注氢铁基二元合金中辐照位错环演化及退火温度影响研究

本文基于注氢纯铁和铁基二元合金(Fe-3%Cr、Fe-1.4%Ni和Fe-1.4%Mn,质量分数)开展常规透射电镜(200 kV)的原位表征观察,揭示了材料中辐照位错环的形态、尺寸演化行为及退火温度影响,并依据辐照损伤演化理论、退火过程中位错环平均尺寸变化推断得到空位型位错环形成温度的范围.注氢纯铁中空位型位错环的形成温度(T_c)约为500℃;添加Ni可使T_c降低至～450℃,添加Cr可使T_c升高至600℃以上,而Mn的作用与Cr相似,亦可使T_c升高.注氘实验和热脱附谱分析进一步表明,纯铁和铁基二元合金中空位型位错环的形成温度受氢同位素与空位结合、释放过程影响.合金元素Ni对氢同位素与空位的结合、释放有促进作用,故导致T_c降低;而Cr和Mn均对氢同位素与空位的结合、释放产生抑制作用,故导致T_c升高.本文展示的有关合金元素对空位型位错环形成温度影响的研究将有助于更深刻理解铁基合金体系中损伤结构演化和辐照肿胀产生机理.     

氢对铁中缺陷行为的影响

本文研究了铁中氢与辐照缺陷的相互作用。氢与这些缺陷结合,形成不同类型的氢与缺陷的复合体,在从低温到高温的时效过程中,可以清楚地观察到间隙型位错环(>300℃)、空位型位错环(>450℃)和空洞(520℃)的形成。研究表明,这三种缺陷分别是氢与间隙原子、氢与单个空位、氢与复数个空位等三种复合体聚集而成。 关键词：     

利用透射电镜衬度像变化判定位错环类型及注氢纯铁中形成的位错环分析

本文分两部分,第一部分研究了利用透射电镜衬度像变化判定材料中位错环类型的方法,即采用所谓inside-outside方法来判断位错环为空位型位错环或间隙型位错环. 第二部分讨论了加速器注氢纯铁在673—773 K时效后形成的位错环的类型. 关键词： 透射电镜 空位型位错环 间隙型位错环 氢     

氢离子辐照纯钒中形成的位错环

钒合金作为聚变堆候选材料, 其辐照损伤行为一直是关注的重点. 研究辐照时形成的位错环的性质, 其意义在于揭示纯钒中辐照空洞的长大机理. 这种机理表现为不同类型位错环对点缺陷吸收的偏压不同, 从而影响金属的辐照肿胀. 本文利用加速器对纯钒薄膜样品进行氢离子辐照, 然后, 利用透射电镜的inside-outside方法分析氢离子辐照所形成的位错环的类型. 结果表明, 在氢离子辐照纯钒中没有发现柏氏矢量b=<110>的位错环, 只有柏氏矢量b=1/2<111>和b=<110>的位错环, 这两种位错环的惯性面处于{110}-{112}之间. 能确定性质的位错环全部为间隙型位错环, 未发现空位型位错环.     

注氢纯铝中间隙型位错环一维迁移现象的原位观察

核聚变堆材料在高能粒子辐照过程中会产生大量点缺陷,导致辐照脆性和辐照肿胀等现象.因而,研究点缺陷在辐照过程中的演变过程至关重要.点缺陷团簇的一维迁移现象是这种演变过程的主要研究内容之一.本文采用普通低压(200 kV)透射电镜,在室温条件下对注氢纯铝中的间隙型位错环在电子辐照下的一维迁移现象进行了观察和分析.在200 keV电子辐照下,注氢纯铝中的位错环可多个、同时发生一维迁移运动,也可单个、独立进行一维迁移运动.位错环沿柏氏矢量1/3<111>的方向可进行微米尺度的一维长程迁移,沿柏氏矢量1/2<110>的方向一维迁移也可达数百纳米.电子束辐照时产生的间隙原子浓度梯度是引起位错环一维迁移并决定其迁移方向的原因.位错环发生快速一维迁移时,其后会留下一条运动轨迹;位错环一维迁移的速率越快,运动的轨迹则越长,在完成迁移过后的几十秒内这些运动轨迹会逐渐消失.     

α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究

基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法,研究了α-Fe中1/2a0111{110}刃位错与3nm氦泡的相互作用导致硬化的过程,重点研究了不同温度下(300 K和623 K),氦空位比例对位错与3 nm氦泡作用机制影响的差异性.研究结果表明,当氦空位比例在0～1之间变化时,氦空位比例的变化对临界剪切应力的影响微弱,当氦空位比例在1～1.5之间变化时,氦泡内氦原子的数量的增加,临界剪切应力随之降低.氦空位比例升高至1.75时,高温623 K与室温相比,临界剪切应力反常升高,原因是高温引起的位错与氦泡的排斥机制:氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹.     

氦团簇及氦间隙原子在钨中的稳定性研究

首先采用分子动力学方法研究了在钨中预存氦-空位团簇（He_nV₂₂）后氦原子结合能与氦-空位比的关系。研究发现:当氦-空位比小于4.5时,氦原子结合能随氦-空位比呈线性减小趋势;当氦-空位比大于4.5时,氦原子的结合能随氦-空位比出现剧烈振荡的现象,这种现象是由于钨中预存氦-空位团簇随机挤出位错环使体系能量骤降所导致的。与此同时,氦-空位团簇周围出现了一些处于亚稳态的fcc结构和hcp结构的钨。为了研究氦团簇周围压强对钨基体相变的影响,本文利用第一性原理对钨的三种结构进行了高压相变计算,发现静水压力不能使钨的三种结构互相转变。另外,通过对bcc钨和fcc钨中四面体间隙氦原子和八面体间隙氦原子电荷密度差的计算,发现bcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性高于八面体间隙氦原子的稳定性,而在fcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性弱于八面体间隙氦原子的稳定性。     

bcc Fe的刃型位错中氦-空位团的稳定性

 采用周期性原子阵列方法建立bcc Fe中的刃型位错,利用分子动力学计算了0 K时bcc Fe的位错芯里氦-空位团的稳定性,并与理想Fe晶体里氦-空位团的稳定性进行比较发现,位错的作用导致氦-空位团不稳定。点缺陷（He、空位与自间隙Fe原子）与氦-空位团的结合能与团中氦-空位比例密切相关,当氦与空位数之比在3~6时,结合能趋于稳定。     

α-Fe中氦泡极限压强的分子动力学模拟

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各模型中位错环开始形成时的氦泡极限压强和临界氦空位比.研究结果表明:对于无量纲半径介于2—10的氦泡,冲出位错环时的氦泡极限压强和临界氦空位比均随着氦泡初始半径的增大而非线性减小;基体中氦泡冲出位错环时的临界氦空位比具有明显的尺寸效应;初始时刻(0 ps),在经过立方体型模型中心的横截面上,氦泡周围Fe原子阵列的剪应力集中和最大剪应力出现在对角线与氦泡边界交点(即45°)处,并且关于横截面上平行于边的两条对折线对称分布,剪应力集中区的范围和最大剪应力均随着初始氦空位比的增大而增大;位错环冲出方向对应最大剪应力方向.本文的研究加深了对金属中氦泡物理特性的认识,为后续分析氦泡对材料宏观物理和力学性质的影响奠定了有益的基础.     

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采用另加偏压的单阴极弧氦放电直线等离子体装置对氦等离子体的基本特性进行了研究.对氦轴向输运规律做了描述并与光谱测量数据做了定性地比较.实验结果表明,氦等离子体的电子温度与电子密度均随放电电流、约束磁场的增加而增加.氦原子与氦离子的辐射光谱随放电电流、偏压、磁场的变化规律进行了测量分析,同时氦离子对钨靶积分辐照效应进行了观察.这些结果不但提供了氦等离子体的基本特性,对于研究氦离子与面向等离子材料相互作用导致产生气泡、肿胀、脆化损伤等的评估,特别是对将来伴有(n,α)反应时具有一定的参考价值.     

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.     

Optical properties of He+-implanted and diamond blade-diced terbium gallium garnet crystal planar and ridge waveguides

Terbium gallium garnet (Tb₃Ga₅O₁₂, TGG) crystal can be used to fabricate various magneto-optical devices due to its optimal Faraday effect. In this work, 400-keV He⁺ ions with a fluence of 6.0×10¹⁶ ions/cm² are irradiated into the TGG crystal for the planar waveguide formation. The precise diamond blade dicing with a rotation speed of 2×10⁴ rpm and a cutting velocity of 0.1 mm/s is performed on the He⁺-implanted TGG planar waveguide for the ridge structure. The dark-mode spectrum of the He⁺-implanted TGG planar waveguide is measured by the prism-coupling method, thereby obtaining the relationship between the reflected light intensity and the effective refractive index. The refractive index profile of the planar waveguide is reconstructed by the reflectivity calculation method. The near-field light intensity distribution of the planar waveguide and the ridge waveguide are recorded by the end-face coupling method. The He⁺-implanted and diamond blade-diced TGG crystal planar and ridge waveguides are promising candidates for integrated magneto-optical devices.     

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     

Study of the electron damage of the MgO(100)-D2O system by ESD

An electron-stimulated desorption (ESD) study of electron damage of a D₂O layer adsorbed on the MgO(100) surface at room temperature is presented. After exposing the surface to D₂O, the surface spectrum shows the main ESD component to be D⁺ ions, with lower intensity signals corresponding to O⁺ and OD⁺ ions. When the surface is simultaneously exposed to heavy water and electron bombardment, there is a rapid initial increase of the D⁺ intensity accompanied by a decrease of the intensity of the O⁺ ions. Electron damage of the surface after exposing to D₂O produces a significant decrease of the D⁺ intensity, while the O⁺ and OD⁺ intensities decrease more slowly. Heavy water adsorption does not change the form of the ion kinetic energy distribution of the O⁺ ions with electron dose, except for a decrease in intensity. Electron damage increases the intensity of the ion kinetic energy distribution of D⁺ again without changing its shape. These experiments show that heavy water adsorption under electron bombardment does not induce any chemistry of the adsorbed species, but enhances the fragmentation rate of the OD species which, in turn, increases the yield of D⁺ ions. Values of total desorption cross-sections for the three ions species are reported.     

Effect of helium concentration on irradiation damage of Fe-ion irradiated SIMP steel at 300℃ and 450℃

SIMP steel is newly developed fully martensitic steel for lead-cooled fast reactors and accelerator-driven systems.It is important to evaluate its radiation resistance via high flux neutron irradiation, where dense He atoms can be formed via(n, α) transmutation reaction. Co-irradiation with Fe and He ions, instead of neutron, was performed. Specimens were irradiated with 6.4-Me V Fe ions to the damage dose of 5 dpa at a depth of 600 nm. Three different helium injection ratios of 60-appm He/dpa(dpa: displacements per atom), 200-appm He/dpa and 600-appm He/dpa at a depth of 600 nm,were performed. Two different irradiation temperatures of 300℃ and 450℃ were carried out. The effect of helium concentration on the microstructure of Fe-irradiated SIMP steel was investigated. Microstructural damage was observed using transmission electron microscopy. The formed dislocation loops and bubbles depended on the helium injection ratio and irradiation temperature. Lots of dislocation loops and helium bubbles were homogeneously distributed at 300℃, but not at 450℃. The causes of observed effects are discussed.     

(e,2e)反应三重微分截面的计算

给出了利用BBK模型计算电子碰撞电离H,He⁺,He和Li⁺三重微分截面的通用方法,适用于中、高入射能量下的各种几何条件。计算结果与其它理论结果和实验数据进行了比较,符合得很好。     

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.     

氦氢离子协同注入对锆膜形貌及物相结构的影响

 采用磁控溅射法制备了Zr-Mo膜，随后在低能静电加速器上分别采用剂量为2.80×10¹⁷~1.12 ×10¹⁸ions·cm^-2的He⁺、H⁺离子辐照Zr-Mo膜，利用光学透镜、扫描电镜、原子力显微镜和X射线衍射研究He⁺、H⁺离子协同注入效应对Zr-Mo膜微观结构的影响。实验结果表明：原始Zr-Mo膜表层晶粒清晰可见，尺寸约为200nm；辐照效应可导致Zr-Mo膜表层产生微观损伤区域，在注He⁺基础上注H⁺导致Zr-Mo膜出现更为严重的损伤现象；离子注入的表面溅射效应可使膜面晶粒边界逐渐刻蚀退让，导致膜面更加光滑、细致；He⁺、H⁺ 离子协同注入可使Zr-Mo膜晶格发生畸变，注入期间未使Zr-Mo膜发生吸H相变生成氢化物。     

He,Au离子辐照AuCu_3致元素表面偏析

采用磁控溅射方法在单晶硅(111)衬底上制备了AuCu_3薄膜,用2 MeV He离子和1 MeV Au离子对薄膜进行辐照,用卢瑟福背散射对He,Au离子辐照前后AuCu_3薄膜近表面的成分变化进行了分析,对不同离子辐照导致的表面元素偏析行为进行了研究.结果表明:当2 MeV He离子辐照时,随着辐照剂量增大,观察到样品近表面Au元素偏析的趋势;当1 MeV Au离子辐照时,随着辐照剂量增大,观察到样品近表面Cu元素偏析的趋势,与He离子辐照相反.通过对He,Au离子在样品中产生的靶原子空位及其分布分析,发现靶原子空位浓度分布的梯度是导致两种不同表面元素偏析趋势的原因,空位扩散是其中的主要机理.