基于第一镜应用的非晶合金和薄膜材料表面溅射特性研究

发布时间：2019-08-16 16:35

【摘要】：在核聚变实验装置中第一镜受到多种射线和高温等离子体辐照,同时易于被第一壁与热等离子体相互作用产生的各种杂质污染,这导致目前第一镜的使用寿命只有几十秒,距离理想寿命半年的要求还有较大差距。因此,第一镜制备及其在等离子环境下的溅射机制研究具有重要意义。第一镜所采用的材料是影响其使用寿命的重要因素。与多晶金属材料相比,非晶合金结构均匀、各向同性,能避免多晶材料的取向选择溅射,且制备工艺简单,易于光学抛光加工。而薄膜结构反射镜能够依据使用环境不同需求,设计出不同的功能层结构,有利于优化第一镜的结构设计,及对其特殊功能的需求。本文着重研究了块体金属玻璃和非晶薄膜材料第一镜样件的粒子溅射特性。所研制的第一镜有Zr65A17.5Ni10Cu17.5、Zr63.7Al9.0Ni27.3和Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8块体金属玻璃样件,薄膜第一镜样件有Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8非晶金属薄膜、Al和Al2O3/Al薄膜。采用氢等离子体溅射和320keV高电荷态He2+离子束轰击技术手段,研究第一镜材料样件的表面特性变化情况及机制,拟为核聚变实验装置提供长寿命、高反射率、抗等离子体溅射的第一镜材料设计方案及实现方法,以促进核聚变工程项目的发展。具体研究结果如下： (1)块体金属玻璃的氢等离子体溅射的实验结果表明：随着氢等离子体溅射时间的增长,金属多晶钼(Mo)和Zr6.5A17.5Ni10Cu17.5块体金属玻璃镜面反射率逐渐降低,但Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8的镜面反射率先降低后增高。其原因为氢等离子体溅射导致块体金属玻璃表面原子层发生自修复行为。 (2)块体金属玻璃和多晶钨经过320keV高电荷态He2+离子束轰击的实验结果表明：Zr63.7Al9.0Ni27.3、Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8和多晶钨镜面反射率均降低,但表面粗糙度均未增高,反而有所降低。多晶钨镜面出现溅射坑,而金属玻璃未发现类似现象,这表明金属玻璃能有效避免多晶材料的取向选择溅射现象,因此块体金属玻璃比多晶钨更能满足聚变堆系统对第一镜性能的要求。 (3)块体金属玻璃在320keV高电荷态He2+离子束轰击下,诱发了C和O在块体金属玻璃表面的沉积和注入,这是导致其反射率降低主要原因。Zr63.7Al9.0Ni27.3表层以O的渗入为主,渗入深度达到微米量级,改变了合金表面层成分的特性；Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8表层以C的沉积为主,C的表层渗入深度在400nm左右。 (4)结合金属玻璃的熔炼和加工,拼接制作出100mm直径的金属玻璃靶材,在非平衡磁控溅射的实验条件下,实现了金属玻璃结构第一镜的研制。通过光谱反射率的比较,表明块体金属玻璃和薄膜非晶光学特性基本一致,相比之下薄膜成分表面粗糙度较高,致密性差,有待于进一步改进工艺。通过镀Cr薄膜的改性,能够提高薄膜第一镜在可见波段的光谱反射率,光谱反射变得更加均匀。因此,采用金属玻璃合金靶,结合非平衡磁控溅射技术,是制备金属玻璃第一镜的有效方法。 (5)通过热蒸发的方法,分别在金属导体(SS304钢)、半导体(Si)、绝缘体(玻璃)基底上,制备了Al(/基底)和Al2O3/Al(/基底)的薄膜样件。研究薄膜样件在氢等离子体轰击后表面特性变化。结果表明：溅射后Si基底薄膜样件中Al2O3/Al薄膜发生了严重脱落,而Al薄膜样件出现起泡现象；SS304钢基底Al2O3/Al薄膜样件出现起泡并有部分脱膜现象,而Al薄膜样件表现较好耐溅射性能；玻璃基底的样件,溅射后反射率稳定,但表面出现了盐类物质,表面材料的结构稳定性变差。 (6)氢等离子体溅射Al(/基底)和Al2O3/Al(/基底)的薄膜样件研究表明：在溅射过程中,沉积速度大于溅射刻蚀速度,在样件表面上沉积了Fe、Zr、Cr、Sn等金属元素的污染,但数量较少,并以氧化态形式出现,厚度在10nm左右,为介质薄膜,并导致反射率曲线发生红移、反射率降低等现象。污染金属元素的配位原子及原子团有：O2-、OH1-、(CO)1-、CO32-、HCO31-等,Al/SS304样件溅射后表面基本为金属氧化物,而Al2O3/Al/玻璃的基底镜面样件(SiO2/Al/Al2O3)在溅射后表面的结构稳定性较高,未出现相应盐类物质,同时样件的反射率稳定,也未出现介质薄面所表现出来的红移现象。因此Al/SS304、Al2O3/Al/玻璃和玻璃/Al/Al2O3实验样件反射率和材料结构稳定性好,具有耐等离子溅射的特点,有望成为第一镜的备选结构方案。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL63;TB383.2

【参考文献】