氦离子辐照对纯钨表面形貌的影响及其性能的变化

发布时间：2020-03-29 21:32

【摘要】：钨由于其高熔点、高热导率、低氚滞留、低溅射率、不与H发生化学反应、使用寿命长等出色的性能成为核聚变堆中面向等离子体材料。氦离子作为氘氚核聚变反应产物,不可避免的会与钨相互作用,尤其是偏滤器靶板。高密度的氦离子轰击金属钨表面,会导致金属材料的微观结构演化,并进一步改变其使用性能,从而会影响聚变堆的稳定运行。因此,对钨进行氦等离子辐照研究具有很重要的科学意义和工程应用价值。本文采用空心阴极法产生高密度氦等离子体对纯W进行低能高通量氦辐照实验。通过改变氦注入剂量来研究低能高温高通量下纯钨表面形貌的变化过程,结果表明:低能高温高通量氦辐照会导致纯钨表面形貌从平滑态向波纹态、三角锥态以及纳米绒毛表面转变。随着氦注入量的增加,平滑态、波纹态和三角锥态逐渐向纳米绒毛表面转化。其中纳米绒毛优先在三角锥表面形成,当氦注入剂量足够大时,三种表面形貌最终都会被纳米绒毛取代。这种表面形貌的变化与钨表面晶粒取向有密切关系,平滑表面晶面取向偏(101)方向,波浪状表面偏(001)方向,三角锥表面形貌的晶面取向偏(111)方向,表面纳米化的晶粒取向也偏向(111)方向。辐照后表面成分和电子状态进行研究表明:辐照前后钨成分和电子状态一致均为纯钨,表面没有发生氧化。同时通过改变氦辐照的入射电压来研究辐照电压下纯钨表面形貌的变化,研究发现在330 V-530 V电压范围内,纯钨表面形貌变化没有很大差别。本文同时对辐照后的钨表面的力学性能、光学性能以及溅射行为进行了初步研究。首先采用纳米压痕仪和显微硬度仪相结合表征手段对氦辐照后钨以及纳米绒毛的力学性能进行了研究,结果表明氦辐照后纳米绒毛表面纳米硬度最低,三角锥、波纹状和平滑表面三种表面纳米硬度以此增加。其中纳米绒毛表现出了很好的延展性。而后,通过测试不同氦注入剂量试样在350 nm-600 nm波长范围内的表面散射率来研究纳米绒毛对光的吸收率,结果表明氦辐照后所形成的纳米绒毛表面对紫外-可见光波段吸收率较高。最后通过采集330V电压下非空心阴极下氦辐照过程中的光谱以及不同电压下钨氦辐照后试样的失重百分比,对氦辐照时纯钨表面的溅射进行了研究,结果发现,随着电压的增加,试样的失重百分比先增加而后变化不明显。在本文实验中,氩稳定放电过程中钨的表面溅射比氦稳定放电过程中钨的表面溅射要明显。在本项目中通过对高密度氦离子作用的钨表面形貌特征的观察以及性能变化的研究,深入认识了氦离子与难熔金属钨在高温下的相互作用,丰富了高密度氦离子辐照损伤方面的实验证据,加深了辐照损伤对钨性能变化影响的理解,为钨作为面向等离子体材料的应用以及反应堆地安全运行提供参考。
【图文】：

表面形貌,主要设计参数,结构示意图,氦离子辐照

氦离子辐照对钨表面形貌的影响极其性能的变化３）中子在包层中产生的热量，是通过传热的介质，将热带到以水为介质的第的蒸汽发生器产生的高压蒸汽中去推动蒸汽而发电。逡逑４）与等离子体直接接触的第一壁，遭受１４邋ＭｅＶ的高能中子和带电粒子的直。逡逑ｐ偏滤器是处理聚变堆能量流和高后能带电粒子流的重要手段。逡逑

表面形貌,表面形貌,气泡,表面

然后在缺陷处聚集长大，随着局域处氢浓度的增加，氢还将会扩散至材料内逡逑部从而导致氢脆，严重影响材料的使用性能。还有些氢原子或离子会在缺陷处形成分子，逡逑形成小的氢气泡。小的气泡经过迁移、聚集、长大，会使材料表面起泡（如图１．邋２所示）逡逑Ｍｍｍ＃。ＡＨｍ0ｖ等人Ｍ也证实了这一实验结果。研究者们还研究了辐照温度对氢逡逑泡的影响，研究发现随着温度的升高，气泡尺寸逐渐增大，且当温度过高（１０００邋Ｋ）时，逡逑没有明显的气泡产生，研宄者们认为这与高温下氢的解吸附行为有关。逡逑ｍｍｍｍ逡逑图１．２邋Ｄ等离子体辐照后钨表面形成的气泡（ａ）表面形貌（ｂ）氢泡经ＦＩＢ切割后的表面形貌ｆ逡逑而关于氢同位素滞留问题的研究也得到了研究者们的关注，Ｌｍｄｉｎｇ等人＠发现氢逡逑泡的形成与晶粒取向相关。氢滞留主要受粒子入射能量、注入量、辐照温度等因素的影逡逑响。Ｏｇｏｒｏｄｎｉｋｏｖａ等人＿研宄发现当粒子注量较低时（＜ｌＭ０２４邋Ｄ／ｍ２），，滞留量会随着粒逡逑子能量的增大而增大，需要说明的是，这里所指的粒子能量均在９４０邋ｅＶ以上，即大于逡逑Ｄ引起Ｗ原子离位所需要的最低能量。因此高能粒子引起高滞留量的可能原因为：高逡逑５逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL627

【参考文献】