Поглощение водорода металлами

Проводимость элементов вакуумной системы
Диафрагма:
Круглый
трубопровод:
U
F 8RT

4
M
Воздух:
 D3  T

U  38.1
 l  M
U м3 Па с   116 Fм 2 
Воздух:
 D3м  

U м3 Па с   121
l 
 м 
С.В. Полосаткин ТПЭ
Водород в металлах
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Поглощение водорода металлами
Адсорбция
Хемосорбция
Растворение
Образование гидридов
Энергетическая диаграмма водорода в металле
H
Металл
1
Вакуум
Cu
ED
½ H2
0
ES
ES
ED
Ta
-1
-0,5
0
Хемосорбция (H)
-1
Адсорбция (H2)
E, eV
2
0,5
x, nm
1
1,5
Энергетическая диаграмма водорода в металле
H
E, eV
2
Металл
1
Вакуум
Cu
ED
½ H2
0
ES
ES
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
x, nm
Поток молекул водорода на поверхность металла
1
1,9 1020
H ñì 2ñ1   nvˆ 
pÏà     p
2
4
T
1
1,5
Поглощение на поверхности металлов
H
E, eV
2
Металл
1
Вакуум
½ H2
0
Cu
f1
ED
ES
EС
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
Поглощенный поток (хемосорбция)
f1  2H 2  s  1   
s
  2H3
nm
2
sH – поверхностная плотность водорода в
хемосорбированном состоянии
Коэффициент прилипания (sticking)
 2E 
s  s0  exp   C 
 kT 
Чистая поверхность EС=0, s=1
Загрязненная поверхность EС~0,1 эВ
Поглощение на поверхности металлов
H
E, eV
2
Металл
1
f2
Вакуум
Cu
ED
½ H2
0
f3
EС
ES
EA
EB
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
Поток водорода в вакуум
f 2  2  n
23
m
 2EB  EC  
  exp  

kT


2
Уход с поверхности в толщу металла
f3    n
23
m
 E A  EB 
   exp  

kT


nm – концентрация атомов металла
~1013 c-1  частота колебаний атома
водорода
Диффузия в толщу металла
H
E, eV
2
1
f4
Вакуум
Металл
Cu
ED
½ H2
0
f5
ES
EA
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
Выход из толщи металла на
поверхность
f 4  1     n
 E  ES 
n   exp   A

kT


1 3
m
H
nm – концентрация атомов металла
~1013 c-1  частота колебаний атома
водорода
Диффузия внутрь металла
nH
x
 E 
D  D0 exp   D 
 kT 
f5   D
Равновесная концентрация
H
E, eV
2
f3
f2
1
Вакуум
½ H2
0
Металл
f5
f4
Cu
f1
ED
EС
ES
EA
EB
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
f5  0
f1  f 2
f3  f 4
H 2 s0 exp  2 EC kT 



 
23
1      nm exp  2EB  EC  kT  

 E B  ES 
  
nH  
n
exp


 m
1


kT




0,5
nH 
H 2 s0

 E 
nm2 3 exp   S 
 kT 
Равновесная концентрация
H
E, eV
2
f3
f2
1
Вакуум
f4
Cu
f1
½ H2
0
Металл
f5
ED
EС
ES
EA
EB
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
x, nm
 ES 
nH  K s 0  p exp  

 kT 
12
- Закон Сивертса
1,5
Энергия растворимости
ES>0 эндотермическое растворение (большинство металлов, Cu, Al, нерж.сталь)
ES<0 экзотермическое растворение (переходные металлы, Pd, Ta, V, Nb, Zr)
Энергия активации
диффузии
ED, эВ
Энергия
растворения,
ES, эВ
V
0.045
-0.34
Ta
0.14
-0.35
Pd
0.23
-0.11
W
0.39
1.03
Cu
0.4
0.37
 E 
nH  K s 0  p1 2 exp   S  - Закон Сивертса
 kT 
Поглощение молекулярного и атомарного водорода
Молекулярный водород
Атомарный водород
0
nH 
nH 
H 2 s0

 E 
nm2 3 exp   S 
 kT 
H s0
 E  EC 
nm2 3 exp   S


kT 

Чистая поверхность – идентичное поведение для молекулярного и
атомарного потока
Загрязненная поверхность (1 монослой) – отличие 10-105 раз,
температурная зависимость
Диффузия водорода в металле
 x2 
 t

n ( x, t ) 
exp 
D
 4 Dt 
Характерное время диффузии через 100 мкм мембрану для разных материалов при
T=400 К
W
Ti
Ni
Be
V
Ta
Nb
6000 c
57000 c
2200 c
9000 c
1.2 c
14 c
6.5 c
Существуют вещества с очень большой скоростью диффузии
Диффузионные натекатели
Избирательная проницаемость материалов для различных
газов
Водород – палладий, палладий-серебро
Напуск чистого водорода
Сверхпроницаемость
Если скорость диффузии в мембране велика, поток водорода будет
определяться рекомбинацией на поверхности
nH 
P1 s2

P2 s1
H 2 s0

 E 
nm2 3 exp   S 
 kT 
1
1,9 1020
H ñì 2ñ1   nvˆ 
pÏà     p
2
4
T
Управляя свойствами поверхности,
можно добиться одностороннего
пропускания водорода
P1
P2
Диффузия в присутствии радиационных дефектов
Радиационные повреждения создают ловушки для атомов водорода с
энергиями 1-3 эВ
Диффузия при низкой концентрации (ловушки не заполнены) определяется
энергией ловушек, при высокой – энергией диффузии
Образование гидридов
При больших концентрациях водорода могут образовываться
упорядоченные структуры (гидриды)
a-фаза – неупорядоченный твердый раствор водорода в металле
b,g-фазы – упорядоченные растворы
Диаграмма накопления водорода в металле
Terminal solid solubility (TSS) –
предельное содержание в виде твердого раствора
Если концентрация превышает TSS, часть водорода образует гидрид
(упорядоченную структуру)
Накопление водорода в титане
Òåì ï åðàòóðà, î Ñ
800
600
a
b
ab
b
400

200
a
0
0
10
20
30
40
50
Î òí . ñî äåðæàí èå âî äî ðî äà, %àò.
60
a– фаза – эндотермчески растворяет водород, предельная
концентрация 0,002% вес
При нагреве (800 градусов) переходит в b – фазу
Экзотермически растворяет водород, стабилизируется
водородом
Предельная концентрация 0,2% вес
Накопление водорода в титане
Òåì ï åðàòóðà, î Ñ
800
600
a
b
ab
b
400

200
a
0
0
10
20
30
40
50
Î òí . ñî äåðæàí èå âî äî ðî äà, %àò.
Стадии насыщения титана:
Нагрев до 800 градусов
Охлаждение в атмосфере водорода
60
Накопление водорода в титане
Равновесное давление разложения гидрида
Pressure, Pa
10
10
10
10
10
4
2
0
-2
-4
-6
10
100
Формула Вант Хоффа
200
 1.6эВ  
PПа  2,2  1014 exp  

kT 

300
400
Temperature, oC
500
600
Селективный реверсируемый натекатель водорода
Генератор водорода – пористый титан
www.pulsetech.ru
Нераспыляемые геттеры
Материалы с пористой структурой и высокой скоростью диффузии
газов
Пористый титан, TiV, ZrAl, Tактивации 350 - 650°С
Импульсный напуск водорода
e, 30 кэВ
e, 1МэВ
Быстрый нагрев фольги для получения локального
облака водорода
Импульсный напуск водорода
Титановый анод
Импульсный напуск водорода
Добавить –
Накопители водорода для транспорта и проч
Водородный тепловой насос
Термодинамика водорода
С.В. Полосаткин ТПЭ
Системы создания плазмы
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Системы создания плазмы
Современные плазменные установки требуют создания
начальной (мишенной) плазмы
Поверхностная ионизация – Q машина
Ионизация излучением (фотоионизация)
Ионизация газа током разряда (электронным ударом)
Q - машина
Термическая ионизация
Формула Саха:
Цезий – 3,89 эВ
ni2
1  I KT
~ 3 e
na dB
T=2500 K
Cs+
Cs0
Ионизация излучением
Однофотонная ионизация h > I ~ 13 эВ – вакуумный
ультрафиолет ( ~100 нм)
Многофотонная ионизация – пробой в поле излучения
Требуется источник излучения с большой плотностью
энергии (лазер)
Ионизация электронным ударом
Сечение ионизации (формула Томсона)
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
Таунсендовская теория пробоя
Количество свободных носителей мало
(электрическое поле не искажается
пространственным зарядом)
Образование вторичных электронов:
- ионизация газа электронным ударом
- эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами
катод
z
E


 F 
Таунсенд нашел явный вид
n0
 n0 
предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в
электрическом поле он достигает энергии, превышающей потенциал ионизации:
a
e E z > I.
Если длина свободного пробега электрона – ., то вероятность того, что он пройдет без столкновений
расстояние z, равна W(z) = exp(-z/ ). На пути один сантиметр среднее число столкновений, очевидно,
равно 1/ , а число пробегов длиной, большей или равной z, будет определяться выражением
P(z) = (1/) · exp(-z/ ).


a  P z 
I 
I

An
exp(

)

0
eE 
eE
Б.А.Князев.“Низкотемпературная плазма и газовый разряд” Новосибтрск 2003
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
Длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа

V
n0 sV

A
n0
Тогда первый коэффициент Таунсенда
a
B
n0
 A exp( 
( E / n0 )
)
Распределение по длине
dne
Vd
 n0 ne s iV  ni ne srV
dz
рекомбинацией
- уравнение непрерывности
пренебрегаем
z
ne ( z )  nez 0 exp 
0
n0 s iV
Vd
z
dz  nez 0 exp  a dz
0
Плотность электронов экспоненциально возрастает при их движении к анодуЭЛЕКТРОННАЯ ЛАВИНА
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
В другом виде:
a - первый коэффициент Таунсенда количество актов ионизации
на единицу длины пробега
Условие зажигания разряда:
число электронов, число ионов, созданных
éùéù
выбиваемых из ³испущенным с катода
êúêú
êúêú
катода ионом
электроном
ëûëû
éù L
g - второй коэффициент Таунсенда - γ ³êúexp  a  x  dx
коэффициент вторичной эмиссии
êú
ëû 0
agL ³ln 1 1 
1
1
1
Электрический разряд в газах
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Кривая Пашена
Напряжение пробоя
U E L
Uf
BpL
U
ApL
ln
ln 1  1 g 
Lopt ~   1
ns
длина свободного
пробега
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
Напряжение на промежутке
Темный разряд
Тлеющий разряд
дуга
Vf
Нормальный тлеющий разряд
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
Разрядный ток в амперах
1
100
Дуга
Разогрев поверхности катода за счет ионной бомбардировки
Термоэлектронная эмиссия
Образование катодных пятен
Свойства дуги как разряда в газе
Катод
Анод
Uk
Ud
Ua
ld
Ud=α+β×l
• Малое приэлектродное
падение потенциала α (1040 В)
• Высокая плотность тока
(102-103 А/см2 )
• Термическая ионизация
газа в межэлектродном
промежутке (Т =4000-6000
К)
• Термоэлектронная
эмиссия на катоде
Плазменные пушки (АМБАЛ)
Начальная плазма АМБАЛ 1013 см-3, 20 см, 1.5 Тл
Кольцевая плазменная пушка
плотность 1013 – 1015 см-3
Температура 2 – 20 эВ
Радиальное электрическое поле приводит к турбулентному
нагреву плазмы (неустойчивость Кельвина - Гельмгольца)
Тe до 50 эВ
Плазменные пушки (ГДЛ)
Начальная плазма АМБАЛ 4*1013 см-3, 11 см, 0,22 Тл, пробки 15 Тл
Плазменная пушка в неоднородном магнитном поле
плотность 1013 – 1014 см-3
Температура 2 – 20 эВ
Система создания начальной плазмы
(ГОЛ-3)
Пучок
ЗАДАЧИ
Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой
металлической вакуумной камере
Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка
Конструкция источника плазмы
ЗАДАЧИ
Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой
металлической вакуумной камере
Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка
высоковольтные
электроды
вакуумная камера
выходной
коллектор
катушки маг. поля
плазма
пояс Роговского
дополнительный поджиг
0.5 м
к системе
откачки
•Перенос приемника пучка в область расширителя с пониженным магнитным полем
•Использование электродов, расположенных вне области прохождения пучка
Схема питания источника плазмы
30 кВ
48 мкФ
1
2
5 кА
J(z)
Jtest
Jout
3
•-Электроды 2,3 используются для инициирования пробоя в широком диапазоне
плотности
•-Приемник пучка во время инжекции находится под плавающим потенциалом
•-Принудительная компенсация тока пучка обратным током по плазме