alte complexe de tranziie metal-carbon. Cele mai mari surse de carbon anorganic sunt calcarul, dolomitul i dioxidul de carbon dar cantitile semnificative apar n depozitele organice de crbune, turb, ulei i clatrat (metan). Carbonul este elementul care formeaz cei mai muli compui, avnd aproximativ zece milioane de compui organici puri descrii pn n prezent, reprezentnd o mic parte dintre compuii care pot aprea teoretic n condiii standard.

GrafitulProprietile grafitului Grafitul are o structur pe straturi, planar. n fiecare strat, atomii de carbon sunt aranjai n reea hexagonal cu o separare de 0.142 nm, iar distana dintre planuri este de 0.335nm. Cele dou forme de grafit cunoscute, alfa (reea hexagonal) i beta (reea romboedric), au proprieti fizice asemntoare (cu excepia straturilor grafene care sunt lipite puin diferit). Grafitul cu reea hexagonal poate fi att plat ct i curbat. Forma alfa poate fi transformat n beta prin tratament mecanic iar forma beta poate fi transformat alfa atunci cnd este nclzit la o temperatur de peste 1300 C. Stratificarea contribuie la proprietatea grafitului de a avea o densitate sczut. Proprietile acustice i termice ale grafitului sunt puternic anizotopice deoarece fononii se propag rapid n planurile strns legate dar cltoresc ncet de la un plan la cellalt. Grafitul este conductor electric datorit vastei delocalizri electronice n straturile de carbon (fenomen numit aromatizare). Aceti electroni de valen se mic liber, aadar pot conduce electricitatea. ns electricitatea este condus numai n planul straturilor. Atunci cnd un numr mare de defecte cristalografice unete aceste planuri, grafitul pierde proprietile de lubrifiere i devine ceea ce se numete carbon pirolitic. De asemenea, grafitul este puternic diamagnetic, aadar va pluti n aer deaupra unui magnet puternic. Grafitul natural i cel cristalin nu sunt folosii n stare pur ca materiale structurale dect arareori, datorit planurilor de forfecare, fragilitii i proprietilor mecanice inconstante.

I. 3 WolframulWolframul, cunoscut i sub denumirea de tungsten, este un element chimic avnd simbolul W si numrul atomic 74. Metal de culoare gri n condiii standard atunci cnd nu este combinat, wolframul se gsete n stare natural pe Pmnt numai n compui chimici. Remarcabil este de asemenea densitatea ridicat, de 19.3 ori mai mare dect cea a apei. Densitatea sa este puin mai mare dect cea a uraniului i cu 71% mai mare dect cea a plumbului. Wolframul cu puine impuriti este adesea casant i dur, fcndu-l dificil de prelucrat. ns wolframul foarte pur este mai flexibil i poate fi tiat cu ferstrul pentru metale. 7

n form nealiat, metalul este folosit n special n aplicaii electrice. Numeroasele aliaje de wolfram au aplicaii multiple, cele mai notabile fiind filametele becurilor, tuburi de raze X (att filament ct i int) i superaliaje. Duritatea i densitatea mare a wolframului l recomand n aplicaiile militare pentru proiectilele penetrante. Compuii de wolfram sunt folosii adesea n industrie drept catalizatori. Wolframul este singurul metal din cea de-a treia serie de tranziie cunoscut a aprea n biomolecule i este cel mai greu element folosit de organismele vii.

Proprieti fizicen form brut, wolframul este un metal de culoare gri, adesea casant i dificil de prelucrat, dar dac este pur, se poate prelucra cu uurin. Se prelucreaz prin forjare, laminare, proces de extruziune sau sinterizare. Dintre toate metalele pure, wolframul are cel mai ridicat punct de topire (3695 K), cea mai sczut presiune de vapori i (la temperaturi ce depesc 1295 K) cea mai mare rezisten la ntindere. Acest metal are cel mai mic coeficient de expansiune termic dintre toate metalele pure. Proprietile de expansiune termic mic, punct de topire ridicat i rezisten ale wolframului se datoreaz legturilor covalente formate ntre atomii de wolfram de electronii 5d. Alierea unor cantiti mici de wolfram cu oel i mresc proprietatea de duritate.

AplicaiiAproximativ jumtate din cantitatea de wolfram este consumat pentru producerea materialelor dure (carbura de wolfram). Mare parte din cantitatea rmas dup utilizarea sa n aceste scopuri, se utilizeaz n aliaje i oel. Pentru obinerea compuilor chimici se folosete mai puin de 10% din cantitatea rmas. Materiale dure Wolframul se folosete n principal n producerea materialelor dure care au la baz carbura de wolfram, una dintre cele mai dure carburi, caracterizat printr-un punct de topire de 3045 K. WC este un conductor electric excelent n comparaie cu W2C care nu deine aceleai caliti. WC se folosete n realizarea abrazivilor, cuitelor i burghielor rezistente la uzur, ferstraie circulare, unelte de frezat i strunjire folosite n industriile de prelucrare a metalului, a lemnului, minerit, petrolier i de construcie. Cantitatea de metal folosit n aceste scopuri acoper 60% din consumul curent de wolfram. Aliaje Duritatea i densitatea wolframului sunt aplicate n obinerea aliajelor de metale grele. Un exemplu elocvent l reprezint burghiul, care poate conine wolfram n proporie de pn la 18%. Punctul de topire ridicat recomand wolframul n aplicaii precum ajutajele rachetelor sau de exemplu, proiectilul lansat de submarinul UGM-27 Polaris. Superaliajele care conin wolfram se folosesc pentru realizarea lamelor turbinelor i componentelor care trebuie s reziste la uzur. n domeniul armelor i muniiei, metalul se aliaz de obicei cu nichel i fier sau cobalt pentru a forma aliaje grele. Se folosete ca alternativ pentru uraniu, n aplicaiile n care nu sunt necesare proprietile piroforice ale uraniului (de exemplu pentru gloanele de calibru mic care au scopul de a penetra pielea). De asemenea, aliajele de wolfram au fost folosite n acoperirea obuzelor, grenadelor i proiectilelor, pentru a crea rapnel supersonic.

8

Aplicaii chimice Oxizii de wolfram sunt folosii n glazura ceramic iar wolframatul de calciu/ magneziu se folosete cu precdere n iluminarea fluorescent. Wolframaii se folosesc n fizica nuclear i medicina nuclear ca detectori de scintilaii. Alte sruri care conin wolfram se folosesc n industriile chimic i pielrie. Aplicaiile care necesit densitatea mare a acestui metal includ radiatoarele de cldur, greuti, contragreuti, chila de plumb pentru yachturi, coada de balast pentru aeronavele comerciale i ca balast n ntrecerile de maini precum NASCAR i Formula Unu. Este material ideal folosit ca matri pentru nituire. Aliajele din wolfram cu nichel, cupru sau fier de densitate ridicat sunt folosite pentru sgeile de calitate superioar folosite n jocul de darts sau pentru momelile folosite de pescari (bila mic din wolfram permite insectei s se scufunde rapid). Unele tipuri de corzi ale instrumentelor muzicale sunt confecionate din fire de wolfram. Densitatea acestui metal, asemntoare cu cea a aurului, i permite utilizarea n confecionarea de bijuterii ca material alternativ pentru aur sau platin. Duritatea sa l recomand pentru confecionarea inelelor care rezist la zgriere, este hipoalergic i nu necesit polizare. Aplicaii electronice Deoarece la temperaturi ridicate i menine rezistena i se caracterizeaz printrun punct de topire ridicat, elementul wolfram se folosete n foarte multe aplicaii cu temperaturi ridicate, filamente pentru becuri, tuburi de vid, elemente de nclzire, ajutaje rachete. De asemenea punctul de topire ridicat l recomand uzului n industria aerospaial i pentru aplicaiile la temperaturi ridicate, nclzire i sudur. Datorit proprietilor conductoare i ineriei chimice relative, wolframul este folosit de asemenea n realizarea electrozilor i microscoapelor electronice. n domeniul electronic wolframul este folosit ca material de legtur n circuitele integrale, ntre materialul dielectric din dioxid de siliciu i tranzistori. Se folosete n filmele metalice, care nlocuiesc conexiunile folosite convenional cu o acoperire de wolfram (sau molibden) sau siliciu. Structura electronic a wolframului l recomand ca una dintre sursele principale pentru sursele de raze X i de asemenea pentru ecranarea de radiaii foarte mari (acoperirea probelor radioactive n industria radiofarmaceutic). Pudra de wolfram se folosete ca agregat n compozitele plastice, folosite ca substitute non toxice pentru plumb (gloane) i ecrane mpotriva radiaiilor. Din moment ce coeficientul de expansiune termic a acestui element este asemntor cu cel al sticlei borosilicic, se folosete i pentru realizarea izolaiilor sticl pe metal.

Msuri de precauieDeoarece wolframul este un metal rar iar compuii si sunt n general ineri, efectele sale asupra mediului nconjurtor sunt limitate. Doza medie letal LD50 depinde de animal iar modalitatea de administrare variaz ntre 59 mg/kg (intravenos, iepure) i 5000 mg/kg (pudr metalic de wolfram, intramuscular, oareci).

9

Capitolul IIMetoda arcului termoionic n vid folosit pentru obinerea filmelor compozite de interes pentru fuziuneII.1. Metode de depunereDepunerea filmelor subiri combinatoriale din dou surse se poate face prin numeroase metode, dintre care cele mai folosite sunt cele care utilizeaz fenomenul de pulverizare cu plasm a intelor. Pulverizarea este un fenomen prin excelen superficial iar materialul de pulverizat rmne tot timpul n starea solid iniial. La nceputul procesului tehnologic se va pulveriza mai rapid elementul cu randament mai mare de pulverizare, ceea ce va duce la o micorare a concentraiei superficiale a acestui element i o mrire a concentraiei superficiale a elementului mai greu pulverizabil. Mrirea acestei concentraii va conduce la mrirea vitezei de pulverizare a elementului mai dificil de pulverizat pn ce se va atinge un echilibru al vitezei de evaporare. ntruct n timp inta se va consuma (deci ambele componente ale acesteia), pe stratul depus se va obine concentraia existent n inta de pe care se face pulverizarea. Eventualele mici abateri se pot corecta prin variaia concentraiei din int. Din acest punct de vedere metoda pulverizrii prezint un avantaj n raport cu alte metode de depunere prin evaporare n vid. n plus, vitezele de depunere atinse prin folosirea pulverizrii sunt relativ ridicate, dar intele necesit prelucrare special n condiii de puritate mare. ntr-adevr, pentru pulverizare forma probelor trebuie s fie plan, cu suprafa ct mai mare (pentru eficien mai mare), iar probele trebuie aezate pe suporturi speciale pentru a se evita contactul cu plasma i pentru a se mpiedica impurificarea depunerilor. Metodele de depunere prin evaporare n vid prezint avantajul c nu necesit gaze buffer n camera de depunere, ceea ce face ca incluziunile gazoase n depuneri s fie practic absente i aceasta cu att mai mult cu ct presiunea din camera de depunere este mai mic; adic cu ct viteza de evacuare a gazelor reziduale din camer este mai mare, camera este mai bine etanat la vid iar pereii camerei de reacie sunt mai degazai prin nclzire.

II.2 MetodologieMetoda propus este aceea a descrcrilor termoionice n vid naintat n materialul evaporat prin bombardament electronic (metoda arcului termoionic n vid) i depus sub form de atomi i ioni pe substrat n condiiile monitorizrii energiei ionilor materialului de depus i a concentraiei amestecului depus din dou surse de evaporare simultan. Aceast metod de depunere, numit TVA, acronim pentru Thermoionic Vacuum Arc - a fost descoperit n anul 1984 n cadrul colectivului de plasme de temperatura joasa colectiv Dr. Geavit Musa - de la INFLPR Bucureti. Principiul de baz al arcului termoionic n vid este aprinderea unei plasme de arc n vaporii materialului de interes.

10

Originalitatea metodei const n faptul c energia introdus n sistem pentru aprinderea plasmei este dat simultan de un tun electronic i de o surs de tensiune nalt. Vaporii sunt obinui prin nclzirea materialului, care este de fapt anodul, cu electroni accelerai ntre electrozi. Prin acest bombardament electronic, materialul este evaporat uor i nu se produc formaiuni de particule, spre deosebire de plasmele de arc standard.

II.3 Avantajele arcului termoionic n vidMetoda TVA este foarte eficient prin faptul c filmele obinute folosind aceast tehnologie se caracterizeaz printr-un grad foarte ridicat al aderenei, densitii i puritii. Un alt avantaj important al metodei TVA este gradul de controlabilitate a energiei ionilor i a fluxului de particule incidente prin parametrii plasmei. Aceasta se datoreaz faptului c plasma TVA este localizat iar ionii se deplaseaz n vid n linie dreapt pn la pereii/substraturile legate la pmnt. Energia le este dat de potenialul plasmei, uor de controlat prin curentul arcului, al filamentului i tensiunea anodic. Trebuie de asemenea menionat c nu este nevoie de nici un gaz-tampon sau catalizator, obinndu-se astfel o sintez a straturilor cu grad de puritate ridicat. Cnd sistemul este introdus n vid, nu sunt prezente particule pentru transmiterea cldurii, substratul fiind nclzit numai de ionii incidenti pe suprafata de ciocnire. Acest avantaj recomand metoda TVA pentru depunerile pe materiale plastice sau pe alte materiale sensibile termic. De asemenea, aceast transmitere nceat a cldurii reduce pierderea de energie, metoda de depunere devenind astfel competitiv din punct de vedere industrial. Deoarece plasma este localizat, se poate realiza uor aprinderea simultan a dou sau mai multe plasme TVA n aceeai camer de vid. Dispozitivul experimental pentru realizarea depunerilor prin metoda TVA const ntr-un catod la potenial zero, cu un filament de wolfram nconjurat de un cilindru tip Wehnelt pentru focalizarea electronilor i anodul, care este de obicei un creuzet care conine materialul de depus n stare solid.

11

Capitolul IIIMetode i tehnici de investigare structural i morfologic ale filmelor compozite de interes pentru fuziune.Analiza structural i morfologic a filmelor compozite de interes pentru fuziune este necesar pentru a nelege mecanismele care au loc n timpul funcionrii reactorului. n continuare voi descrie tehnicile principale de caracterizare folosite. Nu se intenioneaza o descriere tiinific complet a fiecrei tehnici, deoarece aceasta se poate obine din referinele citate. Obiectivul principal l reprezint explicarea principiilor de baz i ilustrarea forelor i limitelor fiecrei tehnici. Aspectele importante vizeaz scala de lungime la care poate fi colectat informaia i adncimea probelor examinate. Microscopul electronic cu baleiaj (SEM) genereaz un flux de electroni care bombardeaz proba supus analizei. Ca rezultat al acestei interacii microscopia electronic cu baleiaj permite o vizualizare clar a structurii generale a probei; pot fi observate suprafaa superioar, seciunea transversal i suprafaa inferioar. Din asimetria structurii i din micrografii se poate estima n plus porozitatea i distribuia mrimii porilor. Limita de rezoluie a unui microscop electronic simplu se afl n intervalul 0,01 m (10 nm) pe cnd diametrul porilor suporturilor se afl n intervalul 0,1-10 m. Rezoluii de 5 nm se pot atinge cu alte tehnici microscopice cum ar fi microscopia cu efect de cmp, nanoscopia. Spectroscopia de fotoemisie cu raze X (XPS) este o tehnic foarte folosit pentru investigarea suprefeelor privind compoziia i starea chimic; va fi detaliat n acest referat. Avantajul acestei metode este faptul c ne ofer informaii cu o rezoluie foarte mare. Retrodifuziunea Rutherford (RBS) implica msurarea numrului i energiei ionilor dintr-un fascicul care retrodifuzeaz dup ciocnirea cu ali atomi n regiunea de suprafa a probei pe care fasciculul a fost intit. Aceast informaie ofer posibilitatea de a determina masa atomic i concentraiile elementale versus adncimea. RBS se potrivete ideal n determinarea concentraiei microelementelor mai grele dect majoritatea constituenilor substratului. Sensibilitatea pentru masele uoare i pentru prepararea probelor n interiorul suprafeei sunt reduse. Energia msurat pentru o particul retrodifuzat la un unghi dat depinde de dou procese. Particulele pierd energie n timp ce trec prin prob, att nainte ct i dup ciocnire. Cantitatea de energie pierdut depinde de puterea de oprire a materialului. O particul pierde energie i ca rezultat al ciocnirii n sine. Pierderea n urma ciocnirii depinde de masele proiectilului i atomilor int. Procentul de energie al proiectiului nainte i dup ciocnire se numete factor cinematic. Numrul evenimetelor de retrodifuziune date de un element dat din prob depinde de doi factori: concentraia elementului i mrimea efectiv a nucleilor si. Posibilitatea unui material de a provoca ciocniri se numete mprtierea trasnversal. Este de ateptat ca n timpul procesului de fuziune termonuclear a nucleelor de deuteriu i care s-au realizat aceste studii, rezultatele obinute difer destul de mult. Cauza acestor diferene n rezultate poate fi atribuit stratului de oxid format la suprafaa beriliului. Fiind un foarte bun getter de oxigen, este suficient expunerea pentru foarte scurt timp la atmosfer a beriliului pur pentru a forma un strat superficial de oxid. 12

Experimentele de laborator au artat c retenia de hidrogen a beriliului este puternic afectat de prezena unui strat superficial de oxid (BeO) sau carbur (Be2C). Andersen et all. au efectuat studii ale mecanismului de transport al hidrogenului n probe de beriliu policristalin n condiii de presiune < 10-6 Pa. Reacia nuclear D(3He, p)4He ofer informaii cantitative asupra deuteriului implantat n prob. Aceast reacie prezint, dup cum se poate observa n figura III.3, o rezonan larg la o energie a ionilor de 3He de aproximativ 640 keV. Pentru detectarea produilor de reacie, n spe particule i protoni, se folosesc 2 detectori poziionati la unghiuri de 102o, respectiv 135o. Pentru a putea observa doar protonii de energii mari provenii din reacia nuclear, detectorul de 135o are n fa o folie multistrat special confectionat din Mylar, nichel i aur n timp ce cu detectorul poziionat la 102o se observ particulele 4He mprtiate de la adncimi corespunztoare zonei imediat de sub suprafa. Astfel, folosind rezultatele obinute cu ajutorul detectorului de protoni putem obine informaii despre cantitatea total de deuteriu din prob iar cu ajutorul detectorului de particule se poate obine un profil n adncime al concentraiei de deuteriu. Dup implantarea cu deuteriu i analiza NRA pentru determinarea distribuiei acestuia n filmele studiate, s-au efectuat msurtori de analiz (TDS) folosind instalaia TESS, disponibil n cadrul IPP-Garching. Pentru realizarea msurtorilor, probele au fost introduse ntr-un tub de cuartz conectat la un sistem de vid nalt i degazat prin nclzire pn la 1000 K timp de 12 ore; apoi au fost nclzite cu ajutorul unui cuptor, conectat i comandat de un sistem computerizat. Experimentul const n nclzirea probei cu 15K/min, pn la 1000K urmat de o stabilizare de 20 de minute i rcirea natural, msurnd cantitatea de deuteriu emis de prob. nclzirea probelor a fost realizat n intervalul cuprins ntre temperatura camerei i pn la 1000 K pe o ramp optimizat n prealabil pentru liniaritate. Pentru analiza particulelor desorbite de prob s-a folosit un spectrometru de mas quadrupolar. Pentru calibrarea spectrometrului de mas, realizat dup fiecare msurtoare, s-a folosit D2.

13

Capitolul IV Stadiul actual al cercetrilor n domeniul interaciei plasm-perete-reactor de fuziuneIV.1 Obinerea i caracterizarea materialelor mixte de tip beriliu-wolframAcest subcapitol descrie stadiul actual al cercetrilor n domeniul obinerii i caracterizrii materialelor compozite de tip beriliu-wolfram prin tratament termic. In lucrarea Binary berylliumtungsten mixed materials, scris de Ch. Linsmeier, et al. sunt descrise investigaiile realizate asupra filmelor subiri de Be depuse pe substrat de W, sistemul invers (filme de W depuse pe substrat de Be) precum i experimentele n cadrul crora suprafeele de W sunt expuse la plasma de deuteriu cu impuriti de Be. Fazele aliajului format Be2W i Be12W sunt identificate prin analize XPS i sunt prezentate date oferite de profilul de adncime provenite att din analiza de pulverizare XPS ct i din cea cu fascicul de ioni de energie de ordinul MeV. Pentru formarea aliajului binar Be-W, se pot realiza dou scenarii ntr-un dispozitiv de fuziune: depunerea de wolfram pe suprafaa de beriliu sau vice versa. Interacia speciilor depuse cu substratul este determinat de energia cinetic a particulelor care sosesc i de temperatura substratului. n experimentele care includ suprafaa straturilor subiri (Be/W i W/Be), tratamentele termice sunt realizate sub vid. Suprafaa este investigat prin tehnici care au la baz fascicul de ioni accelerai (RBS, NRA) i XPS. Prin analiza XPS, se dobndesc informaii suplimentare privind chimia fazelor de Be formate. Straturile de W expuse plasmei de D cu impuriti de Be sunt analizate de asemenea din punct de vedere al compoziiei lor chimice i a elementelor prin analize NRA i XPS. Observaiile sunt discutate pentru a evalua riscurile i consecinele formrii aliajului Be-W n dispozitivul de fuziune care n realizarea primului perete angajeaz Interacia beriliului cu wolframul este investigat n dou sisteme diferite, att wolframul ct i beriliul fiind folosite ca strat de suprafa (W/Be: strat de wolfram pe substrat de beriliu; Be/W: strat de beriliu pe substrat de wolfram). Prima serie de experimente utilizeaz substraturi de Be polizate mecanic i electrochimic (policristalin). Wolframul este depus ntr-un dispozitiv cu pulverizare magnetron avnd o grosime de 200nm. nainte de a ncepe depunerea de Be, suprafaa este corodat n plasm de Ar pur. Depunerea filmelor de Be pe wolfram policristalin se realizeaz ntr-o camer UHV conectat direct la camera de analiz XS pentru a evita transferul de aer n filmele de Be reactive. Substraturile sunt curate folosind cicluri alternative de pulverizare (3kV, Ar + ) i degazare, tratare termica (pn la 970K) pn cnd prin analiza XPS nu se mai detecteaz nicio impuritate. n timpul depunerii straturilor de suprafa, substraturile sunt pstrate la temperatura camerei (300K). Combinarea celor dou componente se studiaz prin tratamentul termic al probelor la temperaturi diferite n camera de analiz XPS (presiunea mai bun de 2 x108 Pa ) unde presiunea crete pn la 5 x108 Pa . Dup tratamentul termic, probele sunt analizate prin metodele XPS i RBS. XPS se realizeaz

14

in situ (la faa locului) pentru experimentele Be/W. n cazul probelor W/Be, nu s-a putut evita transferul de aer pentru realizarea analizei RBS. Analiza XPS se realizeaz cu un spectrometru PHI ESCA 5600 care folosete o surs monocrom cu raze X (Al K, 1486.6 eV). n acest mod, cea mai bun rezoluie spectral este 0.26 eV. Zona analizat are un diametru de 0.8 mm. Msurtorile XPS sunt realizate sub un unghi de 22 fa de suprafaa normal iar profilurile de adncime la 45 . Scala pentru energia de formare (BE) se refer la semnalul Au 4 f 7 / 2 la 84.0 eV iar calibrarea suplimentar cu semnale Cu 2 p3/ 2 i Ag 3d5/ 2 . Spectrele cu rezoluie ridicat (energie de trecere 2.95 eV) sunt folosite pentru a determina strile legturilor chimice, n mod particular schimbul chimic datorat amestecrii. Pentru realizarea msurtorilor cantitative se utilizeaz studii de scanare cu o energie de trecere de 93.90 eV. Analiza datelor chimice este realizat prin ajustarea funciilor Gauss-Lorentz la date, innd cont de fundalul din regiunea Be 1s prin fundal Shirley. Analiza prin fascicul de ioni a fost realizat la acceleratorul tandem 3MV de la Garching. Au fost aplicate tehnicile standard de analiz cu fascicul de ioni (RBS cu 1He , 3 He i 4 He , unghi de difuziune de 165). Profiluri de adncime fiabile din spectrele RBS au fost obinute folosind calcule combinate nainte i napoi, programul IBA Data Furnace NDF pentru rezolvarea problemei inverse RBS i programul SIMNRA pentru simularea spectrelor. Avantajul acestor calcule const n faptul c pentru fiecare experiment n parte sunt disponibile spectrele msurate cu dou specii de ioni i energii care au intrat simultan n procedurile de ajustare. Ca o condiie, a fost pstrat constant cantitatea total de W. Seciunea transversal pentru 9 Be( p, )6 Li i 9 Be( p, d )8 Be reaciile sunt extrapolate pentru unghiul de difuziune de 165 din datele de la 138 oferite de Thomas et al..

IV.2 Influena morfologiei de suprafa asupra reteniei de deuteriu n filmele de beriliu preparate folosind tehnologia arcului termoionic n vidn aceast lucrarea Surface morphology influence on deuterium retention in beryllium films prepared by thermionic vacuum arc method scrisa de A. Anghel, filmele de Be au fost preparate folosind tehnologia arcului termoionic n vid realizat la INFLPR Bucureti. Depunerea a fost realizat pe substraturi de grafit polarizate. Au fost investigate att compoziia ct i morfologia versus polaritatea substratului (n intervalul de la -200V pn la + 700V). Analiza filmului a fost realizat folosind microscopie de for atomic (AFM), microscopie electronic de baleiaj (SEM), difracie de raze X (XRD). S-a observat c acoperirile realizate aplicnd pe substrat tensiune de polaritate negativ sunt mult mai compacte (adic nu prezint pori) i mai netede, prezentnd o rugozitate medie de 7 nm. Grosimea i compoziia fiecrui film au fost confirmate de asemenea de rezultatele obinute n urma efecturii masuratorilor de spectrometrie Rutherford (RBS) iar implantarea cu deuteriu a fost realizat la IPP Garching, folosind o surs de ioni de curent nalt. Dup efectuarea implantrii, cantitatea de D reinut n filme a fost 3 determinat prin analiza de reacie nuclear (NRA) folosind un fascicul de ioni He iar

15

spectrul de particule obinut a fost transformat n profilul de adncime al D folosind codul SIMNRA. Pentru a studia influena ionilor energetici asupra att a structurii ct i a proprietilor filmelor depuse, a fost necesar ca substratul se fie polarizat n timpul procesului de acoperire la tensiuni cuprinse ntre -200V i respectiv + 700V. Tensiunea de polarizare pozitiv a substratului este pentru a respinge ionii i a selecta pentru depunere numai atomii neutri. n schimb, n cazul tensiunii de polarizare negativ a substratului, ionii sunt accelerai lovind stratul depus cu o energie cinetic destul de mare. Deoarece acesta este un studiu comparativ, toate depunerile au fost realizate folosind aceeai parametri ai descrcrii (If= 45 A, Idesc= 1.5 A, Udesc= 800V), singura diferen fiind tensiunea de polarizare aplicat pe substrat n timpul depunerii. Ca prim rezultat, s-a observat c filmele depuse aplicnd pe substrat tensiune de polarizare negativ erau mai aderente pe substraturi n comparaie cu cele crescute folosind tensiune de polarizare pozitiv. Acest comportament era de ateptat din moment ce aplicnd pe substrat o tensiune de polarizare negativ ionii de beriliu generai n plasma TVA sunt accelerai ctre substrat, n timp ce aplicnd tensiune de polarizare pozitiv, ionii sunt ncetinii i chiar respini n funcie de valoare tensiunii de polarizare. Din analiza oferit de imaginile SEM se poate observa c morfologia filmelor crescute aplicnd pe substrat tensiune de polarizare pozitiv sunt asemntoare cu filmele crescute prin evaporare termic. Pentru exemplificare, n Fig. IV.1 sunt prezentate imagini SEM ale filmelor de beriliu crescute folosind tensiune de polarizare negativ (stanga) i tensiune de polarizare pozitiv (dreapta), aplicate pe substrat n timpul procesului de depunere.Dup cum se poate vedea, aplicnd n timpul depunerii tensiune de polarizare negativ pe substrat, filmele prezint o structur lamelar. De asemenea, imaginile SEM au dezvluit c filmele crescute folosind tensiune de polarizare pozitiv prezint crpturi la suprafa, ceea ce nseamn c sunt mai casante.

Fig. IV.1 Imagini SEM ale filmelor de Be crescute folosind tensiune de polarizare negativ (a) i pozitiv (b)

Pentru a studia influena tensiunii de polarizare aplicate asupra proprietilor filmelor din punct de vedere al reteniei de combustibil, implantarea de deuteriu a fost realizat la IPP Garching folosind o surs de ioni de curent nalt. Energia fasciculului de ioni de D a fost de 600eVD3+ (adic 200eV/D) la o direcie de inciden normal la 22 suprafaa int la temperatura camerei. Fluena a fost de 5 x 10 D/m2 pentru fiecare prob. Dup implantare, cantitatea de D reinut n filme a fost determinat folosind analiza de reacie nuclear (NRA), utiliznd un fascicul de ioni 3He.Concentraia de D din filme a fost msurat prin reacie p(3He, )D cu energia 3He de 0.69MeV. Particulele 16

generate prin reacie nuclear au fost analizate energetic cu un detector de barier cu unghi mic la unghiul de laborator de 102. Spectrul particulelor obinut a fost transformat n profil de adncime al D folosind codul SIMNRA.

Fig. IV.2 Profil de adncime D n filmele de Be crescute folosinf tensiune de polarizare negativ (-100V) i pozitiv (+700V) obinut din spectrul folosind codul SIMNRA.

Cantitatea de deuteriu reinut n folme, estimat ca rezultat al msurtorilor 22 NRA, a fost de aproximativ 7 x 10 D/m2. Dup cum se poate vedea din profilele de adncime ale deuteriului prezentate, deuteriul implantat nu a atins zona de interfa Be/C. Analiznd profilele de adncime ale deuteriului, prezentate n Fig. IV.3, se poate observa c depinde de tensiune de polarizare aplicat pe substrat. n cazul probelor cu tensiuni de polarizare negative, n zona de lng suprafa este reinut o cantitate mai mare de deuteriu, n timp ce n cazul probelor asupra crora au fost aplicate tensiuni de polarizare pozitive, cantitatea mai mare de deuteriu apare reinut n zona mai adnc. Acest comportament se poate datora structurii filmelor.

Fig. IV.3. Profile de admcime D pentru filmele de Be crescute pe grafit aplicnd pe substraturi tensiuni de polarizare de -200V, -100V i +700V

17

IV.3 Consecinele reteniei i eliberrii de deuteriu din materialele mixte pe baz de Be folosite pentru gestionarea cantitii de tritiu n ITERIn lucrarea Consequences of deuterium retention and release from Becontaining mixed materials for ITER Tritium Inventory Control, scris de K. Sugiyama, J. Roth, A. Anghel, C. Porosnicu, M. Baldwin, R. Doerner, K. Krieger, C.P. Lungu i publicata in Journal of Nuclear in 2010, se investigheaz comportamentul deuteriului (D) n retenia i eliberarea sa din materialele care conin beriliu (Be) pentru a evalua rezultatele procedurii de ndeprtare a tritiului sugerat pentru ITER (tratamentul termic al peretelui la 513K pentru camera principal i 623K pentru divertor). n Be pur, D este eliberat cu preponderen n jurul temperaturii de 470K, prezentnd un vrf de desorpie relativ ascuit. Pe baza rezultatelor prezentate mai sus, performana ateptat pentru scenariul de coacere a peretelui ITER se poate discuta astfel: Cele mai bune rezultate n urma tratamentului termic al peretelui sunt ateptate pentru ndeprtarea tritiului din straturile de Be cu puritate ridicat depuse n peretele camerei principale presupunnd c temperatura de pe suprafaa peretelui camerei principale nu este att de ridicat (estimat la 430K). Eficiena ndeprtrii tritiului va fi limitat n cazul compuilor Be-W/ Be-C, straturi depuse simultan. n mod special, amestecarea C n Be are drept rezultat o modificare semnificativ a comportamentului de desorpie a hidrogenului. n cazul depunerii de Be-C bogat n C, este foarte dificil ndeprtarea hidrogenului prin procedeul de coacere la temperatura 623K, cu toate c depunerea este realizat la temperaturi joase. Pentru astfel de cazuri, trebuie s avem n vedere aplicarea altor metode de ndeprtare precum nclziri cu laser/ flash de cldur, descrcri de oxigen etc. Este clar c tritiul nu poate fi ndeprtat din suprafeele care ntlnesc plasma la temperaturi de peste 623K n timpul descrcrii. Chiar i n cazul unei temperaturi de implantare de 423K numai 50% din cantitate este eliberat la 623K. Pe de alt parte, se poate presupune c cantitatea de tritiu reinut iniial scade odat cu creterea temperaturii suprafeei.

18

Capitolul V Obinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip C -WV.1 Montajul experimentalPentru obinerea filmelor compozite de tip carbon-wolfram se folosesc dou montaje identice care produc dou fascicule de electroni separate emise de catozi nclzii extern. Au fost formate dou plasme diferite n vapori puri de carbon i wolfram aplicnd pe fiecare set anod-catod o tensiune nalt de la 1 kV pn la 2 kV (Figura V.1). Curentul folosit pentru a nclzi filamentele catod a avut valori cuprinse ntre 58.2 i 59 A pentru carbon i ntre 52.5 si 63.7 A pentru wolfram. Curentul descrcrii plasmei aprins n vapori de C a fost Idesc = 1 1.8 A cu o tensiune Udesc = 1.5 1.8 kV. Pentru descrcarea plasmei aprins n vapori de W, intensitatea curentului a fost I desc = 2 2.75 A iar tensiunea Udesc = 1.6 1.8 kV.

Figura V.1 Sistemul experimental pentru depunerea de filme subiri cu funcionare simultan a dou arcuri termoionice n vid: surse de tensiune nalt (HV), microbalane de cuartz

V.2 Rezultate experimentalen figura V.2 se poate observa c straturile de wolfram depuse scad semnificativ n grosime atunci cnd se realizeaz trecerea de la depunerea secvenial (curba fitat sus) la depunerea simultan (curbele fitate mai jos) a ambelor materiale, n ciuda faptului c condiiile pentru evaporatorul de wolfram sunt similare, iar ratele de vaporizare sunt cele din toate cazurile studiate. Aa cum s-a ateptat, filmul de wolfram este mai gros lng electrodul de W i mai subire pe probele poziionate lng electrodul de C. Aceast tendin prezint o mai mare importan pentru procesele simultane. O observaie interesant este aceea c n cele dou cazuri de depunere simultan nu exist diferene

19

majore n ceea ce privete grosimea filmelor de wolfram depuse i au fost obinute valori apropiate.

FiguraV.2 Grosimea stratului de wolfram depus pe substraturi n funcie de poziia probelor pe axa de depunere.

n figura V.2 se poate observa c straturile de wolfram depuse scad semnificativ n grosime atunci cnd se realizeaz trecerea de la depunerea secvenial (curba fitat sus) la depunerea simultan (curbele fitate mai jos) a ambelor materiale, n ciuda faptului c condiiile pentru evaporatorul de wolfram sunt similare, iar ratele de vaporizare sunt cele din toate cazurile studiate. Aa cum s-a ateptat, filmul de wolfram este mai gros lng electrodul de W i mai subire pe probele poziionate lng electrodul de C. Aceast tendin prezint o mai mare importan pentru procesele simultane. O observaie interesant este aceea c n cele dou cazuri de depunere simultan nu exist diferene majore n ceea ce privete grosimea filmelor de wolfram depuse i au fost obinute valori apropiate.

FiguraV.3 Grosimea stratului de carbon depus pe substraturi n funcie de poziia probelor pe axa de depunere.

Pe de alt parte, n urma analizei depunerilor de carbon ilustrat n figura V.3, se observ c grosimea filmelor depuse deasupra electrodului de wolfram par identice n cele trei cazuri studiate. O cretere important este nregistrat n procesul secvenial, in special lng catodul de C, n timp ce n procesele simultane grosimea este comparabil de-a lungul ntregii distane dintre cei doi anozi.

20

Efectul compoziiei procentuale relative crescute de C n filmele depuse se poate explica din punct de vedere calitativ avnd n vedere trsturile plasmelor produse de ctre cele dou montaje. Potenialul de ionizare pentru atomii de C i de W este de 11.26 i respectiv 7.98 eV. Astfel, un gaz cu atomi de W necesit o putere electric mai mic pentru a fi ionizat. Aceast situaie este reflectat in sursele de putere electric prin sursele de tensiune inalt. La aceeai tensiune aplicat pe electrozi, de aproximativ 1.6 kV, curentul tras prin descrcare este de 1 A i respectiv 2 A pentru plasmele de C i W din cauza potenialului sczut de ionizare al W. Trebuie s inem cont de asemenea de curentul termoionic emis de fiecare catod. n cazul nostru, ambele materiale trebuie nclzite la temperaturi ridicate (3820 K i respectiv 3683 K pentru C i W n vid), pentru a sublima sau vaporiza, fiind necesar un fascicul intens de electroni care s bombardeze anozii. Electronii accelerai au un rol dublu, contribuind de asemenea la ionizarea atomilor n vaporii metalici. Odat aprins descrcarea, plasma are potenial pozitiv fa de pmnt. Potenialul electric al plasmei atinge maximum cnd se afl lng anod la aproximativ 1 kV i scade rapid cu distana la 100-150 V la aproximativ 15-20 cm. Se pare c ionii de wolfram ntlnesc o barier electrostatic mai puternic determinat de distribuia potenialului plasmei de carbon, fa de cazul ionilor de carbon aflai la potenialul plasmei de wolfram i sunt mpiedicai s ajung la probele din apropierea anodului de carbon. De asemenea, ionii de wolfram au o mobilitate mai redus dect cei de carbon, deoarece masa lor atomic este de 15 ori mai mare. Astfel, n principiu, controlarea compoziiei filmelor subiri se poate realiza prin fixarea atent a ratei de depunere dat de parametrii descrcrii.

V.3 Analiza compoziional prin GDOESUtiliznd aparatura existent n INFLPR, Laboratorul de Fizica Plasmei i Fuziune Nuclear, probele produse n cadrul proiectului au fost analizate utiliznd metoda de analiz spectral GDOES. n figura V.4 se prezint un exemplu al analizei unui film compozit C+W. Rezultatele obinute sunt n bun concordan cu cele obinute prin metoda EDS.

FiguraV.4 Analiza GDOES a unui film C-W obinut prin depunerea simultan, folosind aceleai rate de depunere pentru C i pentru W (0.1 nm/s), Compoziia, %Adncimea, nm Oxigen Wolfram Carbon Siliciu

21

V. 4 Analize compoziionale i chimice prin metoda ESCA a filmelor de tip C-WCondiii de lucru S-a utilizat Spectrometrul de electroni ESCALAB 250 folosind radiaia Al K (1486,6eV) emis de sursa de raze X monocromatizat, cu anod de Al. Analizele au fost efectuate prin scanarea ntregului spectru de energii de legtur, apoi scannd liniile spectrale de interes cu rezoluie maxim. S-au realizat analize de tip XPS- depth profiling. Fasciculul de radiaie X incident pe prob a fost focalizat ntr-un punct cu diametrul de 250 , iar rezoluia energetic a spectrelor a fost 0,65eV. Tunul de ioni de Ar utilizat pentru profilul n adncime a fost operat la 3 KV i 1 A, craterul produs fiind un ptrat cu latura de 500 m. Rezultate Spectrele generale pun n eviden prezena pe suprafeele probelor investigate a C, O i W. n spectrele referitoare la dubletul W 4f (liniile 4f7/2 i 4f5/2) se pun n eviden dou stri chimice: WO3 (W4f 7/2 la 35,8 eV aparine W n stare de valen VI) i W metalic sau n CW (W 4f7/2 la 31.8eV ). Linia C1s are o structur care corespunde existenei a 2 tipuri de carbon: carbon grafitic C1s la 284.6 eV i carbon reacionat n legturi chimice corespunztoare compusului CW (C1s la 283,6 eV). Rezultatele analizelor sunt prezentate sintetic n figurile V.5 V.8.

Figura V.5 Profilul n adncime al probei C11- RT (C+W = 400 nm). Proba nu a fost tratat termic

Figura V.6 Scanare 3D cu rezoluie mare a vrfului spectral O1s pentru proba C18- RT (C 200nm+W 200nm) netratat termic.

22

Figura V.7 Profilul n adncime al probei C3- 775 K (C 200nm+W 200nm). Proba a fost tratat termic la 775 K

Figura V.8 Profilul n adncime al probei C11- 1275 K (C 200nm+W 200nm). Proba a fost tratat termic la 1275 K

23

Capitolul VIObinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip Be -WVI.1 Montajul experimentalPentru a obine o variaie a proporiei W-Be, a fost realizat un montaj prezentat in Fig. VI.1. Distana dintre anozi este de 20 cm iar distana suport probe-anozi este de aproximativ 25 cm, deoarece fluxul de particule depinde de distana i de unghiul de inciden. Cei doi anozi i substraturile au fost poziionate astfel nct s existe un flux diferit de particule pe fiecare prob din sarja de depus.

Figura VI. 1. Reprezentarea schematic a sistemului de depunere i conexiunile electrice folosite pentru obinerea filmelor compozite Be-W.

Deoarece probele sunt aezate la distane diferite de cele dou surse de evaporare (vezi figuraV.1), se poate obine o variaie aproape continu a concentraiei relative a celor 2 materiale (Be si respectiv W). Prin aplicarea tensiunilor nalte (1-5 kV) ntre catozi i respectiv anozi, fasciculele de electroni evapor att beriliul ct i wolframul. Plasmele luminoase n atomii puri de beriliu i wolfram sunt aprinse simultan. Pentru a obine concentraia dorit, plasmele sunt controlate independent de fasciculele de electroni (termo-electroni) emii de catozii nclzii i de tensiunea aplicat pe anozi.

VI.2. Sistematizarea probelorSubstraturile au fost aezate pe un suport montat n interiorul camerei de depunere i conectat termic la cuptor. Pentru o mai bun sistematizare i pentru o mbuntire a calculelor viitoare, probele au avut anumite coordonate. Astfel, x=0, pe suportul de probe se gsete exact deasupra anodului de wolfram. Probele au fost indexate n conformitate cu data depunerii i poziia fa de anozi. Astfel, proba depus n data de 3 aprilie dar care ocupa o poziie mai apropiat de anodul de wolfram este indexat 03P01.

24

VI.3. Analiza probelor obinute:VI.3.1 Analiza de suprafa i de compoziiePentru a studia caracterul compact i rugozitatea au fost realizate imagini SEM.

Figura VI. 2. Imagini SEM ale probelor de Be-W depuse pe substrat de Siliciu (stnga - proba 03P13 depus la temperatura camerei; dreapta proba 08P13 depus la 675 K)

Dup cum se observ din figura VI.2, pe probele depuse la temperatura camerei exist structuri granulare. Structurile granulare lipsesc de pe substraturile nclzite ale probelor datorit mobilitii mai mari a atomilor i formrii filmelor netede.Tabelul VI.1 Analiza SEM i EDS a filmelor compozite beriliu-wolfram

Index proba 03P01 Be+W pe substrat de Si la T.C. 03P04 Be+W pe substrat de C la T.C. 03P09 Be+W pe substrat de C la T.C. 03P13 Be+W pe substrat de Si la T.C.

SEM 5.000 X

SEM 20.000 X

EDS

Procentaj atomic Be - 26.02 % O - 52.00 % W - 21.98 %

Be - 25.83 % O - 48.53 % W - 25.63 %

Be - 52.36 % O - 38.81 % W - 8.83 %

Be - 60.55 % O - 36.21 % W - 3.25 %

25

06P01 Be+W pe substrat de Si la T.C. 06P04 Be+W pe substrat de Si la T.C. 06P09 Be+W pe substrat de Si la T.C. 06P14 Be+W pe substrat de Si la T.C.

Be - 8.15 % O - 38.84 % W - 53.01 %

Be - 19.29 % O - 39.50 % W - 41.21%

Be - 46.85 % O - 33.16 % W - 19.98 %

Be- 70.14 % O - 20.64 % W - 9.21 %

Analiza EDS argumenteaz posibilitatea obinerii probelor cu concentraii relative de Be, C i W.

VI.4.2 Analiza de compoziie n adncime a filmelor obinuteFilm subtire C-W-Be1.0

0.8

Concentratie (rel.)

0.6

W Be O Mo C

0.4

0.2

0.0

0

2000

4000

6000

8000

Adancime (At/cm^2)

Figura VI.3 Profil RBS n adncime al stratului n amestec Be-W depus pe substrat de C (proba 08P14).

26

Se observ c n interiorul filmului s-a format amestecul celor trei componente (Be, W i C).

1.0

1.0 0.9 0.8

0.8

Concentratie (rel.)

Concentratie (rel.)

0.6

W Be C O Ce

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3

W Be C O

0.4

0.2

0.2 0.1 0.0

0.0

0

500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0

2000

4000

6000

80002

10000

12000

14000

Adancime (at/cm *1E15)

Adancime (at/cm *1E15)

2

a) Profilul n adncime pentru proba 03p02 (T.C.) b) Profilul n adncime pentru proba 10p08 (675 K) Figura VI.4 Imagini ale spectrelor RBS pentru filmele depuse la temperatura camerei (a) i cu substrat nclzit la 675 K (b)

Principalul aspect evideniat de msurtorile RBS a fost c filmele depuse pe substraturile la temperatura camerei au oxidat numai la suprafa i la interfa, n timp ce pentru substraturile nclzite, oxigenul prezent la suprafa difuzeaz n material, oxidnd beriliul i wolframul n tot filmul. De asemenea, oxigenul de la interfa ncepe s migreze n substrat odat cu creterea temperaturii. Au fost realizate msurtori XPS:1.0 0.9 0.8 C% C pur Carbura

Compozitie semnal C1s

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100+

15016

200

250

Fluenta Ar (10 /cm2)

Figura VI.5 Proporia Carbon/Carbur versus adncime

Putem argumenta compoziia probei i gradul ridicat de reactivitate al Be2C. ntradevr la interfa energia de legatura implic formarea Be2C datorit bombardamentului ionic. 27

1.0 0.9 0.8 Beriliu Metalic Aliaj Oxid Carbura

Compozitie semnal Be1s

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100 150+ 16 2

200

250

Fluenta Ar (10 /cm )

Figura VI. 6 Structura de bereliu in functie de adncime

Din graficul de mai sus se observ c oxidul este prezent numai la interfa i la suprafa. Absena acestuia n film demonstreaz c probele sunt potrivite utilizrii viitoare n studiile de retenie. Profilul n adncime XPS subliniaz de asemenea prezena celor trei materiale la aceeai adncime n film, demonstrnd prezena unui amestec.1.0 0.9 0.8 0.7

Concentratie (rel.)

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 20 40 60 80

Be O C W

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Fluenta Ar (10 /cm )

+

16

2

Figura VI.7 Profil n adncime XPS

Dup cum s-a menionat anterior, pe substraturile nclzite n timpul depunerii nu au existat impuriti.

V.5 Studii asupra reteniei i desorpieiImplantarea cu deuteriuImplantarea deuteriului s-a fcut folosind sursa de ioni de curent mare disponibil la IPP Garching la un unghi de inciden perpendicular pe prob. Valoarea energiei

28

fasciculului de ioni D3+ incident a fost de 600 eV (nsemnnd 200 eV/D+) iar implantarea s-a realizat la temperatura camerei. Pentru fiecare prob, s-a folosit aceeai fluen de 5 1022 D/m2. Conform studiilor anterioare, aceast valoare reprezint fluena de saturaie n cazul beriliului.

Analiza de reacii nucleare (NRA)250

200

1KeV 55 % W 15% O 1KeV 8% W, 30 % O 200eV 68% W, 15 % O 200eV 4% W, 15 % O

Intensitate semnal (rel.)

150

100

50

260

250

240

230

220

210

Canal

Figura VI.8 Profilul n adncime al deuteriului implatat n probe.

Unul dintre motivele acestor modificri ale profilurilor n adncime ar putea fi diferena de densitate ntre cele dou filme; aceast diferen n densitate, cauzat de concentraia diferit a celor dou elemente, conduce automat la modificarea numrului de capcane pentru deuteriul implantat. De asemenea, este cunoscut faptul c fasciculul de ioni de deuteriu poate induce defecte n film la interaciunea cu acesta. Din aceast perspectiv, o alt posibilitate a comportamentului diferit n ceea ce privete distribuia deuteriului din probe ar putea fi faptul c fasciculul incident induce mai multe defecte n adncime n probele cu concentraie mare de beriuliu pe cnd n cea depus cu mult wolfram, defectele induse apar n zona imediat de sub suprafa. Cantitatea de deuteriu reinut n film, avnd o valoare cuprins ntre 3 1017 D/m2 i 1 1018 D/m2 a fost determinat prin msurtori NRA folosind un fascicul de ioni 3He cu o energie de 800 eV. Figura IV.9 prezint distribuia deuteriului n filmele depuse

29

1x10 9x10

18

17

Cantitate Deuteriu (D/m )

8x10 7x10 6x10 5x10 4x10 3x10

17

2

17

17

17

17

17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Concentratie W (at%)

Figura VI.9 Cantitatea total de deuteriu reinut n probe n funcie de concentraia relativ Be/W

Dup cum se poate observa, exist o tendin descendent a cantitii de deuteriu reinut n probe odat cu creterea concentraiei de Wolfram.

Msurtori TDSDup cum se poate observa din analiza spectrelor TDS, corelate cu msurtorile de reacii nucleare, majoritatea deuteriului din film a fost eliberat n proporie de 89 %, sub form de deuteriu molecular D2

1.6x10 1.4x10

4

4

Semnal TDS pentru D2 (u.a)

W-70.29at% W-68.47at% W-61.29at% W-59.18at%

1.2x10 1.0x10 8.0x10 6.0x10 4.0x10 2.0x10

4

4

3

3

3

3

400

500

600

700

800

900

1000

Temperatura cuptor (K)

Figura VI.10 Spectre TDS obinute pentru filmele compozite de tip beriliu-wolfram

30

Cantitatea de deuteriu reinut n probe a fost msurat prin msurtori NRA In Fig. VI.10 se prezinta un grafic al cantitii de deuteriu din interiorul probei ca rezultat al calibrrii wolframului. Dup cum se observa, cantitatea de deuteriu reinut n prob are o tendin de descretere cu concentraia relativ a wolframului.30

25

Cantitate deuteriu (u.a.)

20

15

10

5

0 58

60

62

64

66

68

70

Concentratie de wolfram (at%)Figura VI.11 Cantitatea total de deuteriu dup desorbie

Analiza NRA cu fascicul de 3He cu o energie de 800 keV efectuat dup msurtorile TDS au confirmat faptul c nu tot deuteriul prezent n film a fost desorbit. Aceste diferene par a fi determinate de procesul de difuzie al W n filmul de Be. Prin acest proces, structura intern a filmului se modific ducnd astfel la schimbarea energiilor de legtur i, automat, la un comportament diferit n ceea ce privete desorbia deuteriului.

31

Capitolul VII Obinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip Be CAu fost investigate retenia i comportamentul prin care se realizeaz eliberarea termic a deuteriului din filmele subiri de beriliu-carbon. Rezultatele acestui studiu vor oferi o previzionare dac procedura de degazare termica va fi acceptat ca operaiune de ndeprtare a tritiului din ITER.

VII.1 Montaj experimentalPentru fiecare arj s-au folosit substraturi de carbon i siliciu. Substraturile de carbon au fost realizate din grafit polisat cu pasta diamantata de granulatie mai mica de 1m. Substraturile au avut o form rectangular de dimensiune 12 mm x 15 mm x 1 mm. Pentru a le nclzi la o temperatur de 675 K a fost folosit un cuptor. Astfel, atomii i ionii din plasm au ajuns la substrat fr a provoca ocuri termice iar lipsa acestor ocuri a diminuat posibilitatea apariiei defectelor provocate de stresul mecanic. Substraturile au fost aezate pe un suport montat n interiorul camerei de depunere i conectat termic cu cuptorul.

VII.2 Analiza probelorPrincipalul aspect subliniat de msurtorile RBS este acela c filmul depus pe substraturile preparate la temperatura camerei a oxidat numai la suprafa i la interfa, n timp ce substraturile nclzite au prezentat oxigen la suprafa dar care a difuzat n material, oxidnd beriliul i carbonul n ntregul film. n plus, oxigenul prezent la interfa ncepe s migreze n substrat pe msur ce crete temperatura.

1.0

1.0

0.8

0.8

Concentratie (rel.)

Concentratie (rel.)

0.6

Be C O

0.6

Be C O

0.4

0.4

0.2

0.2

0.0

0

2000

4000

600015 2

8000

10000

0.0

0

2000

4000

600015 2

8000

10000

Adancime (10 At/cm )

Adancime (10 At/cm )

Figura IV.1. Imagini care prezint spectre RBS pentru filmul depus la temperatura camerei (stnga) i pe substraturi nclzite la 735K (dreapta)

32

VII.3 Studii privind retenia i desorbia n filmele compozite de tip Be-Ca)1.0 0.10

b)

1.0

0.10

Concentratie (rel.)

0.8

Be C O D

0.08

0.8

Concentratie (rel.)

Be C O D

0.08

Concentratia deuteriului (rel.)

Concentratia deuteriului (rel)

0.6

0.06

0.6

0.06

0.4

0.04

0.4

0.04

0.2

0.02

0.2

0.02

0.0

0

2

4

62 18

8

0.00 10

0.0

0

2

4

62 18

8

0.00 10

Adancime (at/cm *10 )

Adancime (at/cm *10 )

Fig. VI.2 Profilele in adncime a dou probe care au concentraie relativ Be-C: concentratie ridicat de beriliu (a), concentratie ridicat de carbon (b)

Cantitatea de D reinut a fost determinat realiznd o analiz de reacie nuclear (NRA) folosind o reacie de 3He (d, p). Dup cum se poate observa n figura VI.4, exist o tendin descendent a cantitii de deuteriu reinut n probe odat cu creterea concentraiei de carbon.40

30

Procent retinut in proba

20

10

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Concentratie carbon (at%)

Figura VI.3 cantitatea totala reinut in probe, in funie de concentraia de carbon

Profilurile TDS ale probelor Be-C au indicat clar dependena dintre cantitatea de deuteriu eliberata i concentraia relativ a compoziiei beriliu-carbon. S-a observat c n cazul implantrii la temperatura camerei i n cel al concentraiilor ridicate de Be apare un vrf de desorpie pronunat de D2 n intervalul de temperatur 425-475K, corespunztor desorpiei de deuteriu din capcanele de beriliu conexe. La concentraii ridicate de carbon/ carbur, acest vrf de desorpie conex beriliului descrete i apare un alt vrf care crete n intervalul de temperatur 925-975K, atribuit reteniei de carbon/carbur n capcanele conexe lor. Concentraia relativ a Be-C influeneaz att mecanismul de retenie ct i pe cel de desorpie. n cazul concentraiei sczute de beriliu n stratul compozit Be-C, cantitatea

33

de deuteriu a fost mai mic. Spectrele TDS au demonstrat c comportamentul n probe diferite a fost cauzat de capcanele individuale pentru fiecare dintre aceste dou elemente.a)1E151E14

Temperatura cuptorului Temperatura probei ~5 at% C ~12 at% C ~50 at% C

b)1100 1000 1E14 900 1E15

Temperatura cuptorului Temperatura probei1100 1000 900 800 700 1E12 600

~5 at% C

~50 at% C ~65 at% C

Rata disorptiei (D2)

Rata disorbtiei (HD)

~65 at% C1E13

~75-80 at% C

800 700

1E13

~75-80 at% C

Temperatura (K)

Temperatura (K)

1E12

600 500

1E11 400 1E10 300 6000

1E11

~12 at% C

500 400

0

1000

2000

3000

4000

5000

1E10 0 1000 2000 3000 4000 5000

300 6000

Timp (s)

Timp (s)

Fig. VI.4 Spectrele TDS pentru filmele cu concentratii relative de beriliu-carbon diferite : D2 (a), HD (b)Temperatura probei Temperatura cuptorului100

1100 1000 900 800 700 600 500

Procent deuteriu retinut

80

60

40

5% at C 12% at C 50% at C 65% at C 75% at C 80% at C

Temperatura (K)

20 400 300 6000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Timp (s)

Figura VI.5 Cantitatea de D ajustat la coninut dup implantarea n fiecare prob ca funcie a temperaturii de desorpie pentru probele de tip Be-C

n timpul experimentului TDS se poate observa c pentru porbele cu concentraie mare de carbon mai puin de 30% din cantitatea de deuteriu a fost eliberat nainte ca temperatura pe probele implantate la aceeai temperatur s ating valoarea de 625K. Dac procedura de degazare, (detritiere) se va realiza la aceast temperatur, va rezulta o ndeprtare slab a cantitii totale de tritiu i deuteriu reinut n materialele care sunt expuse la plasm. Pentru a realiza un studiu comparativ n funcie de temperatura de implantare i fluena, implantarea a fost realizat la temperatura camerei, 425, 525 i respectiv 575 K cu fluxul de ~ 3 x 1019 D/m2s. Au fost alese aceste temperaturi deoarece n filmele de beriliu pur implantate la temperatura camerei, mai mult de 90% din cantitatea de deuteriu implantat a fost eliberat n jurul valorii de 400-425 K. De asemenea, se cunoate faptul c la temperatura aleas (625 K) ncepe formarea carburii de beriliu (Be2C). Pentru a 34

obine un studiu comparativ, au fost folosite fluene de implantare cu valori cuprinse ntre 5x 1020 i 1023 D/m2 ( aceast fluen corespunde celei ateptate n primul perete al ITER dup o descrcare de 400 s). Cantitatea de D reinut a fost determinat realiznd o analiz de reacie nuclear (NRA) folosind o reacie de 3He (d, p).

1E23

Cantitatea deuteriu retinut(D/m )

R.T. 150 200 350

1E23

2

1E22

1E22

1E21

1E21

1E20 1E20 1E21 1E222

1E20 1E23

Cantitate deuteriu implantat (D/m )

Figura VI.6. Cantitatea total de deuteriu ca funcie a cantitii implantate, pentru diferite valori ale fluenei i temperaturii

Figura VI.6 prezint cantitatea de deuteriu reinut n probe (concentraie redus de carbon) pentru primele patru seturi de temperaturi, ca funcie a fluenei incidente. Se poate observa dependena fluenei de fracia de deuteriu reinut n stratul mixt de beriliucarbon. Exist o anumit diminuare a cantitii reinute odat cu creterea fluenei dar nu a existat o saturare clar folosind fluenele de implantare disponibile (pn la 1023D/m2). n cazul probelor implantate la o temperatur de 625 K s-a observat o descretere a cantitii reinute. Acest fenomen poate fi atribuit dezactivrii capcanelor la temperaturi nalte att n cazul beriliului ct i al carbonului datorit faptului c deuteriul implantat este deja eliberat n timpul procesului de implantare. Aceste date confirm studiile anterioare realizate pentru fiecare material pur n parte. Experimentul de spectroscopie a desorbiei termice (TDS) a fost realizat pe probele implantate folosind instalaia TESS n cadrul IPP Garching. Experimentul const n nclzirea probei cu o ramp de 15K/min pn la 1000K. n timpul ntregului proces de nclzire a fost msurat cantitatea de deuteriu eliberat din film ( molecule D2 i HD)

35

a)1100 1000 1E15 900

b)1100 1000 1E15 900

Temperatura cuptor (K)

Temperatura cuptor (K)

Rata disorptiei ( D2)

Rata disorptiei(D2)

1E14

fluenta: 10 D/m 22 2 fluenta: 5*10 D/m 21 2 fluenta: 5*10 D/m 20 2 fluenta: 5*10 D/m

23

2

800 700 600

1E14

fluency: 10 D/m 22 2 fluency: 5*10 D/m 21 2 fluency: 5*10 D/m 20 2 fluency: 5*10 D/m

23

2

800 700 600

1E13 500 400 1E12 0 200 400 600 300 800

1E13 500 400 1E12 0 200 400 600 300 800

Timp (s)

Timp (s)

Figura VI.7 Spectrele TDS pentru filmele Be-C codepuse implantate la temperatura camerei (a) concentraie sczut de carbon (5%); (b) concentraie ridicat de carbon (18%)

Spectrele TDS pentru probele implantate la temperatura camerei sunt prezentate n Figura VI.7. n cazul tuturor probelor s-a observat un vrf de desorbtie pronunat n jurul temperaturii de aproximativ 425K. Capcanele din care a fost eliberat D la aceast temperatur sczut nu se cunosc n totalitate. Se presupune c D este captat n stare amorf Be:D instabil. Un umr larg de desorpie apare la temperatura de 625K, atribuit temperaturii de descompunere a deuteriurii de beriliu. Un vrf de intensitate sczut a fost observat n jurul temperaturii de 825K. Pe msur ce fluena scade, vrful de temperatur ridicat ctig magnitudine. n cazul probelor cu concentraie ridicat de carbon (Figura VI.7 (b)), vrful aprut la temperatur ridicat este mai mare dect cel indicat n spectrele TDS corespunztoare probelor cu concentraie sczut de carbon (Figura VI.7 (a)). Un al treilea vrf foarte sczut se observ n jurul temperaturii de 955 K. Pe baza acestor dovezi acest vrf este atribuit capcanelor care elibereaz, deuteriul corespunztor prezenei carbonului/ carburii n film. n cazul implantrii la temperaturi ridicate (probe cu concentraie ridicat de carbon), n spectrele TDS (Figura VI.8), a fost observat acelai proces ca i n cazul probelor implantate la temperatura camerei dar n cazul probelor implantate la o temperatur de 425K, cel mai nalt vrf de desorbtie corespunzator temperaturilor inalte prezenta aproximativ aceeai magnitudine cu cel din jurul temperaturii de 445K, corespunztor vrfului de desorbtie in cazul beriliului pur implantat la temperatur joas. Probele implantate la 475K (Figura VI.8 b) nu au prezentat vrfuri de desorbie la temperatur joas. Vrful pentru temperatur ridicat este vizibil i corespunde valorii de 815 K.

36

a)1100 1000 1E15

b)fluenta: 10 D/m 22 2 fluenta: 5*10 D/m 21 2 fluenta: 5*10 D/m 20 2 fluenta: 5*10 D/m23 2

1100 1000 900

1E16

Temperatura cuptorului (K)

900

Temperatura cuptorului (K)

Rata disorptiei (D2)

1E14

fluenta: 10 D/m 22 2 fluenta: 5*10 D/m 21 2 fluenta: 5*10 D/m 20 2 fluenta: 5*10 D/m

Rata disorptiei (D2)

23

2

1E15

800 700 600

800 700 600

1E14

1E13 500 400 1E12 0 200 400 600 300 800

1E13

500 400

1E12 0 200 400 600 300 800

Timp (s)

Timp (s)

c)1100

1E16

fluenta: 10 D/m 22 2 fluenta: 5*10 D/m 21 2 fluenta: 5*10 D/m

23

2

1000

Temperatura cuptorului (K)

900 800 700 600

Rata disorptiei (D2)

1E15

1E14

1E13

500 400

1E12 0 200 400 600 300 800

Timp (s)

Figura VI.8 Spectre TDS pentru implantare la temperatur ridicat (a) 425 KC, (b) 475 K, (c) 625 K

Probele implantate cu deuteriu au fost nclzite la o temperatur de 625K (Figura VI.8 c) iar vrful de desorpie de temperatur joas dispare. Cu toate c procesul de eliberare ncepe n jurul temperaturii de 515K, n cazul tuturor fluenelor se observ dou vrfuri de desorpie. Primul corespunde unei temperaturi de 735K pe prob iar cel de-al doilea, unei temperaturi de 815K. Pe msur ce fluena descrete, vrful corespunztor temeraturii mai ridicate devine mai vizibil. Acest fenomen sugereaz faptul c la fluen sczut primele spaii libere care sunt ocupate sunt cele corespunztoare semnalului de disorpie dat de analiza TDS pentru temperatura mai ridicata. Proba implantat la cea mai joas fluen a prezentat un semnal foarte sczut i nu a putut fi introdus n acest studiu. Pe msur ce fluena descrete, vrfurile devin mai largi i mai greu de deosebit.

37

Capitolul VIII Obinerea i caracterizarea morfologic i structural a filmelor compozite de interes pentru fuziune de tip Be C-WAu fost depuse filme ternare din Be-C-W de grosime 50-200 nm avnd concentraii relative diferite pentru cele trei elemente (Be, C i W) pe substraturi din grafit i siliciu folosind metoda arcului termoionic n vid dezvoltat la INFLPR.

VIII.1 Prepararea straturilor mixte de Be-C-WPentru a obine un procent variabil Be-C-W a fost realizat un montaj prezentat n figura VIII.1. Distana dintre anozi a fost de 20 cm iar distana suport probe anozi a fost de aproximativ 25 cm, deoarece fluxul de particule depinde de distan i unghiul de inciden. Cei doi anozi i substraturile au fost poziionai astfel nct s existe un alt flux diferit de particule pe fiecare prob n parte pentru fiecare arj de depunere. .

Figura VIII.1 Reprezentare schematic a sistemului de depunere folosind arcul termoionic n vid pentru Be-C-W.

Creuzetul de TiB2 rezistent la temperaturi ridicate a fost umplut cu pulbere de beriliu i carbon i nclzit n prealabil la o temperatur a crei valoare depea 1775 K, cunoscndu-se faptul c se obine carbur de beriliu numai prin nclzirea elementelor beriliu i carbon la temperaturi ridicate (n jurul valorii de 1175 K). Aceasta se mai poate obine i prin reducerea oxidului de beriliu cu carbon la temperaturi ce depesc 1775 K:

VIII.2 Caracterizarea morfologic i compoziional a filmelor preparateMsurtori SEM i EDSMsurtorile SEM i EDS au fost realizate pentru a observa morfologia suprafeei i distribuia concentraiei atomice relative a celor trei elemente n film. Cu toate c

38

analiza EDS nu ofer informaii despre profilul de adncime deoarece integreaz semnalul electronilor deviai poate oferi informaii precise privind compoziia.Tabelul VIII.1 Analize SEM i EDS ale probelor depuse

Co d prob 22.02.2010 Be+C+W pe substrat de siliciu; Proba nr. 2 22.02.2010 Be+C+W pe substrat de siliciu; Proba nr. 5 23.02.2010 Be+C+W pe substrat de siliciu; Proba nr. 2

SEM 10.000 X

SEM 50.000 X

EDS

Concentraie (at%) Be - 25.34at% C 27.21at% W 23.31at% O 23.64 at%

Be - 22.00 at% C 30.44 at% W 25.27 at% O 22.29 at%

Be 19.70 at% C 29.20 at% W 27.65 at% O 23.42 at%

Concentraiile relative ale celor trei elemente msurate folosind metoda de analiz EDS au fost identificate n intervalul 19-25 at% Be, 25-31at% C i 23-28% W n ambele arje; n filmele preparate a fost determinat o concentraie crescut de W, aa cum se i atepta, datorit parametrilor de depunere alei. Concentraia de oxigen n filmele preparate s-a ncadrat n intervalul 23-26%. Sunt necesare mai multe informaii exacte privind profilul n adncime.

Analiza XPSFolosind un spectrometru de fotoelectroni emii sub aciunea radiaiei X, SPECS, Gemania, probele preparate au fost analizate pentru a deduce formarea legturilor chimice create n timpul depunerilor simultane. Pentru a realiza o mai bun sistematizare a datelor obinute, fiecrei probe i-a fost atribuit un cod de identificare, innd cont de data depunerii i poziia probei pe suport. Be-C+W/grafit: Cod: 22c03 Be-C+W/grafit: Cod: 22c06 Be-C+W/grafit: Cod: 23c01 Be-C+W/grafit: Cod: 23c04 Regiunile spectrale asociate Be i W pentru probele 22C03 i 22C06 sunt prezentate n figurile VIII.2-VIII.5. Profilurile n adncime pe elemente n analiza XPS prezentate n figurile VIII.10 si VIII.11 prezint concentraia relativ a elementelor pentru cele dou arje.

39

100 90 80 70

100

Be C WCompozitie (at%)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Be C W

Compozitie (at%)

60 50 40 30 20 10 0 0 4 8 12

0

2

4

6

8

10

12

Adancime (nm)

depth (nm)

a) proba 22c06 mai aproape de anodul Be2C, Concentraie medie: 54at%Be28at%C18at%W

b) proba 22c06 mai aproape de anodul de wolfram, Concentraie medie: 50at%Be28at%C22at%W Figura VIII.2 Profilul de adncime pe elemente pentru probele preparate n prima arj

Se oate observa creterea procentului concentraiei de W (proba mai aproape de anodul Be2C: 54at%Be28at%C18at%W, prob mai aproape de anodul de wolfram: 50at%Be28at%C22at%W) conform poziionrii spre anodul de wolfram. Concentraia elementului C dintre probe i concentraia W crete odat cu adncimea filmului n baza scderii concentraiei de C.100 90 80100

Be C WCompozitie (at%)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Be C W

Compozitie (at%)

70 60 50 40 30 20 10 0 0 4 8 12

0

2

4

6

8

10

12

Adancime (nm)

Adancime (nm)

b) proba 23c04 mai aproape de anodul de wolfram; Concentraie medie: 37at%Be39at%C24at%W Figura