面向等离子体材料的溅射率研究

作     者：李洋 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：欧阳晓平

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：面向等离子体材料 溅射率 分子动力学 蒙特卡罗 

摘      要：面向等离子体材料的工作环境十分苛刻,其材料的选择决定着聚变堆装置的成功与否。碳基材料由于其高温承受能力好、不熔化只升华、具有高热导率和抗热冲击等优点是面向等离子体材料的重要候选材料。但是,当等离子体(氘原子、氚原子和氦原子)轰击碳基材料时,碳基材料所产生的溅射率高和氚的滞留率高等问题严重影响了其在聚变堆中的进一步使用。因此,研究碳基材料的溅射率有着重要的意义。本文通过分子动力学和蒙特卡罗相结合的方法,分别从粒子入射能量、入射粒子种类和基底温度三个因素对石墨、碳化硅和碳纤维增强碳化硅材料的溅射率进行计算与对比。计算表明:(1)石墨的溅射峰值在入射能量为25eV～50eV,碳化硅的溅射峰值在入射能量为200eV,碳纤维增强碳化硅材料的溅射峰值在入射能量为400 eV～500eV;(2)相同入射能量,石墨的溅射率碳化硅的溅射率碳纤维增强碳化硅材料的溅射率;(3)入射粒子种类对石墨的溅射率影响明显,溅射率随入射粒子的原子质量的增加而增大;而入射粒子种类对碳化硅及碳纤维增强碳化硅材料的溅射率影响不大;(4)基底温度对石墨的溅射率影响明显,溅射率随基底温度的升高而增大;但基底温度对碳化硅及碳纤维增强碳化硅的溅射率影响相对较小。此外,本文还研究了碳纤维增强碳化硅材料的溅射率随碳浓度和粒子入射角度的变化。计算可得:(1)当碳纤维增强碳化硅材料中碳的浓度为0.60～0.62左右时,溅射率达到最小值;(2)当入射角度小于30°时,溅射率几乎没有太大的变化,当入射角度大于30°时,溅射率随入射角度的增大而迅速降低。综合上述几种因素考虑,与石墨和碳化硅相比,碳纤维增强碳化硅材料更适合作为面向等离子体材料。