低能氦离子辐照对钨和钼材料的表面损伤作用.pdf

第38 卷 第11 期 核 技 术 Vol.38, No.11 2015 年11 月 NUCLEAR TECHNIQUES November 2015 低能氦离子辐照对钨和钼材料的表面损伤作用 李 月 范红玉 杨 铭 张义武 牛金海 （大连民族大学物理与材料工程学院 大连 116600 ） 摘要 钨和钼材料具有高熔点、高热导率、低溅射率等优点成为国际热核实验反应堆计划中面向等离子体材 料的候选材料。因此研究钨和钼材料的辐照损伤行为对于认识面向等离子体材料的辐照损伤机制具有重要意 义。本文采用120 eV 的 He+在873 K 对钨和钼材料进行辐照实验，利用纳米压痕仪与导电模式原子力显微镜 (Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)相结合，原位比较了钨和钼材料在辐照前后的表面形貌、表面微 结构以及表层缺陷分布的变化特征。结果表明，低能He+辐照会导致钨和钼材料的近表面产生纳米量级氦泡缺 陷，这些氦泡缺陷的存在使得样品表面产生绒毛或波浪状结构。纳米压痕深度分析和扫描电镜的分析结果表 明，低能He+辐照会对Mo 材料产生明显的刻蚀作用。本工作对于进一步认识低能氦离子辐照对面向等离子体 材料的辐照损伤作用具有一定的科学参考意义。 关键词 辐照损伤，钨，钼，纳米压痕，导电原子力显微镜 中图分类号 TL62+7 DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110201 高质量数的 和 材料具有高熔点、高热导 射频离子源产生，在离子源的下端开设一直径为 W Mo 率、氚滞留量低等优点，被作为面向等离子体材料 的小孔， 离子束由小孔中喷出并直接作用 1.0 cm He (Plasma Facing Materials, PFMs)的候选材料而被广 于 和 样品表面。为减少样品的内部应力和缺 W Mo 泛研究[1−3] 。在聚变服役环境下， 将遭受高通 陷密度，对辐照前的 和 样品进行了真空（真 PFMs W Mo 量的 同位素、 离子束以及 中子束的辐 空度约 −5 Pa ）退火处理，退火温度为(1 273±20) K， H He 14 MeV 10 照导致 中空位、间隙原子、位错环、 泡等 退火时间为 。对退火后的样品进行辐照实验。实 PFMs He 1 h 缺陷的生成[4−5] 。辐照诱导的缺陷生成会大大降低 验中射频放电功率为400 W ，电感耦合的射频反应 PFMs 的性能[1,6]，严重危害了聚变装置的稳定运行。 管中压力约为10 Pa。在样品上施加负偏压−100 V， 因此研究PFMs 的辐照损伤机制，特别是研究低能 以加速离子运动，利用朗缪尔探针诊断此条件下等 氢氦离子作用下PFMs 的辐照损伤行为具有重要意 离子体电势约为20 eV ，因此，对应实验中的辐照 义。本文在实验室自主设计和搭建的材料辐照实验 离子能量约为120 eV。样品底端采用激光加热的方 系统上研究了 离子束对 、 的 式，维持辐照时样品温度为 ，辐照的离子剂 120 eV He W Mo P