鋰氫同位素化合物性質(zhì)的理論研究及其薄膜的制備.pdf

1、慣性約束聚變反應(yīng)中，點(diǎn)火條件要求熱核燃料必須達(dá)到高溫、高密度的等離子體狀態(tài)，密度ρ與壓縮后的半徑R乘積必須滿足條件ρR＞0.3g/cm2。ICF靶丸要求燃料初始密度高，單殼層靶的球殼材料很難承受如此高的壓力，因此，一般采用燃料處于冷凍狀態(tài)的冷凍靶。冷凍靶中常用氘氚(DT)冰和氘氚(DT)氣體作為聚變?nèi)剂?。在不同的靶丸中，DT冰層的厚度不同，一般為80～100μm，密度約為0.25g/cm3，表面粗糙度(Rq)＜1μm。氘(D)、氚(T)

2、燃料發(fā)生反應(yīng)持續(xù)一定的時間，消耗的氘需要進(jìn)行補(bǔ)充。目前用的DT冰或DT氣體聚變?nèi)剂蠠o法自增值氚，氚的補(bǔ)充主要依靠外界來源。如果增加DT冰層的厚度來增加燃料容量，又會增加DT冰層的表面粗糙度從而影響點(diǎn)火。作為一種聚變?nèi)剂希盎?LiDxT1-x)中同位素6Li，7Li與中子反應(yīng)，生成的氚可以再回收利用，也能有效地利用中子，起到慢化中子的作用。而且它的氘氚(DT)密度高，DT比可調(diào)，當(dāng)x=0.25或0.5時，DT密度與DT冰幾乎相同，此

3、性質(zhì)可能用于不增加激光慣性約束聚變(ICF)點(diǎn)火靶丸容積和充氣壓力的情況下增加燃料儲量和燃燒持續(xù)時間，如果靶丸設(shè)計適當(dāng)（聚變中子充分慢化）還可能利用6Li，7Li造氚，上述設(shè)想可能在一定程度上能夠突破冷凍靶氘氚燃料填充上限，解決目前靶丸燃料自持的問題。
　　另一方面，慣性約束聚變中等離子體發(fā)射的光主要集中在0.1～1.5KeV的軟x光能區(qū)。在ICF研究中，研究激光等離子體有著十分重要的意義，它直接關(guān)系到靶丸能否獲得均勻輻照、對稱壓

4、縮而實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆。而軟x射線多層膜元件是研究激光等離子體發(fā)射軟x光譜理想的分光元件。目前，在軟x射線的中長波段(10nm＜λ＜20nm)，已經(jīng)研制出了具有高反射率的多層膜，而在軟x射線短波段(0＜λ＜10nm)和長波段(20nm＜λ＜30nm)，高反射率多層膜膜的研究仍處在探索階段。鋰氫同位素化合物對軟x射線波段幾乎透明，是軟x射線多層膜的理想間隔層材料。故鋰氫同位素化合物有望作為ICF中的聚變?nèi)剂虾蛙泋射線多層膜反射鏡間隔層材料加以運(yùn)用，

5、對此進(jìn)行研究具有相當(dāng)大的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
　　盡管鋰氫同位素化合物在ICF和軟x射線多層膜中有巨大的潛在應(yīng)用背景，但是要將其優(yōu)良的性質(zhì)充分發(fā)揮利用，還有許多問題尚需解決，如鋰氫同位素化合物的結(jié)構(gòu)、密度、水解及其薄膜制備過程中面臨的表面粗糙度等一系列問題。本論文針對以上問題，對鋰氫同位素化合物的晶體結(jié)構(gòu)、密度、熱力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、與水的反應(yīng)動力學(xué)過程和鋰氫同位素化合物薄膜的制備技術(shù)進(jìn)行了初步研究。計算結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果

6、吻合較好，獲得了一些國內(nèi)外未見報道的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些結(jié)果不僅對理解鋰氫同位素化合物的性質(zhì)有益，而且為其在ICF中的應(yīng)用奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)運(yùn)用Materials studio4.0軟件中的CASTEP模塊，采用摻雜的方式構(gòu)建不同x值的鋰氫同位素化合物的晶體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用平面波贗勢結(jié)合廣義梯度近似的密度泛函理論方法來優(yōu)化不同x值的LiHxD1-x，LiHxT1-x和LiDxT1-x晶體結(jié)構(gòu)，計

7、算得到了LiH(LiD、LiT)的晶格常數(shù)和密度值，首次獲得了LiHxD1-x，LiHxT1-x和LiDxT1-x晶格常數(shù)和密度值。研究發(fā)現(xiàn)LiD0.5T0.5和LiD0.25T0.75中DT密度幾乎與DT冰相當(dāng)，從理論的角度支持了氘氚化鋰可用于不增加點(diǎn)火靶容積和充氣壓力的情況下提高聚變?nèi)剂先萘?，延長燃燒時間的設(shè)想，對發(fā)展新型的聚變?nèi)剂嫌兄匾闹笇?dǎo)意義。
　　(2)采用Gaussian03程序中的B3LYP密度泛函的方法確定LiH

8、(D、T)分子在不同溫度下的熱力學(xué)函數(shù)值，結(jié)合準(zhǔn)簡諧Debye模型研究LiH(D、T)分子的振動內(nèi)能、熵隨溫度的變化及其生成熱力學(xué)函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)鋰吸氫（氘、氚）的過程均為放熱、熵減小的過程，同溫下，氫、氘、氚的平衡離解壓的關(guān)系為:P(H2)＜P(D2)＜P(T2)。說明在相同壓力下，氫置換氘、氚，及氘置換氚在熱力學(xué)上是有利的，為采用同位素置換制備鋰氫同位素化合物薄膜提供了理論指導(dǎo)。
　　(3)采用Gaussian03軟件模擬研究L

9、iH(LiD、LiT)與水的反應(yīng)動力學(xué)過程，首次得到了LiD，LiT與水反應(yīng)的活化能、反應(yīng)熱及不同溫度下的反應(yīng)速率。研究發(fā)現(xiàn)LiT與H2O的反應(yīng)能壘最低，反應(yīng)速率最大，反應(yīng)幾率最大。同一反應(yīng)，隨溫度的減小，反應(yīng)速率常數(shù)減小，反應(yīng)幾率減小。說明室溫條件下，LiH(LiD、LiT)不穩(wěn)定，低溫條件能減小其與水的反應(yīng)速率，達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)。這一結(jié)論對防止其水解有重要的指導(dǎo)意義。
　　(4)運(yùn)用多層膜設(shè)計軟件系統(tǒng)地計算軟x射線波段(0＜λ

10、＜30nm)，不同中心波長處，不同材料對的軟x射線多層膜反射率，得到各中心波長處，具有高反射率的材料配對、周期厚度、周期數(shù)和材料配比等結(jié)構(gòu)參數(shù)。首次計算了含有U和LiH(LiD、LiT)核材料的軟x射線多層膜在不同中心波長處的反射率，在軟x射線長波段(20nm＜λ＜30nm)獲得了具有高反射率的膜系。分析了影響軟x射線多層膜性能的因素，為實(shí)驗(yàn)制備軟x射線多層膜提供了理論指導(dǎo)。
　　鋰氫同位素化合物薄膜，在微動力資源、托卡馬克、慣性

11、約束和軟x射線多層膜等領(lǐng)域得到了密切的關(guān)注。但是由于6Li和氚同屬戰(zhàn)略物資，價格昂貴，而氚又屬于放射性的有毒物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)制備中不適于大規(guī)模應(yīng)用。天然Li和6Li，H，D和T的化學(xué)性質(zhì)相同，物理性質(zhì)相似，本論文用氫化鋰(LiH)替代研究，獲得有用的研究結(jié)果。運(yùn)用磁控濺射和脈沖氣相沉積方法制備金屬鉬吸收層和氫化鋰薄膜，并對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)探索金屬鉬吸收層的制備技術(shù)。運(yùn)用脈沖激光沉積方法在不同基片溫度和

12、激光能量密度條件下制備金屬鉬薄膜，得到了均方根粗糙度小于5nm，膜層均勻的薄膜。基本掌握了制備鉬吸收層的工藝條件。
　　(2)探索氫化鋰薄膜的防分解技術(shù)。首次運(yùn)用聚乙烯膜解決氫化鋰薄膜的邊緣滲透問題。采用磁控濺射沉積方法在硅基片上制備金屬鋁薄膜，探討厚度對薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響，基本掌握制備金屬鋁薄膜的工藝條件。研究結(jié)果表明，鋁膜呈多晶態(tài)，沿(111)晶面擇優(yōu)生長，晶粒尺寸在8.21～8.97nm范圍內(nèi)，隨著鋁膜厚度的增加，薄

13、膜的平均晶粒尺寸逐漸變大，晶面間距逐漸變小，應(yīng)力減小。膜厚為55nm時，鋁膜較均勻致密。在此基礎(chǔ)上，制備一系列的不同厚度鋁保護(hù)膜的氫化鋰薄膜，通過x射線衍射和紅外光譜的測試，分析鋁膜厚度對氫化鋰薄膜的防分解作用，初步確定能起防護(hù)作用的鋁膜厚度為55nm，為氫化鋰薄膜的防分解工作提供了一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　(3)采用脈沖激光沉積方法，在不同靶基距和反應(yīng)氣壓的條件下，制備了表面粗糙度小于50nm的氫化鋰薄膜，基本達(dá)到了ICF中燃料層對表