Высоковольтный стенд и методика для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов

Развитие атомной промышленности, активное освоение космоса и изучение термоядерного синтеза требуют разработки конструкционных материалов (прежде всего металлов и сплавов) с высокой радиационной стойкостью. При работе ядерного реактора образуется поток нейтронов, который создает радиационные дефекты в конструкционных элементах реактора и снижает их механическую стойкость. При разработке новых материалов с высокой радиационной стойкостью необходим большой объем экспериментальных исследований. Облучение образцов в ядерном реакторе требует много времени для набора необходимого флюенса нейтронов и послереакторной выдержки материалов для спада радиационной активности. Одним из важнейших изменений свойств металлов, вызванных нейтронным облучением, является распухание (swelling). Распухание, деформация и разрушение корпуса тепловыделяющих элементов в ядерном реакторе является одним из основных факторов, ограничивающих степень выгорания ядерного топлива. При облучении нейтронами в ядерном реакторе требуется около года, чтобы достичь режима заметного распухания [1].
Процесс наработки радиационных дефектов протекает значительно быстрее при облучении заряженными частицами и поэтому в последние годы активно разрабатываются методы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов с помощью электронных или ионных пучков [2]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе. При облучении железной мишени нейтронами с энергией 1-5 МэВ около 80% первично выбитых атомов (ПВА) имеют энергию 30-60 кэВ [3]. Образование радиационных дефектов ионами в металлах происходит при малоугловом рассеянии и более 90% ПВА имеют энергию менее 1 кэВ. Различие в спектре ПВА приводит к различию в микроструктуре радиационных дефектов в облучаемом образце [4].
Отличие процессов, протекающих при имитационном и реакторном облучениях, не позволяет делать точные прогнозы радиационной стойкости конструкционных материалов. Поэтому разработка имитационных методов исследования радиационной стойкости материалов, более полно соответствующих прямому облучению в ядерном реакторе, является актуальной задачей.
5
ВВЕДЕНИЕ
Степень разработанности темы исследований.
Основы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов пучками заряженных частиц изложены в трудах Б.А. Калина [5], Г. Вас [2], Р. Смит [3], С. Цинкле [4]. В последние годы активно развиваются методы компьютерного моделирования образования, миграции и аннигиляции радиационных дефектов в металлах. Дж. Циглер разработал компьютерную программу SRIM, которую широко используют для моделирования торможения ионов с энергией до 1 ГэВ в аморфных материалах [6]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе по энергетическому спектру первично выбитых атомов в мишени и эффективности формирования радиационных дефектов [1]. Перспективно использование для генерации радиационных дефектов в металлах атомов, которые формируют в образцах первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе. Перезарядка быстрых ионов является основным методом генерации атомов, в том числе импульсных пучков атомов.
Процесс перезарядки ионов был открыт Хендерсоном в ходе экспериментов, в которых  – частицы (5,6 МэВ, -распад радона) пропускали через фольги из слюды или золота [7]. Первые работы по изменению зарядового состояния иона при транспортировке в газе были проведены Н. Бором [8]. В работах И.Ю. Толстихиной и В.П. Шевелько [9, 10] выполнен обзор работ по изменению зарядового состояния ионов при поглощении в газах. Существенный вклад в изучение перезарядки ионов в вакуумном ионном диоде с пассивным анодом внесли Т.Д. Пойнтон [11] и М.П. Десярлаис [12]. В работе Т.Д. Пойнтона [11] наличие атомов объясняется перезарядкой ионов в анод-катодном зазоре вакуумного диода. Однако энергия образовавшихся атомов не превышает 10 кэВ. Это объясняется тем, что перезарядка иона происходит в прианодной области, где энергия иона мала. Степень перезарядки ионного пучка ниже 30%. При энергии атомов менее 20 кэВ в образцах формируются ПВА, энергетический спектр которых существенно отличается от спектра ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Объектом исследования являются генерация, аннигиляция и миграция радиационных дефектов, образующихся при облучении атомами, полученных путем перезарядки ускоренных ионов.
Предметом исследования являются стенд для имитации нейтронного облучения атомами и калориметрическая диагностика радиационных дефектов.
6

Целью диссертационной работы является разработка стенда для исследования радиационной стойкости конструкционных материалов (металлов и сплавов), сочетающего формирование радиационных дефектов импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение их основных параметров непосредственно после радиационного облучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Генерация импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с параметрами, необходимыми для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов. Энергетический спектр первично выбитых атомов в образце должен быть близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
2. Измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ.
3. Моделирование процесса формирования радиационных дефектов в металлах и сплавах при облучении атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с помощью компьютерных программ SRIM (аппроксимация бинарными столкновениями) и LAMMPS (метод молекулярной динамики).
Научная новизна.
Разработан новый метод генерации импульсного ионного пучка вакуумным диодом с пассивным анодом при ускоряющем напряжении 200-300 кВ и сдвоенной разнополярной форме импульса. Состав ионного пучка зависит от сорта газа в диодной камере, кратность ионизации – от режима работы диода. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде.
Впервые показано, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Установлено, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, увеличивает долю энергии атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов в полной энергии пучка с 15-30% до 90%.
Впервые показано, что при генерации радиационных дефектов атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов с энергией 200-600 кэВ, в металлических образцах формируются
7

8
первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Разработана оригинальная калориметрическая диагностика радиационных дефектов, которая позволяет измерить концентрацию, пороговую энергию миграции и динамику их аннигиляции в реальном масштабе времени с высоким временным разрешением (0.01-0.1 с) непосредственно после формирования радиационных дефектов.
Обнаружен новый эффект перегрева металлической мишени при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, который обусловлен вкладом радиационных дефектов. Показано, что эффект перегрева мишени расширяет диапазон измерения плотности энергии пучка с помощью тепловизионной диагностики с 3 Дж/см2 до 15 Дж/см2.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Основным результатом диссертационной работы является новый метод исследования радиационной стойкости конструкционных материалов, включающий имитационное облучение импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, , генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов; стенд для реализации этой диагностики, предоставление научно-исследовательским организациям нового эффективного метода и средства разработки технологий мирового уровня в области исследования устойчивости конструкционных материалов к интенсивному радиационному облучению.
Практическая значимость работы заключается также в том, что ее результаты использованы при разработке технологического генератора импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с большим ресурсом работы, и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии пучка в серии импульсов.
Методология и методы исследования.
Методология исследования основана на комплексном подходе, включающем компьютерное моделирование процессов (генерация ионного пучка, перезарядка ионов, формирование ПВА и радиационных дефектов и др.); экспериментальное исследование этих процессов; сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования для уточнения закономерностей; оптимизацию алгоритма моделирования.
Для генерации импульсного ионного пучка использовали метод прямого ускорения ионов в анод-катодном зазоре полоскового вакуумного диода с магнитной самоизоляцией при работе

генератора в двухимпульсном режиме. Анодная плазма формировалась при взрывной эмиссии электронов в течение первого импульса. Для формирования импульсного пучка атомов использовали перезарядку ионов на атомах десорбированного газа в области транспортировки ионов от диода до мишени.
При выполнении исследований использовали современные методы диагностики параметров пучка атомов. Полную энергию импульсного пучка и распределение плотности энергии по сечению измеряли с помощью тепловизора, по термограммам мишени до и после облучения пучком (в режиме видео). Для анализа состава ионного пучка использовали времяпролетную диагностику, которая основана на пространственном разделении разных ионов по пути движения от диода до регистрирующего устройства – коллимированного цилиндра Фарадея.
Для моделирования формирования радиационных дефектов использовали пакет программ SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter), предназначенный для моделирования физических процессов возникновения каскадов радиационных дефектов при облучении твердотельных мишеней заряженными частицами. Моделирование формирования радиационных дефектов выполняли также с помощью программного обеспечения LAMMPS.
Расчет энергетического спектра ПВА в мишени при облучении ионами, нейтронами и атомами выполнен методом бинарных столкновений с описанием межатомного взаимодействия атома с атомарным газом с помощью потенциала Леннарда-Джонса.
Положения, выносимые на защиту.
1. Вакуумный диод с пассивным анодом из нержавеющей стали при работе в двухимпульсном режиме (первый импульс отрицательной полярности амплитудой 150-250 кВ и длительностью 400-500 нс; второй импульс положительной полярности амплитудой 250-300 кВ и длительностью 100-120 нс), при магнитной самоизоляции электронов и формировании анодной плазмы при взрывной эмиссии электронов обеспечивает генерацию ионов N+ или N2+, N3+, C+, C2+ с содержанием примесных ионов не более 15%.
2. Использование металлической сетки в области транспортировки ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Количество энергии, переносимой атомами, увеличивается с 15-30% до 90% от полной энергии комбинированного пучка (ионы+атомы). Атомы формируются при зарядовом обмене между ионами и десорбированными молекулами в газовой оболочке, прилегающей к сетке.
3. Измерение радиационных дефектов, основанное на анализе охлаждения мишени после облучения импульсным пучком ионов или атомов, позволяет раздельно определить
9

концентрацию быстрых и медленных радиационных дефектов в диапазоне более 1019 см-3, а также пороговую энергию их аннигиляции с погрешностью не больше 0.05 эВ.
Достоверность и обоснованность результатов.
Для обеспечения достоверности и обоснованности результатов по измерению параметров пучков заряженных частиц с высокой плотностью энергии применялись современные методики и оборудование.
Результаты и выводы, по итогам проведенных исследований, были получены на основе комплексных исследований, включающих:
– вольтамперные характеристики диода,
– плотность ионного тока,
– состав и энергетический спектр мощного ионного пучка (МИП1),
– тепловизионную диагностику полной энергии МИП,
– распределения плотности энергии МИП по сечению.
Результаты работы подтверждаются литературными данными по механизмам генерации
ионных пучков, перезарядки ионов и формировании радиационных дефектов. Полученные результаты не противоречат существующим представлениям о механизмах генерации ионных пучков, перезарядки ионов, формирования радиационных дефектов.
Апробация.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных международных конференциях:
1. 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2018).
2. Международная научно-техническая молодежная конференция «Перспективные
материалы конструкционного и медицинского назначения» Томск: 2018.
3. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых
ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 23 – 26 апреля 2019 г.
4. II Международный научный форум «Ядерная наука и технологии». Алматы: РГП
ИЯФ, 2019.
5. 24th International Conference on Ion-Surface Interactions. Moscow, Russia, 2019.
1 В дальнейшем термином МИП будем обозначать комбинированный пучок, содержащий ионы и атомы, полученные при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ.
10

6. 7. 8. 9.
21st International conference on surface modification of materials by ion beams. Tomsk, Russia, 2019.
14th International Conference “Gas Discharge Plasmas and Their Applications” GDP-2019: Tomsk: 2019.
XI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» 6-9 ноября 2019 года, г. Казань.
II Международный молодежный конгресс «Современные материалы и технологии новых поколений». Томск, 2019.
10. XVI Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа. Москва, 2019.
11. Международная научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт
подготовки кадров», г. Томск 2020г.
12. VI Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов
«Изотопы: технологии, материалы и применение», ТПУ, г. 2020.
13. 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Tomsk, 2020
14.15th International Conference “Gas Discharge Plasmas and Their Applications”
Ekaterinburg, Russia, 2021.Развитие атомной промышленности, активное освоение космоса и изучение термоядерного синтеза требуют разработки конструкционных материалов (прежде всего металлов и сплавов) с высокой радиационной стойкостью. При работе ядерного реактора образуется поток нейтронов, который создает радиационные дефекты в конструкционных элементах реактора и снижает их механическую стойкость. При разработке новых материалов с высокой радиационной стойкостью необходим большой объем экспериментальных исследований. Облучение образцов в ядерном реакторе требует много времени для набора необходимого флюенса нейтронов и послереакторной выдержки материалов для спада радиационной активности. Одним из важнейших изменений свойств металлов, вызванных нейтронным облучением, является распухание (swelling). Распухание, деформация и разрушение корпуса тепловыделяющих элементов в ядерном реакторе является одним из основных факторов, ограничивающих степень выгорания ядерного топлива. При облучении нейтронами в ядерном реакторе требуется около года, чтобы достичь режима заметного распухания [1].
Процесс наработки радиационных дефектов протекает значительно быстрее при облучении заряженными частицами и поэтому в последние годы активно разрабатываются методы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов с помощью электронных или ионных пучков [2]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе. При облучении железной мишени нейтронами с энергией 1-5 МэВ около 80% первично выбитых атомов (ПВА) имеют энергию 30-60 кэВ [3]. Образование радиационных дефектов ионами в металлах происходит при малоугловом рассеянии и более 90% ПВА имеют энергию менее 1 кэВ. Различие в спектре ПВА приводит к различию в микроструктуре радиационных дефектов в облучаемом образце [4].
Отличие процессов, протекающих при имитационном и реакторном облучениях, не позволяет делать точные прогнозы радиационной стойкости конструкционных материалов. Поэтому разработка имитационных методов исследования радиационной стойкости материалов, более полно соответствующих прямому облучению в ядерном реакторе, является актуальной задачей.
5
ВВЕДЕНИЕ
Степень разработанности темы исследований.
Основы имитационного радиационного облучения конструкционных материалов пучками заряженных частиц изложены в трудах Б.А. Калина [5], Г. Вас [2], Р. Смит [3], С. Цинкле [4]. В последние годы активно развиваются методы компьютерного моделирования образования, миграции и аннигиляции радиационных дефектов в металлах. Дж. Циглер разработал компьютерную программу SRIM, которую широко используют для моделирования торможения ионов с энергией до 1 ГэВ в аморфных материалах [6]. Однако имитационное облучение пучками заряженных частиц существенно отличается от нейтронного облучения в ядерном реакторе по энергетическому спектру первично выбитых атомов в мишени и эффективности формирования радиационных дефектов [1]. Перспективно использование для генерации радиационных дефектов в металлах атомов, которые формируют в образцах первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе. Перезарядка быстрых ионов является основным методом генерации атомов, в том числе импульсных пучков атомов.
Процесс перезарядки ионов был открыт Хендерсоном в ходе экспериментов, в которых  – частицы (5,6 МэВ, -распад радона) пропускали через фольги из слюды или золота [7]. Первые работы по изменению зарядового состояния иона при транспортировке в газе были проведены Н. Бором [8]. В работах И.Ю. Толстихиной и В.П. Шевелько [9, 10] выполнен обзор работ по изменению зарядового состояния ионов при поглощении в газах. Существенный вклад в изучение перезарядки ионов в вакуумном ионном диоде с пассивным анодом внесли Т.Д. Пойнтон [11] и М.П. Десярлаис [12]. В работе Т.Д. Пойнтона [11] наличие атомов объясняется перезарядкой ионов в анод-катодном зазоре вакуумного диода. Однако энергия образовавшихся атомов не превышает 10 кэВ. Это объясняется тем, что перезарядка иона происходит в прианодной области, где энергия иона мала. Степень перезарядки ионного пучка ниже 30%. При энергии атомов менее 20 кэВ в образцах формируются ПВА, энергетический спектр которых существенно отличается от спектра ПВА при облучении нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Объектом исследования являются генерация, аннигиляция и миграция радиационных дефектов, образующихся при облучении атомами, полученных путем перезарядки ускоренных ионов.
Предметом исследования являются стенд для имитации нейтронного облучения атомами и калориметрическая диагностика радиационных дефектов.
6

Целью диссертационной работы является разработка стенда для исследования радиационной стойкости конструкционных материалов (металлов и сплавов), сочетающего формирование радиационных дефектов импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение их основных параметров непосредственно после радиационного облучения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Генерация импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с параметрами, необходимыми для имитационного радиационного облучения конструкционных материалов. Энергетический спектр первично выбитых атомов в образце должен быть близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
2. Измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов, формируемых в металлах и сплавах при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ.
3. Моделирование процесса формирования радиационных дефектов в металлах и сплавах при облучении атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с помощью компьютерных программ SRIM (аппроксимация бинарными столкновениями) и LAMMPS (метод молекулярной динамики).
Научная новизна.
Разработан новый метод генерации импульсного ионного пучка вакуумным диодом с пассивным анодом при ускоряющем напряжении 200-300 кВ и сдвоенной разнополярной форме импульса. Состав ионного пучка зависит от сорта газа в диодной камере, кратность ионизации – от режима работы диода. Разработана феноменологическая модель процесса генерации пучка, включающая анализ различных физических и плазмохимических процессов в диоде.
Впервые показано, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Установлено, что использование металлической сетки в области дрейфа ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, увеличивает долю энергии атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов в полной энергии пучка с 15-30% до 90%.
Впервые показано, что при генерации радиационных дефектов атомами, полученными при перезарядке ускоренных ионов с энергией 200-600 кэВ, в металлических образцах формируются
7

8
первично выбитые атомы, энергетический спектр которых близок к спектру ПВА при облучении образца нейтронами, которые формируются в реакции деления 235U в ядерном реакторе.
Разработана оригинальная калориметрическая диагностика радиационных дефектов, которая позволяет измерить концентрацию, пороговую энергию миграции и динамику их аннигиляции в реальном масштабе времени с высоким временным разрешением (0.01-0.1 с) непосредственно после формирования радиационных дефектов.
Обнаружен новый эффект перегрева металлической мишени при облучении импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, который обусловлен вкладом радиационных дефектов. Показано, что эффект перегрева мишени расширяет диапазон измерения плотности энергии пучка с помощью тепловизионной диагностики с 3 Дж/см2 до 15 Дж/см2.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Основным результатом диссертационной работы является новый метод исследования радиационной стойкости конструкционных материалов, включающий имитационное облучение импульсным пучком атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, , генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, и измерение концентрации, пороговой энергии миграции и динамики аннигиляции радиационных дефектов; стенд для реализации этой диагностики, предоставление научно-исследовательским организациям нового эффективного метода и средства разработки технологий мирового уровня в области исследования устойчивости конструкционных материалов к интенсивному радиационному облучению.
Практическая значимость работы заключается также в том, что ее результаты использованы при разработке технологического генератора импульсного пучка атомов, полученных при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ, с большим ресурсом работы, и высокой стабильностью полной энергии и плотности энергии пучка в серии импульсов.
Методология и методы исследования.
Методология исследования основана на комплексном подходе, включающем компьютерное моделирование процессов (генерация ионного пучка, перезарядка ионов, формирование ПВА и радиационных дефектов и др.); экспериментальное исследование этих процессов; сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования для уточнения закономерностей; оптимизацию алгоритма моделирования.
Для генерации импульсного ионного пучка использовали метод прямого ускорения ионов в анод-катодном зазоре полоскового вакуумного диода с магнитной самоизоляцией при работе

генератора в двухимпульсном режиме. Анодная плазма формировалась при взрывной эмиссии электронов в течение первого импульса. Для формирования импульсного пучка атомов использовали перезарядку ионов на атомах десорбированного газа в области транспортировки ионов от диода до мишени.
При выполнении исследований использовали современные методы диагностики параметров пучка атомов. Полную энергию импульсного пучка и распределение плотности энергии по сечению измеряли с помощью тепловизора, по термограммам мишени до и после облучения пучком (в режиме видео). Для анализа состава ионного пучка использовали времяпролетную диагностику, которая основана на пространственном разделении разных ионов по пути движения от диода до регистрирующего устройства – коллимированного цилиндра Фарадея.
Для моделирования формирования радиационных дефектов использовали пакет программ SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter), предназначенный для моделирования физических процессов возникновения каскадов радиационных дефектов при облучении твердотельных мишеней заряженными частицами. Моделирование формирования радиационных дефектов выполняли также с помощью программного обеспечения LAMMPS.
Расчет энергетического спектра ПВА в мишени при облучении ионами, нейтронами и атомами выполнен методом бинарных столкновений с описанием межатомного взаимодействия атома с атомарным газом с помощью потенциала Леннарда-Джонса.
Положения, выносимые на защиту.
1. Вакуумный диод с пассивным анодом из нержавеющей стали при работе в двухимпульсном режиме (первый импульс отрицательной полярности амплитудой 150-250 кВ и длительностью 400-500 нс; второй импульс положительной полярности амплитудой 250-300 кВ и длительностью 100-120 нс), при магнитной самоизоляции электронов и формировании анодной плазмы при взрывной эмиссии электронов обеспечивает генерацию ионов N+ или N2+, N3+, C+, C2+ с содержанием примесных ионов не более 15%.
2. Использование металлической сетки в области транспортировки ионов обеспечивает их эффективную перезарядку и дополнительную фокусировку. Количество энергии, переносимой атомами, увеличивается с 15-30% до 90% от полной энергии комбинированного пучка (ионы+атомы). Атомы формируются при зарядовом обмене между ионами и десорбированными молекулами в газовой оболочке, прилегающей к сетке.
3. Измерение радиационных дефектов, основанное на анализе охлаждения мишени после облучения импульсным пучком ионов или атомов, позволяет раздельно определить
9

концентрацию быстрых и медленных радиационных дефектов в диапазоне более 1019 см-3, а также пороговую энергию их аннигиляции с погрешностью не больше 0.05 эВ.
Достоверность и обоснованность результатов.
Для обеспечения достоверности и обоснованности результатов по измерению параметров пучков заряженных частиц с высокой плотностью энергии применялись современные методики и оборудование.
Результаты и выводы, по итогам проведенных исследований, были получены на основе комплексных исследований, включающих:
– вольтамперные характеристики диода,
– плотность ионного тока,
– состав и энергетический спектр мощного ионного пучка (МИП1),
– тепловизионную диагностику полной энергии МИП,
– распределения плотности энергии МИП по сечению.
Результаты работы подтверждаются литературными данными по механизмам генерации
ионных пучков, перезарядки ионов и формировании радиационных дефектов. Полученные результаты не противоречат существующим представлениям о механизмах генерации ионных пучков, перезарядки ионов, формирования радиационных дефектов.
Апробация.
Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на профильных международных конференциях:
1. 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2018).
2. Международная научно-техническая молодежная конференция «Перспективные
материалы конструкционного и медицинского назначения» Томск: 2018.
3. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых
ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 23 – 26 апреля 2019 г.
4. II Международный научный форум «Ядерная наука и технологии». Алматы: РГП
ИЯФ, 2019.
5. 24th International Conference on Ion-Surface Interactions. Moscow, Russia, 2019.
1 В дальнейшем термином МИП будем обозначать комбинированный пучок, содержащий ионы и атомы, полученные при перезарядке ускоренных ионов, генерируемых при ускоряющем напряжении 200-300 кВ.
10

6. 7. 8. 9.
21st International conference on surface modification of materials by ion beams. Tomsk, Russia, 2019.
14th International Conference “Gas Discharge Plasmas and Their Applications” GDP-2019: Tomsk: 2019.
XI Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» 6-9 ноября 2019 года, г. Казань.
II Международный молодежный конгресс «Современные материалы и технологии новых поколений». Томск, 2019.
10. XVI Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа. Москва, 2019.
11. Международная научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт
подготовки кадров», г. Томск 2020г.
12. VI Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов
«Изотопы: технологии, материалы и применение», ТПУ, г. 2020.
13. 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Tomsk, 2020
14.15th International Conference “Gas Discharge Plasmas and Their Applications”
Ekaterinburg, Russia, 2021.