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、高熱導率、低濺射率、低氫同位素滯留等優(yōu)點，被認為是最有前景的一種面向等離子體材料。在核聚變反應堆中，能量為14MeV的中子輻照以及低能（幾十eV至幾keV）、強流(1020-1024/m2s)氫(H)、氦(He)離子流的轟擊會導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重要。本論文利用實驗室自行設計搭建的輻照系統(tǒng)，通過射頻感性耦合等離子體源產(chǎn)生氦離子，對多晶鎢材料進行了不同的離子能量

2、和輻照劑量的輻照實驗，并借助于不同的表征分析手段，開展多晶鎢材料的輻照損傷機理研究。論文結構內(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)勢和特點;對比了不同種類面向等離子體材料的優(yōu)勢和不足，包括鎢、鈹和碳纖維復合材料等;闡述了國內(nèi)外在面向等離子體材料鎢的輻照損傷領域相關工作的研究現(xiàn)狀。
　　在第二章，介紹了實驗室自行設計搭建用于輻照研究的兩套實驗平臺以及被輻照樣品表征測量所需要的儀器設備，

3、同時介紹實驗方案和實驗參數(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)對多晶鎢的輻照損傷作用。導電式原子力顯微鏡測試顯示低能He離子輻照能夠?qū)е骆u材料表層中產(chǎn)生納米級缺陷。進一步研究發(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的依賴關系。分析表明納米級缺陷的產(chǎn)生是由于低能He擴散入鎢樣品中與鎢中的空位相結合，形成了He-空位復合體，這將成為周圍He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。這種微觀結構的改變是由于溫度和材料內(nèi)部應力的驅(qū)動下，使得He泡遷移形成的。
　　在第四章，研究了高能/低能He離子復合輻照對多晶鎢的損傷作用。實驗結果表明高能預輻照后的樣品再進行低能離子輻照時，提高低能離子輻照劑量促進樣品表面納米He泡的生成，但是He泡的排布不具有方向性。這是由于高能預注

5、入的He和輻照誘導空位生成的復合體會在低能He離子輻照時成為納米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?shù)湍茈x子的劑量較小時，即從3×1022ions/m2到1×1024ions/m2時，樣品表面形貌觀察不到明顯改變，當?shù)湍茈x子輻照劑量較高時，即3×1024ions/m2到1×1025ions/m2時，多晶鎢樣品表面產(chǎn)生納米級的突起，突起的尺寸隨劑量升高而增大。鎢樣品中納米He泡

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

7、說明He會在特定的晶面方向上富集。通過密度泛函理論計算得知，He原子更易于在{101}面聚集成簇，從而形成He富集的條狀結構。因此，我們認為當He原子進入鎢材料后，會沿著鎢晶粒在近表面層擴散。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的團簇，導致在這一晶面方向上形成He富集的帶狀結構。隨著He的聚集，He團簇會生長，將鎢原子從原來的晶格位推出。這樣He

8、的團簇會導致鎢中晶格畸變逐漸加大，He在{101}面間聚集使面與面的結合力變?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構。通過沿著{101}面間He原子持續(xù)的合并，富集了He的條狀結構就會越來越厚，He團簇的內(nèi)壓也會增加，當內(nèi)壓升高到一定程度會導致晶格的突變，產(chǎn)生鎢表面的腫脹及破裂，導致在{101}方向上產(chǎn)生納米絲狀結構并伴隨著納米溝道的生成。
　　在第六章，考察了低能大流強氫

9、、氦離子對鎢絲的刻蝕作用。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He、H離子分別對鎢絲進行了輻照，對比了He、H離子對鎢絲的刻蝕作用，并對輻照后鎢絲的表面形貌和濺射率分別進行了表征和計算。研究結果表明離子在對鎢絲進行輻照的過程中，存在著兩種不同的作用。一種是離子注入材料中發(fā)生的擴散作用，另一種是刻蝕作用。輻照是兩種作用相互競爭、相互影響的復雜過程。當輻照離子的能量較低時，擴散作用占主導，刻蝕作用不明顯;隨著輻照離子能量升高，擴