氦在金属钯、铁薄膜中的微观行为研究

论文摘要

在聚变能源研究、军用核技术、氚工艺及涉及氚的实验工作中经常会遇到由氚的衰变或其他核反应所产生的氦的问题,它会引起材料微观结构变化,使材料部件老化变质,导致严重的氦脆,以及造成等离子体的污染。为了解决这些问题就需要搞清楚:氦在材料中为什么能够滞留,在什么情况下会聚集、扩散及释放出来;这些过程对材料性能有什么害处;它受什么因素影响以及如何控制它等等。20世纪中期这些问题就已经被提出来,而从70年代开始,随着聚变反应堆的设计和聚变堆材料研究的进展,更加明确它是一个需要解决的难题。由于不锈钢是目前聚变反应堆中用到的主要壁材料,而铁是不锈钢的主要成份,研究氦在铁中的行为可以为研究氦在不锈钢中的行为起到指导作用。钯与氦拥有同样的电子结构,是目前人类所知的固氦能力最强的单质,且钯的氚化物可以作为储氚材料,因些,我们选取铁和钯两种金属作为研究对象。在本论文中,采用电子束蒸发的方式在基底上沉积金属钯薄膜和金属铁薄膜,并采用各种手段对两种金属薄膜的成分和结构进行表征。然后,选取不同能量、不同剂量的氦离子束对金属钯和金属铁薄膜进行注入实验。同时,采用SRIM程序对注入过程进行模拟,得出氦元素以及离位钯原子在薄膜中的分布情况以及薄膜的损伤情况。XRD分析发现在固定注入能量时,随着注入剂量的增加,钯薄膜和铁薄膜的晶格均发生了一定的膨胀,这种膨胀与注入造成的离位钯原子以及氦-空位复合物在晶格中的存在有关。AFM和SEM的结果表明两种薄膜的表面由于受到氦离子溅射的作用,变得略为平坦。最后,我们用增强质子背散射（EPBS）以及弹性反冲探测分析（ERDA）实验直接观察到氦在两种薄膜中的存在。在理论方面,为了解释金属晶格发生的膨胀现象,我们利用基于晶格动力学的蒙特卡洛（LKMC）程序,模拟不同温度下氦离子注入金属铁薄膜后,氦与金属铁中的缺陷（以空位和间隙原子为主）之间的演化过程。结果显示,从常温到高温,离子注入氦后,氦在金属中均主要以氦-空位复合物的形式存在,这很好的解释了实验中所观察到的现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 课题背景及思想
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 核能在世界及中国发展战略中的地位
• 1.1.2 材料中氦行为的研究在聚变能源发展中的重要意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 金属中氦行为的研究历史和现状
• 1.2.2 材料中氦的存在及其影响
• 1.2.3 离子束技术在金属中核行为研究中的应用
• 1.2.4 理论模拟在金属中氦行为研究中的应用
• 1.3 本课题的目的与意义
• 1.4 本章小结
• 第2章 实验及分析方法
• 2.1 实验过程
• 2.1.1 样品的制备
• 2.1.2 基底的清洗
• 2.2 分析仪器
• 2.2.1 台阶仪（Profiler）
• 2.2.2 X 射线荧光分析仪（XRF）
• 2.2.3 离子注入机
• 2.2.4 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.5 X 光衍射仪（XRD）
• 2.2.6 扫描电镜（SEM）
• 2.2.7 透射电镜（TEM）
• 2.2.8 离子束蒸发镀膜机
• 2.2.9 白光干涉仪
• 2.2.10 串列加速器
• 第3章 氦在金属钯薄膜中的微观行为研究
• 3.1 钯的基本性质与用途
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 金属钯薄膜的制备与表征
• 3.2.2 SRIM 模拟氦离子注入金属钯薄膜
• 3.2.3 氦离子注入金属钯薄膜
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氦在金属钯薄膜中的分布
• 3.3.2 金属点阵参数变化
• 3.3.3 氦离子注入前后钯膜表面形貌变化
• 3.4 本章小结
• 第4章 氦在金属铁薄膜中的微观行为研究
• 4.1 金属铁的基本性质
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 金属铁薄膜的制备与表征
• 4.2.2 氦离子注入金属铁薄膜
• 4.2.3 LKMC 程序模拟氦与铁中缺陷的演化过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氦在金属铁薄膜中的分布
• 4.3.2 金属点阵参数变化
• 4.3.3 氦离子注入前后铁膜表面形貌变化
• 4.3.4 LKMC 程序模拟结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 全文总结
• 5.1 全文总结
• 5.2 需进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果