close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Энергетическая диаграмма водорода в металле

код для вставкиСкачать
Проводимость элементов вакуумной системы
Диафрагма:
U F
4
Круглый
трубопровод:
8RT
M
Воздух:
D3 T
U 38.1
l M
U м3 Па с 116 Fм 2 Воздух:
D3м U м3 Па с 121
l
м С.В. Полосаткин ТПЭ
Водород в металлах
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Поглощение водорода металлами
Адсорбция
Хемосорбция
Растворение
Образование гидридов
Энергетическая диаграмма водорода в металле
H
Металл
Вакуум
1
Cu
ED
½ H2
0
ES
ES
ED
Ta
-1
-0,5
0
Хемосорбция (H)
-1
Адсорбция (H2)
E, eV
2
0,5
x, nm
1
1,5
Энергетическая диаграмма водорода в металле
H
E, eV
2
Металл
Вакуум
1
Cu
ED
½ H2
0
ES
ES
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
x, nm
Поток молекул водорода на поверхность металла
1
H ñì 2ñ1 nvˆ 2
4
1,9 10
T
20
pÏà p
1
1,5
Поглощение на поверхности металлов
H
E, eV
2
Металл
Вакуум
1
½ H2
0
Cu
f1
ED
ES
EС
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
Поглощенный поток (хемосорбция)
f1 2H 2 s 1 2
sH
2 3
nm
sH – поверхностная плотность водорода в
хемосорбированном состоянии
Коэффициент прилипания (sticking)
2 EC s s0 exp kT Чистая поверхность EС=0, s=1
Загрязненная поверхность EС~0,1 эВ
Поглощение на поверхности металлов
H
E, eV
2
Металл
f2
Вакуум
1
Cu
ED
½ H2
0
f3
EС
ES
EA
EB
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
Поток водорода в вакуум
2EB EC 23
2
f 2 2 nm exp kT
Уход с поверхности в толщу металла
E A EB 23
f 3 nm exp kT
nm – концентрация атомов металла
~1013 c-1 частота колебаний атома
водорода
Диффузия в толщу металла
H
E, eV
2
f4
Вакуум
1
Металл
Cu
ED
½ H2
0
f5
ES
EA
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
Выход из толщи металла на
поверхность
E ES 1 3
f 4 1 nm nH exp A
kT
nm – концентрация атомов металла
~1013 c-1 частота колебаний атома
водорода
Диффузия внутрь металла
f5 D
nH
x
E D D0 exp D kT Равновесная концентрация
H
E, eV
2
f3
f2
1
Вакуум
½ H2
0
Металл
f5
f4
Cu
f1
ED
EС
ES
EA
EB
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
x, nm
f5 0
f1 f 2
f3 f 4
H 2 s0 exp 2 EC kT 23
1 nm exp 2EB EC kT nH 1
E B ES n
exp
m
kT
0,5
nH H 2 s0
E 23
nm exp S kT Равновесная концентрация
H
E, eV
2
f3
f2
1
Вакуум
f4
Cu
f1
½ H2
0
Металл
f5
ED
EС
ES
EA
EB
ED
Ta
-1
-1
-0,5
0
0,5
1
x, nm
nH K s 0 p
12
ES exp kT - Закон Сивертса
1,5
Энергия растворимости
ES>0 эндотермическое растворение (большинство металлов, Cu, Al, нерж.сталь)
ES<0 экзотермическое растворение (переходные металлы, Pd, Ta, V, Nb, Zr)
nH K s 0 p
12
Энергия активации
диффузии
ED, эВ
Энергия
растворения,
ES, эВ
V
0.045
-0.34
Ta
0.14
-0.35
Pd
0.23
-0.11
W
0.39
1.03
Cu
0.4
0.37
E exp S - Закон Сивертса
kT Поглощение молекулярного и атомарного водорода
Молекулярный водород
Атомарный водород
0
nH nH H 2 s0
H s0
E 23
nm exp S kT E EC 23
nm exp S
kT Чистая поверхность – идентичное поведение для молекулярного и
атомарного потока
Загрязненная поверхность (1 монослой) – отличие 10-105 раз,
температурная зависимость
Диффузия водорода в металле
n ( x, t ) 2
x exp 4
Dt
D
t
Характерное время диффузии через 100 мкм мембрану для разных материалов при
T=400 К
W
Ti
Ni
Be
V
Ta
Nb
6000 c
57000 c
2200 c
9000 c
1.2 c
14 c
6.5 c
Существуют вещества с очень большой скоростью диффузии
Диффузионные натекатели
Избирательная проницаемость материалов для различных
газов
Водород – палладий, палладий-серебро
Напуск чистого водорода
Сверхпроницаемость
Если скорость диффузии в мембране велика, поток водорода будет
определяться рекомбинацией на поверхности
nH P1
P2
s2
s1
H 2 s0
E 23
nm exp S kT 1
H ñì 2ñ1 nvˆ 2
4
Управляя свойствами поверхности,
можно добиться одностороннего
пропускания водорода
1,9 10
T
P1
20
pÏà p
P2
Диффузия в присутствии радиационных дефектов
Радиационные повреждения создают ловушки для атомов водорода с
энергиями 1-3 эВ
Диффузия при низкой концентрации (ловушки не заполнены) определяется
энергией ловушек, при высокой – энергией диффузии
Образование гидридов
При больших концентрациях водорода могут образовываться
упорядоченные структуры (гидриды)
a-фаза – неупорядоченный твердый раствор водорода в металле
b,g-фазы – упорядоченные растворы
Диаграмма накопления водорода в металле
Terminal solid solubility (TSS) –
предельное содержание в виде твердого раствора
Если концентрация превышает TSS, часть водорода образует гидрид
(упорядоченную структуру)
Накопление водорода в титане
Òå ì ï å ð à òóð à , î Ñ
800
600
a
b
ab
b
400
200
a
0
0
10
20
30
40
50
Î òí . ñî ä å ð æà í è å âî ä î ð î ä à , % à ò.
60
a– фаза – эндотермчески растворяет водород, предельная
концентрация 0,002% вес
При нагреве (800 градусов) переходит в b – фазу
Экзотермически растворяет водород, стабилизируется
водородом
Предельная концентрация 0,2% вес
Накопление водорода в титане
Òå ì ï å ð à òóð à , î Ñ
800
600
a
b
ab
b
400
200
a
0
0
10
20
30
40
50
Î òí . ñî ä å ð æà í è å âî ä î ð î ä à , % à ò.
Стадии насыщения титана:
Нагрев до 800 градусов
Охлаждение в атмосфере водорода
60
Накопление водорода в титане
Равновесное давление разложения гидрида
Pressure, Pa
10
10
10
10
10
4
2
0
-2
-4
-6
10
100
Формула Вант Хоффа
P Па 2 , 2 10
14
200
1 . 6 эВ exp kT 300
400
Temperature, oC
500
600
Селективный реверсируемый натекатель водорода
Генератор водорода – пористый титан
www.pulsetech.ru
Нераспыляемые геттеры
Материалы с пористой структурой и высокой скоростью диффузии
газов
Пористый титан, TiV, ZrAl, Tактивации 350 - 650°С
Импульсный напуск водорода
e, 30 кэВ
e, 1МэВ
Быстрый нагрев фольги для получения локального
облака водорода
Импульсный напуск водорода
Титановый анод
Импульсный напуск водорода
Добавить –
Накопители водорода для транспорта и проч
Водородный тепловой насос
Термодинамика водорода
С.В. Полосаткин ТПЭ
Системы создания плазмы
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Системы создания плазмы
Современные плазменные установки требуют создания
начальной (мишенной) плазмы
Поверхностная ионизация – Q машина
Ионизация излучением (фотоионизация)
Ионизация газа током разряда (электронным ударом)
Q - машина
Термическая ионизация
2
Формула Саха:
Цезий – 3,89 эВ
ni
~
na
T=2500 K
Cs+
Cs0
1
dB
3
e
I KT
Ионизация излучением
Однофотонная ионизация h > I ~ 13 эВ – вакуумный
ультрафиолет ( ~100 нм)
Многофотонная ионизация – пробой в поле излучения
Требуется источник излучения с большой плотностью
энергии (лазер)
Ионизация электронным ударом
Сечение ионизации (формула Томсона)
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
Таунсендовская теория пробоя
Количество свободных носителей мало
(электрическое поле не искажается
пространственным зарядом)
Образование вторичных электронов:
- ионизация газа электронным ударом
- эмиссия с катода из-за бомбардировки ионами
Таунсенд нашел явный вид
катод
E F n0
n0 a
z
предположив, что электрон ионизирует атом, если в процессе его ускорения в
электрическом поле он достигает энергии, превышающей потенциал ионизации:
e E z > I.
Если длина свободного пробега электрона – ., то вероятность того, что он пройдет без столкновений
расстояние z, равна W(z) = exp(-z/ ). На пути один сантиметр среднее число столкновений, очевидно,
равно 1/ , а число пробегов длиной, большей или равной z, будет определяться выражением
P(z) = (1/) · exp(-z/ ).
I I
a P z )
An 0 exp( eE eE
Б.А.Князев.“Низкотемпературная плазма и газовый разряд” Новосибтрск 2003
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
Длина свободного пробега обратно пропорциональна плотности газа
V
n0 s V
A
n0
Тогда первый коэффициент Таунсенда
a
n0
A exp( B
( E / n0 )
)
Распределение по длине
Vd
dn e
dz
n 0 n e s iV n i n e s rV
- уравнение непрерывности
рекомбинацией
пренебрегаем
z
z0
ne ( z ) ne
exp
0
n 0 s iV
Vd
z
z0
dz n e
exp
a dz
0
Плотность электронов экспоненциально возрастает при их движении к анодуЭЛЕКТРОННАЯ ЛАВИНА
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
В другом виде:
a - первый коэффициент Таунсенда количество актов ионизации
на единицу длины пробега
Условие зажигания разряда:
число электронов, число ионов, созданных
éùéù
выбиваемых из ³испущенным с катода
êúêú
êúêú
катода ионом
электроном
ëûëû
éù L
g - второй коэффициент Таунсенда - γ ³êúexp a x dx
коэффициент вторичной эмиссии
êú
ëû 0
agL ³ln 1 1 1
1
1
Электрический разряд в газах
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Кривая Пашена
Напряжение пробоя
U E L
Uf
BpL
U
ApL
ln
ln 1 1 g Lopt ~ 1
ns
длина свободного
пробега
А.В.Бурдаков.Физика плазмы.
Электрический разряд в газах
Напряжение на промежутке
Темный разряд
Тлеющий разряд
дуга
Vf
Нормальный тлеющий разряд
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
Разрядный ток в амперах
1
100
Дуга
Разогрев поверхности катода за счет ионной бомбардировки
Термоэлектронная эмиссия
Образование катодных пятен
Свойства дуги как разряда в газе
Катод
Анод
Uk
Ud
Ua
ld
Ud=α+β×l
• Малое приэлектродное
падение потенциала α (1040 В)
• Высокая плотность тока
(102-103 А/см2 )
• Термическая ионизация
газа в межэлектродном
промежутке (Т =4000-6000
К)
• Термоэлектронная
эмиссия на катоде
Плазменные пушки (АМБАЛ)
Начальная плазма АМБАЛ 1013 см-3, 20 см, 1.5 Тл
Кольцевая плазменная пушка
плотность 1013 – 1015 см-3
Температура 2 – 20 эВ
Радиальное электрическое поле приводит к турбулентному
нагреву плазмы (неустойчивость Кельвина - Гельмгольца)
Тe до 50 эВ
Плазменные пушки (ГДЛ)
Начальная плазма АМБАЛ 4*1013 см-3, 11 см, 0,22 Тл, пробки 15 Тл
Плазменная пушка в неоднородном магнитном поле
плотность 1013 – 1014 см-3
Температура 2 – 20 эВ
Система создания начальной плазмы
(ГОЛ-3)
Пучок
ЗАДАЧИ
Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой
металлической вакуумной камере
Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка
Конструкция источника плазмы
ЗАДАЧИ
Создание начальной ионизации и организация встречного тока в 12-метровой
металлической вакуумной камере
Уменьшение энергетической нагрузки на электроды и приемник пучка
вы сок овол ьтны е
эл ект роды
вакуум ная к ам е ра
вы ходной
к олл ектор
к ат уш ки м аг. п оля
плазма
п ояс Роговского
д о п ол н и тел ьн ы й п од ж и г
0.5 м
к систем е
отк ачк и
•Перенос приемника пучка в область расширителя с пониженным магнитным полем
•Использование электродов, расположенных вне области прохождения пучка
Схема питания источника плазмы
30 кВ
4 8 м кФ
1
2
5 кА
J(z)
Jtest
Jout
3
•-Электроды 2,3 используются для инициирования пробоя в широком диапазоне
плотности
•-Приемник пучка во время инжекции находится под плавающим потенциалом
•-Принудительная компенсация тока пучка обратным током по плазме
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
109
Размер файла
1 715 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа