p/Ti离子注入ZrDx的辐照效应和同位素置换行为研究

作     者：赵嫚 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王铁山

授予年度：2022年

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

主      题：氘化锆靶膜 氢同位素行为 离子辐照损伤 D-T中子发生器 

摘      要：氘氚(D-T)中子发生器作为核技术应用、核材料研发及中子核数据测量的重要实验平台,被广泛应用于核装置研发、材料科学和核医学等领域。氚化锆(Zr T)金属靶膜具有优异的热稳定性、良好的储氢性能成为重要的氚靶候选材料。然而,离子源产生的氘离子、钛离子等多种离子束作用氚靶会改变靶中氢同位素浓度及靶膜微观结构,从而降低D-T中子产额。氚具有放射性,且非常贵重。本工作利用和氚化锆具有相似性质的氘化锆(ZrD)靶膜样品代替氚靶,通过将150 ke V的质子和240 ke V钛离子分别注入ZrD,来模拟研究氘、钛离子束注入对氚靶的影响。在方法上,利用多种离子束分析方法测量了辐照前后靶膜中主要元素的浓度变化,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射分析等多种测试方法表征了离子注入前后样品的表面形貌及微观结构变化。从而揭示了不同离子束辐照对靶膜中氢同位素浓度和靶膜辐照损伤的影响及内在机理,为评估和改进靶膜使用稳定性提供了参考依据。主要结论如下:1.质子注入ZrD薄膜诱发氢同位素置换及靶膜辐照损伤行为(1)在较低注量下,注入的H在ZrD薄膜中呈均匀分布;当注量高于1×10 protons/cm时,在辐照损伤严重区域(深度约600～750 nm范围),形成H原子浓度较高的区域,D浓度则在此处出现了急剧的下降。(2)随质子注入注量的增加,ZrD薄膜中的平均D/Zr原子数目比从1.51下降到1.39,而H/Zr则增加到0.626,即材料中发生了H-D置换现象。本工作提出了速率理论模型合理地描述了本实验观察到的氢同位素置换规律。(3)当注量达到1×10 protons/cm(移位损伤为3.6 dpa)时,ZrD表面产生了直径约100μm的圆形剥落区,暴露出Si基底,此时表面粗糙度最大,分析表明这是由大量H扩散到Mo/Si边界并聚集所致。(4)当质子注量大于3×10 protons/cm时,晶格畸变导致部分衍射峰几乎消失,但150 ke V质子注入并没有在ZrD中产生新相。2.钛离子注入ZrD薄膜对氘浓度和材料微观结构的影响(1)钛离子对表面原子的溅射作用导致薄膜表面出现不均匀的凹坑,粗糙度也略有增大。(2)钛离子在注入区呈高斯分布,平均射程约在150 nm处,这与SRIM模拟结果基本一致,表明注入的Ti在材料中无扩散现象。(3)氘在25～200 nm之间的分布基本上均匀,但深度在200 nm以后的氘含量有所降低,并且随着注量越大,前后氘分布的浓度差异越大。(4)随着钛离子注量增加到1×10ions/cm,注入区的钛含量随之增加,且与钛离子注入剂量呈正相关。注入区内D/Zr原子比平均值从1.77下降到1.6左右,这表明钛离子辐照造成了辐照区内氘的释放。(5)当注量大于6×10ions/cm,ZrD样品中出现了新物相分别为Ti D,Ti和TiO。上述研究结果,系统地研究了ZrD靶膜在高注量氘离子、钛离子束注入下的稳定性,以及氢同位素置换行为的物理机制,可为评估和改进氘/氚化锆靶膜使用寿命提供参考依据。