氘在低活化鐵素體/馬氏體鋼相關(guān)再沉積層中的熱脫附行為

喬 麗，張學(xué)希，2，賀 冉，張 弘，王 鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

1 前 言

托卡馬克中，第一壁材料與等離子體之間的相互作用研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)際熱核聚變堆(ITER)、中國(guó)磁約束聚變能研究裝置(CFETR)以及將來(lái)商用堆的高參數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至關(guān)重要[1-5]。隨著托卡馬克裝置及其參數(shù)的不斷改進(jìn)和提升，用作其第一壁的材料也在不斷更新。目前為止，鎢是作為第一壁材料的研究熱點(diǎn)，而低活化鐵素體/馬氏體(RAFM)鋼因其擁有較好的抗中子輻照性能和相比于鎢第一壁材料的較大經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是聚變裝置主腔室面對(duì)等離子體的主要候選材料之一[6-10]。由于直接面向等離子體環(huán)境，第一壁材料中會(huì)滯留大量氚(T)燃料，從而增加了反應(yīng)堆的燃料成本，并帶來(lái)安全隱患，因此了解第一壁材料的燃料滯留特性對(duì)于核聚變裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到重要作用[11-13]。當(dāng)用作第一壁材料時(shí)，RAFM 鋼材料將受到入射粒子的強(qiáng)通量和熱負(fù)荷作用。這種情況下，入射粒子將不可避免地從RAFM 鋼中刻蝕出其內(nèi)包含的鐵(Fe，RAFM 鋼中主要成分)、鉻(Cr，在RAFM 鋼中約占10 at.%)及鎢(W，RAFM 鋼中的高原子分?jǐn)?shù)復(fù)合材料)等原子，之后入射粒子與刻蝕出的原子將再沉積在RAFM 鋼附近表面，這些次生涂層將進(jìn)一步受到燃料等離子體的作用[13-15]。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于RAFM 鋼的研究，主要集中在其作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)氘(D)或T 在其中的擴(kuò)散滲透研究[16-18]，國(guó)外的研究則將重點(diǎn)放在關(guān)于氫(H)或D 與RAFM 鋼的相互作用理解上[6-8]，而針對(duì)RAFM 鋼用作第一壁材料時(shí)的再沉積涂層行為研究還未開(kāi)展。正如文獻(xiàn)[19]中所述，由于再沉積金屬涂層通常被認(rèn)為是一種富含缺陷的材料，其微觀結(jié)構(gòu)和D 滯留行為與塊體材料完全不同，因此需要考察這些再沉積層的氘滯留行為。本研究以氬氣(Ar)和氘氣混合氣氛環(huán)境中，磁控濺射制備的Fe、Cr及W 與D 的共沉積層為模型，模擬核聚變裝置中燃料等離子體作用下RAFM鋼第一壁材料的表面再沉積層，對(duì)比研究這些金屬及其與氘共沉積層的氘滯留和釋放行為。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室條件下考察兩種不同氘等離子體輻照環(huán)境，對(duì)上述涂層的氘滯留與釋放行為的影響。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為RAFM 鋼作為未來(lái)核聚變裝置面向等離子體第一壁候選材料的基礎(chǔ)研究提供一定的參考意義。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 涂層樣品制備

實(shí)驗(yàn)選用(001)方向的單晶硅(Si)基片作為襯底，采用磁控濺射設(shè)備，分別制備出Fe、Cr及W 與D 的共沉積層。在磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)頂部靶位，分別安裝Fe、Cr及W 靶(純度均為99.99%)，靶尺寸均為φ75 mm ×5 mm，靶中心與基體距離為80 mm。將裁切好的單晶Si基片分別置于無(wú)水乙醇和丙酮中，超聲清洗10 min，待自然晾干后置于真空室內(nèi)樣品臺(tái)上。參考文獻(xiàn)[20]中給出了關(guān)于本研究所使用磁控濺射設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)描述。

在磁控濺射沉積涂層前，首先將真空室抽至7×10-4Pa的背底真空度，然后通入流量為20 sccm 的Ar，調(diào)節(jié)真空室氣壓至2.5 Pa，通過(guò)施加500 V(頻率10 k Hz，占空比50%)負(fù)偏壓產(chǎn)生Ar等離子體來(lái)刻蝕清洗單晶Si基片20 min，以清除Si片表面的吸附物和氧化層。為了開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究制備了三組涂層：第一組涂層為純Fe、Cr及W 涂層，在磁控濺射過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)Ar流量為20 sccm、真空室氣壓為0.75 Pa，直流電源功率為200 W，根據(jù)Fe、Cr及W 的沉積速率，分別濺射純Fe、Cr及W 靶制備出約2μm 厚的純Fe、Cr 及W 涂層(分別用Fe layer、Cr layer 及W layer表示)；第二組涂層為Fe、Cr及W 與D 的共沉積層，在磁控濺射過(guò)程中通過(guò)使用20 sccm Ar 與10 sccm氘氣混合氣體，調(diào)節(jié)真空室氣壓至0.75 Pa，直流電源功率為200 W，分別濺射Fe、Cr及W 靶制備得到2μm 厚的Fe、Cr及W 與D 的共沉積層(分別寫為Fe&D layer、Cr&D layer及W&D layer)；第三組實(shí)驗(yàn)是在第二組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在樣品臺(tái)上施加-50 V的偏壓，制備得到約2μm 厚的Fe、Cr及W 與D 的共沉積涂層(分別標(biāo)示為Fe&D (bias)layer、Cr&D(bias)layer及W&D(bias)layer)。

2.2 氘等離子體輻照實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中主要考察兩種氘等離子體環(huán)境對(duì)所制備金屬與氘共沉積層的氘滯留行為影響。第一種氘等離子體環(huán)境是直接在上述磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)進(jìn)行(稱之為1#氘等離子體環(huán)境)，具體過(guò)程為：將真空室抽至5×10-4Pa背底真空，通入60 sccm 氘氣，調(diào)節(jié)真空室氣壓至26 Pa，對(duì)樣品臺(tái)施加500 V 的負(fù)偏壓，得到氘等離子體環(huán)境。第二種是在實(shí)驗(yàn)室搭建的直線等離子體設(shè)備(LEPS)上進(jìn)行(稱之為2#氘等離子體環(huán)境)，該設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)示意圖和相關(guān)描述已在參考文獻(xiàn)[5，19]中討論。本實(shí)驗(yàn)中2#氘等離子體輻照的具體過(guò)程為：將裝有樣品的LEPS設(shè)備真空室抽至5×10-4Pa的背底真空度，通入50 sccm 流量的氘氣，調(diào)節(jié)真空室氣壓至0.3 Pa；將功率為500 W 的微波(2.45 GHz)通過(guò)氧化鋁陶瓷窗口引入真空室，使其與磁場(chǎng)(由通電銅線圈產(chǎn)生)中的電子回旋共振進(jìn)一步耦合；給樣品臺(tái)施加-100 V 偏壓(即38 e V/D 的氘等離子體能量[5])，通過(guò)朗繆爾探針(ESPION)測(cè)得氘等離子體流量為4×1021D/(m2·s-1)，相應(yīng)的懸浮電位為15 V，與樣品接觸的熱電偶測(cè)得樣品溫度為335 K。關(guān)于LEPS設(shè)備的更多細(xì)節(jié)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]和[19]。在1#或2#氘等離子體環(huán)境下，分別通過(guò)調(diào)節(jié)氘等離子體輻照時(shí)間，考察氘等離子體輻照通量對(duì)涂層中氘滯留行為的影響。

2.3 樣品表征

本實(shí)驗(yàn)中制備的Fe、Cr及W 與D 共沉積層，表面結(jié)構(gòu)是采用 X 射線衍射儀(XRD，Rigaku RINT-2400)測(cè)試分析。其中，XRD 檢測(cè)Cu靶λKα=1.54184?，掃描速度為10°/min，掠射角為2°，掃描范圍為30°～90°。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM，JSM-6701F)觀察涂層表面形貌及斷面結(jié)構(gòu)。其中，通過(guò)對(duì)沉積涂層后的單晶Si基片進(jìn)行裁切，獲得金屬基共沉積層的截面結(jié)構(gòu)。這些涂層的厚度也是根據(jù)FESEM 截面圖像測(cè)量得到。

原始涂層以及兩種氘等離子體輻照后的涂層中，氘熱脫附和滯留曲線的檢測(cè)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室搭建的超高真空熱脫附系統(tǒng)結(jié)合熱解吸譜法(TDS)來(lái)實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[5]和[19]中均有相關(guān)描述：首先將待加熱樣品放入管式爐的石英管加熱區(qū)，然后將石英管抽至1×10-5Pa以下的背底真空度；管式爐從室溫開(kāi)始加熱至1173 K，升溫速率為10 K/min，在1173 K 下保溫10 min，之后管式爐自然降溫；采用四極質(zhì)譜儀(Pfeiffer QME220)的多離子檢測(cè)模式(MID)，對(duì)質(zhì)量數(shù)在2～44(amu)之間的質(zhì)量通道如2、3、4、16、17、18、19、20、32和44等進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)主要記錄HD(質(zhì)量數(shù)為3)和D2(質(zhì)量數(shù)為4)的分子釋放通量，定量分析此溫度梯度下試樣中氘的滯留量，其他一些如2、16、32和44等質(zhì)量通道是用來(lái)確定是否有其他雜質(zhì)從樣品中釋放[21-22]。質(zhì)量數(shù)為4的信號(hào)是通過(guò)使用校準(zhǔn)過(guò)的D2漏瓶來(lái)標(biāo)定，而質(zhì)量數(shù)為3(即HD)的信號(hào)則是同時(shí)使用校準(zhǔn)過(guò)的H2和D2漏瓶信號(hào)的平均值來(lái)校準(zhǔn)[23]。使用的D2和H2漏率分別是1.82×10-10和2.01×10-10mol/s。下文中提到的D 總滯留量是由升溫開(kāi)始至達(dá)到最高溫度時(shí)的D2和HD 信號(hào)的積分計(jì)算得到。在所有數(shù)據(jù)中，HD 釋放曲線對(duì)D總滯留量的貢獻(xiàn)小于30%[24]。D2和HD 信號(hào)背景，是通過(guò)對(duì)未鍍膜的單晶Si基片樣品進(jìn)行相同加熱實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。所有TDS曲線及D 滯留總量數(shù)據(jù)均為去除背景信號(hào)后所得。為了校準(zhǔn)樣品對(duì)管式爐升溫過(guò)程的溫度響應(yīng)，對(duì)直接連接在K 型熱電偶上的單晶Si基片樣品進(jìn)行了相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的獨(dú)立測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層的結(jié)構(gòu)與形貌

圖1(a)是本實(shí)驗(yàn)制備出的Fe、Fe&D 以及Fe&D(bias)涂層的XRD 測(cè)試曲線。三種Fe基涂層均在44.7°處表現(xiàn)出Fe的衍射峰，對(duì)應(yīng)于體心立方結(jié)構(gòu)的Fe(110)晶面取向生長(zhǎng)[25]。圖1(b)中的Cr、Cr&D 以及Cr&D(bias)涂層中，體心立方結(jié)構(gòu)的Cr沿44.4°處(110)晶面取向生長(zhǎng)，而通入氘氣后，Cr&D 以及Cr&D(bias)涂層均表現(xiàn)為沿81.8°處的(211)晶面取向生長(zhǎng)[26]，即氘氣的加入會(huì)影響Cr的生長(zhǎng)。而對(duì)于圖1(c)中的W、W&D 以及W&D(bias)涂層，三種W 基涂層均在40.3°、58.4°、73.3°及87.0°處出現(xiàn)W的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于六方結(jié)構(gòu)W 的(110)、(200)、(211)及(220)晶面[19，27]。氘氣加入后，W&D 以及W&D(bias)涂層明顯沿(110)晶面方向擇優(yōu)，其他方向的生長(zhǎng)受到抑制。

為了研究氘氣的引入對(duì)磁控濺射沉積幾種RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層表面結(jié)構(gòu)的影響，采用FESEM 觀察了Fe、Cr及W 涂層及其與氘共沉積層的表斷面形貌，如圖2所示。從圖可見(jiàn)，金屬涂層及其與氘共沉積層的表面形貌與圖1中XRD 結(jié)果相對(duì)應(yīng)：①引入氘氣后，F(xiàn)e基涂層表面分布均勻的“三角錐”狀柱狀晶結(jié)構(gòu)，其中Fe&D(bias)涂層表面的“三角錐”狀結(jié)構(gòu)最為明顯；②Cr基涂層表面表現(xiàn)為均勻的“四角錐”狀柱狀晶結(jié)構(gòu)，其中Cr&D 與Cr&D(bias)涂層的表面“四角錐”狀結(jié)構(gòu)大小相似，而Cr涂層表面的“四角錐”狀結(jié)構(gòu)較大；③W 基涂層表面形貌相似呈均勻致密結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的錐狀或其他結(jié)構(gòu)。綜合考察可以發(fā)現(xiàn)，三種金屬及其與氘的共沉積層均表現(xiàn)出明顯的柱狀晶結(jié)構(gòu)。

3.2 RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層的氘熱脫附行為

圖1 (a)單晶Si基片、Fe基涂層、(b)Cr基涂層以及(c)W 基涂層的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of(a)Si substrate，F(xiàn)e-based layers，(b)Cr-based layers，and(c)W-based layers

圖2 (a1-a3)Fe、Fe&D以及Fe&D(bias)涂層，(b1-b3)Cr、Cr&D以及Cr&D(bias)涂層，(c1-c3)W、W&D以及W&D(bias)涂層的FESEM 表面形貌圖片(插圖中給出了每個(gè)樣品的截面形貌圖)Fig.2 Morphologies of surface and cross-section(insets)of FESEM steel，(a1-a3)Fe，F(xiàn)e&D layer and Fe&D(bias)layers，(b1-b3)Cr，Cr&D and Cr&D(bias)layers，and(c1-c3)W，W&D and W&D(bias)layers

為了考察暴露于氘等離子體環(huán)境對(duì)幾種RAFM鋼相關(guān)再沉積涂層的氘滯留行為影響，首先研究了未經(jīng)氘等離子體輻照的原始涂層氘熱脫附行為，如圖3所示。圖3(a)中給出了原始Fe、Fe&D 以及Fe&D(bias)涂層的氘脫附速率隨加熱溫度的變化曲線。原始Fe涂層中不含有氘原子，而圖3(a)中Fe涂層在674 K 處出現(xiàn)的微小氘脫附峰是由熱脫附真空腔室的背底導(dǎo)致。對(duì)比Fe涂層，F(xiàn)e&D 以及Fe&D(bias)涂層均在674 K 處出現(xiàn)微小氘脫附峰。由此可見(jiàn)，在本實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)在磁控濺射過(guò)程中引入氘氣，僅有微量氘進(jìn)入到涂層形成Fe&D 或Fe&D (bias)涂層。圖3(b)中，通入氘氣后，Cr&D 涂層中的氘脫附量與Fe&D 涂層的相當(dāng)，且脫附峰也位于673 K 附近，即僅有微量氘進(jìn)入到Cr&D 涂層。但是，在磁控濺射沉積Cr&D 涂層過(guò)程中對(duì)樣品臺(tái)施加偏壓后，大量氘滯留在Cr&D(bias)涂層中，氘從366 K 附近開(kāi)始脫附，主峰位于500 K 附近。這一現(xiàn)象明顯不同于上述Fe&D(bias)涂層，即沉積涂層過(guò)程中施加偏壓使得大量氘進(jìn)入到Cr&D (bias)涂層。圖3(c)中的W&D 與W&D(bias)涂層均有大量氘滯留且分別從542 和479 K 處開(kāi)始脫附，主峰分別出現(xiàn)在660和590 K 處。對(duì)比以上結(jié)果可以看到：①磁控濺射沉積金屬涂層過(guò)程中，引入氘氣后僅有極少量的氘進(jìn)入到Fe&D或Cr&D 涂層，結(jié)合FESEM 形貌結(jié)果可以看到，雖然Fe或Cr涂層含有較豐富的空隙和孔洞等缺陷，但這些缺陷也為氘的擴(kuò)散提供了大量通道，導(dǎo)致最終僅有微量氘被俘獲并與金屬形成共沉積涂層；②由于W 涂層表現(xiàn)出明顯不同于Fe與Cr的致密結(jié)構(gòu)，不能為氘提供大量擴(kuò)散通道，因此大量氘被捕獲進(jìn)入W&D 涂層；③當(dāng)對(duì)樣品臺(tái)施加偏壓時(shí)，由于氘等離子體能量的增大，大量氘進(jìn)入Cr&D(bias)以及W&D(bias)涂層中；④各金屬涂層結(jié)構(gòu)和組分的不同導(dǎo)致樣品捕獲氘的阱能及氘在樣品中的擴(kuò)散行為不同，因此氘在各涂層中的熱脫附曲線形狀不同，一般來(lái)說(shuō)，在低溫區(qū)釋放的氘歸因于較低能阱(如晶界和位錯(cuò)等)中俘獲的氘，而在高溫區(qū)釋放的氘則歸因于占據(jù)在較高能阱(如空位和空洞等)中的氘[22]。

圖3 原始涂層氘熱脫附曲線：(a)Fe基涂層、(b)Cr基涂層以及(c)W 基涂層。圖(b)中所示插圖給出了曲線的放大圖Fig.3 Deuterium releasing rate spectra of(a)Fe-based layers，(b)Cr-based layers and(c)W-based layers.The illustration in(b)shows the enlarged curve

接下來(lái)主要考察不同氘等離子體輻照環(huán)境對(duì)涂層中氘滯留行為的影響。圖4(a)是在1#氘等離子體環(huán)境下輻照10 min后的Fe基涂層氘脫附速率隨加熱溫度的變化曲線。Fe基涂層均在351 K 處開(kāi)始出現(xiàn)氘的脫附，主峰分別位于726 K、736 K 和736 K 處。相對(duì)于Fe涂層，F(xiàn)e&D 和Fe&D(bias)涂層的氘脫附區(qū)均向高溫區(qū)偏移約10 K，即1#氘等離子體環(huán)境導(dǎo)致氘占據(jù)在Fe基涂層的高能俘獲位，而更多的氘占據(jù)在Fe&D 和Fe&D (bias)涂層的高能俘獲位。圖4(b)中，暴露于1#氘等離子體環(huán)境后，Cr與Cr&D 涂層的氘脫附行為類似，均從367 K 處開(kāi)始脫附且脫附峰位于470 K 附近并伴隨有分別位于441、510 及543 K 處的三個(gè)次強(qiáng)峰。但是，Cr&D (bias)涂層中氘的脫附明顯向高溫區(qū)偏移約30 K，具體表現(xiàn)為主峰出現(xiàn)在503 K 處(與圖3(b)中原始Cr&D(bias)涂層中氘的脫附峰基本一致)，伴隨有三個(gè)分別位于476、534及608 K 處的次強(qiáng)峰，即更多的氘仍然占據(jù)在Cr&D(bias)涂層的低能俘獲位。圖4(c)中的W 基涂層中的氘脫附行為基本一致，均在343 K 處開(kāi)始脫附，主峰分別位于433、439和437 K 處，對(duì)應(yīng)于晶界和位錯(cuò)等固有缺陷中捕獲的氘[10，22]。由此可見(jiàn)：①在1#氘等離子體輻照后，三種金屬基涂層中均有大量的氘滯留；②上述氘主要占據(jù)在Fe基涂層的高能阱位置，Cr基和W 基涂層的低能阱位置；③對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，雖然部分氘在沉積過(guò)程中已進(jìn)入涂層，但涂層內(nèi)缺陷未被填滿，導(dǎo)致1#氘等離子體輻照后仍有大量氘被涂層俘獲[28-29]。

圖4 1#氘等離子體環(huán)境下輻照10 min后，樣品的氘熱脫附曲線：(a)Fe基涂層、(b)Cr基涂層以及(c)W 基涂層Fig.4 Deuterium releasing rate spectra of(a)Fe-based layers，(b)Cr-based layers and(c)W-based layers after exposed to 1# D plasma for 10 minutes

圖5 2#氘等離子體環(huán)境下輻照10 min后，樣品的氘熱脫附曲線：(a)Fe基涂層、(b)Cr基涂層及(c)W 基涂層。插圖是曲線的放大圖Fig.5 Deuterium releasing rate spectra of(a)Fe-based layers，(b)Cr-based layers and(c)W-based layers after exposed to 2# D plasma for 10 minutes.The illustrations show the enlarged curve

隨后開(kāi)展了暴露于2#氘等離子體環(huán)境后，幾種RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層中氘熱脫附行為的研究。如圖5(a)所示，F(xiàn)e基涂層均在350 K 處開(kāi)始出現(xiàn)氘的脫附，主峰分別位于736、711和763 K 處。相對(duì)于Fe涂層，F(xiàn)e&D 和Fe&D(bias)涂層的氘脫附峰均減弱。暴露于2#氘等離子體環(huán)境后，Cr涂層中僅有少量氘從455 K 處開(kāi)始脫附并在865 K 處出現(xiàn)脫附主峰，如圖5(b)中所示。Cr&D 涂層中的氘脫附相較1#環(huán)境下的也向高溫區(qū)偏移，具體表現(xiàn)為從469 K 開(kāi)始脫附并在633 K 處出現(xiàn)脫附峰，即2#氘等離子體輻照后大量氘占據(jù)在涂層的高能俘獲位。值得注意的是，Cr&D(bias)涂層中氘脫附主峰仍出現(xiàn)在506 K 處，即2#氘等離子體輻照后更多氘仍然占據(jù)在Cr&D(bias)涂層的低能俘獲位。圖5(c)中W 與W&D 涂層中氘脫附行為基本一致，主峰分別位于462 K 和451 K 處。W&D 涂層的氘脫附峰高于W 涂層的，與圖3(c)中的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)一致，即部分氘在W 與D 共沉積過(guò)程中已被俘獲。由于2#氘等離子體輻照后，W&D(bias)涂層從單晶Si基體上脫落，考慮為涂層內(nèi)應(yīng)力所致，此處不再討論W&D(bias)涂層。上述結(jié)果表明：①在2#氘等離子體輻照后，大量氘滯留在三種金屬基涂層中，且氘主要被俘獲在Fe基和Cr基涂層的較高能阱位置，W 基涂層的低能阱位置，可見(jiàn)2#氘等離子體輻照條件下，氫同位素可以促進(jìn)金屬Fe和Cr中空位的形成并被空位所俘獲[30-31]；②對(duì)比圖3和圖4 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，涂層沉積過(guò)程中僅有微量氘參與Fe基與D 共沉積過(guò)程，而無(wú)論是1#還是2#氘等離子體輻照后，均有大量氘被Fe基涂層的高能阱俘獲即較高能量的氘等離子體可以促Fe基涂層中空位等缺陷的形成；③無(wú)論是原始涂層還是在1#或2#氘等離子體輻照后，Cr&D(bias)涂層中氘的脫附均在相似的低溫區(qū)間，即沉積和氘等離子體輻照過(guò)程中，大部分氘占據(jù)并穩(wěn)定在Cr&D(bias)涂層的低能阱位置。

3.3 RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層的氘滯留特性

圖6 中綜合考察了暴露于1#氘等離子體環(huán)境后，幾種RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層中氘滯留總量隨氘等離子體輻照時(shí)長(zhǎng)的變化特性。Fe和Fe&D 涂層的氘滯留總量隨1#氘等離子體輻照時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)而明顯增大，分別由輻照5 min 后的1.15×1019和2.17×1019D/m2增長(zhǎng)到輻照1200 min 后的5.28×1019和7.14×1019D/m2，增大了約2～3.5 倍。而Fe&D(bias)涂層的氘滯留總量基本穩(wěn)定在4.00×1019D/m2附近?？傮w來(lái)說(shuō)，在本實(shí)驗(yàn)的1#氘等離子體輻照條件下，F(xiàn)e 基涂層中氘滯留總量在1.15×1019～7.14×1019D/m2范圍內(nèi)。暴露于1#氘等離子體環(huán)境后，Cr基涂層中氘滯留總量在2.48×1020～1.86×1021D/m2范圍內(nèi)，比Fe基的高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且所有Cr基涂層的氘滯留總量均隨1#氘等離子體輻照時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)而明顯增大，輻照1200 min后三種涂層的氘滯留總量較輻照5 min后的均增大了約3.5～6.5 倍。W 基涂層的氘滯留總量在3.30×1019～5.30×1020D/m2范圍內(nèi)，介于Fe基和Cr基涂層的氘滯留總量之間。W 和W&D 涂層的氘滯留總量均隨1#氘等離子體輻照時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增大。與Fe&D(bias)涂層的類似，W&D(bias)涂層的氘滯留總量增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，基本穩(wěn)定在5.70×1019D/m2附近。綜合以上研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：一、在1#氘等離子體輻照后，F(xiàn)e&D、Cr&D 及W&D 涂層的氘滯留總量均隨氘等離子體輻照時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增大；二、金屬涂層或其與氘的共沉積層雖然存在較高的結(jié)構(gòu)缺陷，但在涂層沉積過(guò)程中這些缺陷并沒(méi)有被氘完全填滿[30-31]，導(dǎo)致氘等離子體輻照后，仍有大量氘被涂層俘獲；三、Fe&D(bias)與W&D(bias)涂層在氘等離子體輻照后增大趨勢(shì)不明顯，結(jié)合上述氘熱脫附曲線結(jié)果，可以猜測(cè)在初始氘等離子體輻照階段這些涂層已被氘充滿導(dǎo)致隨后的輻照過(guò)程中僅俘獲微量氘。

圖6 1#氘等離子體輻照后，RAFM 鋼相關(guān)再沉積層的氘滯留總量關(guān)于輻照時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系圖Fig.6 Total deuterium retentions of the related re-deposited layers of RAFM steel after exposed to 1# D plasma as a function of exposure time

圖7 2#氘等離子體輻照后，RAFM 鋼相關(guān)再沉積層的氘滯留總量關(guān)于輻照通量的關(guān)系圖Fig.7 Total deuterium retentions of the related re-deposited layers of RAFM steel after exposed to 2# D plasma as a function of exposure fluence

在圖7中給出了暴露于2#氘等離子體環(huán)境后幾種RAFM 鋼相關(guān)再沉積涂層中氘滯留總量隨氘等離子體輻照通量的變化特性。隨2#氘等離子體輻照通量的增大，F(xiàn)e基涂層的氘滯留總量分別保持在1.11×1020、8.36×1019和6.46×1019D/m2附近，沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)?？傮w而言，在2#氘等離子體輻照條件下，F(xiàn)e基涂層氘滯留總量在4.50×1019～1.51×1020D/m2范圍內(nèi)，比1# 環(huán)境下的高出0.5個(gè)數(shù)量級(jí)。暴露于2#氘等離子體環(huán)境后，Cr基涂層的氘滯留總量變化趨勢(shì)與Fe基涂層的類似，并分別保持在2.71×1021、3.00×1021和3.23×1021D/m2附近?？偟膩?lái)看，Cr基涂層中氘滯留總量在1.64×1021～4.19×1021D/m2范圍內(nèi)，比Fe基涂層的高出1.5～2.5個(gè)數(shù)量級(jí)，比1#環(huán)境下的Cr基涂層高出1個(gè)數(shù)量級(jí)。而W 基涂層的氘滯留總量數(shù)據(jù)離散情況嚴(yán)重，分布在1.05×1019～2.11×1020D/m2范圍內(nèi)，與Fe基涂層的數(shù)據(jù)相當(dāng)，明顯低于Cr基涂層的。兩種W 基涂層的氘滯留總量均隨2#氘等離子體輻照通量的增大而稍有增大。綜上可知，在2#氘等離子體初始輻照階段，F(xiàn)e基與Cr基涂層已經(jīng)被氘充滿導(dǎo)致隨后的輻照過(guò)程中僅俘獲微量氘，而W 基涂層未被填滿導(dǎo)致其在隨后的輻照階段仍能俘獲大量氘。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)中采用直流磁控濺射方法模擬制備RAFM 鋼相關(guān)再沉積層——Fe、Cr及W 與D 的共沉積層。分別考察在磁控濺射設(shè)備直線等離子體模擬裝置的氘等離子體輻照下，RAFM 鋼相關(guān)再沉積層的氘熱脫附與滯留行為。得到以下一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1.在磁控濺射沉積涂層過(guò)程中，引入氘氣后可以得到含氘的金屬基涂層，但引入氘氣將對(duì)不同涂層的表面形貌和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響。氘與金屬共沉積的涂層中氘熱脫附行為，因受材料本身的組分和結(jié)構(gòu)影響而存在差異。

2.磁控濺射設(shè)備的氘等離子體輻照后，氘主要占據(jù)在Fe基涂層的高能阱位置，Cr基和W 基涂層的低能阱位置。Fe基涂層中氘滯留總量比W 基的稍低，比Cr基的低出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且?guī)捉M金屬基涂層中氘滯留總量均隨氘等離子體輻照時(shí)長(zhǎng)的增大而增大，增長(zhǎng)幅度存在差異。金屬涂層或其與氘的共沉積層雖然存在較高的結(jié)構(gòu)缺陷，但在涂層沉積過(guò)程中這些缺陷并沒(méi)有被氘完全填滿，導(dǎo)致氘等離子體輻照后，仍有大量氘被涂層俘獲。

3.在直線等離子體裝置的氘等離子體輻照后，氘主要被俘獲在Fe基和Cr基涂層的較高能阱位置，W基涂層的低能阱位置。Fe基共沉積層中的氘滯留總量與W 基的基本相當(dāng)，且均比Cr基的低出1.5～2.5個(gè)數(shù)量級(jí)。在初始輻照階段，F(xiàn)e基與Cr基涂層中的氘捕獲位已飽和，而W 基涂層中的氘捕獲位則未飽和導(dǎo)致其在隨后的輻照階段繼續(xù)被大量氘占據(jù)。