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.     

铌对钨中氦行为影响的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法系统研究了合金化元素铌(Nb)对钨(W)中氦(He)溶解和扩散行为的影响.研究发现,Nb的存在显著降低了He在W中的溶解能,Nb可以作为W中He捕陷中心,在最稳定位置处Nb对He的捕陷能达到0.37 eV.通过电荷分析发现,这主要是因为Nb的存在引起了W中电荷密度的重新分布.而He在W中的扩散能垒将随着He—Nb间距离的缩小逐渐降低,这从动力学上表明He被Nb捕陷是可行的.因此,Nb的存在将有利于W中He的聚集成泡.     

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。     

金属钨中氦行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氦在金属钨中的扩散聚集行为. 首先,建立了氦与钨原子间相互作用势,短程部分采用ZBL势形式,长程部分采用从头算法数据,实现了两者之间的平滑连接. 通过计算氦在钨中不同间隙位的形成能发现,单个氦原子更易存在于金属钨中的四面体间隙位,这与最新的研究成果是一致的. 在400-1200 K的温度范围内,考察了氦原子在金属钨中的扩散行为,获得了扩散迁移能,其值介于实验值和从头算法结果之间. 最后,研究了氦的聚集行为,从能量的角度考察了氦团簇形成初期的生长机理. 研究发现,在氦团簇形成初期,氦团簇对氦的结合能随着氦团簇的生长有逐渐增大的趋势,说明氦团簇吸收氦的能力逐渐增强. 关键词： 氦扩散 氦团簇 辐照损伤 分子动力学模拟     

氦原子及类氦离子基态能量的经验公式

通过对氦原子和类氦离子电离能数据的分析 ,找到了一个能够快速计算类氦体系基态能量的经验公式 ,验算了一些类氦离子 (Z=2— 1 5 )的基态能量 ,与实验测量值符合得很好。除了 Li 和 Be 的基态能量的相对偏差为 0 .4 46 %外 ,其他的都低于 0 .4 %。     

级联弧放电氦等离子体特性研究

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。     

温度对fcc铁中氦行为的影响研究

温度对fcc铁中的氦行为具有重要的影响,编写了居于fcc晶格的面向对象动力学蒙特卡罗程序（Object Kinetic Monte Carlo）,采用该程序结合分子动力学（MD）方法对fcc铁中的氦行为进行多尺度模拟,研究了温度对fcc铁中氦行为的影响,给出了不同温度退火过程中氦行为的原子细节。模拟结果表明引入一定量的非热平衡空位可以使模拟结果与文献实验结果有非常好的吻合;室温至1073K,温度对氦行为影响可以分为四个阶段：第一阶段,298-473K,正电子长寿命随退火温度增加略有减少,这主要由于非热平衡空位浓度降低;第二阶段,473-673K,正电子长寿命随退火温度增加而增加,主要由于晶粒内平均氦泡尺寸增加;第三阶段,673-873K,正电子长寿命随退火温度增加而迅速减少,主要是由于氦泡的平均尺寸减小和晶粒内的空位浓度降低;第四阶段,873-1073K,正电子长寿命随退火温度增加而迅速增加,与晶粒内氦泡的平均尺寸变大,且空位浓度随温度的增加而指数增加有关。     

2.5MeV的He+离子辐照316L不锈钢中氦泡的形核与生长研究

利用透射电子显微镜分析了0.3—0.5T_m温区（T_m为材料溶点）316L奥氏体不锈钢经高剂量氦离子辐照后辐照损伤峰区氦泡的形成行为.实验结果支持氦泡的双原子形核模型，并证实氦泡的形成主要受制于自间隙子/氦置换机制扩散.材料中高密度位错的存在显著增强氦泡形核并抑制氦泡生长.与前人低剂量辐照实验结果的比较表明0.3—0.5T_m温区氦泡形核机制不随辐照剂量或剂量率发生显著变化． 关键词：     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为.结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错.在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位.间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚.     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为。结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错。在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位。间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚。     

Atomic origins of solid helium bubbles in tungsten

Solid helium bubbles were directly observed in the helium ion implanted tungsten（W）, by different transmission electron microscopy（TEM） techniques at room temperature. The diameters of these solid helium bubbles range from1 nm to 8 nm in diameter with the mean bubble size about 3 nm. The selected area electron diffraction（SAED） and fast Fourier transform（FFT） images revealed that solid helium bubbles possess body-centered cubic（bcc） structure with a lattice constant of 0.447 nm. High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy（HAADF-STEM）images further confirmed the existence of helium bubble in tungsten. The present findings provide an atomic level view of the microstructure evolution of helium in the materials, and revealed the existence of solid helium bubbles in materials.     

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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.     

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。     

Influence of helium on the evolution of irradiation-induced defects in tungsten: An object kinetic Monte Carlo simulation

Understanding the evolution of irradiation-induced defects is of critical importance for the performance estimation of nuclear materials under irradiation. Hereby, we systematically investigate the influence of He on the evolution of Frenkel pairs and collision cascades in tungsten (W) via using the object kinetic Monte Carlo (OKMC) method. Our findings suggest that the presence of He has significant effect on the evolution of irradiation-induced defects. On the one hand, the presence of He can facilitate the recombination of vacancies and self-interstitial atoms (SIAs) in W. This can be attributed to the formation of immobile He-SIA complexes, which increases the annihilation probability of vacancies and SIAs. On the other hand, due to the high stability and low mobility of He-vacancy complexes, the growth of large vacancy clusters in W is kinetically suppressed by He addition. Specially, in comparison with the injection of collision cascades and He in sequential way at 1223 K, the average sizes of surviving vacancy clusters in W via simultaneous way are smaller, which is in good agreement with previous experimental observations. These results advocate that the impurity with low concentration has significant effect on the evolution of irradiation-induced defects in materials, and contributes to our understanding of W performance under irradiation.     

Combined field ion microscopy and transmission electron microscopy of heavy ion damage in tungsten

Abstract

A field ion microscopy (FIM) and transmission electron microscopy (TEM) investigation of radiation damage in tungsten after heavy ion bombardment has been carried out. Field ion specimens of tungsten were irradiated with 180–230 keV Xe⁺ ions. The irradiation doses were varied between 4 × 10¹¹ and 4 × 10¹² ions/cm². The irradiated specimens were examined in FIM. Experiments combining both TEM and FIM were performed in order to compare the results obtainable by these two methods. The distribution of defects visible by TEM was inhomogeneous. The influence of the imaging field in FIM on the defects visible in TEM is discussed.     

原位电子显微学探索固体中的离子迁移行为

离子在固体材料中的迁移是很多应用的基础,包括锂离子电池、存取器件及催化剂等。研究固体材料中的离子迁移行为是固态离子学的核心内容。微观上,固体中离子迁移的行为取决于材料微观结构所确定的局域势垒特征。因此,研究离子迁移行为与微观结构的关联至为重要。文章讲述了具有高空间分辨率的原位透射电子显微镜技术用于锂离子电池材料、阻变存储材料等体系中离子迁移行为的研究现状与发展趋势。