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我室在表面粗糙对离子滞留和溅射影响方面取得新进展

 在磁约束核聚变装置中,氢氦在面向等离子体材料(如BeCW)中的滞留和表面溅射是制约材料服役性能、氚(T)自持和等离子体稳定放电等重要问题的关键。在高温等离子体的强烈作用下,材料表面会自发产生严重的损伤和微观结构演化(如侵蚀、溅射、沉积、熔化和重构等),从而产生复杂的表面几何形貌(如表面粗糙、凹点、纳米/绒毛结构、气泡、孔洞、表面起泡和微裂纹等)。复杂表面微结构会进一步影响氢氦的滞留和表面溅射,使得材料发生更为严重的性能退化,已成为制约面向等离子体材料应用的潜在危害。大量实验研究发现,随着钨表面结构粗糙程度的增加,氢氦的滞留量将成倍增加,同时表面溅射产额急剧降低。目前此现象的成因仍不明确。因此,有必要探究表面粗糙对离子注入(初级滞留)和表面溅射的影响机制,以分析和调控面向等离子体材料中的氢氦滞留和表面溅射行为。

    近期,我室李永钢博士和曾雉研究员与麻省理工学院的李巨教授和中国科学技术大学的丁泽军教授合作,基于自主开发的材料离子束初级辐照损伤模拟的三维MonteCarlo程序(IM3D)并发展随机粗糙表面模型(图1),系统研究了低能(0.1-1keVDHeAr离子辐照下表面粗糙度对离子在钨中滞留和表面溅射行为的影响。模拟结果显示,离子注入量随着材料表面粗糙度的增加而成倍增加(约2倍),而表面溅射产额随着粗糙度的增加而急剧降低(约1个数量级),这与实验测量获得了很好的一致(图2)。此现象是由于低能氢氦离子穿透深度(1-10nm)与表面纳米结构的尺寸相当,背散射/溅射粒子被周围粗糙峰遮蔽从而改变了表面的离子反照率,表现出了黑体的效果,即离子辐照反照率效应。这种由纳米结构遮蔽过程决定的粒子吸收增强效应会随着入射离子掠射角的增加而逐渐降低,但几乎不受入射离子种类和能量的影响。通过给出简单的分析公式(图3),建立起了离子注入量和表面溅射产额在光滑表面和粗糙表面间的定量对应关系,提供了一种由光滑表面的离子背散射系数/溅射产额直接预测不同粗糙表面的离子初级滞留量和溅射产额的简单途径。

离子辐照反照率效应加剧了核聚变中面向等离子体材料中的离子初级滞留和材料表面重构,但有利于降低材料的表面离子溅射产额和提高等离子体的稳定性。相关结论对离子束刻蚀、高比表面积材料设计和材料表面光吸收增强等相关领域也有一定的理论指导意义。

文章发表在Nuclear Fusion杂志上:Y.G. Li, Y. Yang, M.P. Short, Z.J. Ding, Z. Zeng and J. Li, Ion radiation albedo effect: influence of surface roughness on ion implantation and sputtering of materials, Nucl. Fusion 57, 016038(2017)。研究得到了国家自然科学基金面上和重点项目等的资助

文章链接:http://dx.doi.org/10.1088/1741-4326/57/1/016038

1. D离子在粗糙表面钨中的初级滞留分布。

2.钨粗糙表面与光滑表面的Ar离子溅射产额比随粗糙度的变化。

3. He离子注入量和表面溅射产额随钨表面粗糙度的变化。


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