辐照损伤材料的实验模拟研究:含氦薄膜制备及MAX相材料离子辐照行为

摘要

辐照损伤是核材料研究中最具特色和难度的重要问题。特别是由于α放射性的固体所产生的α粒子(如钚)或含氚材料中因氚衰变产生的氦-3在材料自身晶格中的滞留，产生自辐照效应以及中子或重离子等外来粒子对材料损伤所产生的外辐照效应。这两种效应的存在将会对材料性能，使用寿命等方面提出严峻考验，因此本论文就是基于这两种辐照效应背景而开展相关实验模拟研究的。
　　 氚在能源工业和国防事业中有着重要的作用，高性能储氚材料的研制在氚技术中是十分关键的。但氚衰变产生的氦会对材料性能产生很大的影响，是一种重要的形式上的自辐照效应。在进行金属中的氦行为研究时首先必须进行氦的引入。通常的氦离子注入会引发严重的晶格损伤；氚衰变和中子辐照则因为半衰期太长和实验设备安全防护等原因不易于实验室操作。为此，本论文提出了金属薄膜中引入氦的新方法-ECR等离子体辅助磁控溅射制备含氦薄膜。该方法的优点是不仅可以在薄膜中均匀引入氦而不带来额外的移位损伤，并且可以制备出表面平整、光洁、致密的金属薄膜。
　　 结合离子束分析、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、正电子湮灭、热脱附谱等技术对含氦钛膜进行了系统表征。X射线衍射表明，随着基片偏压的增加，Ti薄膜的择优取向从(002)转变为(100)取向。对薄膜择优取向改变起主导轰击作用的粒子是磁控溅射等离子区阳极鞘层的氩离子。在低氦含量引入薄膜时，氦的轰击效果也会对薄膜择优取向的改变产生轻微影响。对于传统磁控溅射引氦，主要以入射到阴极靶表面经氦离子背向散射后，转化为中性的氦粒子注入为主，而ECR等离子体辅助磁控溅射方法引氦，则基本来自ECR等离子体区中施加偏压的阳极鞘层的氦离子注入。由于两种引氦方法的不同，因此氦在薄膜中的存在状态和演化行为也不一样。ECR等离子体辅助磁控溅射在制备含氦薄膜时，轰击的氦粒子能量可控制在100eV左右，接近损伤阈值能量，因此薄膜的损伤很小，这与keV能量的氦离子注入引起的薄膜严重损伤情况完全不同。随着薄膜含氦量的增加，晶格点阵参数增大，X射线衍射峰宽化，薄膜晶粒细化，无序程度增加，点阵参数与衍射峰宽化随氦浓度变化的特性曲线与传统磁控溅射相比更接近氚衰变情况。
　　 通过在基片上加光控传感器进一步改进了ECR辅助磁控溅射系统，从而实现了磁控溅射区偏压和ECR等离子区偏压在镀膜过程中分别控制。从AFM和SEM图中可以观察到，改进的ECR辅助磁控溅射法与传统磁控溅射相比，制备的金属薄膜同时具备空位浓度缺陷少，薄膜致密度好，表面平整度高等优点。
　　 正电子湮灭能谱的多普勒展宽图表明在ECR等离子体辐照下，Ti膜的密度增加，空位减少。通过比较发现，ECR等离子体辅助磁控溅射法制备薄膜的空位浓度均小于传统磁控溅射法制备的相同含氦量薄膜的空位浓度缺陷。
　　 综合上述氦行为表征的特性说明，ECR等离子体辅助磁控溅射系统的引氦方法更接近于氚衰变产生的氦原子的存在及演化行为，可用于模拟氚衰变中氦产生对材料的影响，这可避免氚衰变产生氦所需的长实验周期。
　　 Ti3SiC2MAX相材料被认为潜在的可用于聚变堆第一壁/包层的结构材料。本论文第二部分的目的主要是探讨Ti3SiC2MAX相体材料的辐照损伤机理，研究的重点集中在用同步辐射X射线衍射结合正电子湮灭谱分析重离子辐照后的Ti3SiC2材料的缺陷及其退火恢复。用扫描电镜和原子力显微镜对Ti3SiC2材料的表面形貌进行分析。
　　 首先实验采用2 MeV高剂量的碘离子辐照。Ti3SiC2样品。X衍射峰位偏移和衍射峰宽化主要是因为大小从原子尺度到微米尺度的晶格尺寸缺陷引起的。正电子湮灭谱显示辐照样品与未辐照样品相比有更多的空位类型缺陷，特别在高剂量辐照损伤后，样品表层区域的损伤有明显增加。扫描电子显微镜和X射线衍射分析的结果发现了TiC纳米晶相会在高剂量损伤下形成。温度在500～800℃之间的后退火实验会导致Ti3SiC2和TiC两种相的同时生长。
　　 实验又采用了三种自离子(Ti、Si和C)对Ti3SiC2材料进行辐照研究。实验结果表明，在三种不同离子辐照下，MAX材料都会在高剂量损伤下分解产生TiC纳米晶相。值得注意的是，C离子在高剂量的辐照损伤下，虽然Ti3SiC2发生了分解但MAX相仍然保持相对较好的晶体性。而Ti和Si离子则在较高剂量时，晶体就呈现出较严重的无序度。造成MAX相的无序度以及Ti3SiC2材料分解的原因与核阻止和电子阻止能量损失及相对大小有关，即与辐照离子种类、能量、辐照剂量、剂量率(dpa/s)以及辐照温度等因素相关。
　　 本文还对Ti3SiC2材料中的氦行为进行了初步研究。对样品表面进行了较低能量和高通量的He离子轰击，正电子湮灭分析表明，随着氦离子注入剂量的增加，S因子逐渐升高，空位性缺陷浓度增加。当注入剂量达到一定值时，S因子急剧升高，预示着大量氦泡的生长发生。同步辐射掠角X射线衍射分析说明，在He、Si离子协同辐照作用下，样品表面层将会形成比高剂量碘离子辐照情况下还严重的非晶化现象。