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氚在能源工业和国防事业中有着重要的作用,高性能储氚材料的研制在氚技术中是十分关键的。金属氢化物作为目前最主要的储氚材料,在氚的储运、纯化、分离、回收、压缩、泵送等方面都获得了广泛的应用。但氚衰变产生的氦会对材料性能产生很大的影响。
同时,氢氦同位素共存,因此研究金属氚化物中氢氦相互作用和相互影响也是十分重要的。过去开展的一些研究工作主要集中在氦对氢行为的影响,研究一致发现氦对氢有十分强的捕获作用,但氢对氦行为影响的研究还很少。国外学者有研究发现氚化物中氚的浓度越高,氦加速释放的临界浓度也变小。
我们在Ar,He,H混合气体中磁控溅射沉积含氢氦的zr薄膜。轰击在正在生长薄膜的具有一定能量的背散射中性氦原子和氢离子大部分都会穿过表面势垒扩散到薄膜里被捕获。这种方法的优点是能在薄膜中均匀地引入高浓度范围的氢、氦而且没有额外的移位损伤。
运用弹性反冲分析方法用来研究氢氦在薄膜里的浓度分布。通过热解吸谱来研究氢对氦行为的影响,从氦的热解吸谱中我们可以得到很重要的信息。(1)热解吸谱主要由低温区的释放峰和高温区的释放峰组成:低温区的氦释放来源予薄膜中间隙氦原子和与类似空位的缺陷(这些缺陷在低温区释放峰的温度里消失了)结合的氦原子,高温区的释放峰来源于大量氦泡的释放。(2)当薄膜里氢浓度增加到一定量时,薄膜的结构发生了变化,这种结构的变化造成了热解吸谱里大量氦释放的温度降低,即使在同一个相区,含氢量的不同也会影响热解析谱里大量氦释放的形状。由于氢氦原子间相互复杂的作用影响了薄膜里氦存在的微观状态。同时我们也对氢对氦热释放影响的机制进行了讨论。
我们用透射电镜研究氦泡随退火温度的变化,发现400℃退火温度是氦泡演化发展的关键温度。在400℃,氦泡密度明显增加很多,并且出现了多个氦泡串连成半环状管道。用原子力显微镜研究了氦离子的轰击效应,发现He离子轰击会对薄膜表面形貌产生晶粒细化的影响。
本文还讨论了一种我们新发展的氦引入技术:等离子体与磁控溅射沉积结合的动态阈值离子注入系统,并初步进行了氦引入的实验。