Устройство для измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы плёнках



Устройство для измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы плёнках
Устройство для измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы плёнках
G01N2021/8427 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2774811:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)

Изобретение относится к устройствам для изучения взаимодействия пристеночной плазмы установок с магнитным удержанием с контактирующими с плазмой материалами. Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей. Устройство для измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы пленках содержит вакуумный ввод линейного движения, на выходе которого расположен собирающий элемент, включающий в себя мишень с закрепленным на ней датчиком измерения температуры и нагреватель, заключенный в защитный кожух, собирающий элемент окружен цилиндрическим экраном для защиты от воздействия плазмы, при этом на одной из торцевых поверхностей расположена диафрагма, за которой вплотную к ней внутри цилиндрического экрана установлена мишень, представляющая собой молибденовую пластину толщиной не более 1 мм, причем на внешнюю поверхность мишени, обращенную к диафрагме, нанесено защитное диэлектрическое покрытие, поверх защитного диэлектрического покрытия нанесены электроды для измерения поверхностного сопротивления по методу ван дер Пау, за внутренней поверхностью мишени расположен радиационный нагреватель для нагрева мишени до температуры более 1000°С. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для изучения взаимодействия пристеночной плазмы установок с магнитным удержанием с контактирующими с плазмой материалами, в том числе токамаков и стеллараторов, и предназначено для одновременного измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы пленках, установления корреляции между ними и осуществления контроля содержания водорода в стенках термоядерных установок.

Успехи и продвижение в тематике УТС неразрывно связаны с вопросом взаимодействия плазмы с первой стенкой экспериментальных установок и выбором наиболее подходящего материала стенки будущего реактора. В последнее время для этих целей предлагается применение жидкометаллических элементов, обращенных к плазме, на основе лития, в которых за счет течения жидкости будет происходить самовосстановление поверхности. Наибольшей является проблема изучения вопросов переосаждения лития в установках УТС, формирования соосажденных слоев и накопления изотопов водорода в них. Образование таких водородонасыщенных слоев может представлять большую опасность для работоспособности установок. Накопление большого количества изотопов водорода, включая радиоактивный тритий, в них представляет опасность с точки зрения радиационной безопасности. Также, большое содержание изотопов водорода может приводить к выпадению твердых фаз в жидких литиевых слоях, способных нарушить работоспособность установок с литиевыми жидкометаллическими элементами. Установление корреляции между содержанием водорода в осажденных из плазмы пленках и их поверхностным сопротивлением позволит осуществлять контроль содержания радиоактивного изотопа водорода трития в термоядерных установках с целью предотвращения чрезмерного его накопления для обеспечения радиационной безопасности установок только по измерению электрофизических свойств нанесенных слоев без прекращения экспериментальной компании и развакуумирования установки.

Известно устройство для измерения четырехзондовым методом поверхностного сопротивления тонких пленок для установления корреляции между поверхностным сопротивлением и адсорбированным газом СО [1], содержащее основу, на которой расположены термодатчик и две сапфировые пластины с размерами 10×10×1 мм на поверхность каждой из которых методом магнетронного распыления (DC) нанесены два золотых контакта толщиной 400 нм, поверх которых нанесен слой платины толщиной 1 нм, устройство также содержит нагреватель. Основными недостатками данного устройства являются использование в его изготовлении дорогостоящих металлов (золото, платина), которые также являются химически активными к литию и разрушающимися под его воздействием.

Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа является устройство для измерения содержания водорода в осаждаемых из плазмы литиевых пленках [2], состоящее из цилиндрического вакуумного ввода линейного движения на выходе которого расположен цилиндрический собирающий элемент мишени из нержавеющей стали, изготовленной в виде трубы, на внутренней поверхности которой закреплен датчик для измерения температуры, на внутренней поверхности мишени расположен нагревательный элемент в кварцевом защитном кожухе. Измерения содержания водорода в осаждаемых из плазмы литиевых пленках осуществляется методом термодесорбционной спектроскопии при нагреве мишени до температуры 600°С и измерении парциальных давлений водорода и дейтерия (Н2, HD, D2) с помощью квадрупольного масс-спектрометра. Недостатком такого устройства является отсутствие возможности измерения поверхностного сопротивления осаждаемых из плазмы пленок и установления корреляции между поверхностным сопротивлением пленки и содержанием водорода в ней.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства, за счет одновременного измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы пленках и установлении корреляции между ними, что в свою очередь позволяет осуществлять контроль за содержанием изотопов водорода в осаждаемых из плазмы пленках без прекращения экспериментальной кампании и развакуумирования установки только за счет измерения поверхностного сопротивления нанесенных слоев, тем самым позволяя обеспечивать радиационную безопасность термоядерных установок и задейственного в его обслуживании персонала.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения содержания водорода в осаждаемых из плазмы пленках содержит вакуумный ввод линейного движения на выходе которого расположен собирающий элемент, включающий в себя мишень с закрепленным на ней датчиком измерения температуры и нагреватель, заключенный в защитный кожух, при этом измерение содержания водорода осуществляется посредством проведения термодесорбционной спектроскопии с использованием квадрупольного масс-спектрометра, и отличается тем, что собирающий элемент окружен цилиндрическим экраном для защиты от воздействия плазмы, при этом на одной из торцевых поверхностей расположена диафрагма с проходным отверстием диаметром не менее 10 мм, за которой вплотную к ней внутри цилиндрического экрана установлена мишень, представляющая собой молибденовую пластину толщиной не более 1 мм, причем на внешнюю поверхность мишени, обращенную к диафрагме нанесено защитное диэлектрическое покрытие из оксида иттрия толщиной 0,5-5,0 мкм и диаметром равном диаметру проходного отверстия диафрагмы, кроме того на поверхность защитного диэлектрического покрытия нанесены четыре контактные дорожки, представляющие собой электроды для измерения поверхностного сопротивления по методу ван дер Пау, причем толщина каждой из дорожек не менее 1 мкм, ширина не менее 1 мм, а в качестве материала всех четырех дорожек использован молибден, кроме того за внутренней поверхностью мишени расположен радиационный нагреватель для нагрева мишени до температуры более 1000°С, причем нагреватель помещен в защитный кожух вплотную прилегающий к внутренней поверхности мишени, при этом защитный кожух выполнен в виде цилиндрической металлической трубы толщиной не менее 1 мм.

Использование в устройстве дополнительного защитного цилиндрического экрана предотвращает осаждение материала из плазмы на собирающий элемент.

Применение диафрагмы с проходным отверстием диаметром не менее 10 мм позволяет сколлимировать поток вещества из плазмы и производить осаждение пленки на область мишени с заранее известными геометрическими размерами. Применение отверстия диаметром менее 10 мм снижает точность измерения поверхностного сопротивления пленки по методу ван дер Пау.

В устройстве используется мишень, представляющая собой тонкую молибденовую пластину толщиной не более 1 мм. Выбор материала пластины обусловлен тем, что молибден химически устойчив к литию, не накапливает водород и выдерживает нагрев свыше 1000°С. При толщине пластины более 1 мм на пластине появляется градиент температуры между поверхностью, обращенной к диафрагме и поверхностью, обращенной к нагревателю.

На поверхность мишени нанесено защитное диэлектрическое покрытие из оксида иттрия толщиной 0,5-5,0 мкм. Выбор материала покрытия обусловлен тем, что оксид иттрия химически устойчив к литию. При толщине покрытия меньше 0,5 мкм ухудшаются диэлектрические свойства покрытия, при толщине покрытия больше 5,0 мкм ухудшается адгезия покрытия к молибденовой подложке.

Поверх защитного покрытия для использования в качестве электродов для измерения поверхностного сопротивления по методу ван дер Пау нанесены четыре контактные дорожки из молибдена или вольфрама толщиной не менее 1 мкм и шириной не менее 1 мм с контактной зоной в области, экспонированной к плазме, не менее 1 мм2. Выбор материала электрода обусловлен тугоплавкими свойствами молибдена и химической стойкостью к литию. Расположение контактных дорожек на мишени определяется условиями, накладываемыми на них для корректного использования метода ван дер Пау. Габаритные размеры электродов обеспечивают с одной стороны надежность сигнала, с другой стороны - минимальную погрешность измерений поверхностного сопротивления.

Вблизи мишени внутри защитного экрана устройства размещен радиационный нагреватель, способный нагревать мишень до температуры более 1000°С, при этом избегая нагрева остальных деталей материаловедческого зонда, на которые возможно осаждение литийсодержащих слоев. Нагреватель размещен в защитном кожухе толщиной не менее 1 мм в виде цилиндрической металлической трубы. Использование кожуха препятствует нагреву поверхности защитного экрана устройства. Толщина стенки кожуха обусловлена необходимостью обеспечения тепловой защиты расположенных снаружи от него элементов.

Таким образом, все перечисленные в разделе сущности изобретения признаки являются существенными, так как они влияют на возможность решения указанной технической проблемы и позволяют обеспечить технический результат, поскольку они находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

На Фиг. 1 представлен пример конкретной реализации способа.

Устройство представляет собой: 1 - цилиндрический экран для защиты от воздействия плазмы, 2 - вакуумный ввод линейного движения, 3 - диафрагма с проходным отверстием, 4 - мишень, 5 - область мишени с нанесенным на нее диэлектрическим покрытием оксида иттрия, 6 - четыре контактные дорожки из молибдена, представляющие собой электроды для измерения поверхностного сопротивления по методу ван дер Пау, 7 - радиационный нагреватель, 8 -защитный кожух, 9 - датчик температуры.

Устройство работает следующим образом.

Собирающий элемент устройства, состоящий из мишени, с закрепленным на ней датчиком измерения температуры и нагревателем, заключенном в защитный кожух, окруженный цилиндрическим экраном для защиты от воздействия плазмы 1, с помощью подвижного вакуумного ввода линейного движения 2, размещается в области пристеночной плазмы токамака. Материал примесей плазмы, вместе с литием и частицами водорода, проходит сквозь диафрагму 3 с проходным отверстием диаметром 10 мм и осаждается на поверхность мишени 4 с нанесенным на нее диэлектрическим покрытием оксида иттрия 5 толщиной 3 мкм и четырьмя контактными дорожками из молибдена 6 толщиной 1 мкм и шириной 1 мм с контактной зоной в области, экспонированной к плазме, 1 мм. Контактные дорожки расположены на краях рабочей поверхности мишени. Далее с помощью электродов 6 по методу ван дер Пау проводится in-situ измерение поверхностного сопротивления осажденных из плазмы тонких пленок. Одновременно с измерением поверхностного сопротивления происходит измерение содержания водорода в осажденных из плазмы тонких пленках методом термодесорбционной спектроскопии. Для этого производится линейный нагрев рабочей поверхности мишени до температуры свыше 1000°С при помощи встроенного радиационного нагревателя 7, размещенного в защитном кожухе 8, и осуществляется регистрация потока водорода, выходящего из осажденной пленки, в зависимости от температуры, с помощью квадрупольного масс-спектрометра, и с помощью специализированного программного обеспечения осуществляется установление корреляции между поверхностным сопротивлением пленки и содержанием водорода в ней. Контроль температуры осуществляется с помощью датчика температуры 9 в виде термопары типа хромель-алюмель, расположенной на поверхности мишени, ориентированной к нагревателю. В качестве нагревателя используется галогеновая лампа мощностью 300 Вт.

Таким образом данное устройство позволяет одновременно проводить измерения поверхностного сопротивления и содержания водорода в осаждаемых из плазмы пленках и установить корреляцию между ними, что в свою очередь позволяет осуществлять контроль за содержанием изотопов водорода в осаждаемых из плазмы пленках без прекращения экспериментальной кампании и развакуумирования установки только за счет измерения поверхностного сопротивления нанесенных слоев, тем самым позволяя обеспечивать радиационную безопасность термоядерных установок и задейственного в его обслуживании персонала.

Список использованных источников

1. Zhu L., Zhang L., Virkar A.V. A Study of of CO Adsorption/Desorption on a Thin Platinum Film by the Measurement of Electrical Resistance. // Journal of The Electrochemical Society. - 2018. - V. 165, №3. - P. F232-F237.

2. Жарков M. и др. Устройства диагностики и сбора лития токамаков Т-11М и Т-10. Первые результаты. // Физика плазмы. - 2018. - Т.44. - С.533-537.

Устройство для измерения содержания водорода в осаждаемых из плазмы пленках, содержащее вакуумный ввод линейного движения, на выходе которого расположен собирающий элемент, включающий в себя мишень с закрепленным на ней датчиком измерения температуры и нагреватель, заключенный в защитный кожух, при этом измерение содержания водорода осуществляется посредством проведения термодесорбционной спектроскопии с использованием квадрупольного масс-спектрометра, и отличающееся тем, что собирающий элемент окружен цилиндрическим экраном для защиты от воздействия плазмы, при этом на одной из торцевых поверхностей расположена диафрагма с проходным отверстием диаметром не менее 10 мм, за которой вплотную к ней внутри цилиндрического экрана установлена мишень, представляющая собой молибденовую пластину толщиной не более 1 мм, причем на внешнюю поверхность мишени, обращенную к диафрагме, нанесено защитное диэлектрическое покрытие из оксида иттрия толщиной 0,5-5,0 мкм и диаметром, равным диаметру проходного отверстия диафрагмы, кроме того на поверхность защитного диэлектрического покрытия нанесены четыре контактные дорожки, представляющие собой электроды для измерения поверхностного сопротивления по методу ван дер Пау, причем толщина каждой из дорожек не менее 1 мкм, ширина не менее 1 мм, а в качестве материала всех четырех дорожек использован молибден, кроме того за внутренней поверхностью мишени расположен радиационный нагреватель для нагрева мишени до температуры более 1000°С, причем нагреватель помещен в защитный кожух, вплотную прилегающий к внутренней поверхности мишени, при этом защитный кожух выполнен в виде цилиндрической металлической трубы толщиной не менее 1 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу магнитного управления формой и током плазмы с обратной связью в вытянутых по вертикали токамаках. Способ состоит в выполнении двух взаимодействующих промышленных компьютеров в виде соединения обратной связью (цифрового двойника системы управления) и удаленно связанного с третьим промышленным компьютером, соединенным непосредственно обратной связью с объектом управления - токамаком с высокотемпературной плазмой.

Двойные катушки полоидального поля содержат внутреннюю и внешнюю катушки полоидального поля и контроллер. Внутренняя катушка полоидального поля выполнена с возможностью установки внутри катушки тороидального поля токамака.

Изобретение относится к способу и системе доставки криогенной топливной мишени для инерциального термоядерного синтеза. Согласно способу, размещают каждую криогенную топливную мишень в носитель, выполненный в виде магнитного диполя из сверхпроводника второго рода.

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению обращенных к плазме компонентов термоядерного реактора ИТЭР с бериллиевой облицовкой и биметаллическим соединением CuCrZr/316L(N). Способ изготовления обращенных к плазме компонентов термоядерного реактора, состоящих из биметаллической заготовки бронза/сталь CuCrZr/316L(N) и бериллиевой облицовки, включающий термическую обработку биметаллической заготовки на пересыщенный твердый раствор хрома и меди в бронзе CuCrZr с содержанием хрома 0,6-0,9% и циркония 0,07-0,15% путем нагрева биметаллической заготовки до температуры 980°С, выдержки при данной температуре в течение не менее 30 минут и закалки в воду и последующее присоединение бериллиевой облицовки к биметаллической заготовке индукционной пайкой в вакууме.

Изобретение относится к области термоядерной техники и может быть использовано для создания приемной пластины дивертора токамака, основанного на концепции текущего слоя жидкого лития. Способ создания медного покрытия на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака включает размещение образца в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, очистку поверхности ионами инертного газа, осаждение промежуточного слоя из меди в магнетронном разряде постоянного тока, горящем в среде инертного газа при мощности разряда 1,0-2,5 кВт, и последующее создание основного покрытия из меди, при этом очистку поверхности образца осуществляют ионами аргона в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности разряда до 2,5 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение времени до 30 минут, при нагреве образца до температуры до 500°С, осаждение промежуточного слоя меди осуществляют на нагретую свыше 500°С поверхность образца в течение периода времени более 60 мин, после чего образец охлаждают в среде аргона до достижения комнатной температуры, развакуумируют, покрывают всю поверхность образца с осажденным на него промежуточным слоем медной стружкой, создают вакуум, обрабатывают поверхность образца вместе со стружкой в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности разряда до 2,5 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение времени до 30 мин, и создают основное покрытие из меди толщиной до 10 мм методом нагрева образца, покрытого медной стружкой, с помощью нагревателя до температуры плавления меди, после чего нагреватель выключают и образец охлаждают в среде аргона до достижения им комнатной температуры.

Изобретение относится к термоядерной мишени непрямого инициирования. Мишень содержит капсулу с горючим и оболочку, удерживающую рентгеновское излучение, создаваемое при облучении ее внутренней поверхности внешним лазерным излучением.

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к многоканальным излучателям с преобразованием частоты, и может быть использовано для автоматической юстировки и наведения пучков излучения на мишень при подготовке ее к физическим экспериментам. В способе наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, включающем совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени.

Изобретение относится к защите от нарушения сверхпроводимости в сверхпроводящих магнитах. Катушка тороидального поля содержит центральную колонну, множество обратных ветвей, систему защиты от нарушения сверхпроводимости и систему охлаждения.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении изготовления.

Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов содержит источник ионов, ускоритель и нейтрализатор для того, чтобы формировать пучок нейтральных частиц приблизительно в 5 МВт с энергией приблизительно в 0,50-1,0 МэВ. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются перед инжекцией в ускоритель высокой энергии посредством электростатического предускорителя на основе многоапертурной сетки, который используется для того, чтобы вытягивать пучки ионов из плазмы и ускорять до некоторой доли требуемой энергии пучка.

Изобретение относится к области медицинской диагностики. Способ определения концентрации аналита в физиологической жидкости путем использования мобильного устройства, имеющего камеру, включает: подсказку пользователю к одному или более из: нанесение капли физиологической жидкости по меньшей мере на одно тестовое поле оптической тест-полоски, или подтверждение нанесения капли физиологической жидкости по меньшей мере на одно тестовое поле оптической тест-полоски; ожидание в течение заранее определенного минимального количества времени ожидания; получение по меньшей мере одного изображения по меньшей мере одной части тестового поля, при этом тестовое поле имеет нанесенную на него каплю физиологической жидкости, с помощью камеры; определение концентрации аналита в физиологической жидкости на основе полученного изображения.
Наркология
Наверх