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(wú)限、無(wú)污染、不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未來(lái)能源的主導(dǎo)形式之一。在未來(lái)聚變裝置(如ITER)中，高功率的脈沖持續(xù)和累積運(yùn)行時(shí)間的大量增加以及隨之而來(lái)的高熱載荷，導(dǎo)致了嚴(yán)重的等離子體與面壁材料的相互作用和效應(yīng)，燃料滯留是其中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(chǎn)生包括直接注入引起的燃料滯留和因刻蝕壁材產(chǎn)生的雜質(zhì)同燃料共沉積的滯留，這將嚴(yán)重影響粒子的再循環(huán)、等離

2、子體性能、運(yùn)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(kāi)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(shí)驗(yàn)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(guò)程，并對(duì)含有氣體(D、He)原子在共沉積薄膜中的氣體滯留行為進(jìn)行了研究。研究從單元素材料石墨碳開(kāi)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(shí)驗(yàn)?zāi)M了氘、氦與碳原子共沉積過(guò)程，并對(duì)含氦的非晶氘化碳薄膜(He a-C∶D)樣品進(jìn)行細(xì)致研究。通過(guò)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(guò)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(zhǎng)的含氦氘的碳薄膜樣品中，D的分布和生長(zhǎng)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(guò)程產(chǎn)生的含氘氦的碳薄膜為非晶薄膜，其結(jié)構(gòu)隨氦引入的增加而變得更加無(wú)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(shí)驗(yàn)?zāi)M了氘、氦與鎢原子共沉積過(guò)程，并對(duì)含氣體的鎢薄膜樣品進(jìn)行了分析研究。通過(guò)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(duì)薄膜中氘滯留和薄膜結(jié)構(gòu)、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(duì)薄膜中D滯留、薄膜晶體結(jié)構(gòu)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(guò)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(guò)程，并對(duì)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(jìn)行了研究。對(duì)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(guān)系，這說(shuō)明C原子是D的主要捕獲中心;壓強(qiáng)增大時(shí)，C/W、D濃度在壓強(qiáng)為5.0Pa處有一個(gè)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(jié)構(gòu)趨向于石墨化，并有WC1-x晶體相的出現(xiàn)。當(dāng)He引入后，發(fā)現(xiàn)He對(duì)D滯留和薄膜結(jié)構(gòu)和形貌都產(chǎn)生了很大的影響，使得C/W值和D濃度都增大，但薄膜生長(zhǎng)速率

7、沒(méi)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(jiàn)氣泡產(chǎn)生。基底Si升溫至573K后，C/W和薄膜生長(zhǎng)速率無(wú)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(jié)晶性增強(qiáng)，而C或WC1-x晶體相成分也隨之增多，這勢(shì)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(shí)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(guò)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(jié)構(gòu)對(duì)D滯留也有直接的影響，如缺陷結(jié)構(gòu)、C-W中的碳鎢化合物晶體相成分和結(jié)構(gòu)等。He的引入使得共沉積過(guò)程復(fù)雜化，增加了薄膜晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，影響了薄膜的結(jié)構(gòu)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(wú)序化，顆粒度變大，或產(chǎn)生氣泡、剝落等現(xiàn)象，這會(huì)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(jìn)行。提高基底溫度對(duì)氣體滯留、薄膜的結(jié)構(gòu)和表面