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氦离子辐照对钨纳米丝稳定性的影响

1088 编辑：中冶有色网来源：胡瑞航,杨贞,雷齐俊,李昕洋,董子宇,张晓彤,范红玉,牛金海

2024-04-11 16:06:14

自2006年首次报道与聚变相关的He离子辐照下金属钨(W)表面生长W纳米丝结构以来[1]，与W纳米丝相关的研究工作成为等离子体材料辐照损伤领域的研究热点[2,3] W纳米丝，是在高温下将He离子注入到W中生成的纳米纤维状结构 W纳米丝相互交联，在聚变堆偏滤器靶板上形成多孔的微结构使偏滤器部件传热性能降低，同时影响在边界局域模(ELM)条件下诱导的温度分布[4] 因此，研究W纳米丝的形成机制及其在不同辐照参数下的稳定性对偏滤器部件的优化设计以及W基面向等离子体材料的发展有重要的意义大量研究结果表明，在900~2000 K范围内大于30 eV的He离子能量才能在W表面产生W纳米丝结构层[5~7] 辐照参数的影响使W纳米丝直径的量级为几十至几百纳米，W纳米丝层的厚度为几十纳米至几微米[4] W纳米丝的生长过程，与给定温度下He离子辐照剂量密切相关[8] He泡驱动的W纳米丝生长机制，已被广泛接受[9~13] 注入的He原子在多晶W晶格间隙中扩散、聚集形成He团簇并在W表层产生He纳米气泡 He泡的长大挤压周围的W原子，产生间隙W原子并扩散，从而改变多晶W结构[9,10] W体相中He泡的生长非常缓慢，但是不断增加的He泡内压使He泡向W表面扩散并在表面破裂这种情况，使W表层的表面积增加并促进W纳米丝的生长 W纳米丝通过纤维尖端向外生长，W纳米丝层厚度的不断增大使He离子注入到W体相中的概率降低，从而影响了W纳米丝的生长速度[11~13] 本文研究W纳米纤维在He离子辐照过程中的不稳定性 1 实验方法辐照实验用多晶钨方片的尺寸为10 mm×10 mm×2 mm，纯度高于99.5% 辐照前对W片进行机械抛光，使其表面粗糙度小于0.1 μm 将抛光后的W片在1373 K真空(真空度为1.0×10-4 Pa)退火2 h 在大功率材料辐照实验平台上用He离子辐照多晶W生成W纳米丝实验时，将高纯He通入平台的真空腔室内，用频率为2 MHz的射频电源耦合在石英管内产生高密度的He等离子体[14] 在样品上施加-30 eV负偏压，以控制He离子能量为50 eV 放电功率为9.5 kW，离子流强为1.7×1022/m2·s，辐照剂量为8.0×1025/m2，辐照温度为1500 K 在该条件下多晶W表面生成均匀的纳米丝层结构，其厚度为3.6 μm 在低功率材料辐照实验平

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