基于正電子湮沒技術(shù)的材料空位型缺陷行為研究

袁 悅，王漢卿，王詩維，程 龍，張 鵬，曹興忠，金 碩，呂廣宏

(1.北京航空航天大學(xué) 物理學(xué)院，北京100191；2.中國科學(xué)院高能物理研究所 多學(xué)科研究中心，北京 100049)

正電子湮沒技術(shù)是先進(jìn)的材料微觀結(jié)構(gòu)無損探測技術(shù)，可對原子尺度缺陷(如空位、空位團簇等)進(jìn)行快速精準(zhǔn)探測，彌補了透射電鏡、X射線衍射等其他技術(shù)對原子尺度缺陷難以觀測的不足[1]. 正電子湮沒技術(shù)包括多普勒展寬能譜儀、角關(guān)聯(lián)譜儀、壽命譜儀等. 上世紀(jì)80年代，慢正電子束流技術(shù)的出現(xiàn)，將正電子湮沒技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步拓展到材料表面和界面的研究中[2-4].

材料缺陷對其物理、化學(xué)、力學(xué)等性能具有重要影響，材料缺陷探測表征技術(shù)在材料性能評估中占據(jù)重要位置. 在研究生為主的近代物理實驗本研一體化專題中，增設(shè)正電子湮沒技術(shù)，將其應(yīng)用到核聚變堆壁材料金屬鎢的輻照缺陷行為研究中，有助于學(xué)生以前沿科學(xué)與國家需求的視角，學(xué)習(xí)和掌握該技術(shù)在材料微觀缺陷研究中的應(yīng)用.

1 實驗原理

1.1 正電子與材料的相互作用

正電子在材料中的擴散、捕獲和湮沒過程示意圖如圖1所示. 正電子進(jìn)入材料后，其動能在幾ps內(nèi)降至低能量狀態(tài)(約為0.025 eV)，即熱化過程. 由于正電子與原子核存在庫侖排斥作用，因此熱化的正電子在擴散過程中易被捕獲在原子間的空間內(nèi)，尤其是空位型缺陷中，從而與周圍的電子發(fā)生湮沒，釋放出2個γ光子. 湮沒過程遵循動量守恒與能量守恒，正負(fù)電子對總質(zhì)量對應(yīng)的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)?個γ光子的動能.

圖1 正電子在材料中的擴散、捕獲、湮沒過程示意圖

若正負(fù)電子對初始狀態(tài)靜止，湮沒釋放的2個γ光子速度大小相等、方向相反，每個γ光子能量為511 keV. 由于材料中的電子具有初始動量，因此2個γ光子發(fā)射方向夾角不再是180°，且能量將相對于511 keV發(fā)生多普勒能移. 電子初始動量越高，γ光子多普勒能移越顯著[5].

1.2 慢正電子束多普勒展寬能譜儀的工作原理

通過測量γ光子的多普勒展寬能譜，可以獲得與電子動量相關(guān)的材料微觀結(jié)構(gòu)信息，如圖2所示.

圖2 γ光子多普勒展寬能譜

多普勒展寬能譜峰值位置對應(yīng)511 keV，譜線中心區(qū)域(A區(qū)域)能移小，對應(yīng)較低動量電子的湮沒；譜線兩翼區(qū)域(B/C區(qū)域)能移大，對應(yīng)較高動量電子的湮沒. 為便于對比不同譜線的特征差異，引入S(shape)參數(shù)[1]，其定義為A區(qū)域面積(510.2～511.8 keV)與譜線下的積分總面積(504.2～517.8 keV)的比值.

金屬材料中不同環(huán)境中的電子動量不同. 如在空位型缺陷中，主要存在的是原子周圍游離的價電子，平均動量較低. 若材料中空位型缺陷數(shù)量增多，相應(yīng)的S升高[6-8]. 結(jié)合慢正電子束入射能量可調(diào)的特點[9]，可獲得材料表面至μm量級深度范圍內(nèi)的S，即空位型缺陷數(shù)量的變化規(guī)律.

2 實驗方法

2.1 實驗裝置

慢正電子束多普勒展寬實驗裝置及流程如圖3所示.

圖3 慢正電子束多普勒展寬實驗裝置示意圖

a.正電子源衰變產(chǎn)生的快正電子經(jīng)慢化體慢化后，再經(jīng)靜電加速管加速，獲得單色且能量連續(xù)可調(diào)的慢正電子束.

b.正電子束垂直入射測試樣品，湮沒產(chǎn)生的γ光子被高純Ge半導(dǎo)體探測器探測，產(chǎn)生電信號，經(jīng)過主放大器放大并輸入多道分析器處理.

c.存入計算機，通過分析γ光子多普勒展寬能譜獲得S參數(shù).

2.2 實驗樣品

金屬鎢作為核聚變堆中的壁材料，將經(jīng)受高劑量載能粒子輻照，產(chǎn)生大量輻照缺陷，影響其服役性能. 鎢中的輻照缺陷行為一直是核聚變材料領(lǐng)域關(guān)注的熱點[10]. 面向核聚變能國家需求，選取鎢為測試對象，利用慢正電子束表征并分析輻照前后鎢近表面空位型缺陷的變化.

樣品A：商業(yè)軋制鎢，純度>99.95%，形變量80%，致密度>99%，樣品尺寸10 mm×10 mm×1 mm. 樣品經(jīng)過機械研磨與拋光，獲得平整光潔的表面；

樣品B：利用高能Cu2+對初始鎢樣品進(jìn)行輻照，離子能量為1 MeV，輻照劑量為7.5×1018m-2；

樣品C：在樣品B的基礎(chǔ)上，進(jìn)行氘(D)等離子體輻照，氘離子能量為40 eV，輻照劑量1×1026m-2.

2.3 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)實驗與拓展實驗2部分，面向不同教學(xué)需求開展分層次教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生綜合實驗實踐能力和分析解決問題能力的提升.

基礎(chǔ)實驗需完成樣品A和B的測試,主要面向研究生和部分本科生. 教師先講授實驗原理與操作方法(1學(xué)時)，然后學(xué)生在專職實驗員的指導(dǎo)下進(jìn)行測試(3學(xué)時). 學(xué)生基于實驗操作與數(shù)據(jù)分析，可掌握正電子湮沒技術(shù)的基本原理和操作方法，得到并分析高能Cu2+輻照引起的缺陷數(shù)量隨深度的變化規(guī)律.

拓展實驗需完成樣品C的測試，主要針對學(xué)有余力的研究生，學(xué)生提前與專職實驗員預(yù)約測試時間. 學(xué)生通過對比分析不同輻照因素對樣品缺陷行為的影響，深入學(xué)習(xí)和理解正電子湮沒技術(shù)的應(yīng)用.

2.4 實驗過程

1)安裝實驗樣品. 樣品室結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 樣品室結(jié)構(gòu)示意圖

a.關(guān)閉閘閥2，打開閘閥1，操作送樣桿將樣品臺移動至預(yù)抽室，關(guān)閉閘閥1；

b.預(yù)抽室內(nèi)充入氮氣，打開預(yù)抽室腔室門，將樣品粘在樣品臺上；

c.關(guān)閉預(yù)抽室；

d.先后打開機械泵和分子泵，約等待1 h，真空度降至1×10-5Pa以下，打開閘閥1；

e.操作送樣桿，將樣品臺送入主樣品室，關(guān)閉閥門1；

f.開啟閘閥2，準(zhǔn)備測量.

2)調(diào)節(jié)加速電壓，采集γ光子多普勒展寬能譜. 通過計算機指令，根據(jù)測量精度需求設(shè)置加速電壓大小與步長. 對于金屬鎢樣品，加速電壓為0～8 kV時，步長設(shè)為0.5 kV；加速電壓為8～20 kV時，步長設(shè)為1 kV；共計28個能量點. 每個能量點采集1個γ光子能量-計數(shù)圖(圖5)，其中峰值處對應(yīng)511 keV. 當(dāng)504.2～517.8 keV能量區(qū)間的總計數(shù)Nsum累積至5×105時，視為該譜線測試完成.

圖5 實測γ光子多普勒展寬能譜圖

3)譜線去噪，計算每個譜線對應(yīng)的S并統(tǒng)計誤差. 采譜過程中存在噪聲信號，如圖5左右兩側(cè)低能區(qū)與高能區(qū)部分. 扣除噪聲信號后，截取504.2～517.8 keV區(qū)間能譜，計算S.結(jié)合總計數(shù)Nsum計算S的統(tǒng)計誤差，Es=S[Nsum-0.5+(SNsum)-0.5].

4)繪制S隨深度d的變化曲線. 正電子注入深度R可依據(jù)R=(40/ρ)E1.6計算，其中ρ為材料密度，E為正電子能量. 將28個正電子能量轉(zhuǎn)化為注入深度，結(jié)合對應(yīng)的S與統(tǒng)計誤差Es，繪制S-d曲線.

3 實驗結(jié)果分析

3.1 基礎(chǔ)實驗

如圖6(a)所示，對于樣品A，0～30 nm深度范圍內(nèi)S相對較高，表明輻照前鎢樣品淺表層的空位型缺陷相對較多，這與樣品表面的機械拋光處理有關(guān). 樣品A和B在整個測試深度范圍內(nèi)S顯著增加，表明高能Cu2+輻照導(dǎo)致鎢中形成了大量空位型缺陷.

為更好地分析高能Cu2+輻照因素對空位型缺陷數(shù)量深度分布的影響，將同一深度樣品B和A的S作差，獲得ΔS隨d的變化曲線，如圖6(b)所示. ΔS在0～50 nm深度范圍內(nèi)急劇增加并達(dá)到峰值，隨后緩慢減小. 可見，空位型缺陷的增加呈峰值分布，且受表面效應(yīng)的影響，越靠近表面,空位型缺陷的形成越困難.

3.2 拓展實驗

拓展實驗中有多個樣品(包括樣品C)可供學(xué)生選擇，學(xué)生也可以根據(jù)自己的研究興趣，主動設(shè)計擬測試的材料種類和輻照參量. 教師在評定實驗設(shè)計的合理性和可行性后，準(zhǔn)備相應(yīng)的樣品供學(xué)生測試分析.

此處以學(xué)生選擇率最高的樣品C為例，簡要說明測試結(jié)果. 結(jié)合圖6(a)～(c)可以看出，高能Cu2+輻照后的氘等離子體輻照有降低S的效果，但無法使S降低至輻照前的初始水平. 實驗結(jié)果表明，低能氘等離子體輻照可以一定程度“修復(fù)”高能Cu2+輻照對鎢造成的損傷，但無法完全“恢復(fù)”.

(a) 不同鎢樣品S隨d的變化規(guī)律

4 結(jié)束語

面向核聚變能國家需求，選取核聚變堆壁材料金屬鎢作為測試樣品，將慢正電子束多普勒展寬能譜儀引入近代物理實驗課程，使學(xué)生掌握正電子湮沒技術(shù)表征材料缺陷行為的實驗技能，并推廣應(yīng)用到其他材料缺陷表征中. 基于測試原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析等實驗教學(xué)過程，強化學(xué)生對力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等基礎(chǔ)物理知識的深入理解. 學(xué)生分析討論空位型缺陷變化規(guī)律時，需要結(jié)合一定的材料物理基礎(chǔ)知識，教學(xué)中教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉的學(xué)習(xí)能力. 基于基礎(chǔ)實驗與拓展實驗的分層次教學(xué)設(shè)計，可充分激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提升學(xué)生的綜合實驗實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)與探索精神.