氦离子预注入对钨中氘滞留行为的影响

发布时间：2022-01-10 08:24

　　利用高能离子注入机和直线等离子体模拟装置将氦离子预注入钨中,再进行氘等离子体辐照。采用扫描镜（SEM）结合聚焦离子束（FIB）（SEM-FIB）,透射电镜（TEM）,辉光放电光谱仪（GD-OES）和热脱附谱（TDS）等分析方法,研究了高能氦离子预注入对氘等离子体再辐照后钨中氘滞留行为的影响。结果表明:氦离子预注入钨,在辐照损伤区域形成大量氦泡,钨经过氘等离子体再辐照后,表面的氘泡数量明显低于单独氘等离子体辐照的样品。从GD-OES分析中可以看到,在氦捕获位处氘滞留浓度明显升高,同时氦离子预注入增加了氘在钨中的扩散深度。结合TDS分析可知,氦离子预注入增加了氘在钨中的滞留总量,这是由于氦离子预注入后,形成的缺陷又为钨中氘的俘获提供大量新的位点,从而导致钨中的氘滞留量明显提高。 

【文章来源】：稀有金属材料与工程. 2020,49(10)北大核心EISCICSCD

【文章页数】：7 页

【图文】：

单独氘等离子体辐照以及氦离子预注入后氘等离子体再辐照后钨的SEM表面形貌

单独氘等离子体辐照以及氦离子预注入后氘等离子体再辐照后钨的SEM-FIB表面与断面形貌

利用SRIM程序模拟[29]离子注入后不同能量的氦离子在钨中的深度-浓度分布，如图2所示。图2a为单一能量的氦离子注入钨后氦的深度-浓度分布。由图可知，氦离子注入后氦在钨中的深度-浓度分布曲线呈高斯分布形状，并且沿着注入深度的方向氦浓度呈先上升后下降趋势，在距离表面0.7μm处达到峰值浓度约为0.062 at.fr。同时由图2中可以看到，氦浓度分布的SRIM模拟曲线与GD-OES测量曲线吻合度较高，这也证实GD-OES测试氦浓度-深度分布的准确性。由图可知，在1μm至更深处，GD-OES检测氦浓度的曲线并不完全与SRIM曲线重合，是因为氦在钨中发生扩散所致。图2b为连续能量的氦离子注入钨后氦的深度-浓度分布。从图中可以看到，SRIM模拟曲线与GD-OES测量曲线吻合度较高，氦浓度曲线为先上升再下降的趋势，且峰值区域呈平台状分布，即在深度0.21～0.56μm处达到峰值为0.016 at.fr。同时该位置处大量氦泡的存在证实了图2中GD-OES测试和SRIM计算的氦浓度-深度分布曲线的准确性。对经由氦离子预注入后的钨样品进行通量为1025 D/m2的氘等离子体辐照，为清晰地观察氦离子预注入后氘等离子体再辐照与单独氘等离子体辐照后的钨表面形貌的异同，实验中利用SEM结合FIB分别对2种样品进行表征，钨表面形貌如图3所示。其中氦离子注入能量为单一能量。图3a与3b为单独氘等离子体辐照后的钨表面形貌图。从图中可以看出，1025D/m2的单独氘等离子体辐照后钨表面有明显起泡现象，且氘泡呈分散分布。通过进一步分析可知，图中氘泡的直径范围为7.2～18μm，大小不等。图3c与3d为氦离子预注入后氘等离子体再辐照的钨表面形貌图。与单独氘等离子体辐照后的样品相比：氦离子预注入后钨表面的氘泡数量明显较低。为更加深入地研究氦离子预注入对钨中氘起泡行为的影响，再对这些氘泡进行FIB切割断面结构分析。

【参考文献】：
期刊论文
[1]金属材料中氦泡研究的概述[J]. 赵安宇,程扬名.  浙江冶金. 2018(03)
[2]金属材料中氦泡研究的概述[J]. 赵安宇,程扬名.  浙江冶金. 2018 (03)
[3]钨中氘氦行为的高分辨热脱附谱实验方法研究[J]. 傅青伟,程龙,王军,袁悦,吕广宏.  原子能科学技术. 2018(06)
[4]辉光放电发射光谱在材料成分-深度分析中的应用[J]. 梁家伟,韩逸山,庄素娜,劳珏斌,林伟轩,简玮,王江涌.  真空. 2017(05)
[5]面向等离子体材料钨中氘/氦滞留行为的研究进展[J]. 王维,叶小球,陈长安,李强,金伟,杨勇彬,高涛.  材料导报. 2017(09)
[6]中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响[J]. 郭洪燕,夏敏,燕青芝,郭立平,陈济红,葛昌纯.  物理学报. 2016(07)
[7]国际热核试验堆第一壁材料的研究进展[J]. 丁孝禹,李浩,罗来马,黄丽枚,罗广南,昝祥,朱晓勇,吴玉程.  机械工程材料. 2013(11)
[8]聚变堆中面向等离子体材料的研究进展[J]. 张小锋,刘维良,郭双全,姜林文.  科技创新导报. 2010(03)



本文编号：3580382