阅读说明：本技术 一种利用射频辉光放电光谱仪检测钨中氘含量分布的方法 (A method of it is distributed using deuterium content in radio frequency glow discharge spectrometer detection tungsten ) 是由 王鹏 乔丽 柴利强 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用射频辉光放电光谱仪检测钨中氘含量分布的方法,是先通过物理气相沉积方法制备含氘金属薄膜材料作为标准样品,再采用卢瑟福背散射光谱与热脱附质谱法分别检测标准样品中金属与氘的含量,然后在射频辉光放电光谱仪上使用标准样品将检测氘的电信号曲线转换为氘含量信息,同时采用白光干涉三维轮廓测试仪对标准样品进行射频辉光放电光谱溅射深度与测试时长关系的标定用以确定射频辉光放电光谱仪检测氘在样品中的深度信息；最后使用射频辉光放电光谱法检测经过氘等离子体辐照的钨块进行该方法的验证。该方法特别适用于为托卡马克装置用面对等离子体部件提供低含量氢同位素测试。(The present invention relates to a kind of methods using deuterium content distribution in radio frequency glow discharge spectrometer detection tungsten, it is to first pass through physical gas-phase deposite method preparation metallic film material containing deuterium as standard sample, the content with deuterium is belonged to using Rutherford backscattering spectrum and thermal desorption mass spectrography difference examination criteria Gold Samples again, it then the use of the electric signal Curve transform that standard sample will test deuterium is deuterium content information on radio frequency glow discharge spectrometer, the calibration of radio frequency glow discharge spectrum sputter depth and length of testing speech relationship is carried out to determine the depth information of radio frequency glow discharge spectrometer detection deuterium in the sample to standard sample using white light interference three-D profile tester simultaneously；Finally the tungsten block using radio frequency glow discharge spectroscopic methodology detection by deuterium plasma irradiation carries out the verifying of this method.This method is especially suitable for providing the test of low content hydrogen isotope in face of plasma source components for tokamak device.)

一种利用射频辉光放电光谱仪检测钨中氘含量分布的方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料中氢同位素的检测，尤其涉及一种利用射频辉光放电光谱仪检测金属钨中氘含量分布的方法，主要用于核聚变堆中面对等离子体部件的检测，属于氢同位素检测领域及射频辉光放电光谱仪的应用领域。

背景技术

在托卡马克核聚变实验装置中，面对等离子体的第一壁材料将受到包括氢同位素燃料在内的高通量和低能量粒子的轰击。稳态等离子体运行是下一代聚变装置的关键要求之一。第一壁材料中氢同位素的滞留可能会影响等离子体边界粒子的密度、等离子体密度以及放电效率，从而对未来聚变装置的安全运行和稳态使用有着重大影响。因此，在第一壁材料和现有设备部件的深度剖面分析中，必须详细描述燃料滞留特性，以便预测聚变装置服役状态。此外，对第一壁材料进行可靠的深度剖面分析对于理解聚变装置中等离子体与第一壁材料的相互作用也是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用射频辉光放电光谱仪检测钨中氘含量分布的方法，旨在解决商用射频辉光放电光谱仪在检测钨金属材料中氘气体元素的浓度和深度分布的定量化和灵敏度问题。

本发明利用射频辉光放电光谱仪检测钨金属材料中氘含量分布方法，是先通过物理气相沉积方法制备含氘金属薄膜材料作为标准样品，再采用卢瑟福背散射光谱与热脱附质谱法分别检测标准样品中金属与氘的含量，然后在射频辉光放电光谱仪上使用标准样品将检测氘的电信号曲线转换为氘含量信息，同时采用白光干涉三维轮廓测试仪对标准样品进行射频辉光放电光谱溅射深度与测试时长关系的标定用以确定射频辉光放电光谱仪检测氘在样品中的深度信息；最后使用射频辉光放电光谱法检测经过氘等离子体辐照的钨块进行该方法的验证。具体包括以下步骤：

（1）通过物理气相沉积方法制备含氘金属薄膜材料作为标准样品。薄膜沉积过程工艺：以氩气与氘气的混合气氛为工作气体，使用商业磁控溅射等离子体设备溅射钨靶：钨靶纯度均为99.995%，直径为75mm；氩气气体流量为19~21sccm，氘气气体流量为2~40sccm，工作气压为6.5~8.5×10^-1Pa，沉积温度为120~160℃，沉积时间为10~65min，直流电源溅射功率均为270~350W。

通过改变沉积时长来调控薄膜厚度，薄膜厚度为0.5~2μm。

物理气相沉积薄膜前，先用带有-500V偏压的氩等离子体刻蚀单晶硅基材10min，去除基材表面灰尘和自然氧化层。

（2）采用卢瑟福背散射光谱检测上述薄膜中金属原子含量。卢瑟福背散射光谱检测在加速器上进行，测试过程中使用⁴He²⁺离子，离子能量为2~4MeV；测试过程中的入射角为0°，出射角为20°，散射角为160°，结合SIMNRA6.05软件对实验数据进行元素组分和深度的模拟。

（3）采用热脱附质谱法检测标准样品中氘的含量。热脱附采用附带石英管的真空管式炉，型号为OTF-1200X-S。升温速度为10℃/min，最高温度为880~900℃，热脱附氘的时间为90min。由于氘从钨薄膜中脱附温度约在300℃至800℃范围内，此参数下氘全部从含氘薄膜样品中脱附出。

整个加热过程中使用质谱法进行脱附气体的检测，质谱法采用四极质谱仪，型号为Pfeiffer QME220，可检测质量数小于100的多种类脱附气体。

（4）基于上述测定的薄膜样品中金属和氘含量数据，在射频辉光放电光谱仪上进行氘电信号与氘含量关系的标定。该商用射频辉光放电光谱仪是法国Horiba Jobin Yvon公司生产的型号为GD PROFILER 2的仪器。测试时激发方式为射频RF，阳极尺寸为4mm，真空腔室压力为400~800Pa，频率为3000Hz，功率为7.5~15W，模块值为6.8V，相值为6.0V。在该测试仪自带软件的校准程序中，输入标准样品所含元素种类及元素含量，通过对标准样品的元素电信号检测得到由氘电信号转换为氘含量的关系（使用上述参数下的射频辉光放电光谱仪对含氘金属薄膜进行测试，在样品上留下对应于不同时长的溅射坑）。

（5）采用白光干涉三维轮廓测试仪分析得到溅射深度与测试时长关系，从而对射频辉光放电光谱仪测试标准样品的深度进行标定，最终得到射频辉光放电光谱测试出的氘浓度在样品深度方向上的分布曲线。即使用上述参数下的射频辉光放电光谱仪对含氘金属薄膜进行测试，在样品上留下对应于不同时长的溅射坑，通过对上述溅射坑进行白光干涉三维轮廓测试，从样品的三维等高线形貌图中得到溅射坑的台阶扫描曲线，从而得到溅射一定时长后导致的不同溅射坑深度，即该参数下射频辉光放电光谱仪对标准样品的溅射速率。将上述测试分析得到的射频辉光放电光谱仪对标准样品的溅射速率输入到测试软件中，得到射频辉光放电光谱仪测试含氘样品的溅射时间与溅射深度的关系，从而得到射频辉光放电光谱测试出的氘含量在含氘钨块样品深度方向上的分布曲线。

本发明方法使用射频辉光放电光谱法检测经过氘等离子体辐照的钨块进行该方法的验证，证明该方法的可靠性。

本发明方法特别适用于托卡马克装置用面对等离子体部件提供低含量氢同位素测试的可行性技术与经验，并可扩展至其他材料所含气体元素的测试中，为商用射频辉光放电光谱仪测试气体元素在金属材料中的分布提供可行性技术与经验。

附图说明

图1为本发明所述不同厚度含氘钨薄膜的钨元素含量。

图2为射频辉光放电光谱仪测试得到本发明实施例1所述氘等离子体辐照后钨块中氘的电信号关于测试时间的曲线。

图3为射频辉光放电光谱仪测试得到氘等离子体辐照后钨块中氘的原子含量关于测试时间的曲线。

图4为射频辉光放电光谱仪测试不同时间后得到含氘钨薄膜溅射坑的截面三维轮廓扫描曲线。

图5为射频辉光放电光谱仪测试得到氘等离子体辐照后钨块中氘的原子含量关于测试深度的曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明基于含氘金属薄膜标定的射频辉光放电光谱法检测钨金属材料中氘含量分布方法作进一步说明。

（1）物理气相沉积方法制备含氘的钨金属薄膜。实验中使用一台商业磁控溅射设备，其具有1个独立可控磁控靶溅射源，使用直流电源在单晶硅基材上直接沉积一层含氘的钛或钨薄膜。靶溅射源为纯度为99.995%的钨靶，靶直径为75mm。在沉积涂层前，先用偏压-500V的氩等离子体刻蚀单晶硅基材10分钟去除基底表面自然附着的杂质。

含氘的钨金属薄膜物理气相沉积工艺：在单晶硅基材上沉积一层含氘的钨薄膜作为标准样品。薄膜沉积过程的工作气体为氩气和氘气的混合气氛，其中氩气流量为20sccm，氘气流量为10sccm，沉积温度为150℃，工作气压为7.5×10^-1Pa，使用300W直流电源溅射钨靶，沉积时间分别为30min、60min和120min，对应的薄膜厚度为0.5μm、1μm和2μm。

（2）通过卢瑟福背散射测试薄膜中钨元素含量和深度。卢瑟福背散射光谱检测在加速器上进行，测试过程中使用⁴He²⁺离子，离子能量为4MeV；测试过程中的入射角为0°，出射角为20°，散射角为160°，结合SIMNRA6.05软件对实验数据进行元素组分和深度的模拟。结果如图1所示。

（3）通过热脱附四极质谱法测试薄膜中氘元素含量。具体实验过程为：将待测样品放置于真空管式炉管子正中心，之后管式炉背底真空抽至1×10^-5Pa以下，在升温速率为10℃/min以及最高温度为900℃的参数下进行真空加热，整个加热过程中使用四极质谱仪（型号为Pfeiffer QME220）进行脱附气体的检测，检测质量数为3和4（分别对应于氘原子与氘气分子）的脱附气体，热脱附氘的时间为90min。通过上述方法可以得到如表1所示含氘钨薄膜中钨和氘的含量数据：

（4）基于上述含氘钨薄膜中钨和氘含量数据，在射频辉光放电光谱仪（型号为GDPROFILER 2）上进行氘电信号与氘含量关系的标定。测试时激发方式为射频RF，阳极尺寸为4mm，真空腔室压力为650Pa，频率为3000Hz，功率为7.5W，模块值为6.8V，相值为6.0V。在该测试仪自带软件的校准程序中，输入标准样品所含元素种类及元素含量，通过对标准样品的元素电信号检测得到由氘电信号转换为氘含量的关系，得到如图2所示氘等离子体辐照后钨块中氘的电信号关于测试时间的曲线，以及校准氘含量后的如图3所示的氘等离子体辐照后钨块中氘的原子含量关于测试时间的曲线。

（5）采用白光干涉三维轮廓测试仪对含氘钨薄膜进行射频辉光放电光谱溅射深度与时长关系的标定。白光干涉三维轮廓测试仪为一台KLA-Tencor公司生产的非接触式白光干涉光学表面轮廓仪，型号为MicroXAM-800。具体过程为：使用本实施例第（4）步中所述参数下的射频辉光放电光谱仪对含氘金属薄膜进行测试，分别测试101s、201s和363s，这样在样品上留下对应于不同时长的溅射坑。通过对这些溅射坑进行白光干涉三维轮廓测试，从样品的三维等高线形貌图中得到溅射坑的台阶扫描曲线，如图4所示。最终得到溅射一定时长后导致的不同溅射坑深度，即该参数下射频辉光放电光谱仪对标准样品的溅射速率，对于钨材料而言，此参数下溅射速率约为18.3nm/s。

（6）采用上述参数下的射频辉光放电光谱仪检测经过氘等离子体辐照的钨块样品中氘的含量，进行上述方法的验证。具体过程为：使用一台能够产生一直线段的高密度约束氘等离子体束的装置，将氘等离子体垂直打到钨金属样品上，得到经过氘等离子体辐照的钨块样品。钨块样品尺寸为15mm（长度）×12mm（宽度）×1mm（厚度）。使用射频辉光放电光谱仪对经过氘等离子体辐照的钨块样品进行测试，得到如图5所示的氘含量在钨块样品中的深度分布曲线。由图5可以看到，氘主要分布在钨块内部6μm内，浓度在0.005%-1%之间。对图5中曲线进行积分可以得到钨块样品中氘总含量约为，3.75×10²⁰ atoms/m²，作为对比该样品进行热脱附实验可以得到样品中氘总含量为4.03×10²⁰ atoms/m²，可见由射频辉光放电光谱仪测试出的钨块中氘含量数据误差在10%以内。