分子動(dòng)力學(xué)模擬C+離子與聚變材料鎢的相互作用
采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬不同能量的C+ 離子與聚變材料鎢的相互作用。模擬結果表明: 當C+ 離子入射劑量為3.11×1016 cm-2 , 入射能量為50 eV 時(shí), 樣品表面形成一層碳膜; 而入射離子能量為150 和250 eV 時(shí), C+ 離子入射到樣品內與鎢原子共同形成碳鎢混合層, 樣品表面沒(méi)有形成碳膜; 碳的沉積率隨能量的增大先減小后增加, 濺射率隨能量的增大先增大后減小; 轟擊后的樣品中, 碳原子密度、C-W 鍵密度及C-C 鍵密度分布都隨能量的增加逐漸向樣品內移動(dòng), 且C-W 鍵分布厚度隨能量的增加而逐漸增加, C-C 鍵分布厚度幾乎不隨能量變化; 在作用過(guò)程中極少量的鎢原子發(fā)生濺射, 但引起鎢晶格損傷嚴重; 碳在轟擊后的樣品中主要以C sp3雜化形式存在。
鎢具有熔點(diǎn)高、濺射率低、機械特性好、抗輻射強等優(yōu)點(diǎn), 因此被選作為國際熱核反應堆(ITER)中偏濾器擋板下部、垂直靶上部、拱頂等部位的首選材料。但鎢材料受到強大熱沖擊時(shí)表現出性能不穩定等缺點(diǎn), 且鎢為高Z 性材料, 一旦濺射的鎢粒子進(jìn)入等離子體區將引起嚴重的熱輻射損失。故在偏濾器部件垂直靶中下部和收集板選用抗熱沖擊性能好的石墨作為候選材料,但石墨材料的濺射閾能低, 易發(fā)生物理和化學(xué)濺射,若濺射產(chǎn)物中含碳化合物在鎢材料表面發(fā)生再沉積作用, 則導致鎢材料性能發(fā)生變化。因此研究不同能量下C+ 離子與鎢材料表面相互作用的影響, 有助于對第一壁材料選取和性能的設計。
近年來(lái), G.Federici 等實(shí)驗研究了鎢在氘、氚高能離子轟擊下相關(guān)性能的變化, 研究結果表明鎢不易發(fā)生濺射, 高能的氘、氚粒子只能引起鎢材料的局部融化, 但對鎢材料的特性不產(chǎn)生影響, 同時(shí)也不影響鎢的使用壽命; Liudvikas Pranevicius等實(shí)驗研究了Ar+ 與碳原子共同與鎢基底相互作用, 結果表明在低氣壓下, 碳沉積在鎢表面形成一層碳膜, 阻止了后續碳原子對鎢的刻蝕。由于實(shí)驗研究對材料微觀(guān)機理變化不明確, 為了揭示含碳粒子與鎢表面相互作用的微觀(guān)機理。Yue-Lin Liu 等從第一性原理出發(fā)模擬了鎢材料中缺陷對碳的影響, 結果表
明隨著(zhù)入射碳原子的增加, 碳和鎢更易形成化學(xué)鍵。Zhongshi Yang等用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了碳和鎢表面的相互作用, 研究結果表明隨著(zhù)入射離子能量增加, 離子入射到樣品內的平均深度增加。但在相互作用過(guò)程中對入射離子沉積、濺射的微觀(guān)機理以及入射離子在樣品中分布的研究還很少。
本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了C+ 離子與鎢表面的相互作用過(guò)程, 主要研究碳原子的沉積、濺射、對鎢晶格的刻蝕及在樣品中的分布來(lái)揭示其微觀(guān)相互作用機制, 為進(jìn)一步試驗提供理論依據和數據參考。
本文通過(guò)模擬入射能量為50, 100, 150, 200,250, 300 eV 的C+ 離子轟擊鎢樣品, 分析在相互作用的過(guò)程中碳的沉積、濺射和W 原子的濺射, 以及各原子在樣品中的分布和成鍵形式。在所選模擬條件下得到如下結果: 碳的入射深度隨能量增加而增加,在50 eV 時(shí), 在碳鎢混合層表面形成一層碳膜, 而能量為150 和250 eV 時(shí), 入射C+ 離子轟入到樣品中形成碳、鎢混合層, 沒(méi)有形成碳膜; 碳的沉積率先減少后增加, 150 eV 時(shí), 沉積率達到最小, 碳的濺射率先增大后減小, 在150 eV 時(shí), 濺射率達到最大; 在作用過(guò)程中造成W 原子濺射很少, 其濺率不超過(guò)0.3% , 但鎢晶格受到嚴重破壞; 隨著(zhù)入射能量增加,C 原子密度、形成C-W 鍵密度及C-C 鍵密度分布都在向樣品內移動(dòng), 且C-W 鍵密度分布寬度在樣品內擴寬, 而C-C 鍵分布厚度幾乎不隨入射離子能量變化, 且薄膜的膨脹厚度隨入射離子能量增加而減小,碳在轟擊后的樣品中主要以Csp 3 雜化形式存在。
在C+ 離子轟擊鎢樣品過(guò)程中, 鎢的濺射主要是高能的C+ 離子造成, 小于50 eV 的入射C+ 離子不能使W 原子發(fā)生濺射, 碳在鎢材料表面形成一層碳膜, 有利益后續C+ 離子的沉積, 雖然碳膜保護了鎢材料免受其它高能粒子的轟擊, 但越來(lái)越厚的碳膜不利于裝置的運行, 由于裝置所處環(huán)境極為復雜,還需要考慮各種情況下沉積原子在其它高能粒子作用下的濺射, 這將是下一步所需要做的工作。研究原子和原子間鍵密度在樣品中的分布情況, 可以了解入射離子轟入到樣品中的深度, 從而知道原子在樣品中與其它原子的結合能及對晶格鍵的破壞程度。碳在樣品中以sp 3 雜化成鍵時(shí), 形成類(lèi)金剛石硬質(zhì)薄膜, 其化學(xué)性質(zhì)穩定、透明度好、硬度高,可以防止裝置異常情況下的突發(fā)事件, 此外, 可以得到除高溫高壓下獲得類(lèi)金剛石薄膜的另一種方法。
