利用原位核反应、微束反冲核和次级离子质谱分析技术研究氘离子束在金属中沉积的微观动力学行为

Investigation of the deuteron/proton micro-dynamic behaviors in metals is going to be carried out in this project. The W, Mo, Be,stainless steel,Zr and Ti etc construction material in fusion and fission reactors are used as targets. High intensity ion beam implantation and weak ion beam analysis are used in the experiment. The yield and spectrum of D-D reaction are used to monitor the deuterium concentration,distribution and diffusion. High resolution and micro elastic recoild detection analysis(ERDA) and secondary ion mass-spectrometer(SIMS) are used to obtain the three-dementional distribution of deuterium inside targets in nanometer(depth) or micrometer(lateral) scale. Thus, the micro-dynamic behaviors of deuteron/proton may be investigated with the analysis methods. The influence and mechanism of radiation defect to deuterium distribution may be also studied. The topic in this project is a focus point of nuclear material research. Some new phanomena and mechanism may be found by applying the in-situ and other advance analyses. The in-situ D-D nuclear reaction analysis is a new developed method by us. It is an unique and useful tool to study the deuterium plasma and first wall interaction in fusion reactor. The participation of co-workers from National University of Singapore may provide the ERDA, micro-ERDA and SIMS analysis, which extends our research ability significantly. Some high quality work are expected to be carried out.

本项目旨在研究载能氘离子束轰击金属靶材料并在靶内沉积、扩散的微观动力学行为。靶材料为W、Mo、Be和不锈钢等聚变堆第一壁候选材料以及Zr、Ti等裂变堆结构材料。实验方法采用强流离子束注入结合弱流离子束分析,通过监测注入过程中发生的D-D核反应强度和能谱实现对氘浓度及分布的实时、原位分析，并利用高分辨反冲核、微束反冲核和二次离子质谱分析技术，在微纳米尺度测定靶中氘的三维立体分布。进而精确描述载能氘离子在相关功能材料中的微观动力学行为，并揭示辐照效应对材料中氘行为的影响机制，为其在聚变堆、裂变堆中的工程应用提供科学依据。研究内容是国际核能材料领域最为关心的基础科学问题，研究方法汇集了国内外最先进的分析技术。其中利用D-D核反应实时、原位分析氘的沉积、分布和扩散规律具有原创性和特异性，为等离子体与第一壁材料相互作用研究提供了独特的工具。新加坡国立大学专家的加入，为项目实施提供了分析技术保障。

氢同位素离子注入反应堆相关的金属靶材料时，其在靶内将发生沉积、扩散、束缚和解束缚等微观动力学行为，并对材料性能产生影响。因此，本课题研究了载能氢氘离子在多种反应堆金属材料中的动态沉积及静态滞留行为。.1) 利用日本东北大学的低能强流离子束平台，完成了Be、Mo、W、Zr和Ti的注入和核反应分析实验。结果表明：这三种材料中的饱和氘浓度与注入离子能量无关；饱和氘浓度存在明显的材料相关性；当材料表面损伤后，氘浓度有一定程度的下降；.2) 完成了储氢材料Pd中氘的注入和核反应分析实验，获得了束流注入时的动态氘浓度及停束后的静态氘浓度，并分析了金属Pd中氢的注入、扩散和束缚等过程。结果表明在金属Pd中，氘浓度中的非稳定束缚部分正比于自由扩散氘浓度；吸附系数/解吸附系数之比为628，该比值与材料损伤特性和氢的注入方式有关；.3) 与新加坡国立大学合作，利用弹性反冲核分析方法(ERDA)获得了长期放置后Be、Mo、W、Zr和Ti中氘的静态滞留浓度。通过对比动态平衡和静态残留氘浓度结果，发现离子注入时氘存在多种形式，包含稳定束缚态以及不稳定成分，不稳定成分的形态和比例存在明显的材料相关性。对W材料的分析结果表明：动态饱和浓度较静态浓度高1个量级，这与材料中出现的肿胀、气泡有关；辐照损伤及气泡的形成进一步改变了注入区钨材料的结构，气泡相互连接形成了直达表面的多孔结构；束流注入时，这些弯曲的多孔结构中可以储存氘气，停束后，这部分气体则可通过这些孔道扩散出去；.4) 依托美国西北太平洋国家实验室的飞行时间-次级离子质谱仪，测量了在低能高剂量氢离子注入情况下，被束缚的氢在多晶钨中的分布行为以及退火效应；.5) 完善了兰州大学低能强流离子束/电子束注入平台，并进行了一系列W中氢离子的注入实验，同时利用透射电镜研究了载能氘离子在材料中的成泡行为。.综上，本课题圆满完成了研究任务和目标。受项目资助，共培养5名博士研究生，4名硕士研究生，发表各类学术论文7篇，参加国际会议6次。