分子動力學(xué)模擬不同入射能量的CH與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔?/h1>
2011-04-29 秦尤敏 貴州大學(xué)等離子體與材料表面作用研究所
本文使用分子動力學(xué)方法模擬低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以探討在核聚變過程中CH 的再沉積行為及對面向等離子體材料性質(zhì)變化的影響。選擇的入射能量分別為0.3, 1, 5, 10 eV。模擬結(jié)果表明隨著入射能量的增加C 原子與H 原子的吸附率增加, 且在入射能量大于CH 離解能的情況下, 同一能量下H 原子的吸附率小于C 原子的吸附率。隨著入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 薄膜中含有Csp2的范圍變寬, 并且表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃sp2表面。薄膜中的C 主要以Csp3形式存在,其次是Csp2, 幾乎不含Csp1。通過統(tǒng)計薄膜中的CHx( x 為1~ 4) 發(fā)現(xiàn)CH 占優(yōu)勢, 其次是CH2 , 而CH4 的量非常少。
在托克馬克核聚變裝置運行期間, 作為面向等離子體材料的石墨將受到從等離子體約束區(qū)逃逸出來的H 離子和中性原子持續(xù)轟擊, 將產(chǎn)生以下效應(yīng): 1、 在第一壁的表面形成一層碳?xì)浔∧?2、 壁材的
刻蝕產(chǎn)物CxHy 回到等離子體約束區(qū)被離化而獲得更大的能量重新沉積在第一壁材上使碳?xì)浔∧さ玫搅松L。這些效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果將使石墨材料的機械和熱學(xué)性質(zhì)的衰退, 并且降低等離子體的溫度以及純度從而影響等離子體的維持。因此, 研究CHx 的再沉積行為和碳?xì)浔∧さ纳L有助于全面了解等離子體與壁材料表面的相互作用, 促進(jìn)核聚變裝置中壁材料的發(fā)展 。眾所周知, 在等離子體與固體
材料表面相互作用的實際過程中, 等離子體中含有各種各樣的離子和中性基團(tuán), 以致于通過實驗手段難以判斷每一種粒子在作用過程中所充當(dāng)?shù)慕巧�。這使得到目前為止等離子體與壁材料的相互作用機制仍然不明朗, 阻礙了核聚變的發(fā)展。
分子動力學(xué)( MD) 方法是一種能克服實驗上的困難并從原子量級上模擬等離子體與固體材料相互作用的有力工具。Atsushi Ito 與Hiroaki Nakamura 模擬了石墨在H 及H 的同位素D( 氘) 和T( 氚) 的作用下的濺射情況。結(jié)果顯示隨入射能量的增加,由D 和T 引起的表面損傷速率高于H 引起的表面損傷速度。當(dāng)濺射達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時, C 原子的濺射率隨能量的增加而增加。他們的研究結(jié)果還表明入射粒子的類型對C 原子的濺射率沒有太大的影響。Salonen 和Nordlund 等研究了H 與非晶SiC 的相互作用。結(jié)果顯示在能量為30 eV 的條件下, 當(dāng)Si 的摻雜量為10%時, Si 原子幾乎沒有發(fā)生濺射, C 原子的化學(xué)濺射量最小, 比純石墨結(jié)構(gòu)的C 原子的濺射量小1.5 倍。這表明往C 材料中摻雜適量的Si 能延長面向等離子體材料的使用壽命, 進(jìn)而降低了等離子體約束區(qū)的雜質(zhì)含量。Trskelin 和Salonen 等使用分子動力學(xué)方法模擬了入射角度和入射能量對CH3 在C 表面吸附的影響。結(jié)果表明當(dāng)入射角度從0度增加到67.5度!時, CH3 的吸附截面隨入射角度的增加而降低, 吸附機率隨入射能量的增加而增加。這表明粒子的入射角度對作用過程有一定的影響。
近年來, 對石墨材料作為壁材料的研究主要集中于對H, D 和T 粒子與石墨、摻雜了Si 的C 材料和非晶碳?xì)浔砻娴南嗷プ饔靡约疤細(xì)湓訄F(tuán)( CxHy )與非晶碳表面的相互作用的研究, 較少有關(guān)CHx 與非晶碳?xì)浔砻孀饔玫难芯�。因此本文將使用分子動力學(xué)方法模擬低能CH 原子團(tuán)與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以獲得CH 與碳?xì)浔∧ぷ饔脮r發(fā)生的反應(yīng)和碳?xì)浔∧ぴ贑H 的作用下所發(fā)生的變化,從而進(jìn)一步全面了解等離子體與材料表面相互作用機制和CH 的再沉積行為以及薄膜性質(zhì)的變化。
3、結(jié)論
本文使用分子動力學(xué)方法模擬了低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 通過分析和討論得出以下結(jié)論:
(1) C 原子和H 原子的吸附率隨入射能量的增加而增加, 且在同一能量下H 原子的吸附率小于C原子的吸附率;
(2) 隨入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 并且薄膜的近表面區(qū)域的C 原子的密度大于H 原子的密度;
(3) 當(dāng)入射能量為5, 10 eV 時, 薄膜表面的C 形式主要是Csp 2。在選擇的能量下薄膜中的C 主要以Csp 3 形式存在, 其次是Csp 2;
(4) 薄膜中含有的CHx ( x 為1~ 4) 為CH 占優(yōu)勢。
本文使用分子動力學(xué)方法模擬低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以探討在核聚變過程中CH 的再沉積行為及對面向等離子體材料性質(zhì)變化的影響。選擇的入射能量分別為0.3, 1, 5, 10 eV。模擬結(jié)果表明隨著入射能量的增加C 原子與H 原子的吸附率增加, 且在入射能量大于CH 離解能的情況下, 同一能量下H 原子的吸附率小于C 原子的吸附率。隨著入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 薄膜中含有Csp2的范圍變寬, 并且表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃sp2表面。薄膜中的C 主要以Csp3形式存在,其次是Csp2, 幾乎不含Csp1。通過統(tǒng)計薄膜中的CHx( x 為1~ 4) 發(fā)現(xiàn)CH 占優(yōu)勢, 其次是CH2 , 而CH4 的量非常少。
在托克馬克核聚變裝置運行期間, 作為面向等離子體材料的石墨將受到從等離子體約束區(qū)逃逸出來的H 離子和中性原子持續(xù)轟擊, 將產(chǎn)生以下效應(yīng): 1、 在第一壁的表面形成一層碳?xì)浔∧?2、 壁材的
刻蝕產(chǎn)物CxHy 回到等離子體約束區(qū)被離化而獲得更大的能量重新沉積在第一壁材上使碳?xì)浔∧さ玫搅松L。這些效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果將使石墨材料的機械和熱學(xué)性質(zhì)的衰退, 并且降低等離子體的溫度以及純度從而影響等離子體的維持。因此, 研究CHx 的再沉積行為和碳?xì)浔∧さ纳L有助于全面了解等離子體與壁材料表面的相互作用, 促進(jìn)核聚變裝置中壁材料的發(fā)展 。眾所周知, 在等離子體與固體
材料表面相互作用的實際過程中, 等離子體中含有各種各樣的離子和中性基團(tuán), 以致于通過實驗手段難以判斷每一種粒子在作用過程中所充當(dāng)?shù)慕巧�。這使得到目前為止等離子體與壁材料的相互作用機制仍然不明朗, 阻礙了核聚變的發(fā)展。
分子動力學(xué)( MD) 方法是一種能克服實驗上的困難并從原子量級上模擬等離子體與固體材料相互作用的有力工具。Atsushi Ito 與Hiroaki Nakamura 模擬了石墨在H 及H 的同位素D( 氘) 和T( 氚) 的作用下的濺射情況。結(jié)果顯示隨入射能量的增加,由D 和T 引起的表面損傷速率高于H 引起的表面損傷速度。當(dāng)濺射達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時, C 原子的濺射率隨能量的增加而增加。他們的研究結(jié)果還表明入射粒子的類型對C 原子的濺射率沒有太大的影響。Salonen 和Nordlund 等研究了H 與非晶SiC 的相互作用。結(jié)果顯示在能量為30 eV 的條件下, 當(dāng)Si 的摻雜量為10%時, Si 原子幾乎沒有發(fā)生濺射, C 原子的化學(xué)濺射量最小, 比純石墨結(jié)構(gòu)的C 原子的濺射量小1.5 倍。這表明往C 材料中摻雜適量的Si 能延長面向等離子體材料的使用壽命, 進(jìn)而降低了等離子體約束區(qū)的雜質(zhì)含量。Trskelin 和Salonen 等使用分子動力學(xué)方法模擬了入射角度和入射能量對CH3 在C 表面吸附的影響。結(jié)果表明當(dāng)入射角度從0度增加到67.5度!時, CH3 的吸附截面隨入射角度的增加而降低, 吸附機率隨入射能量的增加而增加。這表明粒子的入射角度對作用過程有一定的影響。
近年來, 對石墨材料作為壁材料的研究主要集中于對H, D 和T 粒子與石墨、摻雜了Si 的C 材料和非晶碳?xì)浔砻娴南嗷プ饔靡约疤細(xì)湓訄F(tuán)( CxHy )與非晶碳表面的相互作用的研究, 較少有關(guān)CHx 與非晶碳?xì)浔砻孀饔玫难芯�。因此本文將使用分子動力學(xué)方法模擬低能CH 原子團(tuán)與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 以獲得CH 與碳?xì)浔∧ぷ饔脮r發(fā)生的反應(yīng)和碳?xì)浔∧ぴ贑H 的作用下所發(fā)生的變化,從而進(jìn)一步全面了解等離子體與材料表面相互作用機制和CH 的再沉積行為以及薄膜性質(zhì)的變化。
3、結(jié)論
本文使用分子動力學(xué)方法模擬了低能CH 與碳?xì)浔∧さ南嗷プ饔? 通過分析和討論得出以下結(jié)論:
(1) C 原子和H 原子的吸附率隨入射能量的增加而增加, 且在同一能量下H 原子的吸附率小于C原子的吸附率;
(2) 隨入射能量的增加, 薄膜的厚度增加, 并且薄膜的近表面區(qū)域的C 原子的密度大于H 原子的密度;
(3) 當(dāng)入射能量為5, 10 eV 時, 薄膜表面的C 形式主要是Csp 2。在選擇的能量下薄膜中的C 主要以Csp 3 形式存在, 其次是Csp 2;
(4) 薄膜中含有的CHx ( x 為1~ 4) 為CH 占優(yōu)勢。
