辐照温度对钨材料表面微结构的影响

安泰岩 范红玉 王 研 王 翔 李 月

（大连民族学院 物理与材料工程学院 大连 116600）

辐照温度对钨材料表面微结构的影响

安泰岩 范红玉 王 研 王 翔 李 月

（大连民族学院 物理与材料工程学院 大连 116600）

本文采用100 eV的He+对钨进行辐照实验，考察了辐照温度变化（室温-800 °C）对钨材料的表面损伤作用。分别采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)、透射电镜(Transmission Electron Microscope, TEM)、导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)以及X射线衍射(X Ray Diffraction, XRD)技术对辐照后样品的微观形貌、内表面缺陷分布以及晶格结构进行了分析。结果表明，He+辐照后钨样品表面出现了纳米绒毛结构层，这种结构层组织间的间距及覆盖率都随辐照温度的增加而增加。纳米结构层会造成样品表面损伤，产生表面离域化，但不会引起钨晶相的改变。通过无损伤的CAFM检测技术证实了样品表面绒毛结构层的形成与样品内表面纳米尺寸He泡的形成有关。

钨，辐照损伤，氦泡

钨材料具有高质量数、高熔点、高热导率、低溅射率等优点，被认为是最有前景的一种面向等离子体材料(Plasma Facing Materials, PFM)[1-2]。在国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)以后的堆型设计中，全W-PFMs概念已经成为共识。但是在聚变服役条件下，钨材料要受到14 MeV中子辐照、高热负荷、低能（几十电子伏至几千电子伏）、高通量（通量高达1022-1024m-2·s-1）氢氦等离子体辐照而发生损伤，导致钨材料的力学和热学性能下降，服役时间缩短，严重影响聚变装置的安全性和可靠性。因此，研究在聚变辐照条件下，钨材料的损伤过程具有重要的意义[3-7]。

本文研究了温度对低能大流强He+辐照引起的钨材料表面损伤作用，采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)、导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)以及X射线衍射(X Ray Diffraction, XRD)等复合技术分析了温度对钨材料表面形貌、辐照缺陷等形成过程的影响。本工作对于认识辐照缺陷的大小、分布等特征与钨样品微观形貌组织间的关系，探讨钨材料的辐照损伤机制，推动聚变堆关键材料的发展上具有重要意义。

1 实验方法

He+辐照实验在实验室自主设计和搭建的等离子体辐照实验平台上完成，其原理示意图见图1。

图1 等离子体辐照实验平台原理图Fig.1 Schematics of plasma irradiation experiment system.

该系统由离子源系统、离子引出系统、真空排气和检测系统、偏压引出系统、激光加热系统、温度监测系统等组成。与弧放电离子源辐照装置相比，该设备采用高密度射频(Radio Frequency, RF)离子源，可产生大流强(约1021ions·m-2·s-1)H+、He+离子流，性能稳定（运行时间可达数十小时以上），可实现长时间大剂量辐照实验。同时，该系统采用激光加热技术，基底温度可加热至上千度；采用基底偏压技术，可严格控制H+和He+离子能量，使之在5-1000 eV连续可调。通过改变放电功率、负偏压以及激光器功率等方式对等离子体束的流强、能量、基底温度等参数进行调控，开展等离子体辐照方面的研究工作。本实验中的反应条件为：He+能量为100 eV，He+辐照剂量为1×1025ions·m-2，He+流强为6×1020m-2·s-1，调整激光器功率，使得基底温度分别控制在室温、400 °C、600 °C和800 °C。

采用SEM和TEM对不同辐照温度下样品的表面形貌进行了分析。采用CAFM对样品的表面形貌和内部缺陷的漏电流分布进行了表征。采用XRD对钨的晶格结构进行了初步分析。

2 结果与讨论

2.1表面形貌分析

首先采用SEM对不同温度辐照下样品的表面形貌进行了分析。如图2所示，钨材料经低能大流强He+辐照后，表面形貌发生了明显改变。在室温辐照下，样品表面出现了具有一定取向的绒毛状组织。随着辐照温度的增加，绒毛组织间的间距逐渐增大，绒毛组织呈现增长的趋势、绒毛区域的覆盖率逐渐增加。

图2 样品在不同辐照温度下的表面形貌图Fig.2 Surface morphology of the samples irradiated at different temperatures.

通过样品的透射电镜照片也可以清晰地看到样品表面的绒毛结构层。如图3所示， 样品表面的绒毛长度约为2 nm，且已与表面发生明显的离域，破坏了样品表面的晶体结构，后面的XRD数据也进一步验证了这个结果。Baldwin等[8]采用25-60 eV He+辐照钨样品时也发现辐照后样品表面存在纳米结构的绒毛层，这种结构层的孔隙率达到90%。纳米结构层的形成会改变钨材料的一些物理化学特性，如绒毛结构层会加快材料表面的热量传递，降低材料表面的熔点，负载较大热负荷时更易熔化，改变材料的力学性能等，另外绒毛结构层的存在也会大大增加氘氚滞留量。而关于绒毛结构层形成的原因多归结于样品内部高压He泡的形成。

图3 He+辐照后钨样品的TEM照片(600 °C)Fig.3 TEM photo of the W sample after He+ irradiation (600 °C).

2.2导电性分析

为了验证绒毛结构层的形成是否与样品内表面He泡的分布相关，我们采用导电原子力显微镜对样品表面形貌和辐照缺陷分布之间的关系进行了分析。CAFM是在AFM基础上发展起来的一种用于研究材料局部电学缺陷的技术。CAFM与普通AFM最大的区别是所用的针尖为导电针尖。在样品和针尖之间施加一恒定偏压，可以获得样品内电子发射图像，即样品内局域缺陷的漏电流分布[9-11]。CAFM检测可同时得到样品的表面形貌图和内部缺陷的漏电流分布图。从表面形貌图像中，可以直接比较材料表面的肿胀情况。钨材料经过离子辐照后，会在晶格内部产生大量缺陷，缺陷处的电子发射密度会发生改变，因此通过电流分布图像就可以得到样品内部缺陷分布、大小及形态等特征。研究表明，CAFM技术可以有效地比较样品表面微结构与内表面缺陷分布之间的关系，对于损伤层附近的缺陷及He泡检测也比较敏感，且相对于其他传统表征方法而言，该方法简单、非破坏性[12-13]。

图4为不同辐照温度下钨样品的表面形貌（左）和缺陷的漏电流分布（右）图像。从形貌图中可以看出，随着辐照温度的增加，样品表面形成有序性的绒毛状结构，且绒毛组织覆盖率增加，绒毛组织间的间距逐渐增大，这与扫描电镜结果是一致的。从漏电流分布图中可以看出，导电缺陷点的分布与绒毛结构组织的分布基本对应。导电缺陷点为圆形或者椭圆形，尺寸在10-50 nm之间，可归属为样品内表面的He泡缺陷。而且随着辐照温度的增加，He泡的密度和尺寸都在逐渐增加。这主要是因为钨材料在载能He+的轰击下会产生空位、杂质、位错等晶格缺陷。这些缺陷会成为捕获He的不饱和陷阱，随着He的不断聚集和迁移，小的缺陷逐渐聚集形成纳米尺寸的He泡缺陷，He泡缺陷的存在造成钨材料表面电子发射发生改变，从而形成具有一定形状和取向的电流分布图像。Shin等[14]指出当样品表面温度增加时，这些内表面的高压He泡会逐渐迁移至样品表面，最后冲破表面，在表层形成粗糙的纳米结构绒毛层。CAFM的实验结果则直接给出了样品表面绒毛组织结构与样品内表面He泡缺陷分布相关的证据，进一步验证了Shin的结论。

图4 采用CAFM测得样品在不同辐照温度下的表面形貌（左）和漏电流分布（右）Fig.4 Conductive atomic force microscopy analysis of the surface morphology (left) and current (right) of the samples irradiated at different temperatures.

2.3晶体结构分析

为进一步说明He+辐照对钨材料的损伤行为，采用XRD对样品的晶体结构进行了分析，结果如图5所示。在图谱中出现了明显的多晶α型W的(110)、(211)、(100)衍射峰，其中衍射主峰是W(110)衍射峰，没有其他杂峰和β相W的出现。随着辐照温度增加，W(110)衍射峰逐渐减弱，衍射峰位置逐渐向大衍射角偏移，晶格常数增加。这可能是因为辐照温度的增加更有利于He原子的聚集，导致钨材料内部缺陷增加以及晶格的畸变，造成样品表面结构有序度的降低，但是辐照并不会明显改变W的晶型结构。

图5 不同辐照温度下钨的XRD谱图Fig.5 XRD spectra of the W samples irradiated at different temperatures.

3 结语

He+辐照钨后会明显改变钨样品的微观形貌，从而降低了钨材料的物理化学性能。本文采用SEM、TEM、XRD以及CAFM表征方法分析了He+辐照温度对钨材料的表面的损伤作用。结果发现，钨材料经低能大流强He+辐照后，会在样品表面形成纳米绒毛结构层，这种结构层组织间的间距和覆盖率随着辐照温度增加。XRD和TEM的结果表明，这种纳米结构层的形成会造成样品表面离域化，使得样品结构的有序性降低，但不会明显改变钨材料的晶型结构。通过无损伤的CAFM检测技术表明，样品表面绒毛结构层的分布与样品内表面He泡缺陷的分布具有一定的对应关系。这进一步证实了样品表面绒毛结构层的形成与样品内表面纳米尺寸He泡的形成相关，这对于深入理解钨材料微观组织结构的形成过程具有重要意义。

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CLCTL62+7

Influence of irradiation temperature on the surface damage of tungsten

AN Taiyan FAN Hongyu WANG Yan WANG Xiang LI Yue
(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Background:In fusion reactors, W suffers from the displacement damage caused by high energy neutrons, and surface damage, such as blistering, erosion, and sputtering caused by low-energy (tens of eV to several keV) and high-flux (1020-1024m-2·s-1) helium and hydrogen ions.Purpose:The understanding of the behavior of W materials in fusion environment is a major issue of the material-related stake of fusion reactors.Methods:W samples were irradiated with low-energy (100 eV) and high-flux (6×1020ions·m-2·s-1) He+at a sample temperature changing from room temperature to 800 °C to a fluence of 1×1025ions·m-2. Microscopic evolution of these samples was carried out using scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), conductive atomic force microscopy (CAFM) and X-ray diffraction (XRD).Results:Analysis indicates that the nanometer-sized fibre-form structure is formed in the surface of W. The spacing and the covering degree of the nanostructure increase with the irradiation temperature. Nanostructure layer may cause the damage of W surface, resulting in surface delocalized, but does not cause a change in the crystal phase of tungsten.Conclusion:Non-destructive conductive atomic force microscopy gives the direct evidence that the forming of the nanometer-sized fibre-form structure is related to the nano-sized He bubbles. This is important for understanding the microstructure formation process of tungsten material.

Tungsten, Irradiation damage, He bubble

TL62+7

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090201

辽宁省大学生创新创业训练计划项目(No.201412026000028)和大连民族学院“太阳鸟”学生科研项目(No.tyn2014357)资助

安泰岩，男，1993年出生，2012年就读于大连民族学院攻读学士学位，研究领域为材料辐照损伤

范红玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2014-05-30，

2014-07-07