低能氢粒子沿不同角度轰击钨(001)表面的反射概率及入射深度分布的分子动力学研究

郭龙婷; 孙继忠; 黄艳; 刘升光; 王德真

doi:10.7498/aps.62.227901

摘要

采用分子动力学方法对低能(0.5–50.0 eV)氢粒子与钨表面的相互作用进行了模拟研究.研究发现, 当氢粒子垂直入射, 能量为0.5–20.0 eV时, 粒子滞留在钨内部的概率急速增加, 在整个模拟能量区间内, 发生反射过程的概率逐渐减少, 但反射过程始终占主导. 改变粒子的入射角度, 在某些能量范围内滞留概率虽有所增加, 但氢原子被反射现象仍然占主导. 通过进一步观察低能氢粒子在钨块内的入射深度和能量变化, 计算出其在钨块中的能量沉积分布. 这些结果对理解聚变反应中钨材料的选用优势以及氢或氢同位素滞留有重大意义. 此外, 在所研究的能量范围内, 分子动力学方法的模拟结果与以二体理论为基础的TRIM程序的模拟结果之间有明显差异, 说明传统的二体碰撞理论不能很好地描述低能碰撞问题.

关键词:

Abstract

Molecular dynamics simulations are performed to study the diffusion behavior of low-energy hydrogen atoms in bcc tungsten (001). The simulation results show that when the energy of vertically incident hydrogen atoms is in a range of 0–20.0 eV, their retention probability increases rapidly; in the whole incident energy range 0.5–50.0 eV, the reflection probability gradually drops, but still exceeds 60%. By varying the incident angle, the retention probability may increase in some energy ranges compared with those in the case of vertical incidence, but the reflection probability still dominates. In this paper, we also obtain the depth distribution of energy deposition of incident hydrogen and its isotopes. It is found that tritium deposits more energies in the surface region than hydrogen.

Keywords:

作者及机构信息

1.
大连理工大学物理与光电工程学院, 大连 116024

基金项目: 国际热核聚变实验堆计划(批准号: 2013GB107003, 2013GB109001)、国家重点基础研究发展计划(批准号: 2010CB832901) 和中央高等学校基本科研基金(批准号: DUT13ZD102)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Physics and Optoelectronic Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Funds: Project supported by the National Magnetic Confinement Fusion Science Program (Grant Nos. 2013GB107003, 2013GB109001), the National Basic Research Program of China (Grant No. 2010CB832901), and the Fundamental Scientific Research Foundation for the Central Universities, China (Grant No. DUT13ZD102).

参考文献

[1]	Kaufmann M, Neu R 2007 Fusion Eng. Des. 82 521
[2]	Paméla J, Matthews G F, Philipps V, Kamendje R 2007 J. Nucl. Mater. 363–365 1
[3]	Doerner R P 2007 J. Nucl. Mater. 363–365 32
[4]	Shu W M, Luo G N, Yamanishi T 2007 J. Nucl. Mater. 367–370 1463
[5]	Shu W M, Wakai E, Yamanishi T 2007 Nucl. Fusion 47 201
[6]	Ruan W, Xie A D, Yu X G, Wu D L 2011 Chin. Phys. B 20 043104
[7]	Henriksson K O E, Nordlund K, Keinonen J, Vörtler K, Dreissigacker S 2006 Surface Sci. 600 3167
[8]	Ge C C, Zhou Z J, Song S X, Du J, Zhong Z H 2007 J. Nucl. Mater. 363 1211
[9]	Heinola K, Ahlgren T 2010 J. Appl. Phys. 107 11
[10]	Liu Y L, Lu W, Gao A Y, Gui L J, Zhang Y 2012 Chin. Phys. B 21 126103
[11]	Liu Y L, Zhou H B, Zhang Y 2011 J. Alloys Compd. 509 8277
[12]	Stangeby P C 2000 The Plasma Boundary of Magnetic Fusion Devices (London: Nicki Dennis) p111
[13]	Yang Z S, Xu Q, Hong R J, Li Q, Luo G N 2010 Fusion Eng. Des. 85 1517
[14]	Li X C, Gao F, Lu G H 2009 Nucl. Instrum. Meth. B 267 3197
[15]	Li S Y, Sun J Z, Zhang Z H, Liu S G, Wang D Z 2011 Acta Phys. Sin. 60 057901 (in Chinese) [李守阳, 孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真 2011 物理学报 60 057901]
[16]	Zhang Z H, Sun J Z, Liu S G, Wang D Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 047901 (in Chinese) [张治海, 孙继忠, 刘升光, 王德真 2012 物理学报 61 047901]
[17]	Sun J Z, Zhang Z H, Liu S G, Wang D Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 055201 (in Chinese) [孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真 2012 物理学报 61 055201]
[18]	Juslin N, Erhart P, Traskelin P, Nord J, Henriksson K O E, Nordlund K, Salonen E, Albe K 2005 J. Appl. Phys. 98 123520
[19]	Sang C F, Sun J Z, Wang D Z 2011 J. Nucl. Mater. 415 204
[20]	Brenner D W 1990 Phys. Rev. B 42 9458
[21]	Zhou H B, Liu Y L, Jin S, Zhang Y, Luo G N, Lu G H 2010 Nucl. Fusion 50 025016
[22]	Adelman S A, Doll J D 1976 J. Chem. Phys. 64 2375
[23]	Heinola K, Ahlgren T 2010 J. Appl. Phys. 107 113531
[24]	Frauenfelder R 1969 J. Vac. Sci. Technol. 6 388

施引文献

[1]	Kaufmann M, Neu R 2007 Fusion Eng. Des. 82 521
[2]	Paméla J, Matthews G F, Philipps V, Kamendje R 2007 J. Nucl. Mater. 363–365 1
[3]	Doerner R P 2007 J. Nucl. Mater. 363–365 32
[4]	Shu W M, Luo G N, Yamanishi T 2007 J. Nucl. Mater. 367–370 1463
[5]	Shu W M, Wakai E, Yamanishi T 2007 Nucl. Fusion 47 201
[6]	Ruan W, Xie A D, Yu X G, Wu D L 2011 Chin. Phys. B 20 043104
[7]	Henriksson K O E, Nordlund K, Keinonen J, Vörtler K, Dreissigacker S 2006 Surface Sci. 600 3167
[8]	Ge C C, Zhou Z J, Song S X, Du J, Zhong Z H 2007 J. Nucl. Mater. 363 1211
[9]	Heinola K, Ahlgren T 2010 J. Appl. Phys. 107 11
[10]	Liu Y L, Lu W, Gao A Y, Gui L J, Zhang Y 2012 Chin. Phys. B 21 126103
[11]	Liu Y L, Zhou H B, Zhang Y 2011 J. Alloys Compd. 509 8277
[12]	Stangeby P C 2000 The Plasma Boundary of Magnetic Fusion Devices (London: Nicki Dennis) p111
[13]	Yang Z S, Xu Q, Hong R J, Li Q, Luo G N 2010 Fusion Eng. Des. 85 1517
[14]	Li X C, Gao F, Lu G H 2009 Nucl. Instrum. Meth. B 267 3197
[15]	Li S Y, Sun J Z, Zhang Z H, Liu S G, Wang D Z 2011 Acta Phys. Sin. 60 057901 (in Chinese) [李守阳, 孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真 2011 物理学报 60 057901]
[16]	Zhang Z H, Sun J Z, Liu S G, Wang D Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 047901 (in Chinese) [张治海, 孙继忠, 刘升光, 王德真 2012 物理学报 61 047901]
[17]	Sun J Z, Zhang Z H, Liu S G, Wang D Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 055201 (in Chinese) [孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真 2012 物理学报 61 055201]
[18]	Juslin N, Erhart P, Traskelin P, Nord J, Henriksson K O E, Nordlund K, Salonen E, Albe K 2005 J. Appl. Phys. 98 123520
[19]	Sang C F, Sun J Z, Wang D Z 2011 J. Nucl. Mater. 415 204
[20]	Brenner D W 1990 Phys. Rev. B 42 9458
[21]	Zhou H B, Liu Y L, Jin S, Zhang Y, Luo G N, Lu G H 2010 Nucl. Fusion 50 025016
[22]	Adelman S A, Doll J D 1976 J. Chem. Phys. 64 2375
[23]	Heinola K, Ahlgren T 2010 J. Appl. Phys. 107 113531
[24]	Frauenfelder R 1969 J. Vac. Sci. Technol. 6 388

[1]	祁超, 马玉田, 齐艳飞, 肖善曲, 王波. 微观组织对叠片结构钨基面向等离子体材料的热疲劳效应的影响. 物理学报, 2024, 73(11): 112801. doi: 10.7498/aps.73.20240007
[2]	张国帅, 尹超, 王兆繁, 陈泽, 毛世峰, 叶民友. 中子辐照诱导钨再结晶的模拟研究. 物理学报, 2023, 72(16): 162801. doi: 10.7498/aps.72.20230531
[3]	徐驰, 万发荣. 聚变材料钨辐照后退火形成的位错环特性及inside-outside衬度分析. 物理学报, 2023, 72(5): 056801. doi: 10.7498/aps.72.20222124
[4]	黄文军, 乔珺威, 陈顺华, 王雪姣, 吴玉程. 含钨难熔高熵合金的制备、结构与性能. 物理学报, 2021, 70(10): 106201. doi: 10.7498/aps.70.20201986
[5]	周良付, 张婧, 何文豪, 王栋, 苏雪, 杨冬燕, 李玉红. 氦泡在bcc钨中晶界处成核长大的分子动力学模拟. 物理学报, 2020, 69(4): 046103. doi: 10.7498/aps.69.20191069
[6]	马玉田, 刘俊标, 韩立, 田利丰, 王学聪, 孟祥敏, 肖善曲, 王波. 氦离子显微镜对钨中氦行为的实验研究. 物理学报, 2019, 68(4): 040702. doi: 10.7498/aps.68.20181864
[7]	林怀俊, 朱云峰, 刘雅娜, 李李泉, 朱敏. 非晶态合金与氢相互作用的研究进展. 物理学报, 2017, 66(17): 176105. doi: 10.7498/aps.66.176105
[8]	崔丽娟, 高进, 杜玉峰, 张高伟, 张磊, 龙毅, 杨善武, 詹倩, 万发荣. 氢离子辐照纯钒中形成的位错环. 物理学报, 2016, 65(6): 066102. doi: 10.7498/aps.65.066102
[9]	郭洪燕, 夏敏, 燕青芝, 郭立平, 陈济红, 葛昌纯. 中能高浓度氦离子注入对钨微观结构的影响. 物理学报, 2016, 65(7): 077803. doi: 10.7498/aps.65.077803
[10]	王欣欣, 张颖, 周洪波, 王金龙. 铌对钨中氦行为影响的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(4): 046103. doi: 10.7498/aps.63.046103
[11]	黄艳, 孙继忠, 桑超峰, 丁芳, 王德真. 边界局域模对EAST钨偏滤器靶板腐蚀程度的数值模拟研究. 物理学报, 2014, 63(3): 035204. doi: 10.7498/aps.63.035204
[12]	孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真. 载能氢同位素原子与石墨(001)面碰撞的分子动力学研究. 物理学报, 2012, 61(5): 055201. doi: 10.7498/aps.61.055201
[13]	张治海, 孙继忠, 刘升光, 王德真. 载能氢原子与石墨(001)面碰撞过程中的能量传递行为的分子动力学研究. 物理学报, 2012, 61(4): 047901. doi: 10.7498/aps.61.047901
[14]	黄依娜, 万发荣, 焦治杰. 利用透射电镜衬度像变化判定位错环类型及注氢纯铁中形成的位错环分析. 物理学报, 2011, 60(3): 036802. doi: 10.7498/aps.60.036802
[15]	李守阳, 孙继忠, 张治海, 刘升光, 王德真. 单空位缺陷对载能氢原子与石墨层间碰撞的能量交换的影响的分子动力学研究. 物理学报, 2011, 60(5): 057901. doi: 10.7498/aps.60.057901
[16]	毕鹏, 刘元琼, 唐永建, 杨向东, 雷海乐. 液氢平面低温冷冻靶的红外吸收谱. 物理学报, 2010, 59(11): 7531-7534. doi: 10.7498/aps.59.7531
[17]	余波, 应阳君, 许海波. 中子半影成像的两种非线性重建方法研究. 物理学报, 2010, 59(8): 5351-5357. doi: 10.7498/aps.59.5351
[18]	温晓会, 章林溪. 打结高分子链穿孔行为的研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7404-7409. doi: 10.7498/aps.59.7404
[19]	韩同伟, 贺鹏飞. 石墨烯弛豫性能的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(5): 3408-3413. doi: 10.7498/aps.59.3408
[20]	方方, 郑时有, 周广有, 陈国荣, 孙大林. 氢致LaMg2Ni合金薄膜的光电性能变化. 物理学报, 2008, 57(6): 3813-3817. doi: 10.7498/aps.57.3813

计量

文章访问数: 7988
PDF下载量: 401
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板