氦离子显微镜对钨中氦行为的实验研究

针对热核聚变面向等离子体钨材料中氦泡形成、演变以及机理研究的需求,克服目前常用离子注入、电子扫描显微镜和透射电子显微镜等离线研究手段存在的不足,提出氦离子显微镜对钨中氦的上述行为原位实时在线研究方法.借助氦离子显微镜的离子注入、显微成像和聚焦离子束纳米加工功能,它可以提供能量为0.5—35 ke V、束流密度可达10~(25) ions/(m~2·s)以上的氦离子束,在该设备上进行钨中氦的注入实验.同时在注入过程,实时在线监测钨中氦泡形成、演变过程以及钨材料表面形貌的变化,原位在线分析钨材料表面氦泡的大小、迁移合并以及其诱发的钨表面和近表面的微观损伤.实验结果表明:氦离子显微镜是研究钨中氦行为演变过程及其微观机理研究的新的研究手段和强有力的实验工具.     

中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响

采用15 keV, 剂量1×10¹⁷/cm², 温度为600 ℃氦离子注入钨, 分别以块体钨研究氦离子对钨的表面损伤; 以超薄的钨透射电镜样品直接注入氦离子, 研究该条件下钨的微观结构变化, 以了解氦离子与钨的相互作用过程; 采用扫描电子显微镜、聚焦离子束扫描显微镜、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜等分析手段研究氦离子注入对钨表面显微结构的影响及氦泡在钨微观结构演化中的作用.     

EAST边缘等离子体中钨表面电弧诱导实验研究

在EAST装置中利用材料与等离子体测试平台MAPES对不同表面性质和结构的钨样品进行了边缘等离子体条件下的起弧诱导实验研究。结果显示只有纳米丝结构的钨表面成功产生了电弧,表明了钨表面的纳米丝结构更有利于电弧的触发,甚至在装置远离刮削层区域的地方也能诱导电弧触发。在纳米丝钨表面起弧过程中会产生两种不同的电弧,其中较强电弧能产生熔坑,并溅射出液滴,是等离子体中尘埃及杂质的重要来源。弧坑直径约为3μm,深度约为0.7μm,在电弧熔坑中心区域形成了一些小孔和纳米结构,其周围的熔化液滴也存在类似的结构。     

He+ 辐照剂量对钨纳米丝生长的影响

采用低能(50eV)大流强的He+ 辐照多晶钨材料,辐照温度1420±50K,辐照剂量从1.0×1024ions/m2逐渐增加到1.0×1027ions/m2,用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、称重等手段分析辐照后钨样品表面微观结构的形貌改变及质量损失的情况,系统的研究了He+ 辐照剂量对钨纳米丝生长的影响.结果表明,随着He+ 辐照剂量的增加,钨纳米丝的厚度最终达到饱和,由于辐照后钨表面存在致密的钨纳米丝层,进而导致到达钨纳米丝层底部的He+ 数量和能量降低,从而导致钨纳米丝生长速率显著降低,且当钨纳米丝生长速率和和钨纳米丝的侵蚀速率相等时,钨纳米丝生长将会达到平衡.     

氦-氧等离子体针灭活肺癌A549细胞

研究了介质阻挡放电等离子体针对肺癌A549细胞的灭活机制, 探讨从不锈钢管注入到氦等离子体尾流区域的氧气含量对杀灭肺癌细胞A549的影响. 利用中性红吸收测试法定性观察了等离子体处理后死亡的细胞和活着的细胞的形态区别, 并且定量测定了不同条件下的细胞存活率. 在固定功率24 W的处理过程中, 氦-氧等离子体的灭活效率主要取决于等离子体曝光时间以及氦气中添加氧气的百分含量. 实验结果显示最好的处理参数为: 处理时间150 s, 800 mL/min的氦气添加3%氧气, 保持针距样品的距离为3 mm. 根据氦-氧等离子体发射光谱, 可以推断在细胞灭活过程中, 氦-氧等离子体中的活性粒子(如羟基和氧自由基)起主要作用.     

氦等离子体处理对纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维拉伸性能的影响

氦等离子体处理纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维能构造出特定空间结构形态的纳米涂覆层.扫描电子显微镜照片显示,经氦等离子体处理后纳米二氧化硅溶胶涂覆T300碳纤维的纳米涂覆层在纤维表面分布均匀,起到填补纤维表面微观缺陷的功能.X射线光电子能谱及傅里叶变换红外光谱显示,纤维表面被引入了活性官能团,纳米二氧化硅涂覆层与碳纤维间有表面激活反应.形成纳米界面结构的T300碳纤维表面与纳米二氧化硅涂覆层间的相互作用符合艾琳方程,利用热激活体积可以对其相互作用进行定量分析.拉伸试验表明,屈服塑性变形导致纳米界面结构热激活,纳米微粒阻碍碳纤维表面大分子链形貌变化的热激活体积是纳米界面结构性能的重要表征. 关键词： 激活体积 溶胶涂覆 氦等离子体 纳米界面结构     

金属钨熔化过程的分子动力学模拟

本文使用分子动力学方法对金属钨的熔化过程进行了数值模拟,分析了钨在熔化过程中的结构、系统内能变化以及表面熔化过程固-液界面变化情况,初步分析了表面熔化现象的机理。模拟过程采用嵌入原子模型(EAM)描述原子间相互作用,模拟结果表明,嵌入原子模型适合于计算固-液相变过程,表面熔化过程是由表面处最外层原子的不稳定性触发的。对于均匀熔化过程,晶体在4700 K下发生固-液相变;对于表面熔化过程,计算获得了不同温度(3800～4800 K)下的熔化速度,拟合出熔化速度公式,得到的表面熔化热力学熔点与已有实验结果基本符合。     

钼酸根离子钝化层对氧化铁薄膜光电催化氧化水的性能影响研究（英文）

本文研究了氧化铁(α-Fe_2O_3)薄膜光阳极的合成及其光电催化分解水产氧的性能.在合成氧化铁过程中,采用原位和非原位方式引入钼酸根离子,调控氧化铁薄膜的生长模式和表面特性.实验发现原位引入钼酸根离子会显著影响氧化铁薄膜的形貌以及厚度.而非原位表面修饰钼酸根离子则会保持氧化铁的纳米棒形貌,并有效提高其光电催化分解水的性能.文章通过紫外-可见吸收光谱,透射电子显微镜(TEM),扫描电子显微镜(SEM),莫特-肖特基测试(M-S),电化学阻抗(EIS)以及光电催化性能测试等手段对材料的结构和性能进行了研究.     

透镜到样品的距离对激光诱导等离子体的影响

利用具有时间分辨功能的ICCD相机对空气中激光诱导击穿合金钢产生的等离子体成像,同时采集了等离子体产生的发射光谱,针对焦距为100mm的聚焦透镜,研究了透镜到样品的距离(LTSD)对发射光谱强度、等离子体温度和等离子体形态的影响,并分析了产生影响的物理机制,对透镜到样品表面5个不同距离下等离子体光谱信号在样品表面垂直方向上的空间演变进行了分析。结果表明,透镜到样品的距离对等离子体的光谱信号、等离子体形态以及空间分布具有较大的影响。等离子体图像的像素强度与等离子体温度的变化规律基本一致,分别在透镜距离样品表面92mm和107mm处取得峰值,而92mm处对应最大值。对样品表面垂直方向上等离子体光谱信号的空间分布研究结果表明,不同聚焦位置下所产生的等离子体温度的空间分布不同,等离子体中不同谱线的光谱强度在空间的演变规律也有差别。     

激光诱导熔穴对等离子体辐射增强效应的研究

采用高能量钕玻璃激光器输出的单脉冲激光重复作用于土壤样品表面同一位置,利用光谱采集系统对序列激光脉冲作用下形成的等离子体发射光谱进行采集。实验结果显示：在熔穴孔径的约束作用下,激光诱导产生的土壤等离子体辐射不断增强,谱线强度和信背比都随着作用脉冲个数的增加有不同幅度的提高。通过采集等离子体像及熔穴形貌的图片,对等离子体形状、激光诱导熔穴形貌以及激光烧蚀样品质量进行了研究,初步探究了激光诱导熔穴对等离子体辐射增强的内在机理。在序列激光脉冲作用下,所形成等离子体的体积先是逐渐增大,尾焰发生畸变,然后体积慢慢变小,并且颜色从浅黄色逐渐变为白色,意味着温度在不断升高。激光诱导熔穴的形状比较规则,从孔穴底部到顶部直径逐渐增大,基本成圆锥形。激光烧蚀样品质量随着脉冲个数的增加而递减。借助熔穴的约束作用、孔壁多次反射过程所产生的Fresnel(菲涅耳)吸收以及逆韧致辐射吸收提高了蒸发物质的原子化程度,增大了等离子体辐射强度。     

Morphological and structural damage investigation of nanostructured molybdenum fuzzy surface after pulsed plasma bombardment

Steady high-flux helium (He) plasma with energy ranging from 50 eV to 90 eV is used to fabricate a fiber-form nanostructure called fuzz on a polycrystalline molybdenum (Mo) surface. Enhanced hydrogen (H) pulsed plasma in a wide power density range of 12 MW/m²-35 MW/m² is subsequently used to bombard the fuzzy Mo, thereby simulating the damage of edge localized mode (ELM) to fuzz. The comparisons of surface morphologies, crystalline structures, and optical reflectivity between the original Mo and the Mo treated with various He⁺ energy and transient power densities are performed. With the increase of He ion energy, the Mo nano-fuzz evolved density is enlarged due to the decrease of filament diameter and optical reflectivity. The fuzz-enhanced He release should be the consequence of crystalline growth and the lattice shrinkage inside the Mo-irradiated layers (~200 nm). The fuzz induced by lower energy experiences more severe melting damage and dust release under the condition of the identical transient H plasma-bombardment. The H and He are less likely to be trapped due to aggravated melting evidenced by the enhanced crystalline size and distinct lattice shrinkage. As the transient power density rises, the thermal effect is enhanced, thereby causing the fuzz melting loss to aggravate and finally to completely disappear when the power density exceeds 21 MW/m². Irreversible grain expansion results in huge tensile stress, leading to the observable brittle cracking. The effects of transient thermal load and He ion energy play a crucial role in etching Mo fuzz during ELM transient events.     

Experimental study of cyclic action of plasma on tungsten

We report on experimental results on multiple action of hydrogen, deuterium, and helium plasmas produced by a plasma gun and the Globus-M tokamak on tungsten. The surface temperature in the course of irradiation is measured with a bichromatic pyrometer with a time resolution of ?1 μs. The morphology of the surface layer is investigated and X-ray structure analysis of tungsten exposed to multiple radiations by the plasma under various conditions is carried out. A slight decrease in the lattice parameter in the sample subjected to the maximal number of irradiation cycles is detected. It is shown that the morphology of the tungsten surface irradiated by the hydrogen plasma from the gun and by the deuterium plasma from the Globus-M tokamak changes (the structure becomes smoother). The characteristic depth of the layer in which impurities have been accumulated exceeds 0.5 μm. This depth was the largest for the sample exposed to 1000 shots from the gun and 2370 shots from the tokamak. It is shown that the helium jet from the plasma gun makes it possible to simulate the action of helium ions on the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) diverter, producing a layer of submicrometer particles (bubbles).     

调幅W(Mo)/Cu纳米多层膜He+离子辐照响应行为

用磁控溅射技术制备不同调幅波长 (L) 的W(Mo)/Cu纳米多层膜,所制膜系在60 keV氦离子 (He⁺) 辐照条件下注入不同剂量: 0, 1×10¹⁷ He⁺/cm², 5×10¹⁷ He⁺/cm². 用X射线衍射仪 (XRD) 和高分辨透射电子显微镜(TEM)表征W(Mo)/Cu纳米多层膜辐照前后微观结构. 研究结果表明: 1) He⁺离子轰击引起温升效应是导致沉积态亚稳相β-W 转变成稳态 α-W相的主因, 而与调幅波长无明确关联; 2) 纳米多层结构中W(Mo) 和Cu膜显现出的辐照耐受性与调幅波长相关, 调幅波长越小, 抗He⁺的辐照性能越强; 3) 在5×10¹⁷ He⁺/cm²注入条件下, 观察到He团簇/泡在纳米结构W(Mo) 和Cu膜中的积聚行为存在明显差异: 在W (Mo) 膜中He团簇/泡的分布与晶粒取向相关, He团簇/泡倾向于沿W (211) 晶面分布; 而Cu膜非晶化且He团簇/泡在其体内呈均匀分布. 关键词： W(Mo)/Cu纳米多层膜 +辐照')" href="#">He⁺辐照 He团簇/泡 相转变     

In-situ TEM observation of the evolution of helium bubbles in Mo during He+ irradiation and post-irradiation annealing

The evolution of helium bubbles in purity Mo was investigated by in-situ transmission electron microscopy (TEM) during 30 keV He⁺ irradiation (at 673 K and 1173 K) and post-irradiation annealing (after 30 keV He⁺ irradiation with the fluence of 5.74×10¹⁶ He⁺/cm² at 673 K). Both He⁺ irradiation and subsequently annealing induced the initiation, aggregation, and growth of helium bubbles. Temperature had a significant effect on the initiation and evolution of helium bubbles. The higher the irradiation temperature was, the larger the bubble size at the same irradiation fluence would be. At 1173 K irradiation, helium bubbles nucleated and grew preferentially at grain boundaries and showed super large size, which would induce the formation of microcracks. At the same time, the geometry of helium bubbles changed from sphericity to polyhedron. The polyhedral bubbles preferred to grow in the shape bounded by {100} planes. After statistical analysis of the characteristic parameters of helium bubbles, the functions between the average size, number density of helium bubbles, swelling rate and irradiation damage were obtained. Meanwhile, an empirical formula for calculating the size of helium bubbles during the annealing was also provided.     

Thermal conductivity of ice doped with helium

An ice sample has been doped with helium and dedoped. The maximum value of heat conduction is 0.7 W/cm K in the virgin and 0.35 W/cm K in the doped sample. Computer fits are done based on Callaway's model of heat conduction in dielectric solids. An attempt is made to explain the results by a microstructure concept.     

同轴空心阴极氦等离子体的电子激发温度研究

利用同轴空心阴极放电装置,产生氦低温等离子体。通过对等离子体的发射光谱进行测量和计算,研究放电功率以及氦气压强对等离子体的电子激发温度的影响。结果表明:氦低温等离子体的发射光谱主要由连续谱和原子谱线构成,放电功率和压强对谱线的强度具有明显影响。压强的变化不仅影响电子从电场中获得的能量,还会影响电子与原子的碰撞频率,从而导致电子激发温度随着氦气压强的增大,出现先上升后下降的变化趋势。     

氦泡在bcc钨中晶界处成核长大的分子动力学模拟

钨(W)是潜在的聚变堆面向等离子体材料.聚变反应中产生的氦(He)不溶于金属W,并在其中易聚集形成He泡,使W基体发生脆化,从而导致W基体的性能发生退化.在前人工作的基础上,本文采用分子动力学研究了He泡在单晶bcc-W中以及bcc-W中∑3[211](110)和∑9[110](411)晶界处He泡形核长大初期的演化过程.结果发现,晶界处He泡的长大机制和单晶W中有所不同.单晶W中He泡通过挤出位错环促进长大.而He泡在∑3[211](110)晶界处的长大机制为:首先挤出并发射少量自间隙W原子,而后挤出1/2⟨111⟩位错线,随后,该位错线会沿晶界面上[111]方向迁移出去;在∑9[110](411)晶界处,He泡在我们的模拟时间尺度范围内没有观察到W自间隙子的发射和位错的挤出.     

Field evaporation experiments with a magnetic sector atom-probe FIM

A magnetic sector atom-probe FIM has been successfully operated for dc field evaporation of tip materials such as Rh, W, Ir, Mo and Ti. A limited number of evaporated metal ions were clearly identified forming a line spectrum. Field evaporation of Rh in the presence of ³He and ⁴He gases showed that the formation of the helium compound (RhHe)²⁺ is quite sensitive to He gas pressure; no helium compound were observed below 5 × 10^?7 Torr and all ions detected as helium compound above 5 × 10^?5 Torr at 78 K.