离子束改性法提升玻璃靶丸充氩性能与玻璃微观结构的模拟

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目前,惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)是颇受人们关注的一种受控核聚变。在惯性约束聚变的实验中,将玻璃微球靶丸作为燃料载体。使得靶丸中的聚变燃料气体发生反应便是实验的关键。然而,在向玻璃靶丸中充入氘-氚燃料气体之外,还需要向靶丸中充入氩气作为诊断气体,观察实验中的各种性质。而如何有效的向玻璃靶丸中充入原子尺寸较大的氩气变成了该工程的难题。在不损坏玻璃靶丸宏观物理性能如表面粗糙度、球形度等的前提下,离子束辐照改性法便成为了一种行之有效的方法。通过载能离子束辐照玻璃靶丸,使得在玻璃靶丸的壁上形成损伤,从而形成更多的供氩气扩散的微通道,从而提高氩气的扩散概率。为了研究不同离子种类、离子能量辐照玻璃靶丸而提升氩气的扩散效果,本工作采用2.6 MeV的氩离子、5.0 MeV的氪离子,以及多能量(5.8 MeV+2.5MeV+1 MeV)的氪离子辐照玻璃靶丸,随后在不同的温度和压力下对辐照后的玻璃靶丸进行充氩气实验。与此同时,为了从理论的角度研究氩气扩散的可能性,本工作使用分子动力学的方法对实际中使用的玻璃靶丸的微观结构进行模拟,从而得出靶丸玻璃中的空穴分布信息。通过一系列的实验与模拟,本工作得出了以下结论:1、在2.6 MeV的Ar11+离子束辐照下,当辐照注量达到1×1015 ions/cm2时,温度为400℃,压力为0.7 MPa的充气条件下,充气时间达到33 h的时候,通过X射线荧光光谱仪(X-Ray Fluorescence,XRF)检测手段,可以明显的看到玻璃微球中具有氩气的存在。2、在5.0 MeV的Kr17+离子束辐照下,当辐照注量达到1×1015 ions/cm2时,在温度为常温,压力为0.48 MPa的充气条件下,四级质谱仪(Quadrupole mass spectrometer,QMS)检测到0.008和0.015 bar气压的氩气体的存在;同时,当辐照注量达到2×1015 ions/cm2时,在常温下保持8 h,高温400℃保持24 h,压力为0.41 MPa的充气条件下,四级质谱仪检测到0.009 bar气压的氩气体的存在。3、相比于单能离子束辐照,在多能量(1.0 MeV+2.5 MeV+5.8 MeV)的Kr22+离子束辐照条件下,改性后的玻璃微球的充氩性能得到明显的改善。表现为当充气条件为0.5 MPa下充气115 h加上400℃高温、0.38 MPa下充气16 h后,最多情况下,XRF可检测到15.47%质量百分比的氩气。4、本工作所涉及的实验结果表明,随着DPA损伤效果的增加,充气结果变好。同时,多能量辐照玻璃微球,会明显增加氩气的充气效果。但是,随着DPA的增加,玻璃微球的机械性能变差,易碎。并且,多能量离子束辐照之后,对玻璃微球的壁厚进行多处损伤,玻璃微球的机械性能明显下降,表现在在0.68 MPa的压力下,玻璃微球非常容易破碎。5、从功能的角度来讲,经典分子动力学可以对钠硼硅酸盐玻璃的微观结构进行较为完善的模拟。模拟结果表明,当K=40.5时,BO4随着R值的减小而减小。而当R=17.4时,BO4在K=20的时候出现极值。对于充氩气工作而言,当K=40.5,R=17.4、8.5、4.2时,玻璃中存在较多的氩气扩散空穴。实际聚变实验使用的玻璃靶丸的组分(K=40.5、R=17.4)结构中存在的供氩原子扩散的空穴最多,因此适合充氩气工作的完成。
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