氘氦在C、W及C-W混合材料中的共沉積滯留行為.pdf

1、聚變能，具有資源無限、無污染、不產生高放射性核廢料等優(yōu)點，是人類未來能源的主導形式之一。在未來聚變裝置(如ITER)中，高功率的脈沖持續(xù)和累積運行時間的大量增加以及隨之而來的高熱載荷，導致了嚴重的等離子體與面壁材料的相互作用和效應，燃料滯留是其中的一個關鍵問題。在燃燒等離子體條件下，等離子體中的氫氦粒子和高能中子轟擊高熱載荷的面壁材料將產生包括直接注入引起的燃料滯留和因刻蝕壁材產生的雜質同燃料共沉積的滯留，這將嚴重影響粒子的再循環(huán)、等離

2、子體性能、運行效率和安全。本論文就是圍繞氘、氦在等離子體面壁材料(PFM)中的滯留行為而展開的，著重研究了ITER裝置擬使用的兩種PFM材料C和W在被侵蝕后與燃料原子氘和氦原子共沉積滯留行為。
　　論文采用磁控濺射的實驗方法，模擬了在D2/He混合氣體氛圍中等離子體放電條件下，被侵蝕材料原子（碳或鎢）再沉積過程，并對含有氣體(D、He)原子在共沉積薄膜中的氣體滯留行為進行了研究。研究從單元素材料石墨碳開始，再到單元素材料多晶鎢，最

3、后到混合碳鎢材料。
　　論文的第一部分，用射頻磁控濺射在D2+He/Ar混合等離子體氣氛下，實驗模擬了氘、氦與碳原子共沉積過程，并對含氦的非晶氘化碳薄膜(He a-C∶D)樣品進行細致研究。通過控制變量法，改變氣體的氦氘流量比、基底溫度、基底材料等條件，研究了氘、氦在共沉積過程中的滯留和共沉積薄膜的特性。研究發(fā)現(xiàn)，在不同的基底上（Si和W）生長的含氦氘的碳薄膜樣品中，D的分布和生長速率是不同的;基底溫度的升高，能夠有效地減小薄膜中

4、氣體的滯留量;共沉積過程產生的含氘氦的碳薄膜為非晶薄膜，其結構隨氦引入的增加而變得更加無序化，但石墨碳的成分卻隨之增多并趨于飽和;在較高He濃度條件下，首次觀察到薄膜表面的氣泡、裂紋和碎片，薄膜表面的整體性因He的引入而被破壞。
　　論文的第二部分，利用相同方法，在D2+He/Ar混合等離子體氣氛下，實驗模擬了氘、氦與鎢原子共沉積過程，并對含氣體的鎢薄膜樣品進行了分析研究。通過改變混合氣體中的He分壓和基底溫度，分別研究了氦的引入

5、和基底溫度對薄膜中氘滯留和薄膜結構、形貌的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在D、He與W共沉積的薄膜中，He的滯留對薄膜中D滯留、薄膜晶體結構和表面形貌（起皮、剝落）有很大的影響;基底溫度的升高，極大地減少了D、He的滯留，并使得薄膜表面出現(xiàn)起皮和脫落現(xiàn)象。通過在不同基底上的共沉積層研究發(fā)現(xiàn)，基底粗超度的增加，能夠抑制薄膜表面出現(xiàn)的起皮和脫落現(xiàn)象。
　　論文第三部分，研究了在混合氣體D2/Ar或D2+He/Ar氛圍中的C-W共沉積過程，并對兩種氣

6、氛下生成的薄膜樣品的氣體滯留行為和薄膜特性進行了研究。對D2/Ar氣氛下制備的共沉積薄膜樣品研究表明:捕獲的D濃度與C/W原子比成正比關系，這說明C原子是D的主要捕獲中心;壓強增大時，C/W、D濃度在壓強為5.0Pa處有一個極大值。溫度的升高，使得C/W、D濃度和薄膜沉積速率減小，晶體結構趨向于石墨化，并有WC1-x晶體相的出現(xiàn)。當He引入后，發(fā)現(xiàn)He對D滯留和薄膜結構和形貌都產生了很大的影響，使得C/W值和D濃度都增大，但薄膜生長速率

7、沒有明顯變化; He的引入也使薄膜表面形貌發(fā)生了較大的變化，薄膜表面觀察到的納米顆粒尺度隨He引入量增加而增大，但未見氣泡產生?；譙i升溫至573K后，C/W和薄膜生長速率無明顯變化，但D、He的濃度顯著減少。這是由于溫度升高使薄膜結晶性增強，而C或WC1-x晶體相成分也隨之增多，這勢必減少D被C捕獲的幾率和C被D侵蝕的幾率。
　　綜上，在C、W同時用于PFM條件下，在PFM表面形成了含氣體原子的C、W和C-W共沉積薄膜。共沉積

8、過程中，D原子主要被薄膜中的C原子捕獲，C、W或C-W薄膜結構對D滯留也有直接的影響，如缺陷結構、C-W中的碳鎢化合物晶體相成分和結構等。He的引入使得共沉積過程復雜化，增加了薄膜晶體結構中的缺陷，影響了薄膜的結構和成分。一方面，它增加了薄膜中D滯留;另一方面，它又使薄膜表面無序化，顆粒度變大，或產生氣泡、剝落等現(xiàn)象，這會使得薄膜容易被載能的中性原子侵蝕而剝落掉，從而影響等離子體放電持續(xù)穩(wěn)定進行。提高基底溫度對氣體滯留、薄膜的結構和表面