Метод малоуглового рассеяния ионов для анализа обращённых к плазме материалов термоядерных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ефимов Никита Евгеньевич

• Ефимов Никита Евгеньевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Ефимов Никита Евгеньевич

Введение

Глава 1. Контроль процессов взаимодействия плазмы с поверхностью обращённых к ней элементов термоядерных установок

1.1. Основные процессы взаимодействия плазмы с поверхностью

1.2. Современные кандидатные материалы обращённых к плазме элементов термоядерных установок

1.3. Методы анализа поверхностных слоёв

1.4. Спектроскопия рассеяния ионов

1.5. Выводы к главе

Глава 2. Теоретический анализ возможностей количественной

спектроскопии малоуглового рассеяния ионов

2.1. Моделирование процессов взаимодействия атомов с поверхностью твёрдого тела

2.2. Код ISInCa для обработки результатов Монте-Карло расчётов

2.3. Расчёт сечений рассеяния и выбивания

2.4. О влиянии углов регистрации на точность количественного анализа

2.5. Нахождение относительных концентраций элементов поверхности

по спектрам малоуглового рассеяния

2.6. Влияние примесей и диффузного рассеяния на точность количественных оценок

2.7. Влияние шероховатости на точность количественных оценок

2.8. Выводы к главе

Глава 3. Учёт аппаратной функции электростатических энерго-

анализаторов при спектроскопии рассеяния ионов

3.1. Аналитическое описание искажения энергетических спектров ионов при прохождении электростатических сепараторов

3.2. Выбор характерных групп спектров рассеяния ионов для анализа

3.3. Алгоритм анализа искажений, вносимых электростатическими анализаторами, и их восстановления

3.4. Группа спектров с непересекающимися узкими пиками при низком уровне фона

3.5. Группа спектров с узкими пиками на фоне высокоинтенсивного диффузного рассеяния

3.6. Группа спектров с одним широким диффузным пиком

3.7. Группа спектров с непересекающимися узкими и широкими пиками

3.8. Влиянии шума и точности измерения разрешения спектрометра

на спектры после численной деконволюции

3.9. Выводы к главе

Глава 4. Экспериментальная проверка спектроскопии малоуглового рассеяния ионов. Демонстрация применения на кандидатных материалах термоядерных установок

4.1. Установка «Большой масс-монохроматор «МИФИ»

4.2. Характерные формы пиков на энергоспектрах при малоугловом рассеянии и выбивании ионов

4.3. Динамика спектров рассеяния на вольфраме в ходе его нагрева

4.4. Апробация метода на образцах Au-Pd

4.5. Апробация метода на образцах W-Si

4.6. Демонстрация возможности in situ анализа осаждения вольфрама

на кремний по спектрам отражённых ионов

4.7. Post mortem анализ сегрегации хрома в самопассивирующихся вольфрамовых сплавах после отжига

4.8. Анализ адсорбции и замещения изотопов водорода на поверхности вольфрама

4.9. Выводы к главе

Заключение

Список литературы

143

Список сокращений и условных обозначений

CFETR — China fusion engineering test reactor DRS — спектроскопия атомов отдачи, direct recoil spectroscopy EBS — спектроскопия упругого обратного рассеяния, elastic backscattering spectrometry

FWHM — ширина на полувысоте, full width at half maximum HEIS — спектроскопия рассеяния ионов высоких энергий, high-energy ion scattering

LEIS — спектроскопия рассеяния ионов низких энергий, low-energy ion scattering LOCA — lost of coolant accident, авария с потерей теплоносителя MEIS — спектроскопия рассеяния ионов средних энергий, medium-energy ion scattering

NRA — спектроскопия ядерных реакций, nuclear reaction analysis SMART — self-passivating metal alloys with reduced thermo-oxidation, самопассивирующиеся металлические сплавы с пониженными термоокислением АЦП — аналого-цифровой преобразователь

БПФ, FFT — быстрое преобразование Фурье, fast Fourier transform ВИМС, SIMS — вторично-ионная масс-спектрометрия, secondary ion mass spectrometry

ВПП, PSI — взаимодействие плазмы с поверхностью, plasma-surface interaction ВЭУ, SEM — вторично-электронный умножитель, secondary electron multiplier ИИ — ионный источник

ИТЭР, ITER — международный термоядерный экспериментальный реактор,

international thermonuclear experimental reactor ЛИДС, LIDS — лазерно-индуцированная десорбционная спектроскопия, laser-

induced desorption spectroscopy ЛИЭС, LIBS — лазерно-индуцированная эмиссионная спектроскопия, laser-induced breakdown spectroscopy

ММД — методы молекулярной динамики ММК — методы Монте-Карло ОПЭ — обращённые к плазме элементы ОЭО — Ожэ-электронная спектроскопия ППС — последовательные парные соударения

РФЭС, XPS — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, X-ray

photoelectron spectroscopy РЭМ — растровый электронный микроскоп

СОРР, RBS — спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния,

Rutherford backscattering spectroscopy ТМП — тор с магнитным полем ТРТ — токамак с реакторными технологиями ТЯР — термоядерный реактор ТЯУ — термоядерная установка ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь ЭВМ — электронно-вычислительная машина ЭДС — энерго-дисперсионная спектроскопия

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод малоуглового рассеяния ионов для анализа обращённых к плазме материалов термоядерных установок»

Актуальность темы исследования

Одним из глобальных научно-технических вызовов для человечества в XXI веке выступает освоение продолжительной управляемой реакции термоядерного синтеза. Как известно, в квазистационарных термоядерных установках (ТЯУ) плазменно-поверхностное взаимодействие сопровождается многообразием процессов, ведущих к модификации обращённых к плазме элементов (ОПЭ), в особенности, к их эрозии, транспорту и переосаждению, ведущему в свою очередь к усиленному захвату рабочего газа в соосаждённых слоях, образованию на поверхности слоёв с измененными параметрами теплопроводности и устойчивости к физическому распылению. В связи с высоким уровнем влияния этих процессов как на эффективность работы термоядерных реакторов (ТЯР), так и на принципиальную достижимость управляемой термоядерной реакции синтеза, большое внимание уделается методам, позволяющим осуществлять анализ тонких поверхностных слоёв кандидатных материалов ОПЭ ТЯУ.

Современные исследования в области взаимодействия плазмы ТЯУ с обращенными к ней поверхностями с каждым годом лишь отчётливее подчёркивают высокое влияние выбора материала ОПЭ на достижимость долговременного функционирования ТЯР. По мере обнаружения новых ограничений на материалы ОПЭ происходит смещение внимания научного сообщества от применения в качестве ОПЭ чистых металлов в сторону принципиально новых материалов с уникальными свойствами, таких как вольфрамовые композиты, самопассивирующиеся сплавы, высокотемпературные проводящие керамики, а также в сторону дополнительного применения тонких защитных покрытий с низким атомным номером (бор, литий).

В силу широкого многообразия явлений, оказывающих влияние на стенку ТЯР, исследование применимости кандидатных ОПЭ целесообразно проводить в стендовых установках, где, во-первых, возможно независимо реализовывать

условия воздействия, симулирующие реальные, а во-вторых, где возможно осуществить всестороннюю диагностику состояния материала различными методами анализа поверхности непосредственно в ходе воздействия. Соответственно, необходима разработка новых и модернизация имеющихся средств диагностики тонких поверхностных слоёв. Данная работа посвящена разработке и применению метода спектроскопии малоуглового рассеяния и выбивания ионов к анализу перспективных кандидатных материалов ОПЭ ТЯУ.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью данной работы является разработка метода количественной харак-теризации состава поверхности обращённых к плазме материалов термоядерных установок на основе энергетических спектров малоуглового рассеяния ионов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать расчётно-аналитические модели для определения интегральных и дифференциальных характеристик частиц на основе данных моделирования взаимодействия атомов с поверхностью твёрдого тела, а также для учёта искажений энергоспектров, вносимых электростатическими спектрометрами.

2. С помощью аналитических и численных методов провести анализ факторов, определяющих точность количественных оценок при спектроскопии малоуглового рассеяния ионов.

3. Разработать экспериментальные схемы для реализации метода спектроскопии малоуглового рассеяния ионов на установке «Большой масс-моно-хроматор «МИФИ».

4. Провести измерения экспериментальных спектров от моноэлементных материалов для повышения точности определения состава многокомпонентных образцов.

5. Провести апробацию метода спектроскопии малоуглового рассеяния ионов на образцах с известным соотношением элементов на поверхности.

6. Продемонстрировать чувствительность метода к изменению состава поверхностного слоя в ходе внешнего воздействия на кандидатные материалы термоядерных установок (на примере вольфрама и сплавов W-Cr-Y). В частности, в ходе высоковакуумного отжига, переосаждения слоёв, темпе-ратурно-индуцированной сегрегации, адсорбции изотопов водорода.

Научная новизна

1. Предложен метод определения атомарных концентраций элементов на поверхности анализируемых образцов по спектрам малоуглового рассеяния ионов, который демонстрирует низкую чувствительность точности количественного анализа к шероховатости поверхности и условиям измерения.

2. Численным моделированием определено влияние факторов на точность количественных оценок по спектрам малоуглового рассеяния ионов инертных газов, а именно: аппаратной функции электростатических энергоанализаторов, наличия лёгких компонентов на поверхности, а также её шероховатости.

3. Впервые показано количественное соответствие состава наноструктури-рованных модельных образцов и результатов их элементного анализа с помощью спектроскопии малоуглового рассеяния ионов.

4. Впервые экспериментально показано влияние кислорода на форму спектров малоуглового упругого рассеяния ионов неона на вольфраме in situ в ходе его нагрева в диапазоне от 300 до 2500 К.

Практическая значимость

Практическая значимость заключается в создании обширной базы энергетических спектров рассеяния ионов инертных газов кэВных энергий на различных

материалах, что может быть использовано для исследования потерь энергии таких частиц при отражении от поверхности твёрдого тела, равно как и для проверки численных подходов моделирования взаимодействия быстрых ионов с поверхностью.

Также практическая значимость заключается в создании кодов для формирования энергетических, угловых и прочих распределений частиц на основе данных моделирований взаимодействия атомов с поверхностью твёрдого тела, а также кодов для восстановления искажений спектров, обусловленных аппаратной функцией электростатических анализаторов.

Разработанный метод количественной спектроскопии малоуглового ионного рассеяния может быть применён для анализа изменения состояния поверхности в ходе различных воздействий, в частности, при окислении поверхности и отжиге, при осаждении тонких покрытий, а также при сегрегации хрома в самопассивирующихся вольфрамовых сплавах.

Положения, выносимые на защиту

1. При спектроскопии малоуглового рассеяния ионов инертных газов пики упругого рассеяния на тяжёлых элементах уширяются при наличии лёгких элементов, в частности, кислорода, и это необходимо учитывать при количественном анализе.

2. Деконволюция энергетических спектров рассеяния ионов путём деления значений их интенсивности на соответствующую энергию ионов уменьшает погрешность количественного анализа, обусловленную аппаратной функцией электростатического анализатора.

3. Спектроскопия малоуглового рассеяния ионов обладает высокой чувствительностью, которая позволяет, например, фиксировать окисление вольфрама даже при температуре 1900 °С и при давлении остаточного газа менее 10-7 мБар.

4. Метод малоуглового рассеяния ионов неона и аргона для образцов с полосами золота и палладия обеспечивает возможность элементного анализа с погрешностью менее 5%.

5. Спектроскопия малоуглового рассеяния ионов позволяет осуществлять т-эйи исследование процессов адсорбции и изотопного замещения водорода на поверхности с временным разрешением менее пяти секунд.

Степень достоверности и апробация результатов Достоверность научных результатов обусловлена их повторяемостью, а также сопоставимостью экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования. Анализ результатов исследований основан на современных научных представлениях о взаимодействии ионов с поверхностью и физических свойствах изучаемых материалов. Основные результаты диссертации были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. 27-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Рязань, 2025)

2. 28-я Международная конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью» (Москва, 2025)

3. 53-я Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2024)

4. 3-я Международная конференция «Проблемы термоядерной энергетики и плазменные технологии» (Таруса, 2023)

5. 26-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Ярославль, 2023)

6. 26-я Всероссийская конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью» (Москва, 2023)

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах [1-4], 7 статей в сборниках трудов конференций [5—11] и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ [12, 13].

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Компьютерное моделирование и обработка его результатов, а также обработка экспериментальных данных выполнены лично автором. Проведение экспериментов осуществлялось совместно с соавторами. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором либо на паритетной основе с соавторами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 162 страницы, включая 72 рисунка и 5 таблиц. Библиография содержит 137 наименований.

13

Глава 1

Контроль процессов взаимодействия плазмы с поверхностью обращенных к ней элементов термоядерных установок

1.1. Основные процессы взаимодействия плазмы с поверхностью

Безотносительно конкретного типа плазменной установки можно выделить набор базовых физических явлений, сопутствующих взаимодействию плазмы с обращёнными к ней компонентами установки. Они включают: отражение компонентов плазмы от приповерхностных атомов (рассеяние), выбивание приповерхностных атомов за счёт воздействия налетающих атомов или ионов, в том числе в результата каскада столкновений (распыление), эмиссию с поверхности фотонов и электронов, проникновение и остановку компонентов плазмы в поверхности твёрдого тела (внедрение), поглощение материалами ОПЭ излучения из плазмы. Эти базовые явления, как правило, влекут за собой более сложные процессы, такие как образование дефектов в твёрдом теле, изменение состава, структуры и рельефа поверхностного слоя. Процессы, наиболее характерные для ОПЭ ТЯУ, продемонстрированы на рисунке 1.1.

Представленные процессы в общем случае имеют двойственный характер с точки зрения практической пользы. Так, переосаждение продуктов распыления является основным механизмом для формирования тонких функциональных покрытий с помощью магнетронного напыления. Внедрение атомов рабочего газа в тлеющем разряде на азоте рутинно применяется для улучшения и придания новых свойств поверхностям сталей (ионно-плазменное азотирование). Словом, процессы ВПП имеют многочисленные практические применения в науке и

Рис. 1.1. Схема основных физических процессов, протекающих при взаимодействии плазмы с обращёнными к ней элементами установки [14].

технике.

В то же время, в контексте функционирования ОПЭ ТЯУ процессы ВПП носят преимущественно негативный характер. Во-первых, обратное рассеяние высокоэнергетических атомов плазмы приводит к её охлаждению. Во-вторых, воздействие быстрых нейтралов перезарядки из плазмы и низкоэнергетических ионов пристеночной плазмы приводит к эрозии стенки, что в свою очередь вызывает загрязнение плазмы элементами с высоким атомным номером и, как следствие, ведёт к дополнительным интенсивным излучательным потерям энергии из плазмы. В-третьих, облучение стенок ТЯУ потоками изотопов водорода из плазмы ведёт к внедрению последних, что губительно сказывается на функциональных свойствах стенки за счёт явления водородного охрупчивания, а также влечёт за собой повышенные угрозы для персонала, так как общее количество трития в установке строго регламентируется нормами радиационной безопасности [15]. При этом особенно интенсивно захват рабочего газа и, в частности, трития происходит не столько за счёт прямого внедрения, сколько за

счёт соосаждения с потоками эродировавшего материала стенки [16].

С точки зрения базовых процессов ВПП предпочтителен материал ОПЭ ТЯУ, характеризующийся низким коэффициентом распыления потоками частиц из плазмы, а также низкой скоростью накопления рабочего газа за счёт внедрения и, главным образом, соосаждения. В то же время, влияние описанных базовых процессов ВПП на состав, структуру и рельеф стенки становится более комплексным, когда речь идёт об интенсивных потоках энергии на неё как за счёт частиц, так и из-за излучения плазмы. В частности, при превышении температуры металлов некоторого порога активизируется поверхностная диффузия и радиационно-ускоренная сублимация, которые начинают преобладать над классическим распылением. Наконец, уникальной особенностью ВПП в ТЯУ является крайне интенсивная нейтронная нагрузка на стенку, что может вести к её активации, к формированию дефектов, усиливающих накопление рабочего газа. Помимо дополнительных ограничений, накладываемых на механическую прочность и теплопроводность в условиях нейтронного облучения, это также формирует и требования ограничения распространения активированных компонентов ОПЭ в случае внештатных ситуаций, в частности, аварии с потерей теплоносителя при одновременной разгерметизации разрядной камеры (LOCA - Lost Of Coolant Accident), когда в силу высокой температуры становится возможным испарение активированных компонентов ОПЭ в атмосферу.

Обобщая данные на примере строящегося токамака ИТЭР, можно выделить следующие требования к современным материалам ОПЭ ТЯУ:

• Способность выдерживать высокие стационарные тепловые нагрузки до 10 МВт/м2, ударные тепловые нагрузки ^ 1 ГВт/м2 [17].

• Способность под воздействием больших потоков частиц в диапазоне 10-1024 м-2 с-1 сохранять низкий уровень Zejj в плазме [18].

• Низкий уровень активации ОПЭ под воздействием нейтронного потока.

• Поддержание уровня интегрально захваченного в материалы ОПЭ трития менее 700 грамм [15], либо возможность его in vacuo удаления.

• Защита от образования летучих активированных компонентов в условиях разгерметизации разрядной камеры (защита в условиях LOCA) [19] .

1.2. Современные кандидатные материалы обращённых к плазме элементов термоядерных установок

Основным конструкционным материалом крупных вакуумных систем является нержавеющая сталь. В ранних экспериментах, посвящённых задачам УТС, температура плазмы была относительно невысокой (до 500 эВ), и за счёт низкого коэффициента распыления сталей эффективный заряд оказывался ниже ожидаемого и определялся в основном примесями углерода и кислорода, которые десорбировались с поверхности стенок и, в целом, могли достигать высоких концентраций за счёт масляной откачки [20, 21]. Попытки снижения доли примесей за счёт использования высоковакуумных фланцевых соединений, предварительного прогрева камеры до высоких температур (~ 200 °С), а также кондиционирования стенок привели к снижению эффективного заряда плазмы, и наряду с методами по улучшению удержания, такими, как применение медного кожуха для пассивной стабилизации, наложения вертикального магнитного поля и т.д., позволили получить первые рекорды по температуре компонентов плазмы. В частности, в токамаке Т-3 были достигнуты рекордные для конца 60-x годов

19 3

параметры: Те ~ 1 кэВ, пе ~ 10 м- [22], которые поставили этот тип установок на первое место в исследованиях, посвящённых УТС. Однако, тем не менее, уровень примесей оставался ещё слишком высок уже за счёт эрозии стенки. Появилась необходимость в промежуточном слое между плазмой и стенкой вакуумной камеры установки, препятствующем попаданию в неё элементов с высоким атомным номером.

Таким образом, развивающаяся техника термоядерного эксперимента приводила с одной стороны к возможности достижения всё большего энергосодержания плазмы за счёт более эффективных средств удержания и нагрева, но одновременно с этим и к большим нагрузкам на стенку, приводящим к усиленным излучательным потерям энергии и дестабилизации горения плазмы.

Так, химическая активность первоначально используемых в качестве защитных элементов углеродных материалов с рабочим газом, проявляющаяся как в значительном влиянии химического распыления на эрозию ОПЭ, так и в высоком уровне захвата рабочего газа, привела к отказу от данного типа материала как основного на многих крупных токамаках. Вместо него были предложены материалы на основе металлов, среди которых можно выделить несколько концепций. Одной из наиболее развитых на текущий момент концепций стенки является сочетание материалов с низким и высоким Z, в частности, Be и W.

Оценить достоинства применения бериллия и вольфрама в качестве материалов ОПЭ перед углеродом можно на примере токамака JET, в котором ранее длительное время испытывались ОПЭ из графита и углеграфитовых композитов, а к 2013 году (в рамках моделирования кандидатных ОПЭ для токамака ИТЭР) установка JET была переведена на металлическую ОПЭ: дивертор из вольфрама, а также покрытого вольфрамом углеграфитового композита, первая стенка целиком из бериллиевых тайлов. В целом, основные интересующие измерения в компании с полностью металлической вольфрам-бериллиевой стенкой заключались в определении концентрации примесей в плазме, эффективного заряда плазмы, определении скоростей эрозии ОПЭ, скоростей захвата дейтерия и, разумеется, изучении параметров плазмы с последующим сравнением с экспериментами при углеродной стенке. На рисунке 1.2 представлено сравнение зависимостей мощности излучения от плотности электронов для экспериментов с углеродной и ИТЭРоподобной стенкой. Видно, что в среднем мощность излучения при металлической стенке несколько ниже, при том, что достигаемая

плотность оказывается выше.

Рис. 1.2. Зависимость мощности излучения от плотности электронов в завершающей стадии разряда на токамака JET. Синие ромбики - разряд с углеродной стенкой, красные кружки -неудачные разряды с углеродной стенкой, зелёные треугольники - разряды с ИТЭРоподобной стенкой [23].

Рис. 1.3. Скорость захвата дейтерия из измерений газобаланса для токамака JET при различных режимах разряда и различных ОПЭ [23].

Очень важной характеристикой материалов ОПЭ, как уже не раз отмечалось, является скорость накопления рабочего газа. Для установок, в которых предполагается проведение экспериментов с радиоактивным тритием важно контролировать его общую массу, захваченную в стенку, ведь количество трития в отдельно взятом помещении строго ограничено нормами радиационной безопасности. Однако моделирование захвата газа в условиях токамака ИТЭР является достаточно сложной задачей. Действительно, поскольку значительная доля захвата в случае металлической стенки происходит в процессе соосаждения, для проведения расчётов необходимо предварительно оценить величины потоков на различные участки, что само по себе представляется непростым.

По существующим моделям [24] в ИТЭРовской геометрии скорости захвата с углеродной стенкой оказываются выше в 20 — 50 раз, чем в варианте первой

стенки из бериллия и дивертора из вольфрама, ив 20 — 100 раз выше, чем в случае цельно вольфрамовой ОПЭ. При этом по расчётам при 50 : 50 D—Т в ИТЭРе скорость захвата трития не превысит 1020 с-1. Такое значение позволит поддерживать безопасные с точки зрения накопленного количества трития условия эксплуатации на протяжении запланированных 3000 D — Т импульсов. Расчёт сделан при ряде упрощений и является скорее верхней оценкой. На рисунке 1.3 представлено сравнение скоростей захвата, полученных с помощью измерений газобаланса, при различных режимах разряда и различных материалах ОПЭ. Видно, что для углерода она находится на уровне 1021 атомов/с, в то время как для комбинации бериллия и вольфрама она менее, чем 1020 атомов/с. Таким образом, в обоих случаях уровень довольно высок, хотя комбинация бериллия и вольфрама даёт уменьшение более чем на порядок.

Фактически, в течение последних двух десятилетий наибольшее внимание в контексте проблемы первой стенки ТЯУ уделялось Be и W как кандидатным материалам для ИТЭР. Однако в начале 2023-го года в организации ИТЭР было принято решение об отказе от использования бериллия в качестве материала первой стенки в пользу вольфрама [25]. Среди причин такого перехода называют более высокий энергетический порог распыления вольфрама, большую температуру плавления. Также в качестве причин иногда указывают и на опасность замыкания соседних плиток ОПЭ расплавом бериллия. Таким образом, на текущий момент на токамаке ИТЭР предлагается использовать ОПЭ из вольфрама с покрытием части элементов тонким слоем бора для снижения уровня Zejj и, соответственно, излучательных потерь из плазмы. В свою очередь, вопрос выбора материалов ОПЭ для ТЯУ следующего поколения, таких как DEMO, ТРТ и CFETR, остаётся открытым. В связи с этим усиленное внимание стали получать многокомпонентные материалы, «умные» сплавы, композиты, высокотемпературные проводящие керамики, а также концепции жидкостенных стенок, например, из лития.

Одной из перспективных групп материалов, которые могут быть задей-

ствованы в европейском реакторе DEMO, выступают самопассивирующиеся металлические сплавы с пониженными термоокислением (SMART) на основе W-Si-Cr [26], W-Y-Cr [27] и W-Cr-Zr [28]. Одним из недостатков чистого вольфрама является образование летучих радиоактивных компонентов, в частности оксидов 187Ж и 186 Ле, в случае аварии LOCA с потерей теплоносителя и напуском атмосферы в разрядную камеру. При таком сценарии в токамаке реакторного масштаба температура стенки может повыситься до 1400 К за счёт активации компонентов стенки и удерживаться в течение длительного времени. Таким образом, в результате подобной аварии будет происходить эрозия стенки со скоростью до 150 кг/ч при наихудшем сценарии [27] и, соответственно, попадание радиоактивного материала в атмосферу.

В свою очередь, в случае применения «умного» сплава при нормальном режиме работы ТЯР поверхностный слой окажется преимущественно вольфрамовым за счёт селективного распыления более лёгкой компоненты, а в случае сценария LOCA - наоборот, за счёт температурно-индуцированной сегрегации хром образует на поверхности оксид, который в отличии от оксидов вольфрама является нелетучим вплоть до существенно более высоких температур. Так, в работе [29] показано, что при температуре 1273 К в атмосфере 20 объёмных % 02 и 80 объёмных % Ar скорость эрозии чистого вольфрама превышает 6 мкг/(с • см ), в то время как для сплава W-10Cr-2Ti она оказывается 1,5 мкг/(с • см ), а для наиболее перспективного сплава W-11,6Cr-0,6Y скорость эрозии не превышает 0,01 мкг/(с • см2) (рис. 1.4), хотя после длительного облучения в плазме в случае SMART сплавов она несколько увеличивается.

Таким образом, подобные SMART сплавы демонстрируют значительно большую устойчивость к окислению по сравнению с вольфрамом. При этом толщина их функционального слоя может быть достаточно малой. В последние годы данные материалы подвергаются систематическому исследованию на предмет применимости в ТЯР по прочим параметрам в стендовых установках. Как показано в обзорной работе [30], в целом, параметры сплавов под воздействием

Рис. 1.4. Зависимость скорости эрозии за счёт окисления образцов при температуре 1273 К в атмосфере 20 объёмных % 02 и 80 объёмных % Аг для: 1 - Ш, 2 - Ш-10Сг-2Т1, 3 -Ш-10Сг-2Т после предварительного облучения в плазме, 4 - Ш-11,6Сг-0,6У, 5- Ш-11,6Сг-0,6У после предварительного облучения в плазме [29].

плазмы линейных симуляторов вроде PSI-2 и MAGNUM PSI, а также пучков ионов дейтерия дают повод для оптимизма. В то же время, по таким важным параметрам, как теплопроводность и скорость захвата изотопов водорода на текущий момент они уступают чистому вольфраму, что как минимум ограничит их применимость в энергонапряжённых частях ОПЭ вроде дивертора. На данный момент уже исследуются перспективы их промышленного производства для применения в реакторах наподобие DEMO [31], хотя консенсус на счёт их целесообразности в ТЯР в научном сообществе не достигнут.

Словом, в последние годы предложено множество новых типов кандидатных материалов ОПЭ ТЯУ, что формирует задачу всестороннего систематического анализа их применимости, в частности, в стендовых установках, где возможно реализовывать условия воздействия, симулирующие реальные, независимо. По-

явление новых материалов и, в частности, наноматериалов, требует создания новых и развития существующих методов анализа и контроля поверхности ОПЭ ТЯУ, которые могут работать с высоким разрешением по глубине.

1.3. Методы анализа поверхностных слоёв

Как было показано выше, взаимодействие плазмы с поверхностью обращенных к ней элементов ТЯУ сопровождается широким многообразием явлений, способных влиять на функциональность установки, что приводит к необходимости их систематического изучения. За более чем полвека исследований в области УТС в данную проблему оказалось вовлечено множество методов анализа поверхности. Уже на первых крупных токамаках исследования ВПП проводились как in vacuo во встраиваемых модулях анализа поверхности [32, 33], так и post mortem после извлечения образцов из установки и их транспортировки в специально оборудованные центры [34, 35]. Ещё на ранних этапах подобных исследований сформировался набор базовых диагностик ОПЭ ТЯУ [36], которые в многом остаются актуальными и по сей день.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ефимов Никита Евгеньевич, 2025 год

Список литературы

1. Efimov N., Sinelnikov D., Grishaev M., Nikitin I., Luzanov V. Tungsten peak broadening in LEIS: Origins and challenges for quantitative analysis // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2025. — Vol. 567. — P. 165823. — DOI: 10.1016/j.nimb.2025.165823.

2. Efimov N., Sinelnikov D., Kolodko D., Grishaev M., Nikitin I. On the reconstruction of LEIS spectra after distortion by an electrostatic energy analyzer // Applied Surface Science. — 2024. — Vol. 676. — P. 161006. — DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.161006.

3. Efimov N., Sinelnikov D., Grishaev M., Nikitin I., Wang Y., Harutyunyan Z, Gasparyan Y. On the possibility of quantitative W-Cr-Y analysis by grazing ion-surface scattering spectroscopy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. —

2024. — Vol. 546. — P. 165177. — DOI: 10.1016/j.nimb.2023.165177.

4. Wang Y. [et al.]. Annealing effect on deuterium retention in W-Cr-Y alloy // Journal of Nuclear Materials. — 2024. — Vol. 593. — P. 154975. — DOI: 10.1016/j.jnucmat.2024.154975.

5. Efimov N. E., Sinelnikov D. N., Kolodko D. V., Grishaev M. V., Nikitin I. A., Mosiakova A. S. On the quantitative surface analysis of Au-Pd striped films using grazing angle ion scattering spectroscopy // Proceedings of the XXVII International Conference Ion-Surface Interactions. Vol. 1. — Ryazan,

2025. — P. 133-137.

6. Nikitin I. A., Sinelnikov D. N., Efimov N. E, Grishaev M. V. Analysis of the adsorbed protium and deuterium using scattered and recoiled ions // Proceedings of the XXVII International Conference Ion-Surface Interactions. Vol. 1. — Ryazan, 2025. — P. 138-140.

7. Никитин И. А., Синельников Д. Н., Ефимов Н. Е., Гришаев М. В. Анализ адсорбции протия и дейтерия на материалы ТЯУ с помощью ионного рассеяния и атомов отдачи // Материалы XXVIII конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Сборник научных трудов. — Москва : Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2025. — С. 65—68.

8. Ефимов Н. Е., Синельников Д. Н., Гришаев М. В., Никитин И. А. Учёт аппаратной функции электростатических энергоанализаторов при спектроскопии рассеяния ионов низких энергий // Тезисы докладов 53-й международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. — Москва : «КДУ», 2024. — С. 118. — DOI: 10.31453/kdu.ru.978-5-00247-026-6-2024-194.

9. Синельников Д. Н., Гаспарян Ю. М., Гришаев М. В., Ефимов Н. Е, Никитин И. А. Анализ изотопов водорода на поверхности вольфрама с помощью спектроскопии малоуглового ионного рассеяния // Материалы III Международной конференции «Проблемы термоядерной энергетики и плазменные технологии». Калужская обл., г. Таруса, 16-21 октября 2023 г. — М.:Издательский дом МЭИ, 2023. — С. 100—101.

10. Efimov N. E. [et al.]. Quantitative analysis of the temperature driven chromium segregation in W-Cr-Y alloy by low energy ion scattering spectroscopy // Proceedings of the XXVI International Conference Ion-Surface Interactions. Vol. 1. — Yaroslavl, 2023. — P. 134-136.

11. Никитин И. А., Синельников Д. Н., Ефимов Н. Е, Гришаев М. В. О возможности количественного анализа концентраций элементов в обращенных к плазме материалах с использованием малоуглового LEIS // Материалы XXVI конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Сборник научных трудов. — Москва : Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2023. — С. 126—128.

12. Программа ISInCa для анализа результатов Монте-Карло моделирования взаимодействия атомов с поверхностью твёрдого тела : Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2024682709 РФ / И. А. Никитин, Д. Н. Синельников, М. В. Гришаев, Н. Е. Ефимов. — Заявл. 26.09.2024.

13. LEIS calculator для интерпретации энергетических спектров рассеянных на твёрдом теле ионов : Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2023662261 РФ / И. А. Никитин, Д. Н. Синельников, Н. Е. Ефимов, М. В. Гришаев. — Заявл. 07.06.2023.

14. Wirth B. D., Nordlund K., Whyte D. G., Xu D. Fusion materials modeling: Challenges and opportunities // MRS Bulletin. — 2011. — Vol. 36, no. 3. — P. 216-222. — DOI: 10.1557/mrs.2011.37.

15. Roth J. [et al.]. Recent analysis of key plasma wall interactions issues for ITER // Journal of Nuclear Materials. — 2009. — Vol. 390/391, no. 1. — P. 1-9. — DOI: 10.1016/j.jnucmat.2009.01.037.

16. Widdowson A. [et al.]. Overview of the JET ITER-like wall divertor // Nuclear Materials and Energy. — 2017. — Vol. 12. — P. 499-505. — DOI: 10.1016/j.nme.2016.12.008.

17. Mitteau R., Eaton R., Gervash A., Kuznetcov V., Davydov V., Rulev R. Allowable heat load on the edge of the ITER first wall panel beryllium flat tiles // Nuclear Materials and Energy. — 2017. — Vol. 12. — P. 10671070. — DOI: 10.1016/j.nme.2017.02.001.

18. Duffy D. Modeling plasma facing materials for fusion power // Materials Today. — 2009. — Vol. 12, no. 11. — P. 38-44. — DOI: 10.1016/S1369-7021(09)70297-4.

19. Adomavivcius A. K. [et al.]. A conceptual study of commercial fusion power plants, EFDA-RP-RE-5.0 //. — 2005.

20. Craston J. L, Hancox R., Robson A. E., Kaufmsn S., Miles H. T., Ware A. A., Wesson J. A. The Role of Materials in Controlled Thermonuclear Research // Peaceful Uses of Atomic Energy (Proc. 2nd Int. Conf. Geneva, 1958), Vol. 32. — 1958. — Vol. 1, no. 414. — P. 414-426.

21. Burnett C. R, Grove D. J, Palladino R. W., Stix T. H, Wakefield K. E. The divertor, a device for reducing the impurity level in a stellarator // Physics of Fluids. — 1958. — Vol. 1, no. 5. — P. 438-445. — DOI: 10.1063/1.1724361.

22. Gorbunov E. P., Ivanov E. P., Peacock N. J., Robinson D. C., Strelkov V. S. The plasma energy in tokamak T3 from electrical and Thomson scattering measurements // 4th European Conf. on Control. Fusion and Plasma Phys., Rome, Italy, Nat. Nucl. Energy Committee. — 1970. — P. 19.

23. Matthews G. F. Plasma operation with an all metal first-wall: Comparison of an ITER-like wall with a carbon wall in JET // Journal of Nuclear Materials. — 2013. — Vol. 438. — P. 2-10. — DOI: 10.1016/j.jnucmat. 2013.01.282.

24. Roth J. [et al.]. Tritium inventory in ITER plasma-facing materials and tritium removal procedures // Plasma Physics and Controlled Fusion. — 2008. — Vol. 50, no. 10. — P. 103001. — DOI: 10.1088/0741-3335/50/ 10/103001.

25. Pitts R. A. [et al.]. Plasma-wall interaction impact of the ITER re-baseline // Nuclear Materials and Energy. — 2024. — P. 101854. — DOI: 10.1016/j. nme.2024.101854.

26. Koch F., Bolt H. Self passivating W-based alloys as plasma facing material for nuclear fusion // Physica Scripta. — 2007. — Vol. 128. — P. 100-105. — DOI: 10.1088/0031-8949/2007/T128/020.

27. Wegener T., Klein F., Litnovsky A., Rasinski M., Brinkmann J., Koch F., Linsmeier C. Development of yttrium-containing self-passivating tungsten alloys for future fusion power plants // Nuclear Materials and Energy. — 2016. — Vol. 9. — P. 394-398. — DOI: 10.1016/j.nme.2016.07.011.

28. Wang W. J. [et al.]. The influence of powder characteristics on densification behavior and microstructure evolution of W-Cr-Zr alloy consolidated by field-assisted sintering technology // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. — 2022. — Vol. 108. — P. 105939. — DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2022.105939.

29. Litnovsky A. [et al.]. New oxidation-resistant tungsten alloys for use in the nuclear fusion reactors // Physica Scripta. — 2017. — Vol. 170. — P. 014012. — DOI: 10.1088/1402-4896/aa81f5.

30. Litnovsky A. [et al.]. Advanced Self-Passivating Alloys for an Application under Extreme Conditions // Metals. — 2021. — Vol. 11, no. 8. — P. 1255. — DOI: 10.3390/met11081255.

31. Litnovsky A. [et al.]. SMART materials for DEMO: Towards industrial production // Fusion Engineering and Design. — 2024. — Vol. 203. — P. 114423. — DOI: 10.1016/j.fusengdes.2024.114423.

32. Goodall D. H. [et al.]. Proposed plasma edge diagnostics for jet // Journal of Nuclear Materials. — 1980. — Vol. 93/94. — P. 383-389. — DOI: 10.1016/0022-3115(80)90352-9.

33. Hildebrandt D. [et al.]. Analysis of the stainless steel limiter and of shields of the wasaprobe after operation in T-10 // Journal of Nuclear Materials. — 1980. — Vol. 93/94. — P. 310-314. — DOI: 10.1016/0022-3115(80) 90340-2.

34. Satherblom H. E. [et al.]. A computer-controlled particle collection and surface analysis system for tokamak scrape-of-layer analysis // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 1985. — Vol. 240, no. 1. — P. 171-176. — DOI: 10.1016/0168-9002(85)90401-2.

35. Whyte D. G, Brooks J. N., Wong C. P., West W. P., Bastasz R., Wampler W. R., Rubenstein J. DiMES divertor erosion experiments on DIII-D // Journal of Nuclear Materials. — 1997. — Vol. 241-243. — P. 660-665. — DOI: 10.1016/s0022-3115(97)80118-3.

36. Yamashina T., Mohri M. Surface analysis studies for plasma-wall interactions in torus devices // Journal of Nuclear Materials. — 1984. — Vol. 128/ 129. — P. 208-218. — DOI: 10.1016/0022-3115(84)90354-4.

37. Holloway P. H. Fundamentals and Applications of Auger Electron Spectroscopy // Advances in Electronics and Electron Physics. Vol. 54 / ed. by L. Marton, C. Marton. — 1980. — P. 241-298. — DOI: 10.1016/S0065-2539(08)60100-6.

38. Giurlani W., Berretti E., Innocenti M., Lavacchi A. Coating Thickness Determination Using X-ray Fluorescence Spectroscopy: Monte-Carlo Simulations as an Alternative to the Use of Standards // Coatings. — 2019. — Vol. 9, no. 2. — P. 79. — DOI: 10.3390/coatings9020079.

39. Sorokin I. A., Kolodko D. V. On the possibility of indirect measurement of the thin carbon films thickness using energy-dispersive analysis // Thin Solid Films. — 2021. — Vol. 737. — P. 138937. — DOI: 10.1016/j.tsf. 2021.138937.

40. Haasch R. T. X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Electron Spectroscopy (AES) // Practical Materials Characterization / ed. by M.

Sardela. — New York, NY, 2014. — P. 93-132. — DOI: 10.1007/978-1-4614-9281-8_3.

41. Unger W., Wirth T., Hodoroaba V. D. Chapter 4.3.2 - Auger electron spectroscopy // Characterization of Nanoparticles. — Elsevier, 2020. — P. 373-395. — (Micro and Nano Technologies). — DOI: 10.1016/B978-0-12-814182-3.00020-1.

42. Урусов, В. А. Восстановление энергетических спектров при анализе потоков заряженных частиц : Диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.08 / Урусов, В. А. — Москва, Россия : НИЯУ МИФИ, 2012. — 103 с.

43. Harris L. A. Analysis of Materials by Electron-Excited Auger Electrons // Journal of Applied Physics. — 1968. — Vol. 39, no. 3. — P. 1419-1427. — DOI: 10.1063/1.1656374.

44. Li C. [et al.]. Compositions and chemical states on the co-deposition layer of lithiated tungsten of plasma-facing components of EAST // Nuclear Materials and Energy. — 2017. — Vol. 12. — P. 1209-1213. — DOI: 10.1016/j.nme.2017.02.002.

45. Taglauer E., Staudenmaier G. Surface analysis in fusion devices // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. — 1987. — Vol. 5, no. 4. — P. 1352-1357. — DOI: 10.1116/1.574768.

46. Hirohata Y. [et al.]. Surface analysis of TIC limiter exposed in JIPP T-II stellarator/tokamak hybrid device // Journal of Nuclear Materials. — 1984. — Vol. 123, no. 1. — P. 1160-1164. — DOI: 10.1016/0022-3115(84)90233-2.

47. Obata T., Mohri M., Yamashina T., Amemiya S., Katoh T., Noda N. TiC formation on a Ti evaporated graphite probe by plasma exposure in JIPP

T-IIU // Journal of Nuclear Materials. — 1984. — Vol. 128/129. — P. 872875. — DOI: 10.1016/0022-3115(84)90473-2.

48. Rais B., Ostrowski E., Canton A., Skinner C., Barison S., Fiameni S., Koel B. SIMS and HR-XPS characterization of lithiated graphite from the magnetic fusion device RFX-mod // Applied Surface Science. — 2021. — Vol. 567. — P. 150830. — DOI: 10.1016/J.APSUSC.2021.150830.

49. Голиков Ю. К., Краснова К. Н., Марциновский И. А. Об аппаратной функции электростатических электронных спектрометров // Научное приборостроение. — 2011. — Т. 21, № 3. — С. 68—82.

50. Karhunen J. [et al.]. Development of laser-induced breakdown spectroscopy for analyzing deposited layers in ITER // Physica Scripta. — 2014. — Vol. 159. — DOI: 10.1088/0031-8949/2014/T159/014067.

51. Asquini C. P. Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) // Handbook of Solid-State Lasers: Materials, Systems and Applications. — 2013. — P. 551-571. — DOI: 10.1533/9780857097507.2.551.

52. Xing Y, Li Q., Ye X, Wu J., Huang X, Yang R., Yang Z. Quantitative analysis of hydrogen isotopes in hydrogen storage material using laser-induced breakdown spectroscopy // Nuclear Materials and Energy. — 2022. — Vol. 31. — P. 101204. — DOI: 10.1016/j.nme.2022.101204.

53. Du Y., Wang Q., Yang R., Cui X. Quantitative determination of hydrogen isotope in titanium using LIBS // AOPC 2019: Optical Spectroscopy and Imaging (Optical Spectroscopy and Imaging). — Beijing, China : SPIE, 2019. — P. 1133712. — DOI: 10.1117/12.2547656.

54. Favre A. [et al.]. A step towards the diagnostic of the ITER first wall: in-situ LIBS measurements in the WEST tokamak // Physica Scripta. — 2024. — Vol. 99, no. 3. — P. 035609. — DOI: 10.1088/1402-4896/ad2826.

55. Veis P. [et al.]. LIBS analysis of samples from the COMPASS vacuum chamber after liquid metal experiments - Li campaign // Nuclear Materials and Energy. — 2020. — Vol. 25. — P. 100809. — DOI: 10.1016/j .nme. 2020.100809.

56. Oelmann J. [et al.]. Hydrogen content in divertor baffle tiles in Wendelstein 7-X // Nuclear Materials and Energy. — 2021. — Vol. 26. — P. 100943. — DOI: 10.1016/j.nme.2021.100943.

57. Marenkov E. D., Tsygvintsev I. P., Gasparyan Y, Stepanenko A. A. Assessment of laser induced breakdown spectroscopy accuracy for determination of hydrogen accumulation in tungsten // Nuclear Materials and Energy. — 2021. — Vol. 28. — P. 101029. — DOI: https ://doi . org/10 . 1016/j . nme.2021.101029.

58. Zlobinski M. [et al.]. First results of laser-induced desorption - quadrupole mass spectrometry (LID-QMS) at JET // Nuclear Fusion. — 2024. — Vol. 64, no. 8. — P. 086031. — DOI: 10.1088/1741-4326/ad52a5.

59. Geiger E., Marsden E. On a diffuse reflection of the a - particles // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. — 1909. — Vol. 82, no. 557. — P. 495-500. — DOI: 10.1098/rspa.1909.0054.

60. Rutherford E. LXXIX. The scattering of a and ß particles by matter and the structure of the atom // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1911. — Vol. 21, no. 125. — P. 669-688. — DOI: 10.1080/14786440508637080.

61. Rubin S. Surface analysis by charged particle spectroscopy // Nuclear Instruments and Methods. — 1959. — Vol. 5, no. 3. — P. 177-183. — DOI: 10.1016/0029-554X(59)90180-6.

62. Ziegler J. F., Ziegler M. D., Biersack J. P. SRIM - The stopping and range of ions in matter // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2010. — Vol. 268, no. 11/12. — P. 1818-1823. — DOI: 10.1016/j.nimb.2010.02.091.

63. Jussieu P. Backscattering spectrometry // Ion Beam Analysis: Fundamentals and Applications. — 2014. — Vol. 37. — P. 57-78. — DOI: 10.1201/b17310.

64. Chu W. K, Mayer J. W., Nicolet M. A. Chapter 3 - Concepts of Backscattering Spectrometry. — Academic Press, 1978. — P. 54-88. — DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-173850-1.50008-9.

65. Panin B. V. Interaction of medium-energy ( 10 - 100 keV) atomic particles with solids (energy spectra of secondary ions) // Soviet physics JETP. — 1962. — Vol. 15, no. 2. — P. 215-450.

66. Walther V., Hintenberger H. Untersuchung uber die Emission positiver Sekundärionen und die Reflexion von Edelgasionen an Festkörperoberflachen // Zeitschrift fur Naturforschung A. — 1963. — Vol. 18, no. 7. — P. 843-853. — DOI: 10.1515/zna-1963-0709.

67. MacDonald R., O'Connor D., King B., Shen Y., Xu G. The scattering of low energy hydrogen ions from surfaces // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1993. — Vol. 78, no. 1. — P. 56-62. — DOI: 10.1016/0168-583X(93)95776-2.

68. Overbury S. H., Van den Oetelaar R. J. A. Structure of the p(2 x 1)-oxygen/Mo0 75Re0.25(001) surface studied by low energy Li+ ion scattering // Surface Science. — 1994. — Vol. 301, no. 1. — P. 313-325. — DOI: 10.1016/0039-6028(94)91311-0.

69. Brongersma H., Buck T. Low-energy ion scattering (LEIS) for composition and structure analysis of the outer surface // Nuclear Instruments and Methods. — 1978. — Vol. 149, no. 1. — P. 569-575. — DOI: 10.1016/ 0029-554X(78)90929-1.

70. Brongersma H. H., Draxler M., Ridder M., Bauer P. Surface composition analysis by low-energy ion scattering // Surface Science Reports. — 2007. — Vol. 62, no. 3. — P. 63-109. — DOI: 10.1016/j.surfrep.2006.12.002.

71. Los J., Geerlings J. Charge exchange in atom-surface collisions // Physics Reports. — 1990. — Vol. 190, no. 3. — P. 133-190. — DOI: 10.1016/0370-1573(90)90104-A.

72. Brongersma H. H., Grehl T., Schofield E. R., Richard A. P., Hendrik R. J. Analysis of the Outer Surface of Platinum-Gold Catalysts by Low-Energy Ion Scattering: Improved resolution allows selective analysis of mixed metal systems // Platinum Metals Review. — 2010. — Vol. 54, no. 2. — P. 8187. — DOI: 10.1595/147106710X494358.

73. Druce J., Ishihara T., Kilner J. Surface composition of perovskite-type materials studied by Low Energy Ion Scattering (LEIS) // Solid State Ionics. — 2014. — Vol. 262. — P. 893-896. — DOI: 10.1016/j.ssi.2013. 09.010.

74. Koslowski H., Schmitz J., Linsmeier C. Temporally resolved LEIS measurements of Cr segregation after preferential sputtering of WCrY alloy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2020. — Vol. 479. — P. 42-46. — DOI: 10.1016/j.nimb.2020.06.005.

75. Dittmar K. [et al.]. The application of low energy ion scattering spectroscopy (LEIS) in sub 28-nm CMOS technology // Surface and Interface Analysis. — 2017. — Vol. 49, no. 12. — P. 1175-1186. — DOI: 10.1002/sia.6312.

76. Jacobs J. P. Catalytically-active oxides studied by low-energy ion scattering // Technische Universiteit Eindhoven. — 1995. — DOI: 10.6100/IR443689.

77. Eckstein W. Computer Simulation of Ion-Solid Interactions. Vol. 10. — Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 1991. — (Springer Series in Materials Science). — DOI: 10.1007/978-3-642-73513-4.

78. Takeuchi W. Evaluation of screening length corrections for interaction potentials in impact-collision ion scattering spectroscopy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2013. — Vol. 313. — P. 33-39. — DOI: 10.1016/j.nimb.2013.08.003.

79. Gainullin I. Towards quantitative LEIS with alkali metal ions // Surface Science. —2018. — Vol. 677. — P. 324-332. — DOI: 10.1016/j.susc. 2018.08.007.

80. Buck T., Wheatley G., Feldman L. Charge states of 25-150 keV H and 4He backscattered from solid surfaces // Surface Science. — 1973. — Vol. 35. — P. 345-361. — DOI: 10.1016/0039-6028(73)90224-0.

81. Kurnaev V., Koborov N., Zhabrev G., Zabeida O. Charge fractions in a hydrogen beam reflected from targets with different electron density // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1993. — Vol. 78, no. 1. — P. 63-67. — DOI: 10.1016/0168-583X(93)95777-3.

82. Eckstein W., Matschke F. E. Charge-state fractions of hydrogen backscattered from gold // Physical Review B. — 1976. — Vol. 14, no. 8. — P. 3231-3237. — DOI: 10.1103/PhysRevB.14.3231.

83. Niehus H., Heiland W., Taglauer E. Low-energy ion scattering at surfaces // Surface Science Reports. — 1993. — Vol. 17, no. 4. — P. 213-303. — DOI: 10.1016/0167-5729(93)90024-J.

84. Cushman C. V. [et al.]. Low energy ion scattering (LEIS). A practical introduction to its theory, instrumentation, and applications // Anal. Methods. — 2016. — Vol. 8, no. 17. — P. 3419-3439. — DOI: 10. 1039/ C6AY00765A.

85. Scanlon P. Surface composition of ceramic CeGd-oxide // Solid State Ionics. — 1998. — Vol. 112, no. 1. — P. 123-130. — DOI: 10.1016/S0167-2738(98)00198-2.

86. Smith D. P. Analysis of surface composition with low-energy backscattered ions // Surface Science. — 1971. — Vol. 25, no. 1. — P. 171-191. — DOI: 10.1016/0039-6028(71)90214-7.

87. Koslowski H. R., Schmitz J., Linsmeier C. Segregation and preferential sputtering of Cr in WCrY smart alloy // Nuclear Materials and Energy. — 2020. — Vol. 22. — P. 100736. — DOI: 10.1016/j.nme.2020.100736.

88. Nelson G. C. Summary Abstract: Semiempirical modeling of the background in low energy ion scattering spectra // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. — 1986. — Vol. 4, no. 3. — P. 1567-1569. — DOI: 10.1116/1.573508.

89. Young V. Y, Hoflund G. B., Miller A. A model for analysis and quantification of ion scattering spectroscopy data // Surface Science. — 1990. — Vol. 235, no. 1. — P. 60-66. — DOI: 10.1016/0039-6028(90)90106-1.

90. Kolasinski R. D., Whaley J. A., Ward D. K. Application of multi-angle scattering maps to stepped surfaces // Surface Science. — 2018. — Vol. 677. — P. 176-185. — DOI: 10.1016/j.susc.2018.07.007.

91. Babenko P. Y, Shergin A. P. Diagnostics of indium clusters in indium nitride by low-energy ion scattering spectroscopy // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2012. — Vol. 76, no. 5. — P. 535-537. — DOI: 10.3103/S1062873812050061.

92. Mikhailov V. S., Babenko P. Y., Tensin D. S., Zinoviev A. N. Energy Spectra of Hydrogen Atoms Reflected From the Surface of Tungsten // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. — 2023. — Vol. 17, no. 1. — P. 258-264. — DOI: 10.1134/S1027451023010330.

93. Afanas'ev V. P., Lobanova L. G. Analytical Theory of Reflection of Hydrogen Isotopes of Thermonuclear Energies from Construction Materials // Plasma Physics Reports. — 2024. — Feb. — Vol. 50, no. 2. — P. 247-254. — DOI: 10.1134/S1063780X2360202X.

94. Ziegler J. F., Biersack J. P. The Stopping and Range of Ions in Matter. — 1985. — DOI: 10.1007/978-1-4615-8103-1_3.

95. Mutzke A., Schneider R., Eckstein W., Dohmen R., Schmid K., Toussaint U., Badelow G. SDTrimSP Version 6.00 : tech. rep. / Max-Planck-Institut fär Plasmaphysik. — Garching, 2019. — IPP 2019-02. — DOI: 10.17617/ 2.3026474.

96. Hofsass H., Zhang K., Mutzke A. Simulation of ion beam sputtering with SDTrimSP, TRIDYN and SRIM // Applied Surface Science. — 2014. — Vol. 310. — P. 134-141. — DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.03.152.

97. Schmitz J. [et al.]. Preferential sputtering induced Cr-Diffusion during plasma exposure of WCrY smart alloys // Journal of Nuclear Materials. — 2019. — Vol. 526. — P. 151767. — DOI: 10 . 1016/j . jnucmat . 2019 . 151767.

98. Kanshin I., Mamedov N., Solodovnikov A., Efimov N. Estimation of the electrodes sputtering of the miniature linear accelerator // Vacuum. — 2022. — Vol.202. — P. 111194. — DOI: 10.1016/j.vacuum.2022.111194.

99. Biersack J., Haggmark L. A Monte Carlo computer program for the transport of energetic ions in amorphous targets // Nuclear Instruments and Meth-

ods. — 1980. — Vol. 174, no. 1. — P. 257-269. — DOI: 10.1016/0029-554X(80)90440-1.

100. Lindhard J., Scharff M. Energy Dissipation by Ions in the keV Region // Physical Review. — 1961. — Vol. 124, no. 1. — P. 128-130. — DOI: 10.1103/PhysRev.124.128.

101. Oen O. S., Robinson M. T. Computer studies of the reflection of light ions from solids // Nuclear Instruments and Methods. — 1976. — Vol. 132. — P. 647-653. — DOI: 10.1016/0029-554X(76)90806-5.

102. Eckstein W., Hackel S., Heinemann D., Fricke B. Influence of the interaction potential on simulated sputtering and reflection data // Zeitschrift for Physik D Atoms, Molecules and Clusters. — 1992. — Vol. 24, no. 2. — P. 171176. — DOI: 10.1007/BF01426703.

103. Koborov N. N., Kuzovlev A. I., Kurnaev V. A., Remizovich V. S., Trifonov N. N. Energy distributions of particles transmitted through free foils at oblique incidence // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1997. — Vol. 129, no. 1. — P. 5-10. — DOI: 10.1016/S0168-583X(97)00124-9.

104. Kurnaev V., Trifonov N., Urusov V. Ion reflection from solids at sliding incidence - computer simulations versus analytical theories and experiment // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2003. — Vol. 212. — P. 270273. — DOI: 10.1016/S0168-583X(03)01456-3.

105. Программа анализа взаимодействия атомов с поверхностью твёрдого тела ISInCa. — 07.05.2024. — URL: https://github.com/mauveferret/isinca.

106. Greenwood J. The correct and incorrect generation of a cosine distribution of scattered particles for Monte-Carlo modelling of vacuum systems //

Vacuum. —2002. — Vol. 67, no. 2. — P. 217-222. — DOI: 10.1016/S0042-207X(02)00173-2.

107. LEIS калькулятор : IAP/TU Wien Surface Physics Group. — 2023. — URL: https : / / www2 . iap . tuwien . ac . at / www / surface / leis (дата обр. 07.05.2024).

108. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том 1. Механика. Т. 1. — 4-е изд. испр. — М.: Наука, 1988. — 216 с. — (Учеб. пособие в 10-и

т.)

109. Пакет «SpecRec»для анализа искажения спектров аппаратной функцией электростатических и магнитных анализаторов и их восстановления. — 2024. — URL: https : //github . com/mauveferret/SpecRec (дата обр. 07.05.2024).

110. Bundaleski N., Rakocevic Z, Terzic I. Optical properties of the 127° cylindrical energy analyzer used in LEIS experiments // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2002. — Vol. 198, no. 3. — P. 208-219. — DOI: 10.1016/S0168-583X(02)01470-2.

111. Zameshin A., Medvedev R., Yakshin A., Bijkerk F. Interface formation in W/Si multilayers studied by Low Energy Ion Scattering // Thin Solid Films. — 2021. — Vol. 724. — P. 138569. — DOI: 10.1016/j.tsf.2021. 138569.

112. Бабенко П. Ю., Зиновьев А. Н. Ядерные тормозные способности для DFT-потенциалов с притягивающей ямой // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2023. — № 11. — С. 101— 106. — DOI: 10.31857/S1028096023110055.

113. Koborov N. N., Kurnaev V. A., Sotnikov V. M. The surface roughness influence on the light ions backscattering // Journal of Nuclear Materials. — 1984. — Vol. 128/129. — P. 691-693. — DOI: 10.1016/0022-3115(84) 90436-7.

114. Nelson G. C. Influence of surface roughness on the intensity of elastically scattered low-energy noble-gas ions // Journal of Applied Physics. — 1975. — Vol. 47. — P. 1253-1255. — DOI: 10.1063/1.322847.

115. Афанасьев В. П., Явор С. Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. — М.: Наука. — Москва, Россия, 1978. — 224 с.

116. Carley A. F., Joyner R. W. The application of deconvolution methods in electron spectroscopy — a review // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. — 1979. — Vol. 16, no. 1. — P. 1-23. — DOI: 10.1016/0368-2048(79)85001-X.

117. Gorelik V. A., Yakovenko A. V. Recovering the spectral profile without measuring the instrument function of the analyzer // Technical Physics. — 1997. — Vol. 42, no. 1. — P. 96-99. — DOI: 10.1134/1.1258657.

118. Yavor M. Chapter 6 Electrostatic Energy Analyzers // Advances in Imaging and Electron Physics. Vol. 157. — 2009. — P. 213-258. — DOI: 10.1016/ S1076-5670(09)01606-1.

119. Zhabrev G., Zhdanov S. Restoration of a real energy distribution of particles passed through a spectrometer with a given instrument function // Zhurnal Tekhnicheskoj Fiziki. — 1979. — Vol. 49, no. 11. — P. 2450-2454.

120. Kurnaev V. A., Urusov V. A. Influence of the instrumental functions of electrostatic and magnetic analyzers on the processing of experimental data // Technical Physics. — 1997. — Vol. 42, no. 6. — P. 663-667. — DOI: 10.1134/1.1258598.

121. Siegbahn K., Axel P. Alpha-, Beta-, and Gamma-Ray Spectroscopy // American Journal of Physics. — 1966. — Vol. 34, no. 3. — P. 275-276. — DOI: 10.1119/1.1972911.

122. Krasnova N., Pavlov V., Solovjev K., Marzinovsky I. Deconvolution algorithms for electron spectroscopy // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) (2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech)). — St. Petersburg : IEEE, 2018. — P. 126-130. — DOI: 10.1109/EExPolytech.2018.8564426.

123. Prusa S., Linford M. R., Vanickova E., Babikk P., Pinder J. W, Sikola T, Brongersma H. H. A Practical Guide to Interpreting Low Energy Ion Scattering (LEIS) Spectra // Applied Surface Science. — 2023. — P. 158793. — DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.158793.

124. Bulgadaryan D., Sinelnikov D., Kurnaev V., Efimov N., Borisyuk P., Lebedinskii Y. Application of keV-energy proton scattering for thin film analysis // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2019. — Vol. 438. — DOI: 10.1016/j.nimb.2018.10.043.

125. Bulgadaryan D. G., Sinelnikov D. N., Efimov N. E., Kurnaev V. A. Using the Scattering Spectroscopy of keV-Energy Protons to Analyze the Deposition of Lithium on Tungsten // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2020. — Vol. 84, no. 6. — P. 742-746. — DOI: 10.3103/S1062873820060064.

126. Piazza Z. A., Kolasinski R. D., Ajmalghan M., Hodille E. A., Ferro Y. Predictive Atomistic Model for Hydrogen Adsorption on Metal Surfaces: Comparison with Low-Energy Ion Beam Analysis on Tungsten // The Journal of Physical Chemistry C. — 2021. — Vol. 125, no. 29. — P. 1608616096. — DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c01068.

127. Bulgadaryan D., Sinelnikov D., Sorokin I., Kurnaev V., Efimov N. Built-In Surface Analyzer for Plasma Devices with Magnetic Field // Physics of Atomic Nuclei. — 2019. — Vol. 82, no. 10. — DOI: 10 . 1134/ S1063778819100089.

128. Twomey S. On the Numerical Solution of Fredholm Integral Equations of the First Kind by the Inversion of the Linear System Produced by Quadrature // Journal of the ACM. — 1963. — Vol. 10, no. 1. — P. 97-101. — DOI: 10.1145/321150.321157.

129. Пакет численного решения интегральных уравнений Фредгольма и Воль-терра «Inteq». — 2023. — URL: https://github.com/mwt/inteq (дата обр. 07.05.2024).

130. Cortenraad R., Denier Van Der Gon A. W., Brongersma H. H. Influence of analyser transmission and detection efficiency on the energy dependence of low-energy ion scattering signals // Surface and Interface Analysis. — 2000. — Vol. 29, no. 8. — P. 524-534. — DOI: 10. 1002/1096-9918(200008)29:8<524::AID-SIA897>3.0.C0;2-J.

131. Гриднева, Е. А. Молекулярный эффект при взаимодействии водородосо-держащих ионов кэвных энергий с веществом : Диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.08 / Гриднева, Е. А. — Москва, Россия : НИЯУ МИФИ, 2005. — 108 с.

132. Nagy D., Humphry-Baker S. A. An oxidation mechanism map for tungsten // Scripta Materialia. — 2022. — Vol. 209. — P. 114373. — DOI: 10.1016/ j.scriptamat.2021.114373.

133. Машкова Е. С., Молчанов В. А. Рассеяние ионов средних энергий поверхностями твердых тел. — М.: Атомиздат. — 1980. — 256 с.

134. Guillon O., Gonzalez-Julian J., Dargatz B., Kessel T., Schierning G., Räthel J., Herrmann M. Field-Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: Mechanisms, Materials, and Technology Developments // Advanced Engineering Materials. — 2014. — Vol. 16, no. 7. — P. 830-849. — DOI: 10.1002/adem.201300409.

135. Koslowski H., Bhattacharyya S., Hansen P., Linsmeier C., Rasinski M., Strom P. Temperature-dependent in-situ LEIS measurement of W surface enrichment by 250 eV D sputtering of EUROFER // Nuclear Materials and Energy. —2018. — Vol. 16. — P. 181-190. — DOI: 10.1016/j.nme. 2018.07.001.

136. Krat S., Prishvitsyn A., Fefelova E., Popova M., Sorokin I., Gasparyan Y., Pisarev A. Deuterium to protium isotope exchange in W-D co-deposited films below 200 0C // Journal of Nuclear Materials. — 2023. — Vol. 575. — P. 154228. — DOI: 10.1016/j.jnucmat.2022.154228.

137. Mamedov N. V., Sinelnikov D. N., Kurnaev V. A., Kolodko D. V., Sorokin I. A. LEIS analysis of the W surface during water vapor adsorption // Vacuum. — 2018. — Vol. 148. — P. 248-253. — DOI: 10.1016/j.vacuum. 2017.11.026.