Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Важнейшим условием стабильной работы установок управляемого термоядерного синтеза является решение проблем "первой стенки", включающее анализ взаимодействия термоядерной плазмы с внутрикамерными материалами. В рамках данной задачи наиболее актуальным является определение послойных профилей состава конструкционных материалов, взаимодействующих с плазмой. Это связано с тем фактом, что для снижения среднего атомного номера элементов, попадающих в плазменный разряд, используют покрытия обращенных к плазме материалов материалами из атомов с низким зарядовым номером, таких как литий и бор. В настоящей работе представлена методика спектроскопии отраженных электронов, позволяющая реализовывать послойный анализ мишеней сложного состава на основе расшифровки дифференциальных по энергии и углам спектров отраженных электронов. Представлен метод расчета энергетических спектров электронов, отраженных от многокомпонентных неоднородных мишеней, основанный на методе парциальных интенсивностей, неоднократно апробированном в многочисленных работах. Распределение отраженных электронов по длине пробега в мишени, являющееся основой метода парциальных интенсивностей и ранее определяемое только в рамках моделирования методом Монте-Карло, получено в рамках аналитического подхода. Указано, что для определения послойного профиля распределения компонентов в исследуемой мишени используют процедуру подбора, основанную на многократном решении прямой задачи расчета спектров электронов, отраженных от мишени сложного состава. Показано хорошее соответствие расчетов экспериментальным результатам. Отмечена простота экспериментальной реализации метода спектроскопии отраженных электронов, связанная с отсутствием требований к аппаратуре с высоким энергетическим разрешением, поскольку информацию о мишени черпают из купольной части спектра отраженных электронов.

Одним из актуальных на данный момент направлений является создание оптических систем суммирования и удвоения частоты излучения, активную часть которых выполняют с использованием нелинейных кристаллов. В качестве перспективного материала для таких элементов можно отметить фосфид галлия в форме нитевидных нанокристаллов, обладающий высоким значением квадратичной диэлектрической проницаемости, а также прозрачности в видимой и инфракрасной областях спектра. Благодаря форме такие кристаллы могут быть эффективно внедрены в современные системы интегральной фотоники. В настоящей работе было проведено численное исследование процесса генерации второй гармоники в нитевидных нанокристаллах GaP в зависимости от их геометрических параметров и ориентации падающего излучения. Были найдены условия, обеспечивающие наибольшую эффективность генерации вдоль оси нанокристалла. Показана возможность распространения второй гармоники вдоль оси нитевидных нанокристаллов в воздушной среде при конкретных параметрах системы — поперечном размере нитевидного кристалла и угле падения излучения. Увеличение поперечных размеров образов приводит к уменьшению разницы между реальным и предсказанным направлениями распространения излучения, так как при увеличении нитевидного нанокристалла его характеристики, связанные с размером, стремятся к объемным. Полученные результаты могут быть использованы в создании различных устройств нанофотоники.

Представлены результаты исследования насыщения ионами дейтерия текстурированной поликристаллической алмазной мишени. Имплантацию дейтерия в поликристаллическую алмазную мишень проводили пучком ионов дейтерия на ускорителе ГЕЛИС (ФИАН) при энергии ионов дейтерия 25 кэВ и токе пучка 30–35 мкА. Детектировали быстрые нейтроны, образующиеся в реакции синтеза ядер дейтерия в мишени. Регистрацию нейтронов проводили сцинтилляционными детекторами с органическими кристаллами. Калибровка сцинтилляционных детекторов была выполнена с использованием нейтронного генератора ИНГ-061. В ходе экспериментов проведено несколько сеансов облучения поликристаллической алмазной мишени пучком ионов дейтерия. Регистрировали выход нейтронов из мишени в зависимости от времени облучения и времени между сеансами облучения. Проведено моделирование прохождения ионов дейтерия в алмазе. По экспериментальным результатам с учетом сделанных расчетов энергии ионов дейтерия и сечения ядерной реакции (d + d) в зависимости от глубины прохождения дейтерия в мишень получены значения концентрации дейтерия в поверхностном слое поликристаллической алмазной мишени.

Исследованы кинетика изменения спектров диффузного отражения и интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения при облучении электронами (энергия Е = 30 кэВ, флуенс Ф = (1–7) × 10¹⁶ см^–2) и возможность регистрации этих свойств в вакууме на месте облучения (in situ) порошка CaSiO₃ с зернами микронных размеров, исходного и модифицированного наночастицами оксида редкоземельного элемента CeO₂ при их оптимальной концентрации 3 мас. %. Установлено, что модифицирование приводит к увеличению радиационной стойкости от 2.39 до 2.89 раза в зависимости от флуенса электронов. Эффективность модифицирования увеличивается с ростом флуенса электронов при облучении. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых радиационно-стойких терморегулирующих покрытий класса "оптические солнечные отражатели" для космических аппаратов.

Исследовано влияние предварительной имплантации ионов He⁺ на морфологию и микротвердость поверхности сплава ванадия V–10Ti–6Cr–0.05Zr–0.1Si при последующем воздействии мощного импульсного лазерного излучения. Конструкционные малоактивируемые материалы на основе ванадия наиболее коррозионностойкие по отношению к Li. Они перспективны для реакторов с жидкостным вариантом бланкета, где литий является теплоносителем, а тритий — воспроизводимым материалом. Имплантацию в сплав ионов гелия проводили в ионно-лучевом ускорителе. Установлены общие закономерности разрушения поверхности как исходных образцов, так и предварительно облученных гелием: образование лунки, окруженной бруствером, и зоны термического влияния, расположенной за бруствером. Повреждаемость поверхности выше у образцов с имплантированным гелием: наблюдается более интенсивное кипение материала внутри лунки, образование бруствера в виде кольцеобразного ободка и формирование областей повреждения трех видов в зоне термического влияния. Обнаружено, что микротвердость поверхности сплава после имплантации ионов He⁺ и в лунках, образовавшихся при последующем воздействии лазерного излучения, практически не изменяется (в пределах погрешности измерения), а микротвердость в лунке исходного сплава сначала уменьшается при воздействии излучения, а затем при увеличении числа импульсов наблюдается тенденция к ее увеличению. Обсуждаются механизмы наблюдаемых явлений.

Проведено исследование эволюции фазового состава металлокерамического материала, формируемого в процессе прямого лазерного выращивания, с помощью синхротронного излучения. Методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа показано, что активное образование вторичных фаз соединений происходит при повторном переплавлении в процессе многослойной наплавки. Выявлено незначительное образование вторичных фаз при наплавке единичного трека вследствие малого времени существования “ванны” расплава. Установлено, что с увеличением концентрации вторичных фаз растет микротвердость материала.

Исследовано влияние плотности мощности лазерного излучения при лазерной ударной обработке титанового сплава ВТ6 на свойства поверхностного слоя: геометрию, микротвердость, степень наклепа, уровень остаточных напряжений и микроструктуру. Приведены сравнительные усталостные характеристики образцов, упрочненных в различных режимах лазерной ударной обработки. Проведен фрактографический анализ и определена взаимосвязь между режимами лазерной ударной обработки и глубиной залегания очага усталостной трещины.

Тонкие пленки NiO толщиной от 40 до 170 нм были получены методом импульсного лазерного осаждения на подложках c-Al₂O₃ с использованием второй гармоники YAG:Nd³⁺-лазера для абляции металлической мишени Ni в вакуумной камере при давлении кислорода 7.5 мТорр и температуре подложки 370°С. Методом рентгеновской дифракции установлено, что все пленки NiO высокого кристаллического совершенства, имеют ориентацию [111]. Шероховатость поверхности полученных пленок находится в диапазоне от 1.6 до 2.3 нм. Установлено, что при увеличении толщины пленки NiO уменьшается концентрация носителей заряда и возрастает удельное сопротивление. По данным измерений оптических свойств пленок ширина запрещенной зоны увеличивается от 3.43 до 3.63 эВ с уменьшением толщины.