分子动力学模拟C+离子与聚变材料钨的相互作用

　　采用分子动力学方法模拟不同能量的C+ 离子与聚变材料钨的相互作用。模拟结果表明: 当C+ 离子入射剂量为3.11×10¹⁶ cm^-2 , 入射能量为50 eV 时, 样品表面形成一层碳膜; 而入射离子能量为150 和250 eV 时, C+ 离子入射到样品内与钨原子共同形成碳钨混合层, 样品表面没有形成碳膜; 碳的沉积率随能量的增大先减小后增加, 溅射率随能量的增大先增大后减小; 轰击后的样品中, 碳原子密度、C-W 键密度及C-C 键密度分布都随能量的增加逐渐向样品内移动, 且C-W 键分布厚度随能量的增加而逐渐增加, C-C 键分布厚度几乎不随能量变化; 在作用过程中极少量的钨原子发生溅射, 但引起钨晶格损伤严重; 碳在轰击后的样品中主要以C sp³杂化形式存在。

　　钨具有熔点高、溅射率低、机械特性好、抗辐射强等优点, 因此被选作为国际热核反应堆(ITER)中偏滤器挡板下部、垂直靶上部、拱顶等部位的首选材料。但钨材料受到强大热冲击时表现出性能不稳定等缺点, 且钨为高Z 性材料, 一旦溅射的钨粒子进入等离子体区将引起严重的热辐射损失。故在偏滤器部件垂直靶中下部和收集板选用抗热冲击性能好的石墨作为候选材料,但石墨材料的溅射阈能低, 易发生物理和化学溅射,若溅射产物中含碳化合物在钨材料表面发生再沉积作用, 则导致钨材料性能发生变化。因此研究不同能量下C+ 离子与钨材料表面相互作用的影响, 有助于对第一壁材料选取和性能的设计。

　　近年来, G.Federici 等实验研究了钨在氘、氚高能离子轰击下相关性能的变化, 研究结果表明钨不易发生溅射, 高能的氘、氚粒子只能引起钨材料的局部融化, 但对钨材料的特性不产生影响, 同时也不影响钨的使用寿命; Liudvikas Pranevicius等实验研究了Ar+ 与碳原子共同与钨基底相互作用, 结果表明在低气压下, 碳沉积在钨表面形成一层碳膜, 阻止了后续碳原子对钨的刻蚀。由于实验研究对材料微观机理变化不明确, 为了揭示含碳粒子与钨表面相互作用的微观机理。Yue-Lin Liu 等从第一性原理出发模拟了钨材料中缺陷对碳的影响, 结果表

　　明随着入射碳原子的增加, 碳和钨更易形成化学键。Zhongshi Yang等用分子动力学方法模拟了碳和钨表面的相互作用, 研究结果表明随着入射离子能量增加, 离子入射到样品内的平均深度增加。但在相互作用过程中对入射离子沉积、溅射的微观机理以及入射离子在样品中分布的研究还很少。

　　本文采用分子动力学方法模拟了C+ 离子与钨表面的相互作用过程, 主要研究碳原子的沉积、溅射、对钨晶格的刻蚀及在样品中的分布来揭示其微观相互作用机制, 为进一步试验提供理论依据和数据参考。

　　本文通过模拟入射能量为50, 100, 150, 200,250, 300 eV 的C+ 离子轰击钨样品, 分析在相互作用的过程中碳的沉积、溅射和W 原子的溅射, 以及各原子在样品中的分布和成键形式。在所选模拟条件下得到如下结果: 碳的入射深度随能量增加而增加,在50 eV 时, 在碳钨混合层表面形成一层碳膜, 而能量为150 和250 eV 时, 入射C+ 离子轰入到样品中形成碳、钨混合层, 没有形成碳膜; 碳的沉积率先减少后增加, 150 eV 时, 沉积率达到最小, 碳的溅射率先增大后减小, 在150 eV 时, 溅射率达到最大; 在作用过程中造成W 原子溅射很少, 其溅率不超过0.3% , 但钨晶格受到严重破坏; 随着入射能量增加,C 原子密度、形成C-W 键密度及C-C 键密度分布都在向样品内移动, 且C-W 键密度分布宽度在样品内扩宽, 而C-C 键分布厚度几乎不随入射离子能量变化, 且薄膜的膨胀厚度随入射离子能量增加而减小,碳在轰击后的样品中主要以Csp 3 杂化形式存在。

　　在C+ 离子轰击钨样品过程中, 钨的溅射主要是高能的C+ 离子造成, 小于50 eV 的入射C+ 离子不能使W 原子发生溅射, 碳在钨材料表面形成一层碳膜, 有利益后续C+ 离子的沉积, 虽然碳膜保护了钨材料免受其它高能粒子的轰击, 但越来越厚的碳膜不利于装置的运行, 由于装置所处环境极为复杂,还需要考虑各种情况下沉积原子在其它高能粒子作用下的溅射, 这将是下一步所需要做的工作。研究原子和原子间键密度在样品中的分布情况, 可以了解入射离子轰入到样品中的深度, 从而知道原子在样品中与其它原子的结合能及对晶格键的破坏程度。碳在样品中以sp 3 杂化成键时, 形成类金刚石硬质薄膜, 其化学性质稳定、透明度好、硬度高,可以防止装置异常情况下的突发事件, 此外, 可以得到除高温高压下获得类金刚石薄膜的另一种方法。