金属材料中氦的扩散与氦泡的形核生长研究

简述了金属材料中氦聚集行为的研究概况 ,特别是本课题组近年来对奥氏体不锈钢中氦扩散及氦泡形核生长机制的研究结果 ,并提出了这个领域有待解决的问题. Studies of diffusion and aggregation behaviour of helium in metallic materials are very important to solve the problem of helium embrittlement in structural materials used in the environment of nuclear power. Experimental studies on helium diffusion and aggregation in austenitic stainless steels in a wide temperature range have been performed in our research group and the main results obtained are briefly summarized. The mechanism of nucleation growth of helium bubbles has been...     

单轴应力场下钨中氦扩散行为的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学方法研究了沿<100>及<111>晶向的单轴应变对钨中单个氦原子扩散的影响。结果表明,应变会使得金属钨材料发生相变,且引起相变的临界应变随温度升高而减小。相变起始的应变在达到抗拉强度的应变附近。计算结果表明,拉应变使得单个氦原子在钨中的扩散系数发生骤降,在不同应变下扩散系数变化平缓。沿<100>晶向氦扩散系数随应变的增大而线性减小,而<111>晶向则出现了震荡变化趋势。研究结果表明,沿<100>晶向应变达到+0.15%时阿纽列斯方程不再适用,而沿<111>晶向应变大+5%阿纽列斯方程仍然适用;沿<111>晶向随应变增加氦扩散激活能减小,说明应变使得单个氦原子在钨中迁移性增强。     

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响.结果表明:在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔.实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放.     

金属表面下氦泡融合与释放研究

采用分子动力学方法研究了钛金属表面下不同深度处氦泡的行为,分析了氦泡融合与释放的竞争,对比了不同深度处氦泡的释放对金属的影响。结果表明：在接近金属表面处,氦泡很难通过融合无限长大,当达到临界尺寸后,氦泡将会释放而不再与邻近的氦泡发生融合;植入深度对氦泡的融合有一定的影响,深度越大,越有利于形成具有较高氦密度的大氦泡;较深处氦泡的释放会在金属表面形成较大的突起和表面针孔。实验中观察到的不同尺寸的表面孔,其部分原因来自于金属表面下不同深度处氦泡的释放。     

超流氦中的热波实验研究

在本文中,采用新型的超导传感器对超流氦浴中的热波在不同的热流密度及氦浴温度下进行了测量,同时研究了超流氦浴中的热激波现象,并且与理论分析进行了比较。     

氦在方解石和文石中的扩散:基于第一性原理的研究

研究碳酸盐矿物中氦的扩散行为对理解地球脱气过程中的物理化学性质和动力过程具有重要意义。基于密度泛函理论研究了氦在方解石和文石矿物中的扩散机理,计算了氦在地表和地幔条件下的扩散路径、激活能和频率因子(v)。计算结果表明:氦在方解石中的扩散具有明显的各向异性,沿a(b)轴方向的扩散更快;文石呈现中等的各向异性,沿c轴的扩散速率低于a轴。在高压条件下,文石的激活能随压力的增大而增大。方解石晶体在[010]方向的封闭温度为–54～–25℃,沿[100]方向的封闭温度为–12～23℃。在地表条件下,氦在文石中的滞留能力比在方解石中强,与以往的实验研究结果一致。     

铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为

采用热解析法初步研究了铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为。研究结果表明：同种元素铒中离子注入氦的热释放峰位相同,但膜的致密性将影响氦的释放量,结构疏松的膜中存在的孔洞是氦的快速释放通道;在相同注入剂量和能量条件下,铒、钪膜中注入氦的热释放峰位不同,这可能与氦在铒、钪膜中的深度分布及膜的致密性有关,利用质子增强背散射法测量出能量为60 keV的4He+在铒、钪膜中的注入深度分别为210,308 nm。     

铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为

采用热解析法初步研究了铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为。研究结果表明:同种元素铒中离子注入氦的热释放峰位相同,但膜的致密性将影响氦的释放量,结构疏松的膜中存在的孔洞是氦的快速释放通道;在相同注入剂量和能量条件下,铒、钪膜中注入氦的热释放峰位不同,这可能与氦在铒、钪膜中的深度分布及膜的致密性有关,利用质子增强背散射法测量出能量为60 keV的4He+在铒、钪膜中的注入深度分别为210,308 nm。     

氚化钛中氦的热解析

氚以金属氚化物贮存形式过程中，会衰变生成氦-3，从而影响金属氚化物的使用性能。文中采用热解析方法研究了不同贮存周期氦在金属氚化物中的能量状态的变化情况。     

耐腐蚀聚合药物基体上药物的扩散释放

主要对耐腐蚀聚合药物基体上药物的整个释放过程进行解析和数值研究.数学模型为基于Fick第二法则的边值问题,分为状态Ⅰ和Ⅱ.状态Ⅰ为具有移动性扩散波头的Stefan问题,而当此扩散波头消失时,即开始状态Ⅱ.该研究工作可作为数值研究更加复杂系统的基础之一.     

材料中He深度分布演化的Monte Carlo模拟研究

基于He泡生长的迁移-合并机理,用Monte Carlo方法模拟了对材料进行等温退火过程中He深度分布的演化,探讨了不同参数对这一演化的影响.研究表明:材料中He泡的初始浓度和尺寸将影响He深度分布的变化,而退火温度则对演化速率起重要作用但对最终的He深度分布影响较小;随着反应的进行,整个系统的演化是逐渐趋缓的. 关键词： He 深度分布 Monte Carlo模拟     

Ab initio potential energy curve for the helium atom pair and thermophysical properties of the dilute helium gas. II. Thermophysical standard values for low-density helium

A helium–helium interatomic potential energy curve determined from quantum-mechanical ab initio calculations and described with an analytical representation considering relativistic retardation effects (R. Hellmann, E. Bich, and E. Vogel, Molec. Phys. (in press)) was used in the framework of the quantum-statistical mechanics and of the corresponding kinetic theory to calculate the most important thermophysical properties of helium governed by two-body and three-body interactions. The second pressure virial coefficient as well as the viscosity and thermal conductivity coefficients, the last two in the so-called limit of zero density, were calculated for ³He and ⁴He from 1 to 10 000 K and the third pressure virial coefficient for ⁴He from 20 to 10 000 K. The transport property values can be applied as standard values for the complete temperature range of the calculations characterized by an uncertainty of ±0.02% for temperatures above 15 K. This uncertainty is superior to the best experimental measurements at ambient temperature.     

Enhanced thermal conductance at a copper-liquid helium interface in the presence of acoustic streaming

In a conventional Kapitza resistance experiment involving heat transfer across a copper surface into liquid helium, an acoustic streaming velocity field (at 10 MHz) was directed transverse to the surface normal. Ultrasound had no observable effect on the heat transfer to the superfluid phase (He-II), but in the normal fluid phase (He-I) the thermal conductance increased linearly with acoustic velocity amplitude, reaching a value 2.5 times the zero sound conductance for a sound velocity amplitude of 0.8 cm s^?1.     

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.     

多层多屏绝热液氦杜瓦传热分析

分析了不同液氦杜瓦结构,指出多屏多层的杜瓦的优缺点。通过对多屏多层绝热中不同传热方式的逐个分析,建立了一个理论传热模型。依照模型采用数值分析的方式,对多层层数为100层时的传热进行了分析,获得传导冷屏分布方式对传热流密度的影响曲线,并指出多层多屏分布的优化应同时考虑空间和温度两个因素。     

超流氦浴中的热波传热研究

热波传热机制是超流氦传热非常重要的一个方面.在小热流密度的情况下,超流氦中的热波完全保持加热热流的波形,热量的传输完全靠热波来完成;随着热流密度的增加到一定程度,会在超流氦浴中激发量子涡旋.量子涡旋使热波发展成为热激波.在开放氦浴中,热波的波形不同于狭窄通道里的热波,在热波的尾部会出现一个冷却波;并且随着加热时间的变化,冷却波的形状和幅度会发生很大的变化.运用二流体模型和涡旋方程对超流氦中的热波进行了计算,实验结果与计算结果吻合得较好. 关键词： 超流氦 热波 量子涡旋 热激波