面向等离子体材料钨的氦离子辐照损伤研究

摘要

钨(W)材料由于具有高熔点、高热导率、低溅射率、低氢同位素滞留等优点，被认为是最有前景的一种面向等离子体材料。在核聚变反应堆中，能量为14MeV的中子辐照以及低能（几十eV至几keV）、强流(1020-1024/m2s)氢(H)、氦(He)离子流的轰击会导致钨材料性能急剧下降。因此，研究钨材料在聚变环境中的辐照损伤行为至关重要。本论文利用实验室自行设计搭建的辐照系统，通过射频感性耦合等离子体源产生氦离子，对多晶钨材料进行了不同的离子能量和辐照剂量的辐照实验，并借助于不同的表征分析手段，开展多晶钨材料的辐照损伤机理研究。论文结构内容安排如下:
　　在第一章，介绍了聚变的原理及聚变能与其它能源相比较所具备的优势和特点;对比了不同种类面向等离子体材料的优势和不足，包括钨、铍和碳纤维复合材料等;阐述了国内外在面向等离子体材料钨的辐照损伤领域相关工作的研究现状。
　　在第二章，介绍了实验室自行设计搭建用于辐照研究的两套实验平台以及被辐照样品表征测量所需要的仪器设备，同时介绍实验方案和实验参数。
　　在第三章，系统研究了离子能量、离子剂量、辐照温度等参数对多晶钨的辐照损伤作用。导电式原子力显微镜测试显示低能He离子辐照能够导致钨材料表层中产生纳米级缺陷。进一步研究发现缺陷的尺寸、密度和分布与He离子能量、辐照剂量和辐照温度有很强的依赖关系。分析表明纳米级缺陷的产生是由于低能He扩散入钨样品中与钨中的空位相结合，形成了He-空位复合体，这将成为周围He原子的捕获中心，使得He原子迁移并产生聚集，从而形成纳米He泡缺陷。温度的升高有利于He泡迁移，在一定的辐照温度下，提高辐照剂量和离子能量可以使多晶钨样品表面产生有方向性排布的纳米泡阵列。这种微观结构的改变是由于温度和材料内部应力的驱动下，使得He泡迁移形成的。
　　在第四章，研究了高能/低能He离子复合辐照对多晶钨的损伤作用。实验结果表明高能预辐照后的样品再进行低能离子辐照时，提高低能离子辐照剂量促进样品表面纳米He泡的生成，但是He泡的排布不具有方向性。这是由于高能预注入的He和辐照诱导空位生成的复合体会在低能He离子辐照时成为纳米He泡的成核中心，从而影响了纳米He泡的分布。低能离子的剂量能够影响被辐照钨样品表面的微观形貌，当低能离子的剂量较小时，即从3×1022ions/m2到1×1024ions/m2时，样品表面形貌观察不到明显改变，当低能离子辐照剂量较高时，即3×1024ions/m2到1×1025ions/m2时，多晶钨样品表面产生纳米级的突起，突起的尺寸随剂量升高而增大。钨样品中纳米He泡的生成会影响材料的硬度，无论是高能、低能辐照都会导致钨样品的硬化。这种硬化作用受辐照剂量影响，提高辐照剂量可以促进钨材料的硬化。
　　在第五章，研究了钨表面纳米丝结构的形成机制。低能大流强He离子辐照能够导致钨样品表面生成纳米丝状结构，这种微观结构的生成依赖于He离子的辐照剂量。通过扫描电镜表征发现钨样品表面生成纳米丝状结构的同时伴随着纳米沟道的出现，导电式原子力显微镜表征可以看到辐照导致的钨样品表面形成缺陷分布不对称的条状结构，说明He会在特定的晶面方向上富集。通过密度泛函理论计算得知，He原子更易于在{101}面聚集成簇，从而形成He富集的条状结构。因此，我们认为当He原子进入钨材料后，会沿着钨晶粒在近表面层扩散。由于在钨晶格中，{101}面上的原子排布比其他晶面上密集，层间距大于其他晶面。{101}晶面间He原子更容易发生聚集从而形成He的团簇，导致在这一晶面方向上形成He富集的带状结构。随着He的聚集，He团簇会生长，将钨原子从原来的晶格位推出。这样He的团簇会导致钨中晶格畸变逐渐加大，He在{101}面间聚集使面与面的结合力变弱，从而沿着这些面的溅射率增大，在钨样品表面沿着{101}面就逐渐形成了有高度起伏的波浪状微观结构。通过沿着{101}面间He原子持续的合并，富集了He的条状结构就会越来越厚，He团簇的内压也会增加，当内压升高到一定程度会导致晶格的突变，产生钨表面的肿胀及破裂，导致在{101}方向上产生纳米丝状结构并伴随着纳米沟道的生成。
　　在第六章，考察了低能大流强氢、氦离子对钨丝的刻蚀作用。利用大功率射频等离子体辐照系统产生的低能、大流强He、H离子分别对钨丝进行了辐照，对比了He、H离子对钨丝的刻蚀作用，并对辐照后钨丝的表面形貌和溅射率分别进行了表征和计算。研究结果表明离子在对钨丝进行辐照的过程中，存在着两种不同的作用。一种是离子注入材料中发生的扩散作用，另一种是刻蚀作用。辐照是两种作用相互竞争、相互影响的复杂过程。当辐照离子的能量较低时，扩散作用占主导，刻蚀作用不明显;随着辐照离子能量升高，扩散作用逐渐减弱，刻蚀作用则越来越强。实验表明He、H离子对样品刻蚀后的表面形貌存在较大差异，He离子能量越高越倾向于在样品表面形成孔洞，H离子能量越高样品表面被刻蚀得越光滑。
　　最后在第七章，对本文的研究进行总结以及对今后拟进一步开展的工作进行了展望。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 核聚变

1．1．1 聚变能的优势

1．1．2 聚变的基本原理

1．1．3 面向等离子体材料

1．2 面向等离子体材料钨辐照损伤的国内外研究状况

1．3 本文主要研究思路及安排

2 实验设备和实验方法

2．1 辐照的实验设备

2．1．1 材料辐照实验装置

2．1．2 大功率材料辐照实验装置

2．2 钨材料分析表征的实验设备

2．2．1 扫描探针显微镜(SPM)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 电于背散射衍射(EBSD)

2．2．4 聚焦离子束(FIB)

2．2．5 纳米压痕仪

2．3 实验方法和实验参数

3 低能He离子对多晶钨辐照损伤的研究

3．1 辐照剂量对钨样品表面微观结构的影响

3．1．1 钨的表面形貌分析

3．1．2 钨辐照后的缺陷分析

3．2 离子能量对钨样品表面微观结构的影响

3．2．1 钨的表面形貌分析

3．2．2 钨辐照后的缺陷分析

3．2．3 不同辐照离子能量的SRIM计算

3．3 辐照温度对钨样品表面微观结构的影响

3．3．1 钨的表面形貌分析

3．3．2 钨辐照后的缺陷分析

3．4 低能He离子辐照多晶钨的机理分析

3．5 本章小结

4高 能／低能复合辐照对多晶钨的损伤作用研究

4．1 He离子辐照损伤的SRIM模拟

4．2 高能／低能复合辐照对W材料的微观结构和性能影响

4．2．1 钨的表面形貌分析

4．2．2 钨辐照后的缺陷分析

4．3 高能／低能复合辐照钨材料的损伤过程分析

4．4 本章小结

5 钨纳米丝结构的产生及生成机理研究

5．1 He离子能量变化对表面微观结构的影响

5．2 He离子辐照剂量对纳米丝结构生成的影响

5．3 密度泛函理论计算

5．4 纳米丝结构的成因机制分析

5．5 本章小结

6 He／H离子对钨丝的刻蚀作用研究

6．1 离子能量对钨丝的刻蚀与溅射率的影响

6．1．1 He离子能量的影响

6．1．2 H离子能量的影响

6．2 钨丝表面形貌分析

6．2．1 He离子辐照

6．2．2 H离子辐照

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢

作者简介