钨与钨铼合金中氦离子辐照诱导微观缺陷的热演化机理研究

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英文原题：

Thermal kinetics of micro-defects in He-ion implanted W and W5Re alloys

摘要

 钨（W）被广泛地认为是聚变堆中面向等离子体材料的最佳候选。聚变环境下高能量、高通量的中子辐照会产生大量的微观缺陷，并伴随嬗变元素铼（Re）的逐渐累积。同时，W材料内部嬗变He原子的滞留、扩散与聚集过程与辐照缺陷的相互作用密切相关，对W材料的宏微观结构和性能产生深远影响。

 近日，中国科学院高能物理研究所 曹兴忠研究员与赫尔辛基大学 卢二阳博士开展合作研究，在英文刊《Tungsten》上发表了题为“Thermal kinetics of micro-defects in He-ion implanted W and W5Re alloys”的研究成果。研究采用多能量氦离子束在室温条件下辐照金属W和W5Re合金制备辐照离子和缺陷深度分布的实验样品，运用可灵敏表征微观缺陷信息的正电子湮没谱学技术，系统地研究了材料内部辐照诱导空位型缺陷随温度（室温-1273K）变化的热力学行为以及演化、回复机制，结合高分辨扫描电镜观察了辐照材料表面的形貌变化。研究发现，室温条件下的He离子辐照引入的缺陷以小尺寸空位型缺陷为主，且随退火温度的升高聚集形成大尺寸空位团，并在高于1073K温度退火处理后湮灭回复。

成果介绍

金属钨具有高密度、高熔点、良好的热导率，低的物理溅射率以及低的氢滞留特性而被广泛应用于航空航天、国防军工、核聚变能的应用和研究领域。然而聚变环境下的高能量和通量的中子辐照将导致材料内部大量微观缺陷的聚集，并伴随嬗变核素的形成以及He气体原子的滞留。辐照导致的一系列微观结构的变化对于材料物理、机械性能将产生深远影响。因此，对于金属钨中微观缺陷的结构特征，以及不同热力学条件下缺陷-嬗变核素（Re）-滞留元素（He）之间的相互作用过程的研究对于理解材料性能至关重要。

本文采用多能量He离子符合注入方式在金属钨和W5Re合金的近表面区域形成损伤结构层，主要采用先进的能量可调的慢正电子束流技术，对于辐照材料内部的缺陷结构特征及其在室温-1273K不同温度条件下的热力学行为进行系统表征。研究发现，室温条件下不同能量的He离子辐照过程主要在钨基材料内部产生小尺寸的空位型缺陷结构。而辐照导致缺陷结构的热力学行为在纯钨和W5Re合金中表现出相似的演化特征。等时退火实验过程按照三个阶段展开分析：室温~673K，673~1073K和1073~1273K。

第一个阶段为空位型缺陷生长阶段，该阶段以小尺寸空位型缺陷为主；第二阶段为空位缺陷的聚集长大形成大型团簇过程，该阶段同时出现He-空位复合缺陷结构的分解。第三阶段为空位型缺陷的分解与回复过程，正电子湮没寿命急剧降低，但仍然表现空位团簇缺陷的特征。在1273K条件下退火后，大量辐照空位随着退火而发生回复。而在等时退火过程中，合金中的Re元素作为有效的氦聚集成核点对于材料中氦泡的聚集和长大行为具有积极的推动作用。

本研究基于先进的离子辐照和微观结构表征技术，系统分析了钨基合金材料内部微观缺陷的热力学演化机制，并对嬗变核素引入对于结构缺陷的形成和动力学演化过程的影响进行了有效分析。该研究结果对于理解钨基合金材料的结构和性能提供了一套有效的实验分析手段，并对未来聚变堆用面向等离子体材料的设计和发展提供有意义的数据支撑。

图文详情

He离子辐照

作者利用The Stopping and Ranges of Ions in the Matter（SRIM）计算机程序计算了W和W5Re中He离子辐照损伤（dpa）和He原子浓度（at.%）随深度的变化。如图1所示。因为W和W5Re合金之间的材料密度存在微小差异，W和W5Re缺陷和离子浓度分布曲线相似。

两种单能的He离子束分别在25nm处形成0.83dpa的位移损伤，在500nm处形成1.62dpa的位移损伤。另一种连续He离子辐照方式在材料的500nm范围内形成均匀损伤分布，位移损伤在1.45dpa水平线上下波动。He离子辐照实验是在中国原子能科学研究院200KV的He离子辐照加速器上完成的。

图1 a W-1、W-2和W-3中的He离子辐照损（dpa）伤随深度分布以及 b He原子浓度（at.%）随深度分布的SRIM计算结果。

正电子湮没寿命测量表征

W和W5Re合金的正电子湮没寿命测量结果如图2。正电子湮没寿命谱解析过程中，Kapton薄膜的源贡献为20%，寿命成分为382ps。用τ₁、τ₂和τ₃三个寿命分量进行谱分解，其中τ₃是样品表面以及样品-薄膜界面中正电子偶素的湮没寿命，τ₃的强度非常小（<1%），通常在不同金属的PALS表征中通常保持不变。τ₁是bloch-state下的正电子湮没寿命，在有缺陷的晶格结构中通常小于理想晶格中的正电子湮没寿命(τ_B)。τ₂是空位型缺陷处的正电子湮没寿命，其变化提供了辐照诱导缺陷动力学的重要信息。

I₁和I₂是τ₁和τ₂缺陷的强度。平均正电子湮没寿命由方程τm=（I₁τ₁+ I₂τ₂）/（I₁+ I₂）计算，它表示整个样品中有效开体积缺陷的平均正电子湮没寿命。在退火良好的W和W5Re中，自由态正电子湮没强度都达到了99%。平均正电子湮没寿命τ_m为~118ps，接近于无缺陷W的平均正电子湮没寿命（112ps）。在W中加入5wt. %Re元素可使退火良好的W5Re合金的平均正电子湮没寿命延长至134ps。

常温辐照后，W和W5Re合金中都出现了明显的寿命成分τ₂。热退火对正电子湮没寿命的影响是显著的。尽管如此，不同剂量和能量的W和W5Re合金的τm具有相似的热演化特征。辐照W-1、W-2和W-3的τ₂分别为197ps、193ps和181ps，它们接近单空位正电子湮灭的寿命~180 ps。然而加入5wt.%Re元素后，观察到的τ₂降低至~140ps。而纯W中位错环的正电子湮没寿命是~150ps。随着退火温度升高至673K，W和W5Re合金的τ₁和τ₂分别升高至~120ps和~350ps，而强度急剧下降。在这种情况下，空位可能来自位移级联损伤和He-空位复合物的解离，单空位和双空位的迁移和合并直接促进了小空位团簇的产生。在673～1073K温度范围内，正电子湮没寿命成分略有偏差，正电子湮没寿命为350ps，大概是4～8个单空位组成的三维空位团簇中的正电子湮没寿命。

高温加热促进了空位团簇的持续生长，可能形成强度较低的微孔洞，而这仍然是正电子的有效俘获位置。在该温度范围内，位错环数量的降低也是寿命增加的一个重要因素。在1273K退火时，τ₂显著降低至~240ps。在此温度下，线位错的数密度远低于位错环的数密度，此外，晶界在1073K以下作为空位沉积点，直接促使部分空位型缺陷通过晶界效应而发生退火。

图2 正电子湮没寿命（短寿命τ₁、长寿命τ₂和平均寿命τ_m）和强度（I₂）随退火温度从RT到1273K的变化。

基于慢正电子束流技术的多普勒展宽测量表征

图3 W-1、W-2和W-3分别在373K、573K、673K、773K、873K、1073K和1273K等时热退火1h后的a-c S-E曲线和d-f W-E曲线。为了进行比较，图中给出了W-annelaed和W-iradiated的S-E和W-E曲线，横坐标分别为正电子束能量（底轴）和对应的注入深度（顶轴）。

图4 W5Re-1、W5Re-2和W5Re-3分别在373K、573K、673K、773K、873K、1073K和1273K等热退火1h后的的a-c S-E曲线和d-f W-E曲线。为了进行比较，图中给出了W5Re-annelaed和W5Re-iradiated的S-E和W-E曲线，横坐标分别为正电子束能量（底轴）和对应的注入深度（顶轴）。

从图3和图4可以看到，退火良好的W5Re基体中正电子湮没特征参数约为0.43（对于低动量S参数而言），略高于W基体。在整个辐照缺陷表征范围内，W5Re合金中的缺陷更容易受到退火温度的影响。据报道，在HFIR（高通量同位素反应堆）中，中子辐照W-Re合金的微观结构发展受到嬗变Re积累的抑制。此外，辐照诱导的空位、位错或空位团簇可能是Re原子的强俘获位。由于Re团簇的钉扎效应，Re原子在一定程度上抑制了空位的生长和迁移。随着热退火温度的升高，空位团簇中的正电子湮没率降低。

其他研究结果显示，在623K时，空位型缺陷的性质将发生变化。当温度低于623K时，单空位在向表面迁移的过程中已经开始聚集成簇。在673K以上，以小尺寸团簇为代价的中等或大尺寸团簇的增长占主导地位。S参数的最小值都是在1073K处出现。

W中He具有的极低扩散势垒，798~1198K的高温将促进He向位错的快速扩散，形成了He团簇位错复杂复合物，同时螺旋位错节点是氦泡最可能的成核位置。这些都将导致1073K退火时正电子被缺陷俘获几率的降低。即使在这种情况下，仍然具有大尺寸的空位团簇。所有样品的S参数在1273K时急剧增加。在此温度下，空位和小位错环的数密度的降低，减少了大空位团簇的形核点。另一方面，不稳定的HenVm团簇的解离和微孔洞的崩塌会导致高密度的小尺寸团簇。这里需要注意的是，空位团簇的热演化是开放体积缺陷尺寸收缩和密度增长相互协同结果。

总结与展望

采用先进的正电子湮没谱学技术系统地研究了聚变第一壁候选材料W及其嬗变产物W5Re合金中He致缺陷在从室温至1273K环境下的热力学演化行为。研究发现无论是纯钨还是W5Re合金，辐照导致缺陷结构以小尺寸的空位型缺陷为主；对于辐照缺陷的热演化行为研究表明，纯钨和WRe合金中辐照空位的热力学特征是类似的，嬗变核素Re对于高温退火过程材料中氦泡的形核与长大过程具有明显的促进作用。该研究结果对于理解钨基材料的结构特性具有重要意义，并对未来聚变堆用面向等离子体材料的设计和发展提供有效参考。另外，本文所采用的先进离子辐照和微观缺陷表征技术相结合的方式，对于理解新型结构材料的物理性能具有重要意义。

引用

Liu YL, Song YM, Li L, Bai RY, Zhang P, Zhang QL, Jin SX, Zhu T, Lu EY, Cao XZ, Wang BY. Thermal kinetics of micro-defects in He-ion implanted W and W5Re alloys. Tungsten. 2021. https://doi.org/10.1007/s42864-021-00074-w

全文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00074-w

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专刊介绍

作者简介

卢二阳

赫尔辛基大学博士后研究员，2016年毕业于中国科学院大学，2017年至今分别在芬兰阿尔托大学和赫尔辛基大学从事博士后研究，先后主持国家自然科学基金青年项目和芬兰科学院博士后研究基金项目。

主要研究领域：主要从事铁/镍基、钨基合金材料以及新型多主元合金中辐照损伤缺陷的形成与演变机理以及氢/氦效应研究。在Acta Mater., J. Nucl. Mater., J. Appl. Phys, Fusion Eng. Des., Philos. Maga., 等期刊上发表SCI论文30余篇。

Email: [e-mail]

个人主页：https://researchportal.helsinki.fi/en/persons/eryang-lu

曹兴忠

中国科学院高能物理研究所研究员，2004年获兰州大学博士学位。20064-2006年在高能物理研究所从事正电子束流平台的建设工作（博士后），2006-2008年在日本高能加速器研究机构（KEK）从事正电子透射显微镜的研制工作（JST博士后），2008-2010年在京都大学原子炉研究所从事核结构材料辐照损伤的研究工作（博士后）。2010年通过“海外优秀人才”引进到高能物理研究所工作。

主要研究领域：主要研究方向为正电子谱学技术与束流技术的发展与应用研究；核能结构材料辐照损伤缺陷、氢/氦泡形成与演化、微量元素辐照偏析行为等研究；新型功能材料微结构、微缺陷等微环境信息的正电子谱学表征技术和方法研究；正电子/缪子与物质相互作用的模拟研究等工作。主要利用正电子湮没谱学技术对材料微观缺陷独特的灵敏表征优势，结合理论计算探索各种新型材料（如导体、绝缘体、半导体、聚合物和多孔材料等）宏观性能与原子尺度微观缺陷结构之间的内在联系和物理机理。

Email: [e-mail]

个人主页：

http://people.ucas.ac.cn/~0017397

https://www.researchgate.net/profile/Xingzhong-Cao

https://orcid.org/0000-0001-5011-5912

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