Theoretical determination of the microstructure of Cs covering of Mo in negative ion sources for nuclear fusion applications

Cs è il catalizzatore più noto utilizzato nelle sorgenti di ioni negativi per la generazione di fasci di neutroni rapidi impiegati nella fusione nucleare, dove l'elemento viene evaporato e depositato su superfici Mo formando pellicole non permanenti. In questo articolo l'interazione di Cs con Mo in condizioni di interesse per fonti di ioni negativi viene studiata usando metodi diversi. Il potenziale Cs-Mo è stato caratterizzato a partire da calcoli elettronici di alto livello per due atomi. I potenziali Mo-Mo e Mo-C si basano su nuovi adattamenti dei dati della letteratura. I calcoli della teoria funzionale della densità su una cellula ridotta vengono utilizzati per determinare l'energia di adsorbimento di Cs su Mo per siti diversi. Si ottiene una buona riproduzione dei risultati sperimentali, se disponibili, (ad es. Dati sul cristallo di Mo, energia di dissociazione Cs2) e vengono riportati e tabulati nuovi risultati per l'energia di evaporazione di Cs dalle superfici Mo, energia di dissociazione CsMo, geometria adatom ecc. Un'espressione funzionale del potenziale di interazione Cs-Mo [0 0 1] è proposta sulla base di questi risultati ab-initio. L'uso di questo potenziale è illustrato dai calcoli MD classici per la morfologia degli strati parziali Cs su Mo [0 0 1]. I calcoli mostrano che l'interazione tra Cs e la superficie porta a una morfologia peculiare degli strati parziali di Cs, da prendere in considerazione in studi futuri del ruolo di Cs nelle fonti di ioni negativi e nella ricerca in corso di catalizzatori alternativi.

Cs is the most well known catalyst used in negative ion sources for fast neutral beam generation employed in nuclear fusion, where the element is evaporated and deposited on Mo surfaces forming non permanent films. In this paper the interaction of Cs with Mo under conditions of interest for negative ion sources is studied using different methods. Cs-Mo potential has been characterized starting from high level electronic calculations for two atoms. Mo-Mo and Mo-Cs potentials are based on new fits of the literature data. Density functional theory calculations on a reduced cell are used to determine the adsorption energy of Cs on Mo for different sites. Good reproduction of experimental results, when available, is achieved (e.g. Mo crystal data, Cs2 dissociation energy) and new results for the evaporation energy of Cs from Mo surfaces, CsMo dissociation energy, adatom geometry etc. are reported and tabulated. A functional expression of the Cs-Mo[0 0 1] interaction potential is proposed based on these ab-initio results. The use of this potential is illustrated by classical MD calculations for the morphology for Cs partial layers on Mo[0 0 1]. Calculations show that the interaction between Cs and the surface leads to peculiar morphology of Cs partial layers, to be considered in future studies of Cs role in negative ion sources as well as in the ongoing quest to alternative catalyzers.