强脉冲离子束材料表面改性研究进展

强脉冲离子束材料表面改性技术是正在发展中的新的材料表面改性技术。近四、五年来 ,我们围绕发展强脉冲离子束材料表面改性技术对其主要机制 (强脉冲能量效应 )、离子辐照诱发的热力学过程、表面熔坑现象及大面积均匀离子束技术开展了比较全面的基础性研究。研究表明 ,强脉冲离子束改性除了离子注入的元素掺杂效应外 ,其更可利用强脉冲能量沉积诱发的热力学效应 ,有望突破离子射程对改性层厚度的限制 ,并高效利用离子剂量和能量 ,成为新一代低成本、高效率、高生产率、实用化的离子束材料改性与合成工艺。本文对于上述研究的主要进展和相关问题进行了总结和评论     

强脉冲离子注入中的脉冲能量效应研究

在脉冲离子束流密度为15120A/cm2、脉宽为50150ns、加速电压为150260kV范围内,在11014cm-2的低注量水平上, 研究了高功率Cn++H+混合离子束注入45号钢样品的强脉冲能量效应。摩擦磨损和微观硬度测量以及SEM和X射线衍射分析表明,上述低注量强脉冲离子束注入可以改变材料 表面的微观结构和力学特性,而且强烈依赖于单个脉冲离子束的功率密度和能量密度。在相同离子注量条件下,普通C++H+离子注入对45号钢样品表面微硬度和摩擦系数未 见明显影响。直接证明了强脉冲能量效应在离子注入中是相对独立于注入元素掺杂效应的又一可利用的重要效应。基于一维导热模型,讨论了强脉冲能量效应以及脉冲离 子束功率密度对离子束材料表面改性的作用。     

强脉冲离子束在金属中引起的应力波效应

金属在强脉冲离子束辐照及其后的快速冷却过程中所经历的应力过程是强脉冲离子束金属材料改性的最重要的机制之一。对应于这种过程，金属材料的微观结构和微硬度发生了改变。本文以45＃钢和纯铝为样品，将实验中测量到的不同强度的强脉冲辐照后样品微硬度和微观结构的变化与热力学计算所描述的热力学过程相对照，解释了出现微硬度双峰是由于应力波的形成和传播使然，并预言了由于应力波的在样品背面的反射，在较强能通量的强脉冲离子束辐照下样品背表面一定深度处也会出现微硬度增加的现象，该现象已被实验所证实。     

强流脉冲离子束辐照对钛合金表面相结构的影响

利用X射线衍射(XRD)和能量色散的特征X射线谱(XEDS)扫描,对强脉冲离子束辐照钛合金的表面结构特征和成分分布进行了测试与分析。结果表明,试样钛合金为(α+β)型两相钛合金。当以低能流密度离子束辐照时,材料表面粗糙度的增加导致结构发生明显变化;随着离子束能流密度的增加,材料表面层出现微小非晶相;表面元素呈明显的层状均匀分布;多次脉冲离子束辐照下,表面形成Al2O3等氧化物,从而利于被辐照表面抗氧化性的提高。进一步提高离子束能流密度,多次脉冲辐照,材料表面形成了新相Al6MoTi和AlMoTi2。     

强脉冲离子束在金属中引起的应力波效应

金属在强脉冲离子束辐照及其后的快速冷却过程中所经历的应力过程是强脉冲离子束金属材料改性的最重要的机制之一。对应于这种过程 ,金属材料的微观结构和微硬度发生了改变。本文以 4 5 #钢和纯铝为样品将实验中测量到的不同强度的强脉冲辐照后样品微硬度和微观结构的变化与热力学计算所描述的热力学过程相对照 ,解释了出现微硬度双峰是由于应力波的形成和传播使然 ,并预言了由于应力波的在样品背面的反射 ,在较强能通量的强脉冲离子束辐照下 ,样品背表面一定深度处也会出现微硬度增加的现象 ,该现象已被实验所证实。     

强流辐照对钛合金表面形貌及成分的影响

用强流脉冲离子束技术对钛合金进行了表面轰击,利用原子力显微镜(AFM)在微观尺度上对离子束诱发的表面形貌进行了分析.结果表明,在单脉冲能量密度为～1.44 J/cm2,1次辐照表面开始熔化,5次辐照,轰击表面形成密度较大的块状熔坑,高度差较原始表面增长了约200 nm.用能量色散的特征X射线谱(XEDS)分析了辐照表面...     

离子束轰击形成表面非晶态合金

近期发展起来的离子束材料改性技术,利用离子束轰击固体不但可以改变材料表面成     

强脉冲离子束辐照混合陶瓷/NiCoCrAlY热障涂层研究

为提高高温合金的工作温度,一般在其表面涂覆由粘结过渡层和陶瓷隔热层构成的热障层.热障层的热稳定性决定了高温合金部件的寿命.为延长由部分稳定的ZrO2/NiCoCrAIY合金构成的热障层的服役寿命,采用强脉冲离子束对它们的界面进行辐照处理.本工作研究了不同参数的强脉冲离子束(IPIB)对不同厚度结构的靶的辐照混合效应,通过一系列分析测试研究,发现合适参数的IPIB辐照能够有效地在界面形成混合层,从而改善热障层在高温氧化环境中的高温耐久性.其中采用峰值能量300 keV,脉冲宽度65 ns,峰值流强密度250 A/cm2的IPIB单脉冲辐照后的样品获得最好效果.对其原因做了分析,认为在界面处形成特定元素分布的混合层在高温氧化条件下既能形成完整的保护层,又改善了层间晶格和热胀系数失配,减小了失配热应力,从而提高了热障层在高温氧化条件下的稳定性.     

动态测量强脉冲离子束辐照产生的冲击波

当强脉冲离子束(Intense pulsedion beam,IPIB)辐照材料表面时,在靶材料表面引发快速升温、熔融、气化、烧蚀以及随后的快速固化,并产生热应力与冲击波.本文通过构建并改进以聚偏二氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)膜为核心的测量系统,成功地对强脉冲离子束辐照所产生的冲击波进行了动态的探测,实验测量与我们自行开发的理论模拟计算相比较,获得较好的吻合.     

离化团束沉积装置的研制

材料表面改性领域的最新发展要求注离子改性范围在纳米量级,离子能量从几个eV到几百个eV,且必须具有强束流。通过离化团束(ICB)技术就可实现上述要求。 团粒是几十、几百或数千个原子或分子的聚合体,它很容易被电离和加速。1972年,Takagi等人通过一个喷嘴利用高温蒸发和膨胀进入真空形成了室温固体团粒,从此开始了离化团束沉积技术的发展。在常规离子束技术中采用原子或分子态离子,而离化团束采用电离的原子团。与单个原子束相比较,团粒束有不同的辐照效应,诸如沉积、溅射、损伤累积和动态退火等。团粒离子对材料的碰撞为表面处理     

不同加热方式对金属蒸汽速度分布的影响─—电子枪加热方式和模拟欧姆法的实验研究

从实验上证明了电子枪加热方式中电子束与原子束之间的能量交换，并与模拟欧姆法加热方式进行了比较，测量结果表明：电子束直接轰击靶金属时产生的真空蒸发原子束速度为（５０７±３０）ｍ／ｓ，而模拟欧姆法产生的真空蒸发原子束速度为（４０５±３０）ｍ／ｓ。两者之间的相差约１００ｍ／ｓ。由此可见电子束对原子束的加速作用确实存在。     

束流能散度和传输管道孔径变化对束流尾场效应的影响

采用双粒子模型，讨论了束流能散度和传输管道孔径变化对由第一个宏粒子产生的束流尾场的影响。并将所得的计算尾场效应的公式，变换成六维传输矩阵的形式，使之能用于束流传输系统的模拟计算。     

200MeV电子试验束的概念设计

研究了通过电子与原子核的弹性散射实现每脉冲少电子的试验束方案。测量和分析了由于电子和原子核散射产生的辐射背景。     

高压倍加器微秒脉冲束系统的建立

为满足某些效应本底较低的实验的需求,在中国原子能科学研究院的高压倍加器上利用束流切割的方法建立了一套微秒脉冲束系统,并对研制的系统进行性能测试,介绍了该系统的建造方法和性能测试结果。该套装置符合设计要求,可投入实际应用。     

Thermal analysis of EAST neutral beam injectors for long-pulse beam operation

Two sets of neutral beam injectors(NBI-1 and NBI-2) have been mounted on the EAST tokamak since 2014. NBI-1 and NBI-2 are co-direction and counter-direction, respectively. As with indepth physics and engineering study of EAST, the ability of long pulse beam injection should be required in the NBI system. For NBIs, the most important and difficult thing that should be overcome is heat removal capacity of heat loaded components for long-pulse beam extraction. In this article, the thermal state of the components of EAST NBI is investigated using water flow calorimetry and thermocouple temperatures. Results show that(1) operation parameters have an obvious influence on the heat deposited on the inner components of the beamline,(2) a suitable operation parameter can decrease the heat loading effectively and obtain longer beam pulse length, and(3) under the cooling water pressure of 0.25 MPa, the predicted maximum beam pulse length will be up to 260 s with 50 keV beam energy by a duty factor of 0.5. The results present that, in this regard, the EAST NBI-1 system has the ability of long-pulse beam injection.     

100 MeV回旋加速器的高功率质子束流线研制

为调试100 MeV回旋加速器高功率束流及放射性同位素研制，设计了一条高功率质子束流线及可插拔式高功率束流调试靶。研究了100 MeV回旋加速器引出区色散效应及剥离膜的散射效应，从而优化了光学模拟的初始参数，使得模拟结果更加精确。高功率束流调试靶设计为可插拔式以代替常用固定式调试靶，该靶插入束流管道中时可进行高功率质子束流调试，在拔出时，质子束流可直接轰击束流线终端的靶站以生产放射性同位素。优化了高功率束流调试靶的水冷结构，确保调试靶可承受500 μA以上的质子束流。经调试，该束流线可传输最高流强520 μA的质子束流。     

Theoretical Analysis on Effect of Adding Argon to Hydrogen Plasma

An increased of H- ion beam current whenever argon gas is added has been observed.The physics behind argon effect is that in the production of more H atoms, a part of H atoms will be converted to H*2(v＞4) to increase H- density. Increase of nH depends on the rate of added Ar η%, primary filling pressure P, electron density neAr and recombination coefficient γ of H atom.Adding 25% Ar is optimal, although there have been assumed various parameters. Increase of nH depends on decreased recombination coefficient γ, and increased primary filling pressure P. The increase of nH is small when the pressure P ＜ 0.3 Pa. Optimized volume size L/R ～ 2 is optimal for obtaining a maximum Ar effect.     

脉冲离子束流聚焦装置的研制

用小型化的质量分析系统进行脉冲离子束流实验研究时,从真空弧离子源中引出的束流脉冲幅度大、能量低,由于空间电荷效应使脉冲束流发散度很大,使得离子束流成分分析的不确定度增大。为克服在有限的空间范围内脉冲离子束流聚焦的困难,研制了一种新的双限束光阑三膜片透镜离子束流聚焦装置。双限束光阑着重减少束流发射度,三膜片透镜则适合小尺度空间的脉冲束流聚焦。计算机模拟的结果符合这种大脉冲离子束流聚焦的设计思想。磁质谱仪应用该聚焦装置后,发散到质量分析器分析盒上的脉冲离子束流幅值从未加聚焦前的115 mA减少至0.06 mA,脉冲离子束流质量分析的不确定度降低。     

螺线管磁场旋转束流法测量Mini-LIA电子束能量

介绍了螺线管磁场旋转束流法的能量测量原理和在Mini-uA上开展的单脉冲电子束能量测量实验.通过测量束流在螺线管磁场中的旋转角度,得到Mini-LIA出口处电子束能量,与加速器总的加速电压符合得很好.分析了旋束法的测量误差和应用特点,给出了旋束法测量的适用范围.