【摘要】：在核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中第一鏡受到多種射線和高溫等離子體輻照,同時(shí)易于被第一壁與熱等離子體相互作用產(chǎn)生的各種雜質(zhì)污染,這導(dǎo)致目前第一鏡的使用壽命只有幾十秒,距離理想壽命半年的要求還有較大差距。因此,第一鏡制備及其在等離子環(huán)境下的濺射機(jī)制研究具有重要意義。第一鏡所采用的材料是影響其使用壽命的重要因素。與多晶金屬材料相比,非晶合金結(jié)構(gòu)均勻、各向同性,能避免多晶材料的取向選擇濺射,且制備工藝簡(jiǎn)單,易于光學(xué)拋光加工。而薄膜結(jié)構(gòu)反射鏡能夠依據(jù)使用環(huán)境不同需求,設(shè)計(jì)出不同的功能層結(jié)構(gòu),有利于優(yōu)化第一鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),及對(duì)其特殊功能的需求。 本文著重研究了塊體金屬玻璃和非晶薄膜材料第一鏡樣件的粒子濺射特性。所研制的第一鏡有Zr65A17.5Ni10Cu17.5、Zr63.7Al9.0Ni27.3和Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8塊體金屬玻璃樣件,薄膜第一鏡樣件有Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8非晶金屬薄膜、Al和Al2O3/Al薄膜。采用氫等離子體濺射和320keV高電荷態(tài)He2+離子束轟擊技術(shù)手段,研究第一鏡材料樣件的表面特性變化情況及機(jī)制,擬為核聚變實(shí)驗(yàn)裝置提供長(zhǎng)壽命、高反射率、抗等離子體濺射的第一鏡材料設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法,以促進(jìn)核聚變工程項(xiàng)目的發(fā)展。具體研究結(jié)果如下： (1)塊體金屬玻璃的氫等離子體濺射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著氫等離子體濺射時(shí)間的增長(zhǎng),金屬多晶鉬(Mo)和Zr6.5A17.5Ni10Cu17.5塊體金屬玻璃鏡面反射率逐漸降低,但Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8的鏡面反射率先降低后增高。其原因?yàn)闅涞入x子體濺射導(dǎo)致塊體金屬玻璃表面原子層發(fā)生自修復(fù)行為。 (2)塊體金屬玻璃和多晶鎢經(jīng)過320keV高電荷態(tài)He2+離子束轟擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Zr63.7Al9.0Ni27.3、Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8和多晶鎢鏡面反射率均降低,但表面粗糙度均未增高,反而有所降低。多晶鎢鏡面出現(xiàn)濺射坑,而金屬玻璃未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象,這表明金屬玻璃能有效避免多晶材料的取向選擇濺射現(xiàn)象,因此塊體金屬玻璃比多晶鎢更能滿足聚變堆系統(tǒng)對(duì)第一鏡性能的要求。 (3)塊體金屬玻璃在320keV高電荷態(tài)He2+離子束轟擊下,誘發(fā)了C和O在塊體金屬玻璃表面的沉積和注入,這是導(dǎo)致其反射率降低主要原因。Zr63.7Al9.0Ni27.3表層以O(shè)的滲入為主,滲入深度達(dá)到微米量級(jí),改變了合金表面層成分的特性；Co61.2B26.2Si7.8Ta4.8表層以C的沉積為主,C的表層滲入深度在400nm左右。 (4)結(jié)合金屬玻璃的熔煉和加工,拼接制作出100mm直徑的金屬玻璃靶材,在非平衡磁控濺射的實(shí)驗(yàn)條件下,實(shí)現(xiàn)了金屬玻璃結(jié)構(gòu)第一鏡的研制。通過光譜反射率的比較,表明塊體金屬玻璃和薄膜非晶光學(xué)特性基本一致,相比之下薄膜成分表面粗糙度較高,致密性差,有待于進(jìn)一步改進(jìn)工藝。通過鍍Cr薄膜的改性,能夠提高薄膜第一鏡在可見波段的光譜反射率,光譜反射變得更加均勻。因此,采用金屬玻璃合金靶,結(jié)合非平衡磁控濺射技術(shù),是制備金屬玻璃第一鏡的有效方法。 (5)通過熱蒸發(fā)的方法,分別在金屬導(dǎo)體(SS304鋼)、半導(dǎo)體(Si)、絕緣體(玻璃)基底上,制備了Al(/基底)和Al2O3/Al(/基底)的薄膜樣件。研究薄膜樣件在氫等離子體轟擊后表面特性變化。結(jié)果表明：濺射后Si基底薄膜樣件中Al2O3/Al薄膜發(fā)生了嚴(yán)重脫落,而Al薄膜樣件出現(xiàn)起泡現(xiàn)象；SS304鋼基底Al2O3/Al薄膜樣件出現(xiàn)起泡并有部分脫膜現(xiàn)象,而Al薄膜樣件表現(xiàn)較好耐濺射性能；玻璃基底的樣件,濺射后反射率穩(wěn)定,但表面出現(xiàn)了鹽類物質(zhì),表面材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。 (6)氫等離子體濺射Al(/基底)和Al2O3/Al(/基底)的薄膜樣件研究表明：在濺射過程中,沉積速度大于濺射刻蝕速度,在樣件表面上沉積了Fe、Zr、Cr、Sn等金屬元素的污染,但數(shù)量較少,并以氧化態(tài)形式出現(xiàn),厚度在10nm左右,為介質(zhì)薄膜,并導(dǎo)致反射率曲線發(fā)生紅移、反射率降低等現(xiàn)象。污染金屬元素的配位原子及原子團(tuán)有：O2-、OH1-、(CO)1-、CO32-、HCO31-等,Al/SS304樣件濺射后表面基本為金屬氧化物,而Al2O3/Al/玻璃的基底鏡面樣件(SiO2/Al/Al2O3)在濺射后表面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高,未出現(xiàn)相應(yīng)鹽類物質(zhì),同時(shí)樣件的反射率穩(wěn)定,也未出現(xiàn)介質(zhì)薄面所表現(xiàn)出來的紅移現(xiàn)象。因此Al/SS304、Al2O3/Al/玻璃和玻璃/Al/Al2O3實(shí)驗(yàn)樣件反射率和材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,具有耐等離子濺射的特點(diǎn),有望成為第一鏡的備選結(jié)構(gòu)方案。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL63;TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2527543