块体金属玻璃作为聚变堆第一镜材料的表面特性研究

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金属第一镜是国际热核聚变实验堆计划(ITER)光学诊断系统的重要组成部分,必须在长时间保持高的反射率,且对波长不敏感,从而精确地反映相关的工作参数。但是,由于第一镜直接面对等离子体,受到高能密度粒子的辐照和沉积污染,其反射率和表面结构发生较大变化,工作寿命一般仅有几十秒。因此,在选择第一镜材料时,需要考虑材料的技术可行性、与聚变堆反应环境相容性、低溅射产额以及中高反射率。与传统金属材料相比,非晶态合金结构均匀各向同性,避免了多晶第一镜的取向选择溅射现象,可以长时间保持较高的反射率,而且制备简单,易于抛光。本论文研究了块体金属玻璃C0612B26.2Si7.8Ta4.8、Zr65A17.5NiloCu175和金属多晶钼Mo经低温等离子体H溅射,其镜面反射率、表面粗糙度和相结构的演变情况;研究了块体金属玻璃C061.2B262Si7.8Ta4.8、Zr63.7A19.0Ni27.3和金属多晶钨W经320keV高电荷态He2+离子束轰击后,其镜面反射率、表面粗糙度、表面相结构和化学成分的变化。在氩气的保护下,采用电弧熔炼和铜模吸铸法制备块体金属玻璃C0612B26.2Si7.8Ta4.8、Zr65A175Ni10Cu17.5和Zr63.7Al9.0Ni27.3;使用传统光学机械抛光技术抛磨第一镜试样,制备出表面粗糙度小于10nnm的光学镜面。分别采用M-2000椭偏光谱仪、原子力显微镜AFM、X射线衍射仪XRD和X射线光电子能谱仪XPS,测量镜面反射率Rspec、表面均方根粗糙度RMS、表面相结构以及表面化学成分。结果表明,块体金属玻璃抗低温H等离子体溅射和高电荷态He离子束轰击的能力,不仅与试样的表面粗糙度有关,还与金属玻璃的微结构及化学成分有关。随着低温H等离子体溅射时间的增加,金属多晶Mo和块体金属玻璃Zr65A175NiloCu175的表面粗糙度增大,镜面反射率降低;而Co612B262Si78Ta4.8的表面粗糙度减小,镜面反射率升高。XRD分析结果表明:块体金属玻璃在低温H离子体溅射过程中,表面微结构具有自修复性。高电荷态He离子束轰击后,三种第一镜试样的表面粗糙度都增大,镜面反射率均降低,但是块体金属玻璃Co612B262Si78Ta4.8的镜面反射率和表面粗糙度值的变化最小;两种块体金属玻璃的XRD图谱均未出现晶体衍射峰(晶体相),说明了块体金属玻璃在高电荷态等离子体的溅射过程中,表面相结构具有较大的稳定性。XPS分析表明:块体金属玻璃镜面反射率的降低还与C、O杂质元素的吸附沉积有关。
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