Fe基金属玻璃离子束辐照稳定性的微观机理研究

The first mirror is an important componet of optical diagnostic in nuclear fusion devices. Dispite the metals such as stainless steel, molybdenum and tungsten own good thermal performance and other excellent properties, the mirror pollution issues caused by the sputtering of energetic particles and the redeposition of impurities exist in them which limits their applications in the nuclear fusions. Our previous works indicate that the anti-irradiation and sputtering resistance of metallic glasses are better than those of metal material. Fe-based metallic glasses may be choosen as a candidate of the first mirror due to their wide supercooled liquid region, high crystallization temperature, good stability of amorphous and the absence of neutron activation element. The amorphous stability of Fe-based metallic glasses is the key factor which limits the application of the metallic glasses, so the researches of amorphous stability and thermal stability under neutron irradiation are of greatest importance. In this project, the high-intensity pulsed ion beam is used to irradiate Fe-based metallic glasses to simulate the heat effect in nuclear fusion and research the mechanism of thermostability of Fe-based metallic glasses; the H+/He+ ion beam irradiation is used to simulate the neutron irradiation effect in nuclear fusions and study the microscopic physical mechanism of neutron irradiation stability of Fe-based metallic glasses; the synergistic effect of heat and H+/He+ ion beam irradiation on the amorphous stability of Fe-based metallic glasses is also discussed to investigate the probability of which Fe-based metallic glasses apply as a candidate of the first mirror in nuclear fusion.

第一镜是核聚变等离子体光学诊断的重要部件。尽管金属材料具有优良导热性等优点，金属材料(如不锈钢、钼、钨等)作为第一镜也存在载能粒子的轰击溅射和杂质再沉积引起的镜面污染问题，不能满足聚变装置要求。前期工作表明，金属玻璃的耐溅射和耐辐照损伤能力好于晶体材料。Fe基金属玻璃因为大的过冷液相区、高的晶化温度等特性具有更好的非晶稳定性，且不含中子活化元素，Fe基金属玻璃有可能成为第一镜的候选材料。Fe基金属玻璃的非晶稳定性是制约其应用的关键，研究其中子辐照非晶稳定性和热稳定性至关重要。本项目拟用强流脉冲离子束辐照模拟聚变堆的热效应，研究Fe基金属玻璃的热稳定性机理；利用H+/He+离子束辐照模拟聚变堆中的中子辐照效应，研究Fe基金属玻璃的中子辐照稳定性的微观物理机制；同时探讨热效应和H+/He+离子束辐照效应的协同作用对Fe基金属玻璃的非晶稳定性影响，探索Fe基金属玻璃作为聚变堆第一镜候选材料可能性

Fe基金属玻璃具有大的过冷液相区、高的晶化温度等且不含中子活化元素，有可能成为第一镜的候选材料。本项目选择He2+、H+、He2+/H+以及强流脉冲离子束辐照Fe基、Ni基等高晶化温度金属玻璃以及晶体W、Mo、低活化钢，研究金属玻璃的非晶稳定性和热稳定性，并与晶体耐辐照材料比较。结果表明，连续的He2+离子束辐照后，金属玻璃表面都没有明显的辐照损伤现象发生，剂量达到1.61018 ions /cm2时，Fe基、Ni基金属玻璃仍保持非晶相为主要结构，在He泡层区域观察到少量的晶化相产生。H+离子束辐照后，Ni基金属玻璃在剂量达到1.01018 ions /cm2时依然保持着良好的非晶结构，内部没有观察到明显的H泡层，表面依然保持均匀平整，没有出现明显的辐照损伤。He2+/H+复合辐照后，Fe基、金属玻璃中He泡的主要形成机制为He原子的移动与捕获。强流脉冲离子束辐照后，Fe基金属玻璃表面出现了大量的圆形孔洞和少量的“凸点”；辐照诱导Fe基、Ni基金属玻璃内部原子的强烈迁移和聚集，使得金属玻璃的原子排列不均匀。CLF-1钢在300keV的He离子辐照后，其辐照层晶格中产生了压应力，且形成厚度约300 nm的He泡层。在He泡层中形成了局部的非晶区域，且其中的碳化物粒子有发生分解的趋势。当剂量达到1×1018ions/cm2时，CLF-1钢的表面大量起疱伴随着出现剥落。研究发现金属玻璃独特的长程无序结构以及内部存在大量的自由体积能够容纳更多的离子，同时也能够缓解强流脉冲离子束辐照产生的应力。Fe、Ni基金属玻璃耐离子束辐照损伤的能力明显优于晶体材料，有更好的离子束辐照结构稳定性和热稳定性。项目的完成检验了Fe基金属玻璃作为未来聚变装置第一镜候选材料的可能性，为聚变反应成功运行提供理论依据和技术支持。该项目的研究意义不仅仅在于寻找未来聚变装置第一镜候选材料，还可以将金属玻璃的应用拓展到空间反射镜等领域。.项目按计划完成，共发表期刊论文14篇，其中SCI收录的论文12篇，EI收录论文2篇。培养研究生7人，已毕业博士1人，毕业硕士4人。参加国内外学术会议20人次。