含氦钛膜中氦的热解吸行为研究

论文摘要

氚是重要的核聚变材料,一般考虑采用高吸附容量、低平衡压的金属来贮存。钛由于吸氢密度高、平衡压低而被广泛采用。在时效早期,氚衰变产生的3He原子被捕陷在晶格中并形成氦泡,但只要材料中的3He浓度达到一个临界值,3He原子就会以一定的速率或甚至超过其产生速率释放,这个现象称为3He的“加速释放”。为理解金属及金属氚化物中的He原子在达到这个“加速释放”前的演化行为,本文采用真空热解吸分析方法,系统地开展了含He钛膜中He的热解吸行为研究。热解吸分析方法是在真空条件下对样品进行线性加热,升温过程中采用四极质谱（QMS）对解吸出的气体组分进行在线测量,从而获得He的解吸速率与温度的关系,即He热解吸谱（THDS）。THDS包含了样品中He原子的存在状态和演化信息,因此,采用真空热解吸分析方法可以获得金属氚化物中He原子的演化行为,为金属氚化物时效过程中He演化模型的建立和材料固He性能的评估提供依据。本文首先针对真空热解吸分析方法的关键实验参数——升温速率（β）的选择,开展了真空热解吸方法的优化研究。通过研究不同升温速率对THDS的影响,获得了升温速率这个关键参数（确定为β=60 K·min-1～120K·min-1）的选择依据,这为从THDS获取金属中He原子的本征状态信息提供了技术保证。获得THDS后,需对THDS的解谱技术进行研究。通过两类含氦钛膜样品（时效氚化钛膜和磁控溅射法制备的含氦钛膜,He/Ti≈10%）的THDS与正电子淹没（PAS）、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）的关联分析,基本建立了金属中He的本征存在状态与THDS之间的关系。结果表明,氚化钛膜中氚的解吸过程和含氦钛膜中钛氧化物的生成过程均不会导致He的快速解吸,并初步判定THDS中He的低温解吸应归结于可移动的自由He原子,中温区He原子的解吸与晶界等大尺寸缺陷有关,高温区He原子的解吸应归结于晶粒内的氦泡。此外,由于金属中不同存在状态He原子的热解吸动力学机制不同,采用两种数学模型分别描述自由He原子的扩散解吸和He从氦团簇和氦泡的离解过程,获得了时效氘（氚）化钛膜中He的热解吸动力学参数。其中,对自由He原子的扩散解吸采用William平板扩散模型；对He从氦团簇和氦泡的离解过程,则根据He原子的一级解吸机制和He分压的变化对其动力学过程进行了理论推导,新建立了He原子从氦团簇和氦泡离解的动力学模型。根据上述真空热解吸分析方法的优化,THDS与PAS、XRD和SEM的关联以及金属中不同存在状态He的热解吸动力学模型的建立,开展了全寿命期内氘（氚）化钛膜中3He的热解吸行为研究。研究结果表明,3He在氘（氚）化钛膜中存在四种存在状态：近表面的自由3He原子、晶格内的自由3He原子、晶界等大尺寸缺陷处的氦泡和晶粒内的氦泡。氦泡形核之前的自由3He原子浓度最高,形核后基本维持不变；在时效的早、中期（3Hegen/Ti<0.15）,3He原子以氦泡的形式存在于晶粒内,占总3He生成量的90%以上；时效后期（3Hegen/Ti>0.15）,3He在低温区（350K-550K）出现的新解吸峰表明氦泡网络开始逐渐形成。通过上述工作的开展,使我们对氘（氚）化钛膜中3He原子的演化过程有了一定的认识,基本揭示了氚化钛膜的时效规律,为氚化物的研究与应用提供了科学的认识。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 序言
• 第一章 金属中He行为的研究现状
• 1.1 引言
• 1.2 研究方法
• 1.2.1 理论计算
• 1.2.2 实验研究
• 1.3 He在金属中的存在状态
• 1.4 几种机制的提出
• 1.4.1 三种扩散机制
• 1.4.2 渗透密度机制
• 1.4.3 氦泡形核、长大及破裂机制
• 1.4.3.1 自捕陷机制
• 1.4.3.2 氦泡长大机制
• 1.4.3.3 氦泡破裂机制
• 1.4.4 氦泡热长大机制
• 1.5 时效金属氚化物中He的演化模型
• 1.6 美国Sandia实验室开展的金属中氦行为的研究现状
• 1.7 金属中He的热解吸研究进展
• 1.8 评述与展望
• 第二章 金属中He的真空热解吸分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 热解吸方法原理
• 2.3 真空热解吸分析方法的优化
• 2.3.1 真空热解吸方法
• 2.3.2 升温速率的确定
• 2.4 小结
• 第三章 THDS的解谱技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 THDS与正电子湮没谱的关联
• 3.2.1 样品物相结构分析
• 3.2.2 THDS与多普勒展宽谱的关联
• 3.2.3 THDS与XRD分析结果的关联
• He解吸的影响'>3.2.3.1 氚化钛的物相变化对3^He解吸的影响
• He解吸的影响'>3.2.3.2 钛的物相变化对4^He解吸的影响
• 3.2.4 THDS与SEM分析结果的关联
• 3.3 小结
• He的热解吸行为'>第四章 时效氘（氚）化钛膜中3^He的热解吸行为
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 热解吸模式
• 4.3 氘（氚）化钛膜中3He的热解吸行为
• 4.3.1 第Ⅰ、Ⅱ解吸区
• 4.3.2 第Ⅲ解吸区
• 4.3.3 第Ⅳ解吸区
• He解吸份额的变化'>4.3.4 各解吸区3^He解吸份额的变化
• 4.3.5 解吸活化能的变化规律
• 4.3.6 氚化钛膜与氘（氚）化钛膜比对分析
• He的聚集和释放的几点思考'>4.4 关于延缓氚化钛膜中3^He的聚集和释放的几点思考
• 4.5 小结
• 第五章 主要结论和后续研究方向
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续研究方向
• 5.2.1 THDS与PAS寿命谱分析技术的关联
• He的聚集和释放'>5.2.2 延缓3^He的聚集和释放
• 5.2.3 金属氚化物寿命的早期判定
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 表1 攻读硕士学位期间公开发表的科技论文
• 表2 攻读硕士学位期间参加的学术交流