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等离子体辐照效应对钨材料表面改变的研究

等离子体辐照效应对钨材料表面改变的研究

作者：李超北京工业大学

学位级别：硕士

可控热核聚变装置“托卡马克”以及未来核反应堆中材料的发展将是决定聚变能源能否成功应用的关键因素,尤其是面向等离子体材料的发展。钨是一种具有国防战略意义的稀有金属材料,钨材料具有熔点高、硬度高、热导率高、膨胀系数小以及优... 详细信息

可控热核聚变装置“托卡马克”以及未来核反应堆中材料的发展将是决定聚变能源能否成功应用的关键因素,尤其是面向等离子体材料的发展。钨是一种具有国防战略意义的稀有金属材料,钨材料具有熔点高、硬度高、热导率高、膨胀系数小以及优异的机械性能,使得钨材料在国防、航空、光电材料等诸多领域有着广泛的应用。在面向等离子体材料的发展过程中,由于钨材料的溅射低、不会与聚变中等离子体发生反应、对氘氚等离子体有着较低的滞留率等优点,钨的涂层、块体材料以及合金材料已经成为最具发展前景的面向等离子体材料。钨材料在作为面向等离子体材料服役过程中要不断承受高能粒子的轰击来保护内部材料并排除15%的聚变反应热能。在极端的工作条件下,钨材料表面会出现气泡、裂纹、熔蚀以及表面形貌改变等损伤,所以对钨材料进行等离子体辐照的研究在聚变领域具有重要的科研价值和工程应用价值,对新能源的开发具有深远意义。通过对MW-ECR装置的设计和改装后,使设备能够对钨材料以相对较大的等离子体束流密度(约1.5×1021/m2s)进行长时间稳定的辐照实验。采用改装后的MW-ECR设备进行了He、Ar、H以及Ar/He混合等离子体的辐照实验。在不同等离子体辐照条件下进行辐照实验,探讨等离子体辐照条件对材料表面改变的影响。研究发现:改变等离子体束流密度和辐照剂量对钨样品的溅射损伤有所影响,改变等离子体束流密度对样品溅射程度的影响比辐照剂量的影响更为突出;在混合等离子体辐照中对不同Ar/He气体的掺入比作为研究对象,研究发现随着混合气体中Ar气体比例的增加,样品表面因溅射引起的厚度损失量逐渐增加,但是当Ar气体含量超过约35%时,样品的表面的厚度损失量不会随着Ar气体含量的增加而增加。采用不同束密度氢等离子体对钨材料进行辐照,对不同辐照剂量的样品进行了表面形貌改变的分析并对比已有文献中氘等离子体辐照后的结果进行讨论,发现辐照后的样品表面不能够产生像氘等离子体滞留而产生的气泡,因辐照样品产生的凸起的数量会随着辐照剂量的增加而增加。采用光纤光谱仪对不同等离子体辐照条件的钨原子、He离子、Ar离子等粒子谱线强度进行测试,研究发现在同样的He等离子体辐照条件下,实验开端钨样品并没有产生溅射,随着辐照剂量的积累钨样品才会产生溅射效果。通过对钨材料在等离子体辐照过程中损伤机理的研究,丰富了低能大束流密度等离子体辐照领域的研究,对未来钨基材料在聚变领域的研究和发展有着重要和长远的意义。

关键词：面向等离子体材料钨材料等离子体辐照表面改变

低活化马氏体钢和钨在HT-7托卡马克中的等离子体辐照实验研究

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低活化马氏体钢和钨在HT-7托卡马克中的等离子体辐照实验研究

作者：李强合肥工业大学

学位级别：硕士

对于聚变托卡马克装置来说，第一壁材料抗等离子体辐照的性能非常重要，国际上也对此进行了广泛的研究。本论文着重研究了两种低活化马氏体钢CLAM、EUROFER97以及钨与托卡马克边界等离子体的相互作用。通过真空磁力传输系统将上述材料... 详细信息

对于聚变托卡马克装置来说，第一壁材料抗等离子体辐照的性能非常重要，国际上也对此进行了广泛的研究。本论文着重研究了两种低活化马氏体钢CLAM、EUROFER97以及钨与托卡马克边界等离子体的相互作用。通过真空磁力传输系统将上述材料小样品放入HT-7托卡马克装置的刮削层中，在经过802次(累计时间约为1200秒)等离子体放电实验后，取出样品，并对样品进行了分析。在对样品的活化分析中，没有发现样品有被明显活化的迹象。通过扫描电子显微镜(SEM)观察，发现某些样品的表面形貌发生了很大变化。低活化马氏体钢样品的表面产生了非常密集的小浮泡，钨样品的表面也产生了一些浮泡。在一些样品的表面，还观察到了等离子体灰尘以及明显的被等离子体冲击后的痕迹。另外，通过X射线光电子能谱分析(XPS)，发现样品表面的某些元素成分也发生了变化，而且由于硅化的结果，使得样品表面硅的含量随样品到等离子体的距离不同而变化。

关键词：低活化马氏体钢CLAM EUROFER97 钨 HT-7托卡马克装置等离子体辐照

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氮等离子体预辐照对钨中氘滞留的影响

中国有色金属学报 2019年第10期29卷 2356-2363页

作者：张瀚文吴有智乔丽王鹏兰州理工大学材料科学与工程学院兰州730050 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室兰州730000

利用直线等离子体模拟装置开展氮和氘等离子体注入钨的实验,采用微分干涉差显微镜(DIC)、场发射扫描电子显微镜(SEM)结合聚焦离子束(FIB)以及X射线光电子能谱仪,分别研究氮和氘等离子体辐照前后钨表面成分、形貌和微观组织结构的变化,... 详细信息

利用直线等离子体模拟装置开展氮和氘等离子体注入钨的实验,采用微分干涉差显微镜(DIC)、场发射扫描电子显微镜(SEM)结合聚焦离子束(FIB)以及X射线光电子能谱仪,分别研究氮和氘等离子体辐照前后钨表面成分、形貌和微观组织结构的变化,采用超高真空热脱附系统对氮等离子体预先辐照后钨中氘的捕获状态和滞留总量进行分析。结果表明:经氮辐照后,钨样品表面形成了氮化钨相,进一步注入氘等离子体后其表面起泡增多,氘在钨中的滞留总量升高。这是由于氮化钨相的形成阻碍了氘原子沿表面方向扩散逃逸,使氘原子在钨的亚表面过饱和聚集,导致钨中氘致起泡现象更加明显。

关键词：钨氘氮氘滞留等离子体辐照

氧等离子体辐照提高纳米Ag薄膜光催化性能研究

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氧等离子体辐照提高纳米Ag薄膜光催化性能研究

CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金的微观组织及抗辐照性能

中国真空学会2014学术年会

作者：洪流张冰何金俊张康方应翠合肥工业大学机械与汽车工程学院真空教研室

纳米Ag具有催化作用

关键词：光催化纳米银氧等离子体等离子体辐照

来源： cnki会议评论

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稀有金属材料与工程 2021年第11期50卷 4141-4148页

作者：宋若康张琳北京机电工程总体设计部北京100854 北矿检测技术有限公司北京102628

采用粉末冶金技术制备了CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金,并系统研究了合金的微观组织、力学性能及抗辐照性能。结果表明,CrMn0.3FeVCu0.06合金由bcc结构的固溶体基体和fcc结构的第二相颗粒组成,且由于合金的晶粒尺寸和第二相颗粒的尺寸较小,... 详细信息

采用粉末冶金技术制备了CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金,并系统研究了合金的微观组织、力学性能及抗辐照性能。结果表明,CrMn0.3FeVCu0.06合金由bcc结构的固溶体基体和fcc结构的第二相颗粒组成,且由于合金的晶粒尺寸和第二相颗粒的尺寸较小,晶界强化和弥散强化效应有效地提高了合金的强度和硬度。此外,由于第二相颗粒为fcc软相,颗粒起到弥散强化的同时又不会严重降低合金的塑性,因此,CrMn0.3FeVCu0.06合金同时具备高强度和优异的塑韧性。CrMn0.3FeVCu0.06合金的D等离子体辐照试验表明,在500 K、40 eV、1×10^(22) m^(-2)·s^(-1)的辐照条件下,合金内部产生辐照气泡需要的临界辐照剂量Φ_(cr)大于2.0×10^(25) m^(-2),远大于同等辐照条件下在多晶钨中产生气泡的临界剂量,合金的抗辐照鼓泡性能优于传统的多晶钨,且随着辐照剂量的增大,合金表面的辐照气泡尺寸逐渐增大。合金的纳米压痕测试结果表明,辐照温度和剂量对合金辐照硬化效应的作用是相反的,合金的硬度随着剂量的增大而升高,随温度的升高而降低,且由于CrMn0.3FeVCu0.06高熵合金中存在严重的晶格畸变和迟滞扩散效应,合金的辐照硬化效应对温度变化更敏感。

关键词：高熵合金粉末冶金等离子体辐照鼓泡辐照硬化

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核聚变装置中钨材料损伤行为的研究进展

稀有金属材料与工程 2018年第7期47卷 2262-2268页

作者：齐艳飞王波周景一李运刚田薇王亮北京工业大学北京100124 华北理工大学河北唐山063009

轻核聚变反应产生的核能是解决能源问题的有效途径。但核聚变堆中材料的工作环境苛刻,钨凭借其优异性能成为今后核聚变装置中最有前途的备选材料,然而纯钨用于聚变堆时,存在韧脆转变温度较高、再结晶温度低、辐照硬化和脆化以及难加工... 详细信息

轻核聚变反应产生的核能是解决能源问题的有效途径。但核聚变堆中材料的工作环境苛刻,钨凭借其优异性能成为今后核聚变装置中最有前途的备选材料,然而纯钨用于聚变堆时,存在韧脆转变温度较高、再结晶温度低、辐照硬化和脆化以及难加工等问题。因此,引入钨基材料以达到解决上述问题的目的。在此基础上,介绍了钨和钨基材料在等离子体辐照、高热负荷以及高能中子辐照作用下的损伤行为,讨论了损伤机理,并指出了尚需研究的若干关键问题。

关键词：等离子体辐照高热负荷中子辐照钨钨基材料

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化学气相沉积钨中氘热脱附特性的定量分析

材料热处理学报 2019年第11期40卷 91-95页

作者：王雪峰叶小球冯春蓉谌晓洪杨蕊竹饶咏初李强宋久鹏吴吉良表面物理与化学重点实验室四川江油621908 西华大学四川成都610039 厦门虹鹭钨铝工业有限公司福建厦门361021

利用不同升温速率的热脱附谱法(TDS)研究了化学气相沉积钨(CVD-W)经70 eV/D、1.3×10^25 D/m^2的氘离子辐照后,样品中氘的热脱附特性。结果表明:在该实验条件下,CVD-W中氘滞留总量在10^19 D/m^2量级;氘的脱附温度区间为400~800 K;脱附... 详细信息

利用不同升温速率的热脱附谱法(TDS)研究了化学气相沉积钨(CVD-W)经70 eV/D、1.3×10^25 D/m^2的氘离子辐照后,样品中氘的热脱附特性。结果表明:在该实验条件下,CVD-W中氘滞留总量在10^19 D/m^2量级;氘的脱附温度区间为400~800 K;脱附总量与升温速率呈负相关,且脱附温度区间会随着升温速率提高而向高温区漂移;CVD-W中氘的主要俘获位为位错或晶界,氘的脱附活化能为0.88 eV,缺陷激活能为0.81 eV。

关键词：化学气相沉积钨(CVD-W) 氘滞留等离子体辐照热脱附谱(TDS)

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不同连接方案下垂直场线圈的性能研究

核聚变与等离子体物理 2021年第3期41卷 274-279页

作者：谢飞汪献伟金环蒋磊顺德职业技术学院智能制造学院佛山528300 江苏理工学院机械工程学院常州213001 中国科学院等离子体物理研究所合肥230031 武汉学院信息工程学院武汉430212

基于热-结构耦合分析了欧姆热和等离子体辐照引起的垂直场线圈的温度变化,对垂直场线圈在不同连接方式下的电气参数进行了研究,提出了一种优化的线圈连接方案。计算结果表明,该优化方案有助于改善垂直场线圈的响应性能,并提高其对等离... 详细信息

基于热-结构耦合分析了欧姆热和等离子体辐照引起的垂直场线圈的温度变化,对垂直场线圈在不同连接方式下的电气参数进行了研究,提出了一种优化的线圈连接方案。计算结果表明,该优化方案有助于改善垂直场线圈的响应性能,并提高其对等离子体的控制能力。

关键词：垂直场线圈等离子体辐照时间常数等效电阻电感

二氧化钒薄膜的离子辐照效应及其光电性能研究

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二氧化钒薄膜的离子辐照效应及其光电性能研究

作者：秦晓楠深圳大学

学位级别：硕士

VO薄膜具有良好的热致相变特性,在68℃附近发生绝缘-金属态转变(MIT),并伴随着结构、光学、电学和磁学等性质的突变,因其在高低温环境下显著的红外调控效果引起了广大研究者的高度重视,在智能窗领域有很好的应用前景。但要完成VO薄膜在... 详细信息

VO薄膜具有良好的热致相变特性,在68℃附近发生绝缘-金属态转变(MIT),并伴随着结构、光学、电学和磁学等性质的突变,因其在高低温环境下显著的红外调控效果引起了广大研究者的高度重视,在智能窗领域有很好的应用前景。但要完成VO薄膜在该领域的成功应用需要解决低温沉积、降低相变温度、提高可见光透射率及薄膜颜色与环境色调匹配等问题。本文针对直流反应磁控溅射制备智能窗领域应用的VO薄膜,采用等离子体辐照后处理技术,研究降低相变温度和提高可见光透射率的等离子体处理参数。通过直流反应磁控溅射法在钠钙玻璃基底上制备完成VO薄膜样品。利用Ar/O2等离子体对VO薄膜进行表面辐照,分别改变等离子体辐照相关参数研究其对VO薄膜光电特性的影响变化趋势,研究内容包括:(1)研究了 Ar/O2混合等离子体处理辐照功率对VO薄膜光电特性影响。在氩氧比为100:50的等离子体中,分别在不同功率密度(0-550W)下对VO薄膜表面进行辐照。辐照后结晶度提高,结晶尺寸变大,使用小功率(0-400W)Ar/C2等离子体处理促进薄膜表面VO团簇的形成,功率进一步增大后有V2O5结晶生成。辐照后的样品在相变数量级,相变温度,热滞宽度上变化显著,相变前后全光谱透射率和可见光透射率随着辐照功率的增大被显著提高,日光能和红外调控率略微减弱。(2)研究了等离子体辐照中氩氧比对VO薄膜光电特性影响。样品被不同氩氧比的等离子体辐照后,固定氧流量为50sccm,随着氩流量增大,空间中氩等离子体的含量增多,在提高可见光透过率上氩等离子体起主导作用。实验结果表明氩流量的增大,薄膜的相变数量级变化不明显,相变温度和热滞宽度被提高。如氩氧比为120:50时,样品的可见光透射率得到显著提高,在室温25℃下可见光透射率由28%提高到45%,在高温70℃下可见光透射率由25%提高到40%。红外调控率略微削弱,由10%减小到5%。样品的相变温度被提高,由43.5℃提高到48℃。(3)研究氧等离子体辐照中辐照时间对VO薄膜光电特性影响。样品在氧等离子体中辐照不同时间后,样品中VO结晶含量显著提高尤其是辐照30min后的样品。固定氧流量改变等离子体辐照时间对薄膜的相变数量级影响不大,相变温度随着时间的增长整体表现增大的趋势。氧等离子体不同时间处理VO薄膜同样达到提高全光谱和可见光透射率的优异效果,并且所有样品都保持良好的日光光能和红外调控率。(4)研究了等离子体辐照中氧流量(无氩气)对VO薄膜光电特性影响。由实验结果得出氧等离子体不同氧流量辐照增大了薄膜中V205结晶含量,薄膜中VO含量随着氧流量的增大呈现先减小后增大的趋势。处理后的薄膜相变数量级整体呈现减小的趋势,热滞宽度呈现先增大后减小的趋势,而相变温度整体呈现减小的趋势。如被80sccm的氧等离子体辐照后,相变温度得到有效的降低,从51℃降低到45℃,相变温度改性效果非常显著。在光学性能的改性效果上,可见光透射率提高最显著如氧流量为80sccm的等离子体处理样品后,日光能调控率由11.5%变为7.9%,近红外波段调控率由20.5%变为13.6%,但是室温25℃的可见光透射率由27%提高到43.3%,高温70℃可见光透射率由22.8%提高到40%。

关键词： VO2薄膜等离子体辐照相变温度可见光透射率红外调控率