用正电子湮没技术探究氦氢气泡在钨及纳米晶钨膜中的演化机理

In this project, the mechanism of gas bubble evolution in tungsten and tungsten nanocrystalline films will be investigated by experiments sensitive in probing micro-structures and by multi-scale simulations. Interests will be focused on the behavior of gas bubbles in tungsten and their release from surface especially when helium and hydrogen coexist. These studies are extremelly important in clarifying the retention characteristics of helium and hydrogen in tungsten and the variations of properties of tungsten material in a fusion reactor operating conditions. This project concerns the following three major aspects: (1) To understand the evolution of gas bubbles down to atomic level, three major experimental methods which are called positron annihilation technique, transmission electron microscope and thermal desorption spectroscopy will be used to reveal the behavior of gas bubbles in single crystal and polycrystalline tungsten samples; (2) Samples including pure tungsten film and helium/hydrogen gas doped tungsten film on carbon substrate will be fabricated by magnetron sputtering deposition. The above three experimental tools will also be used mainly to study the behavior of gas bubbles in nanocrystalline tungsten films, as well as the variation of the micro-structure and the property of tungsten materials induced by gas bubbles at high temperature; (3) Starting from the ab initial and molecular dynamics calculations, Monte Carlo method will be used to simulate the evolution process of migration, accumulation, nucleation and bubble growth of helium and hydrogen in tungsten. By comparing and correlating the experiment data to the simulation results, the mechanism of gas bubble evolution in tungsten and nanocrystalline tungsten films under various conditions will be revealed gradually.

本项目将使用对微结构灵敏的实验手段和多层次的模拟方法研究气泡在钨及纳米晶钨膜中的演化机理，特别是在氦和氢共存情况下，气泡在钨中的行为以及它们在表面的释放。这些研究对厘清在聚变反应堆运行状态下，氦和氢在钨中的滞留特征以及钨材料性能的变化具有重要意义。本项目拟开展以下三方面的工作：（1）为了从微观层面上了解钨中气泡的演化，本项目将主要使用正电子湮没技术、透射电子显微镜和热脱附谱实验方法来研究注入的氦/氢离子在单晶和多晶钨中的行为；（2）本项目拟用磁控溅射方法在碳基底上试制钨膜以及掺入氦氢气体的钨膜样品，主要也拟采用上述实验手段研究气泡在纳米晶钨膜中的行为，以及气泡引起的钨材料在高温下微结构和性能的变化；（3）在从头计算和分子动力学模拟的基础上，拟用蒙卡模拟氦和氢在钨基中的迁移、聚集、成泡和长大的演化过程。期望通过实验测量与模拟计算结果的耦合，逐步了解不同条件下气泡在钨及钨膜中的演化机理。

本项目利用对微结构灵敏的实验手段和多层次的模拟方法研究了气泡在钨及纳米晶钨膜中的演化机理，特别是在氦和氢共存情况下，气泡在钨中的行为以及它们在表面的释放。这些研究对厘清在聚变反应堆运行状态下，氦和氢在钨中的滞留特征以及钨材料性能的变化具有重要意义。本项目主要开展了以下三方面的工作：（1）为了从微观层面上了解钨中气泡的演化，本项目主要使用了正电子湮没技术、扫描电子显微镜和X射线衍射实验方法研究注入的氦/氢离子在单晶和多晶钨中的行为；（2）本项目同时用磁控溅射方法在硅基底上试制了钨膜以及掺氦的钨膜样品，主要也采用了上述实验手段研究气泡在纳米晶钨膜中的行为，以及气泡引起的钨材料在高温下微结构和性能的变化；（3）在从头计算的基础上，本项目主要用分子动力学模拟了氦和氢在钨基中的迁移、聚集、成泡和长大的演化过程，同时，提出了一种计算钨中氦缺陷间作用半径和解离能的新方法。通过实验测量与模拟计算结果的结合，正在逐步了解不同条件下气泡在钨及钨膜中的演化机理。