ŽARKOVNA LINIJA
Ioni ali protoni se pospešujejo v pospeševalniku, o čemer smo podrobneje že pisali v članku o eksperimentalni liniji Microbeam.
Žarek nato preklopni magnet usmeri v ustrezno linijo, na koncu katere je komora, v kateri se izvajajo fuzijske raziskave. Hitri ioni bi se ob interakciji z zrakom začeli ustavljati, zato so vse cevi in komore pod vakuumom, običajno na tlaku 10-7 mbar.
Ker je eksperimentalna linija zelo dolga, žarek pa z razdaljo divergira, ga je nujno ponovno zbrati oziroma izostriti in tako pripeljati do eksperimentalne postaje. Za to skrbi elektrostatska kvadrupletna leča (za razliko od microbeama, kjer so leče magnetni kvadrupoli). Gre za 4-krat po 4 pare nerjavnih cilindrov, ki žarek fokusirajo v x– ali y-smeri. S pravilnimi vezavami zaporednih leč se doseže fokus v obeh dimenzijah.
Zelo pomembna komponenta linije so tudi zaslonke, ki definirajo, kakšna bo velikost žarka, saj je na začetku dokaj širok, tipično pa je na tarči žarek premera 1 do 2 mm.
Podobno, kot na liniji microbeam glavno eksperimentalno komoro od preostanka linije loči ventil, ki omogoča menjavo vzorca brez “prezračevanja” celotnega sistema.
Količina, ki jo je pri veliko meritvah nujno poznati, je tok delcev v ionskem žarku. To se meri s tanko volframovo mrežico, postavljeno na poti žarka. Del žarka pade na mrežico, kar izmeri tokovni integrator in iz znane transmisivnosti mrežice lahko ugotovimo, kakšen je tok delcev v ionskem žarku na vzorec. Upošteva se tudi, da je začetni tok zmanjšan za 22%. Omeniti je treba, da žarek po prehodu nima več homogenega profila (odtis mrežaste strukture), kar pa na meritve, ki se izvajajo na liniji, ne vpliva, večji pomen ima meritev toka ter določitev doze na vzorcu.
Obstajajo tudi drugi načini, kako lahko merimo tok delcev:
- z uporabo Faraday-eve čaše, ki se jo v kratkih intervalih vstavi direktno v žarek,
- z uporabo “chopperja” oz. rezalnika žarka, ki je podrobneje opisan v članku o liniji microbeam,
- možno je meriti tudi tok na samem vzorcu. Pri tem se pojavi težava, da čim žarek zadane ob vzorec, sprosti tudi sekundarne elektrone, ki lahko povzročijo prevelik izmerjen tok. Zato je potrebno narediti ščit, na katerega pripeljemo negativno napetost, s katero odbijemo sekundarne elektrone nazaj na tarčo.
Žarek smo tako končno pripeljali do glavne komore, kjer se zgodi glavnina poskusa.
Kot je razvidno iz zgornje fotografije, ima sama komora ogromno odprtin oz. “portov” za aparature, torej ionske puške, različni ionski izvori, detektorji itd. Veliko število portov omogoča fleksibilnost in možnost hitrega spreminjanja eksperimentalne konfiguracije.
Pri poskusih je pogosto v uporabi ionska puška, ki je tipično je pri izvajanju poskusa nameščena bolj spredaj na komori, da tako ionski žarek iz pospeševalnika, kot puške zadane vzorec, ki je na sredini komore, od spredaj. Kako točno deluje in kako jo umerimo si bomo pogledali kasneje.
Kot smo že omenili, mora biti v komori ob izvajanju poskusa vakuum. Za nastavitev novega poskusa je treba komoro odpreti in običajno traja en dan, da se vakuum ponovno vzpostavi. Če želimo izvajati poskus pri boljših vakuumih (npr. pri 10-9 mbar ali celo 10-10 mbar) je potrebno komoro pregreti za dan ali dva, da se vsa vodna para, ki je prisotna na stenah ali znotraj komore. V tem primeru se komore tako pogosto ne odpira. Načrtovana je namestitev nove magnetne roka, s katero bodo lahko vstavljali vzorce brez večje izgube vakuuma, saj bo uporabljena vmesna komora.
Kot vidimo na zgornji fotografiji, je na zunanji strani nameščene tudi nekaj folije, ki je potrebna ravno v primeru pregrevanja komore, da zadrži sevanje. Uporabljajo se grelni elementi, pri čemer je treba biti pozoren tudi na detektorje, ki ne smejo biti na več kot 100 stopinjah Celzija. Vsebujejo namreč dopirane plasti, ki se lahko ob previsoki temperaturi uničijo.
Za merjenje eksperimentalnih parametrov se v komori uporabljajo detektorji.
Običajno sta v uporabi dve vrsti detektorjev:
- RBS detektor, ki meri povratno sipane ione in poda informacijo o sestavi vzorca oz. informacijo o tarči, ki je težja od vpadnega iona. Več o tej tematiki si lahko prebereš na Wikipediji, TUKAJ.
2. Detektor NRA, je namenjen detekciji produktov iz jedrske reakcije. Uporablja se pri meritvah globinskega profila devterija v materialu. Vzorec obstreljujemo z izotopom helij-3, pri čemer pride do jedrske reakcije z devterijem, ki sprosti visokoenergijski proton (energija 12 MeV) in alfa delec (helijevo jedro). Meri se energijska porazdelitev protonov, ki letijo iz vzorca. Ker imajo zelo visoko energijo, potrebujemo za njihovo detekcijo zelo debel silicijev detektor, ki ima aktivno plast debelo 1,5 mm, medtem ko ima klasični detektor za povratno sipanje delcev aktivno plast debelo zgolj 300 µm. Zanimivost: helij-3 je zelo redek in drag izotop helija, ki je stranski produkt proizvodnje iz jedrskih konic. 5 litrov helija-3 za letno obratovanje stane okoli 15.000 €. Tudi detektorji so v cenovnem rangu 10.000 €.
Na sredini komore je mizica, na katero je nameščen grelec in vzorec. Ionski žarek je fiksen, raje se premika mizico, kar je mogoče v vseh treh oseh. Vzorce je potrebno preučevati na različnih temperaturah, kar omogoča keramični grelec (gre do 1200 K). Ne želimo, da bi segreval še kaj drugega kot zgolj vzorec, zato je obdan z dvojnim tantalovim ščitom. Element tantal ima podobne lastnosti kot volfram in se uporablja zaradi odpornosti na visoke temperature.
Sami vzorci so raznoliki, večinoma se preučuje volfram, zakaj in kako, si bomo podrobneje ogledali kasneje. Na spodnji sliki je lep primer vzorca z noslicem. Gre za 50 mikronov debelo volframovo folijo, pritrjeno na bakreno ploščico z dvofilamentnim grelcem, ki omogoča, da se celoten sklop segreje na 600 ali 700 K. Vse je bilo narejeno v domači delavnici na IJS.
Pri samem poskusu se je folijo obstreljevalo z devterijem na eni in helijem-3 na drugi strani. Z globinsko meritvijo devterija se je preučevala permeabilnost tega izotopa vodika skozi material.
TUDI UMERITEV INSTRUMENTOV JE POMEMBNA
V tokratnem poskusu želimo umeriti ionski izvor – ionsko puško. Postavitev eksperimenta v komori je prikazana na spodnji fotografiji.
Bakrena cev s srebrnim koncem na desni strani je ionska puška, na sredini komore je Faradayeva čaša. Kot že samo ime, pove gre za čašo z majhno odprtino na enem koncu, skozi katero vstopa ionski žarek. Ion trči v površino, pri čemer se sprostijo elektroni, ki povzročijo merljivo velik električni tok. Velikost električnega toka nam pove, kakšen tok delcev vpada na detektor. Shematski prikaz Faradayjeve čaše si lahko pogledaš na TEJ povezavi.
Izmeriti želimo, kakšno distribucijo ima tok ionov, ki pride iz ionske puške. Merimo torej ionski fluks, katerega natančne vrednosti potrebujemo pri glavnem poskusu. To storimo tako, da premikamo mizico v navpični smeri in spremljamo spreminjanje toka ionov v odvisnosti od premika.
Fizika pri poskusu obsega trke, sipanja, pri interakciji vodika z materiali potrebujemo kinetične enačbe, za boljše razumevanje teorije pa se uporabljajo tudi različni modeli. Glavni namen linije pa so raziskave, povezane s fuzijo. Če smo bolj specifični, želijo raziskovalci ugotoviti kakšno je zadrževanje vodikovih izotopov v materialih, ki se bodo uporabljali v fuzijskih napravah. Največji fuzijski rektor, imenovan ITER, se trenutno gradi v Cadarachu v Franciji. Več o njem si lahko preberete na uradni strani projekta, TUKAJ. Zelo pomembna je bila že sama izbira materialov v stenah rektorja. Postavljeni so bili naslednji pogoji:
- visoko tališče,
- dobra toplotna prevodnost in
- brez velike aktivacije za nevtrone (ne želimo imeti materiala, ki bo pri interakciji z nevtroni cepil na dolgo živeče radioaktivne elemente).
Na koncu sta prevladala dva materiala: berilij in volfram. Večji fokus je na slednjem, ker je predviden material za mesta, kjer bodo največje toplotne obremenitve in največje količine odloženih ionov. Zanimivost: v igri je bil tudi molibden, ki ima podobne lastnosti kot volfram in ga je lažje obdelovati, vendar ni bil primeren zaradi velike aktivacije z nevtroni.
FUZIJSKA NAPRAVA
Da bomo lažje razumeli, kakšnim pogojem se želijo raziskovalci na pospeševalniku IJS približati in kakšne materiale preučujejo, si najprej poglejmo, kako bo fuzijska naprava delovala.
Na sliki je presek fuzijske naprave. Kot vidimo so stene v obliki črke D. To pomeni, da so tudi magnetne silnice, ki omejujejo gibanje super segrete plazme znotraj komore tako oblikovane. Bolj kot se bližamo steni, bolj so raztegnjene. Zadnja zaprta silnica je v obliki črke D tik ob steni. To pomeni, da ioni, ki gredo iz centralne plazme počasi difundirajo proti stenam. Ko pridejo do zadnje sklenjene silnice, jih magnetno polje pripelje do spodnjega dela, kjer so magnetne silnice odprte, kar pomeni, da ioni direktno udarjajo ob steno reaktorja. To področje se imenuje divertor in bo iz volframa, ki bo izpostavljen največjim toplotnim obremenitvam, kot tudi največjim tokovom delcev, ki prinašajo svojo energijo in segrevajo material. Predvidene so temperature okoli 1000 K. Potrebno bo aktivno hlajenje, saj temperatura ne sme preseči 1500 K, ker pri teh temperaturah začne volfram rekristalizirati in postane krhek.
Kot smo že omenili, bo volfram izpostavljen velikim tokovom delcev. Pri načrtovanju reaktorja je torej potrebno vedeti, kako bo to vplivalo na sam material. Ravno to proučujejo raziskovalci na liniji za fuzijske raziskave. Natančneje, izvedeti želijo izvedeti, kakšna je interakcija in zadrževanje vodika v materialih. Volfram je tak material, ki vodika ne želi absorbirati, saj je med vodikom in volframom visoka potencialna bariera in je torej zelo majhna topnost vodika v volframu. Ampak pozor! To velja za molekularni vodik.
Popolnoma drugače se obnašajo vodikovi ioni (H+), ki te visoke energijske bariere ne čutijo in z lahkoto pridejo skozi površino ter začnejo difundirati skozi material. Vodik difundira preko t.i. intersticijskih mest (skače iz enega mesta na drugega). Pri čistem oz. nepoškodovanem volframu je zadrževanje vodika pri sobni temperaturi zelo majhno — zgolj 10-3 at.%. Vendar pa bo v fuzijskem reaktorju fuzija potekala med devterijem in tritijem. Pri tej jedrski reakciji se sprosti visokoenergijski nevtron (14 MeV) in helij s (3,5 MeV). Problematičen je predvsem prvi, saj trenutno (še) ne obstaja naprava, ki jih lahko proizvede nevtrone pri tej energiji.
Zanimivost: v fisijskih reaktorjih (konvencionalnih jedrskih reaktorjih, kot je npr. NEK) so sicer prisotni visoko energijski nevroni z energijo nekaj MeV, vendar jih je zelo malo, v fuzijskih reaktorjih pa bodo dominantni. Magnetno polje ne bo omejevalo teh hitrih nevtronov, ki bodo torej direktno trkati ob steno in jo pri tem segrevali. Potrebno bo aktivno hlajenje, najverjetneje z vodo, ki bo nato lahko bila uporabljena v turbinah, kot jih že poznamo v jedrskih in termoelektrarnah. Žal nevtroni ne oddajo zgolj energije, ampak v materialu ustvarjajo tudi defekte.
V idealni kristalni mreži so vsi atomi na svojih mestih. Ko v mrežo oz. kristalno strukturo prileti delec z veliko energijo lahko z določeno verjetnostjo, izbije atom iz svojega stalnega mesta. Energije, potrebne za izbitje, so običajno reda velikosti 50 eV, torej hitri nevtroni z izbijanjem ne bodo imeli težav. Defekti bodo prisotni skozi celotno steno fuzijskega reaktorja. Izkaže se, da so napake v kristalni mreži precej bolj energetsko ugodne za zajetje devterija, saj jih vidi kot potencialno jamo globine 1 do 2 eV. Kaj to pomeni za zadrževanje? Iz zdajšnjih meritev vemo, da se pri poškodovanem materialu zadrževanje vodikovih izotopov poveča iz prejšnjih 10-3% na 1%.
Zakaj je zadrževanje devterija in tritija v stenah reaktorja škodljivo?
Za začetek ne želimo izgubljati goriva, ki je pomembno za fuzijo. Hkrati je tritij radioaktiven (je beta sevalec), kar za sabo potegne omejitve zaradi jedrske varnosti. V ITRU tako ne bo smelo biti več kot 1 kg tritija v fuzijski napravi. Tritij je tako majhen, da lahko difundira skozi stene komore. Ne želimo, da bi prišel v krog za hlajenje, ker bi nastajala tritirana voda. Stena fuzijskega reaktorja bo tako iz večih plasti: volframa, nerjavečega jekla in šele nato hladilna cev. Raziskave bodo pokazale, ali bo potrebna še kakšna bariera. Kako na sam volfram vpliva vezava devterija in tritija? Izotopa vodika nimata tako velikih vplivov. Bolj problematični so defekti, ki se ustvarijo v kristalni strukturi, ker šibijo material. Volframu se tako zniža trdnost in tudi druge lastnosti se poslabšajo. Material se šibi, ker je pod stresom.
Kako je mogoče simulirati poškodbe v materialu?
Trenutno nevtronov z energijo 14 MeV še ni mogoče narediti. Zanimivost: v Španiji se bo začela graditi naprava, imenovana IFMIF-DONES, ki bo zmogla prav to. Z visokoenergijskim devterijevim žarkom bodo obstreljevali v litijevo tarčo. Tudi pri reakciji devterija z devterijem lahko nastanejo visokoenergijski nevtroni. Več si lahko preberete na njihovi spletni strani, TUKAJ.
Na pospeševalniku IJS poškodbe simulirajo na drugačen način. V volframovo mrežo streljajo z volframovimi ioni, ki jih v pospeševalniku pospešijo do 10 MeV. Tako narejeni defekti imajo zelo podobne lastnosti kot, če bi jih povzročili nevtroni. Kako je to mogoče? V materialu po trku nevtrona pravzaprav večino defektov povzroči volframov atom, ki ga nevtron kot prvega izbije. Izkaže se, da je lahko že začetni trk narejen z volframom.
Posebnost našega eksperimenta na pospeševalniku IJS je ta, da lahko preučujejo, kako vodik direktno vpliva na poškodbe. Kako to dosežejo? V večini dosedanjih raziskav so najprej naredili poškodb in šele nato izpostavili poškodovani material devteriju in preučevali zadrževanje. V tem laboratoriju so prvi na svetu za volfram hkrati delali poškodbe in obstreljevali z devterijevimi ioni, kar je podobno dogajanju v samem fuzijskem reaktorju.
Zelo pomemben faktor je tudi temperatura. Preučevali so interakcijo in sinergije med kreacijo poškodb in prisotnostjo vodika pri različnih temperaturah, ki so pomembne za fuzijo. To je celotna informacija, ki jo potrebujemo za ekstrapolacijo za fuzijske naprave prihodnosti, kot je Evropski demonstracijski fuzijski reaktor.
Ugotovili so, da vodik lahko drastično vpliva na nastanek poškodb, saj se je zadrževanje povečalo za faktor dva v primerjavi s “standardnim” sekvenčnim eksperimentom (ko se najprej kreirajo poškodbe in šele nato izpostavi devteriju). Ta efekt je najbolj dominanten v območju nizkih temperatur. Pri okoli 800 K (normalne obratovalne temperature reaktorja) se v bistvu že izniči. Še vedno je nujno preveriti odvisnost v celotnem temperaturnem območju (voda bo približno na 300 stopinjah Celzija). Visoke temperature bodo namreč le na površini, blizu hladilnih sistemov bodo nižje.
Tega pojava niso zgolj izmerili eksperimentalno, marveč so ga uspeli razložiti tudi z modeliranjem. Program je obsegal klasično difuzijsko enačbo in enačbe za ujemanje izotopov vodika v potencialne jame — kinetične enačbe (obsegajo frekvenčni faktor in energijo, potrebno za ujetje). Razvili so nov model, kako bi lahko razložili, zakaj pride do razlike, če je hkrati prisoten devterij.
Razlaga se glasi: če je vsebovan tudi vodik, ta stabilizira defekte, ki niso več aktivni za nadaljnjo rekombinacijo z atomi volframa. Bolj preprosto: brez devterija je več praznih mest, ki jih lahko zasedejo izbiti atomi volframa in ne sodelujejo pri nadaljnjem izbijanju. Ob dodatnem izotopu vodika se ti defekti stabilizirajo in niso več aktivni pri rekombinaciji in ne ustavljajo izbitih volframovih ionov. Proces se tako ne ustavlja — vidimo večji porast defektov v materialu, ki jih nato zasede devterij — zadrževanje se poveča.
Poskus so izvedli na volframu. Naslednji korak je preučevanje posebnega nerjavnega jekla, primernega tudi za fuzijski reaktor, ker ne vsebuje materialov, ki bi imeli dolgo aktivacijo. S temi raziskavami bodo začeli že letos, saj bo poleti nova linija v gradnji.
NOV PROJEKT
Želijo izvedeti, kje točno v defektih sedi devterij. Pri raziskavah izmerijo, kakšno je zadrževanje, iz modeliranja lahko izvejo, kakšna je koncentracija defektov in kakšna je energija za ujemanje, ne ve se točno, za katere defekte gre. Obstaja namreč več vrst defektov:
- prazno mesto ali vakanca – vezavna energija okrog 1,5 eV,
- skupek vakanc – vezavna energija se poveča na 1,8 do 2eV,
- še več vakanc – temu pravimo prazno mesto, ki se obnaša popolnoma drugače, ker se vodik usede na notranje stene praznine in lahko formira molekule vodika — dobimo kot nekakšen mehurček v materialu. Ti mehurčki se večinoma začnejo pojavljati šele pri zelo visokih temperaturah, ki jih v reaktorju naj ne bi bilo. Še vedno pa želimo vedeti, kje točno se to lahko pojavi in kako vpliva na material.
Obstaja več mikroskopskih metod, ki podajo informacije, kateri defekti so prisotni, ne ve se točno, kateri defekti ujemajo vodik. Iz računov lahko primerjamo, kakšne so vezavne energije vodika v določenih defektih, ki jih primerjamo z dobljenimi vezanimi energijami in tako ugotovimo, na katere defekte se je vodik vezal. Tudi to je namreč pomemben faktor. Za ta projekt bodo razvili novo metodo in sicer kanaliziranje ionov v materialih.
PRILOŽNOSTI ZA ŠTUDENTSKO DELO
Kako bi izgledalo delo študenta v tem laboratoriju?
Delo obsega več različnih področji. Študent bi sodeloval pri izvajanju in izdelavi eksperimentov, kjer bi material izpostavljal vodiku in z ionskim žarkom, merili profil vodika v materialu pri različnih temperaturah. Študent bi torej opravljal meritve z ionskim žarkom.
Raziskovalno delo obsega tudi obdelavo in interpretacijo podatkov. Če študentu bolj leži teorija, bi lahko začel uporabljati kodo za modeliranje kinetičnih enačb, in interpretirati eksperimentalne meritve.
Torej na liniji se najde vse, od ročnega dela, torej prilagajanja in nastavljanja, kalibracije aparatur in poskusa. Posebnost linije je, da raziskovalci sami dizajnirajo poskus, torej so zelo dobrodošli študentje, ki jim to ustreza. V ozadju vidimo tudi novo eksperimentalno komoro, ki bo del posebne nove linije, ki bo namenjena poškodovanju materialov. Išče se študent, ki bo pomagal pri sestavljanju celotne linije in tudi pri njenem zagonu. Pri tem delu bo zelo pomembna tudi vakuumska tehnika. Študent tretjega letnika prve stopnje ima dovolj znanja za delo na eksperimentu.
PRILOŽNOST TUDI ZA MLADEGA RAZISKOVALCA
Na obstoječi liniji se bo začelo delo z novim eksperimentom.
Proučevalo se bo napake v kristalni mreži, le da tokrat na monokristalu. Če monokristal pravilno usmerimo, lahko skozi kristalno mrežo vidimo kanale. Te kanale vidijo tudi ioni. To je pomembno, ko se računa kakšen doseg bo imel ion, ko bo kristal pravilno naravnan. Če je naravnan oz, če “vidi” te kanale, se izkaže, da je doseg 10-krat večji. Rečemo, da smo v načinu za kanaliziranje, torej, da vidimo kanal. Če so zraven prisotni tudi defekti, jih lahko vidimo. Kako? Ko z ionskim žarkom streljamo na vzorec, če gre skozi kanal, ne bomo videli povratnega sipanja, kot običajno. Brez kanalov bi dobili za signal stopnico, zaradi povratnega sipanja ionov, v kanalu, pa signal pade na 1% od tistega, ko merimo na neorientiranem vzorcu. Če imamo v materialu defekte, se signal tudi v režimu “kanalov” začne večati. Povečanje signala je odvisno od števila defektov v monokristalu. To novo tehniko bi razvijal mladi raziskovalec, za katerega imamo odprto mesto.V tem načinu kanaliziranja želimo detektirati tudi devterijeve atome, ki so ujeti v defekte in s tem izvedeti več o tem, kje je devterij ujet.
Dve potencialni temi za mladega raziskovalca:
- postavitev metode za kanaliziranje
- na novi liniji — defekti v nerjavnem jeklu, sinergistični efekti