氫離子輻照誘導的鎢表面周期性刻蝕研究

謝 俊 范紅玉 羅一語 楊秀園 覃紀英 李園園 牛金海

（大連民族大學遼寧省等離子體技術重點實驗室 大連116600）

在氘氚聚變堆中低能、大流強的離子輻照會導致面向等離子體材料的損傷、性能下降，嚴重危害聚變裝置的穩定性和可靠性。金屬鎢（W）被認為是未來國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）中最有前景的面向等離子體材料之一。大量研究表明，H及其同位素極易在W中滯留，導致W材料發生表面腫脹、起泡等現象［1?5］。H是質量數最小的原子，因此極易在材料中擴散。在輻照過程中，大量H原子擴散在W材料中，可以被W中缺陷位捕獲，或在W中空位處形成H分子，大量H分子的聚集會在W中形成H泡，是造成H及其同位素滯留的主要過程。H泡的特征及破裂行為與W材料的微觀結構和摻雜材料的性質密切相關。模擬結果表明：氣泡的遷移、合并以及超高內壓是氣泡生長并導致氣泡破裂的主要驅動力［6?7］。H、D、T在W材料上的濺射閾值分別為477 eV、209 eV、136 eV［8］，研究表明：濺射閾值［9］與入射離子質量和W的表面結合能成反比。但是在低于濺射閾值能條件下仍然觀察到W材料表面的刻蝕過程，因此很有必要研究低能H離子輻照誘導的W材料表面微結構演變過程。

本文采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析了130 eV H等離子體束輻照后W材料表面同一位置上的形貌演變過程，同時采用導電原子力顯微鏡（Conductive Atomic Force Microscope，CAFM）、能 譜 儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）和納米壓痕等表征分析了低能氫離子輻照導致的W材料表面損傷行為。研究表明：低能H離子束輻照導致了W材料發生了周期性的微結構演變過程，W表面不穩定的損傷層形成是導致W材料發生刻蝕的主要原因?！?br>