面向等離子體材料鎢的氦離子輻照損傷研究.pdf

1、鎢(W)材料由于具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射率、低氫同位素滯留等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前景的一種面向等離子體材料。在核聚變反應(yīng)堆中，能量為14MeV的中子輻照以及低能（幾十eV至幾keV）、強(qiáng)流(1020-1024/m2s)氫(H)、氦(He)離子流的轟擊會(huì)導(dǎo)致鎢材料性能急劇下降。因此，研究鎢材料在聚變環(huán)境中的輻照損傷行為至關(guān)重要。本論文利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)搭建的輻照系統(tǒng)，通過(guò)射頻感性耦合等離子體源產(chǎn)生氦離子，對(duì)多晶鎢材料進(jìn)行了不同的離子能量

2、和輻照劑量的輻照實(shí)驗(yàn)，并借助于不同的表征分析手段，開(kāi)展多晶鎢材料的輻照損傷機(jī)理研究。論文結(jié)構(gòu)內(nèi)容安排如下:
　　在第一章，介紹了聚變的原理及聚變能與其它能源相比較所具備的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn);對(duì)比了不同種類(lèi)面向等離子體材料的優(yōu)勢(shì)和不足，包括鎢、鈹和碳纖維復(fù)合材料等;闡述了國(guó)內(nèi)外在面向等離子體材料鎢的輻照損傷領(lǐng)域相關(guān)工作的研究現(xiàn)狀。
　　在第二章，介紹了實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)搭建用于輻照研究的兩套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及被輻照樣品表征測(cè)量所需要的儀器設(shè)備，

3、同時(shí)介紹實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
　　在第三章，系統(tǒng)研究了離子能量、離子劑量、輻照溫度等參數(shù)對(duì)多晶鎢的輻照損傷作用。導(dǎo)電式原子力顯微鏡測(cè)試顯示低能He離子輻照能夠?qū)е骆u材料表層中產(chǎn)生納米級(jí)缺陷。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)缺陷的尺寸、密度和分布與He離子能量、輻照劑量和輻照溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。分析表明納米級(jí)缺陷的產(chǎn)生是由于低能He擴(kuò)散入鎢樣品中與鎢中的空位相結(jié)合，形成了He-空位復(fù)合體，這將成為周?chē)鶫e原子的捕獲中心，使得He原子遷移并產(chǎn)生聚集，

4、從而形成納米He泡缺陷。溫度的升高有利于He泡遷移，在一定的輻照溫度下，提高輻照劑量和離子能量可以使多晶鎢樣品表面產(chǎn)生有方向性排布的納米泡陣列。這種微觀結(jié)構(gòu)的改變是由于溫度和材料內(nèi)部應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下，使得He泡遷移形成的。
　　在第四章，研究了高能/低能He離子復(fù)合輻照對(duì)多晶鎢的損傷作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高能預(yù)輻照后的樣品再進(jìn)行低能離子輻照時(shí)，提高低能離子輻照劑量促進(jìn)樣品表面納米He泡的生成，但是He泡的排布不具有方向性。這是由于高能預(yù)注

5、入的He和輻照誘導(dǎo)空位生成的復(fù)合體會(huì)在低能He離子輻照時(shí)成為納米He泡的成核中心，從而影響了納米He泡的分布。低能離子的劑量能夠影響被輻照鎢樣品表面的微觀形貌，當(dāng)?shù)湍茈x子的劑量較小時(shí)，即從3×1022ions/m2到1×1024ions/m2時(shí)，樣品表面形貌觀察不到明顯改變，當(dāng)?shù)湍茈x子輻照劑量較高時(shí)，即3×1024ions/m2到1×1025ions/m2時(shí)，多晶鎢樣品表面產(chǎn)生納米級(jí)的突起，突起的尺寸隨劑量升高而增大。鎢樣品中納米He泡

6、的生成會(huì)影響材料的硬度，無(wú)論是高能、低能輻照都會(huì)導(dǎo)致鎢樣品的硬化。這種硬化作用受輻照劑量影響，提高輻照劑量可以促進(jìn)鎢材料的硬化。
　　在第五章，研究了鎢表面納米絲結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。低能大流強(qiáng)He離子輻照能夠?qū)е骆u樣品表面生成納米絲狀結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)的生成依賴于He離子的輻照劑量。通過(guò)掃描電鏡表征發(fā)現(xiàn)鎢樣品表面生成納米絲狀結(jié)構(gòu)的同時(shí)伴隨著納米溝道的出現(xiàn)，導(dǎo)電式原子力顯微鏡表征可以看到輻照導(dǎo)致的鎢樣品表面形成缺陷分布不對(duì)稱的條狀結(jié)構(gòu)，

7、說(shuō)明He會(huì)在特定的晶面方向上富集。通過(guò)密度泛函理論計(jì)算得知，He原子更易于在{101}面聚集成簇，從而形成He富集的條狀結(jié)構(gòu)。因此，我們認(rèn)為當(dāng)He原子進(jìn)入鎢材料后，會(huì)沿著鎢晶粒在近表面層擴(kuò)散。由于在鎢晶格中，{101}面上的原子排布比其他晶面上密集，層間距大于其他晶面。{101}晶面間He原子更容易發(fā)生聚集從而形成He的團(tuán)簇，導(dǎo)致在這一晶面方向上形成He富集的帶狀結(jié)構(gòu)。隨著He的聚集，He團(tuán)簇會(huì)生長(zhǎng)，將鎢原子從原來(lái)的晶格位推出。這樣He

8、的團(tuán)簇會(huì)導(dǎo)致鎢中晶格畸變逐漸加大，He在{101}面間聚集使面與面的結(jié)合力變?nèi)?，從而沿著這些面的濺射率增大，在鎢樣品表面沿著{101}面就逐漸形成了有高度起伏的波浪狀微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)沿著{101}面間He原子持續(xù)的合并，富集了He的條狀結(jié)構(gòu)就會(huì)越來(lái)越厚，He團(tuán)簇的內(nèi)壓也會(huì)增加，當(dāng)內(nèi)壓升高到一定程度會(huì)導(dǎo)致晶格的突變，產(chǎn)生鎢表面的腫脹及破裂，導(dǎo)致在{101}方向上產(chǎn)生納米絲狀結(jié)構(gòu)并伴隨著納米溝道的生成。
　　在第六章，考察了低能大流強(qiáng)氫

9、、氦離子對(duì)鎢絲的刻蝕作用。利用大功率射頻等離子體輻照系統(tǒng)產(chǎn)生的低能、大流強(qiáng)He、H離子分別對(duì)鎢絲進(jìn)行了輻照，對(duì)比了He、H離子對(duì)鎢絲的刻蝕作用，并對(duì)輻照后鎢絲的表面形貌和濺射率分別進(jìn)行了表征和計(jì)算。研究結(jié)果表明離子在對(duì)鎢絲進(jìn)行輻照的過(guò)程中，存在著兩種不同的作用。一種是離子注入材料中發(fā)生的擴(kuò)散作用，另一種是刻蝕作用。輻照是兩種作用相互競(jìng)爭(zhēng)、相互影響的復(fù)雜過(guò)程。當(dāng)輻照離子的能量較低時(shí)，擴(kuò)散作用占主導(dǎo)，刻蝕作用不明顯;隨著輻照離子能量升高，擴(kuò)