ON THE IMPACT OF HIGH-ENERGY HELIUM PLASMA ION FLOW ON TUNGSTEN NANOSTRUCTURE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The processes of plasma formation from helium bubbles-containing tungsten nanofibers when exposed to energy and particle flux from helium plasma under conditions of near-wall potential increased to hundreds of volts, when spontaneous initiation of explosive electron emission bursts is observed, have been considered. It is shown that the development of initiation models under external influence of energy and particle flux requires consideration of nanofibers heterophase structure. Using molecular dynamics method, atomistic modeling of interaction between an incident high-energy helium atom (100-500 eV) with an ensemble of helium atoms in a nanoscale bubble with solid-state of nanofibers heterophase structure 1029 m–3, retained in the near-surface tungsten layer, was performed. The energy relaxation time in the heterophase system of a nanobubble in tungsten was obtained, amounting to several picoseconds. It is shown that at incident particle energies of hundreds of electronvolts, overheating of near-surface nanobubbles is possible, leading to their explosion within times of about 10 ps. Such energy is comparable to the total energy of nanobubble particles, and at such near-wall potential, spontaneous initiations of explosive electron emission bursts are observed.

About the authors

V. V. Kulagin

Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI

Email: v.kulagin@lebedev.ru
Russian Federation, 119991, Moscow; 115409, Moscow

M. M. Tsventukh

Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: mmtsv@lebedev.ru
Russian Federation, 119991, Moscow

References

  1. S. Kajita, N. Yoshida, and N. Ohno, Nucl. Mater. Energy 25, 100828 (2020).
  2. J. Wright, Tungsten 4, 184 (2022).
  3. K. D. Hammond, Mater. Res. Express 4, 104002 (2017).
  4. S. Kajita, S. Takamura, and N. Ohno, Nucl. Fusion 49, 032002 (2009).
  5. S. A. Barengolts, G. A. Mesyats, and M. M. Tsventoukh, IEEE Trans. Plasma Sci. 39, 1900 (2011).
  6. D. Hwangbo, S. Kawaguchi, S. Kajita, and N. Ohno, Nucl. Mater. Energy 12, 386 (2017).
  7. S. Kajita, W. Sakaguchi, N. Ohno et al., Nucl. Fusion 49, 095005 (2009).
  8. Y. Martynenko and M. Nagel’, Plasma Phys. Rep. 38, 996 (2012).
  9. M. Baldwin and R. Doerner, Nucl. Fusion 48, 035001 (2008).
  10. S. Krasheninnikov, Phys. Scripta T 145, 014040 (2011).
  11. S. Kajita, N. Yoshida, R. Yoshihara et al., J. Nucl. Mater. 418, 152 (2011). 750
  12. M. Tokitani, S. Kajita, S. Masuzaki et al., Nucl. Fusion 51, 102001 (2011).
  13. S. Kajita, Y. Noiri, and N. Ohno, Phys. Scripta 90, 095604 (2015).
  14. R. Zhang, S. Kajita, D. Hwangbo et al., Nucl. Mater. Energy 31, 101178 (2022).
  15. G. A. Mesyats, J. Nucl. Mater. 618, 128 (1984).
  16. S. A. Barengolts, G. A. Mesyats, and M. M. Tsventoukh, Nucl. Fusion 50, 125004 (2010).
  17. M. M. Tsventoukh, Phys. Plasmas 30, 092511 (2023).
  18. A. Loarte, B. Lipschultz, A. S. Kukushkin et al., Nucl. Fusion 47, S203 (2007).
  19. V. S. Mikhailov, P. Yu. Babenko, A. P. Shergin et al., J. Exp. Theor. Phys. 137, 413 (2023).
  20. С. А. Баренгольц, Г. А. Месяц, М. М. Цвентух, ЖЭТФ 134, 1213 (2008) [S. A. Barengolts, G. A. Mesyats, and M. M. Tsventoukh, JETP 107, 1039 (2008)].
  21. K. H. Lin, S. L. Wang, C. Chen, and S. P. Ju, RSC Advances 4 (46), 24286 (2014).
  22. D. L. Shmelev and S. A. Barengolts, IEEE Trans. Plasma Sci. 41, 1959 (2013), https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2245347.
  23. M. M. Tsventoukh, Phys. Plasmas 25, 053504 (2018), https://doi.org/10.1063/1.4999377.
  24. Yu. Gasparyan, V. Efimov, and K. Bystrov, Nucl. Fusion 56, 054002 (2016).
  25. M. M. Tsventoukh, Phys. Plasmas 28, 024501 (2021), https://doi.org/10.1063/5.0034814.
  26. M. M. Tsventoukh, J. Phys. D: Appl. Phys. 55, 355204 (2022), https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac77c8.
  27. S. A. Barengolts, D. Hwangbo, S. Kajita et al., Nucl. Fusion 60, 044001 (2020), https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab73c3.
  28. D. Nishijima, M. Baldwin, R. Doerner, and J. Yu, J. Nucl. Mater. 415(1), S96 (2011), https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.12.017.
  29. D. Ruzic and S. Cohen, J. Chem. Phys. 83, 5527 (1985).
  30. N. R. Lewkow, V. Kharchenko, and P. Zhang, Astrophys. J. 756, 57 (2012).
  31. S. Kajita, N. Yoshida, R. Yoshihara et al., J. Nucl. Mater. 418, 152 (2011).
  32. K. Hammond, S. Blondel, L. Hu et al., Acta Mater. 144, 561 (2018).
  33. K. Hammond, D. Maroudas, and B. Wirth, Sci. Rep. 10, 2192 (2020).
  34. E. A. Lobashev, A. S. Antropov, and V. V. Stegailov, JETP 136, 174 (2023).
  35. A. Thompson, H. Aktulga, R. Berger et al., Comput. Phys. Commun. 271, 108171 (2022).
  36. S. J. Plimpton, Comput. Phys. 117, 1 (1995).
  37. M. Finnis and J. Sinclair, Philos. Mag. A 50, 45 (1984).
  38. M. Finnis and J. Sinclair, Philos. Mag. A 53, 161 (1986).
  39. G. Ackland and R. Thetford, Philos. Mag. A 56, 15 (1987).
  40. N. Juslin and B. Wirth, J. Nucl. Mater. 432, 61 (2013).
  41. D. Beck, Mol. Phys. 14, 311 (1968).
  42. D. Beck, Mol. Phys. 14, 332 (1968).
  43. K. Morishita, R. Sugano, B. Wirth, and T. Diaz de la Rubia, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms 202, 76 (2003).
  44. L. Hu, K. D. Hammond, B. D. Wirth, and D. Maroudas, Surf. Sci. 626, L21 (2014).
  45. S. Blondel, D. E. Bernholdt, K. D. Hammond, and B. D. Wirth, Nucl. Fusion 59, 029501 (2019).
  46. A. Weerasinghe, L. Hun, K. D. Hammond et al., J. Appl. Phys. 128, 165109 (2020).
  47. L. Pentecoste, P. Brault, A.-L. Thomann et al., J. Nucl. Mater. 470, 44 (2016).
  48. L. Pentecoste, A.-L. Thomann, P. Brault et al., Acta Mater. 141, 47 (2017).
  49. F. Ferroni, K. D. Hammond, and B. D. Wirth, J. Nucl. Mater. 458, 419 (2015).
  50. J. F. Ziegler, M. D. Ziegler, and J. P. Biersack, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. Sect. B: Beam Interact. Mater. Atoms 268, 1818 (2010).
  51. S. Nos´e, J. Chem. Phys. 81, 511 (1984).
  52. W. Hoover, Phys. Rev. A 31, 1695 (1985).
  53. A. Stukowski, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
  54. M. Matsumoto and T. Nishimura, ACM Trans. Model. Comput. Simul. 8, 3 (1998).
  55. M. Rosenblatt, Ann. Math. Stat. 27, 832 (1956).
  56. E. Parzen, Ann. Math. Stat. 33, 1065 (1962).
  57. W. Setyawan, D. Dasgupta, S. Blondel et al., Sci. Rep. 13, 9601 (2023), https://doi.org/10.1038/s41598-023-35803-3.
  58. Я. Б. Зельдович, Ю. П. Райзер, Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, Физматгиз, Москва (1963), с. 91.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».