第１６卷第３期 ２０１４年５月 大连民族学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄａｌｉａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏ１．１６．Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２０１４ 文章编号：１００９—３１５Ｘ（２０１４）０３—０２８９—０４ Ｈｅ离子辐照碳化钨样品的实验研究 杨 杞，刘东平，范红玉，刘纯洁，袁 凯 （大连民族学院物理与材料工程学院，辽宁大连１１６６０５） 摘ｃｍ～，要：采用能量为１００ ｋｅＶ的Ｈｅ离子辐照多晶碳化钨样品，Ｈｅ离子的辐照剂量为１．０×１０”ｉｏｎｓ・ 辐照温度从室温变化到６００ ｏＣ。通过ＳＲＩＭ软件模拟了离子的注入深度，利用导电式原子力显微 镜（ＣＡＦＭ）分析了多晶碳化钨样品在Ｈｅ离子辐照条件下微观结构的演化。结果表明，Ｈｅ离子辐照会导 致多晶碳化钨样品形成Ｈｅ泡，从而使样品表面发生肿胀。 关键词：辐照损伤；导电式原子力显微镜（ＣＡＦＭ）；Ｈｅ泡 中图分类号：０５３６ 文献标志码：Ａ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｗｏｌｆｒａｍ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｂｙ Ｈｅｌｉｕｍ Ｉｏｎｓ ＹＡＮＧ Ｑｉ，ＬＩＵ Ｄｏｎｇ—ｐｉｎｇ，ＦＡＮ Ｈｏｎｇ—ｙｕ，ＬＩＵ Ｃｈｕｎ－ｊｉｅ，ＹＵＡＮ Ｋａｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １６６０５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｙ—ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｗｏｌｆｒａｍ Ｃａｒｂｉｄｅ（ＷＣ）ｓａｍｐｌｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ １ ００ ｋｅＶ Ｈｅ ｉｏｎｓ ａｔ ｔｈｅ ｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ１．０×１０“ｉｏｎｓ・ａｍ－ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ２５～６００℃．Ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＳＲＩＭ．Ｍｉｃｒｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｉｒｒａ． ｄｉａｔｅｄ ＷＣ ｓａｍｐｌｅｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｎ——ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＣＡＦＭ）．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ Ｈｅ ｂｕｂｂｌｅｓ ａｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｌｅａｄ ｔｏ ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ；ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＣＡＦＭ）；Ｈｅ ｂｕｂｂｌｅｓ 能源关系着人类社会的进步和发展，近年来， 能源问题一直是世界各国关注的焦点，按照目前 大量的科研工作者对聚变堆面向等离子体材料进 行了广泛的研究 Ｊ，其中钨及钨合金由于具有 的消耗速度，传统能源在不久的将来就会枯竭，因 此迫切需要新能源的替代。与传统能源相比，聚 变能具有清洁和易采集的特点。国际热核实验反 应堆（ＩＴＥＲ）计划是通过国际合作加快核聚变研 究开发的一个重要标志。在聚变装置中，面向等 离子材料（Ｐｌａｓｍａ Ｆａｃｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＰＦＭ）是一种 高熔点、低溅射率、高热传导率以及很好的化学稳 定性，目前被认为是最有可能成为第一壁材料的 候选材料 。 聚变装置中，高能中子和高流强的Ｈｅ离子的 轰击可以使第一壁材料产生大量的缺陷，例如空 位、间隙原子簇以及Ｈｅ泡等 Ｊ，从而导致材料内 部形成空洞，表面发生肿胀。这些缺陷会影响聚 非常重要的材料 Ｊ，它承受从等离子体中发射出 来的高能中子、电磁辐射和高能粒子的强烈作 用 ｊ，直接关系到反应堆中等离子体的稳定性。 变反应器的寿命和运行稳定性，增加第一壁材料 中氘的滞留 。 收稿日期：２０１４—０３—１８；最后修回日期：２０１４—０４一Ｏ３ 基金项目：高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＤＣ１２０１０１１６）。 作者简介：杨杞（１９８０一），女，辽宁沈阳人，工程师，主要从事面向等离子体材料研究。 通讯作者：刘东平（１９７１一），男，辽宁铁岭人，学校特聘教授，博士，主要从事等离子体沉积与诊断研究，Ｅ—ｍａｉｌ： ｄｏｎｇｐｉｎｇ．１ｉｕ＠ｄｌｎｕ．ｅｄｕ．ａｎ。 ２９２ 大连 民族学 院 学报 第１６卷 ｏｒ可以通过下面的公式进行计算： Ｖ ｑ。 ｑ‘百， 式中， 为电子密度，ｑ为电子电量， 为电子迁移 率， 为电子漂移速率，Ｅ为电场强度。其中电子 漂移速率 表示的是电子在电场作用下移动的快 慢，如果没有外加电场，则Ｖ的值为零。当Ｈｅ离 子注入到碳化钨样品中会形成损伤，如产生空位 及空位一Ｈｅ复合体，电子在移动的过程中受到阻 碍，漂移速率 下降，这就解释了为什么室温辐照 条件下电子发射阈值升高而导电性变差。Ｈｅ离 子注入碳化钨样品形成的空位在温度升高时会发 生热迁移，这种热迁移会有利于空位的聚集，通常 杂质原子、缺陷和晶界都可以成为捕获的中心，从 而形成小的纳米量级的Ｈｅ泡 。由于这种捕获 在Ｈｅ泡的周围，Ｈｅ的浓度相对下降，所以在 ＣＡＦＭ测量图片中纳米级的Ｈｅ泡是相对导电的。 ３ 结语 本文采用ＣＡＦＭ这种对样品无损伤的表征方 法成功测量了不同温度条件下Ｈｅ离子辐照的碳 化钨样品。注入样品中的掺杂Ｈｅ原子可以降低 电子的漂移速率，从而引起碳化钨样品电子发射 特性的变化。测量表明，样品中Ｈｅ原子的热扩散 作用导致注入层纳米级Ｈｅ泡的形成和生长，进而 在碳化钨样品的表面形成肿胀。Ｈｅ泡的尺寸和 密度与辐照温度之间有着明显的依赖关系，随着 辐照温度的升高，碳化钨样品的损伤程度加剧。 参考文献： ［１］ＦＥＤＥＲＩＣＩ Ｇ，ＳＫＩＮＮＥＲ Ｃ Ｈ，ＢＲＯＯＫＳ Ｊ Ｎ，ｅｔ ａｌ Ｐｌａｓｍａ—ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏｋａｍａｋｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｓｔｅｐ ｆｕｓｉｏｎ ｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｎｕ— ｃ１．Ｆｕｓｉｏｎ，２００１，４１：１９６７—２１３７． ［２］ ＺＨＯＵ Ｈ Ｂ，ＬＩＵ Ｙ Ｌ，ＺＨＡＮＧ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｆｉｒｓｔ—ｐｒｉｎｃｉ— ｐｉｅｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｅｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｉｔｅ ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｈｅ ｉｎ ａ Ｗ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ［Ｊ］．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕ．ａｎｄ Ｍｅｔｈ． Ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ，２００９，２６７：３１８９—３１９２． ［３］ｗｕ Ｃ Ｈ，ＡＬＥＳＳＡＮＤＲＩＮＩ Ｃ，ＢＯＮＡＬ Ｊ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｓｃａｆ－ ｆｉｄｉ—Ａｒｇｅｎｔｉｎａ Ｆ．ａｎｄ Ｗｆｉｒｚ Ｈ．２００１ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｒ＆Ｄ ｏｎ ｐｌａｓｍａ—ｗａｌｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ，ｎｅｕｔｒｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｔｒｉｔｉｕｍ ｒｅｍｏｖａｌ ｉｎ ＩＴＥＲ ｐｌａｓｍａ ｆａｃｉｎｇ ｍａｔｅ— ｉｒａｌｓ［Ｊ］．Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｇ．Ｄｅｓ．，２００１，５６—５７：１７９— １８７． ［４］ＴＹＢＵＲＳＫＡ Ｂ，ＡＬＩＭＯＶ Ｖ Ｋ，ＯＧＯＲＯＤＮＩＫＯＶＡ Ｏ Ｖ， ｅｔ ａ１．Ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｌｆ—ｄａｍａｇｅｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ［Ｊ］．Ｊ．Ｎｕｃ１．Ｍａｔｅｒ．，２００９，３９５：１５０—１５５． ［５］ＷＡＴＡＮＡＢＥ Ｙ，ＩＷＡＫＩＲＩ Ｈ，ＹＯＳＨＩＤＡ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ｆｏｒ— ｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｌｏｏｐｓ ｉｎ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｕｎｄｅｒ ｈｅｌｉｕｍ ｉｏｎ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ：Ｒａｔｅ ｔｈｅｏｒｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］． Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒｕ．ａｎｄ Ｍｅｔｈ．ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｂ，２００７，２５５： ３２—３６． ［６］ＴＯＫＵＮＡＧＡ Ｋ，ＦＵＪＩＷＡＲＡ Ｔ，ＥＺＡＴＯ Ｋ，ｅｔ ａ１． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｈｅｌｉｕｍ ｍｉｘｔｕｒｅ ｂｅａｍ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｍａｔｅｉｒａｌｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｎｕｃ１．Ｍａｔｅｒ．， ２００９，３９０—３９１：９１６—９２０． ［７］ＯＧＡＷＡ Ｔ，ＨＡＳＥＧＡＷＡ Ａ，ＫＵＲＩＳＨＩＴＡ Ｈ，ｅｔ ａ１． Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｂｙ Ｈｅｌｉｕｍ —ｉｏｎ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ａｌｌｏｙ Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｌｌｏｙｉｎｇ［Ｊ］．Ｊ．Ｎｕｃ１．Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈｎｏ１．， ２００９，４６：７１７—７２３． ［８］ＦＡＮ Ｈ Ｙ，ＹＡＮＧ Ｄ Ｍ，ＳＵＮ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｅ— ｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅ ｉｏｎｓ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｉｆｌｍｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ［Ｊ］．Ｎｕｃ１．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｂ，２０１３， ３１２：９０—９６． ［９］ＢＪＯＲＫＡＳ Ｃ，ＶＯＲＴＬＥＲ Ｋ，ＮＯＲＤＬＵＮＤ Ｋ．Ｍａｊｏｒ ｅｌｅ— ｍｅｎｔａｌ ａｓｖｍｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ＷＣ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，２００６，７４：１４０１０３（Ｒ）． ［１０］ＩＷＡＫＩＲＩ Ｈ，ＹＡＳＵＮＡＧ Ｋ，ＭＯＲＩＳＨＩＴＡ Ｋ，ｅｔ ａ１． Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｄｕｒｉｎｇ ｌｏｗ—ｅｎｅｒｇｙ ｈｅｌｉｕｍ ｉｏｎ ｉｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ．Ｎｕｃ１．Ｍａｔｅｒ．，２０００，２８３ —２８７：１１３４—１１３８． （责任编辑邹永红）
