本发明属于一种聚变实验装置的壁处理方法，具体涉及一种面向等离子体的金刚石膜第一壁及制备方法。
背景技术：
受控热核聚变能是有效解决人类未来能源需求的主要途径。利用受控热核聚变能面临的关键问题之一是目前还没有一种材料能完全满足面向高温等离子体的第一壁结构材料，即面向等离子体材料(pfms)的工作要求。目前热门的pfms候选材料包括铍、碳基材料和钨。铍具有低的原子序数、高的热导率、与等离子适应性好、比强度高、弹性模量高、对等离子体污染小、中子吸收界面小且散射截面大等优点，被选为国际热核试验堆计划(iter)的pfms，但它存在熔点低、蒸气压高、物理溅射产额高、抗溅射能力差、寿命短等缺点。钨具有高的熔点和热导率、对氘氚吸附量小、抗溅射能力强、高的抗等离子体冲刷能力、不与氢反应等优点，是很有前景的pfms，但作为高z元素溅射入堆芯等离子体后会严重影响等离子体的品质和稳定性，同时在等离子体辐照后会出现丝化现象。
碳基材料具有低的原子序数、高热导率、高抗热震能力、在高温时能保持一定的强度、与等离子体相容性好、对托卡马克装置中异常事件的承受能力高等优点，是很多早期聚变实验装置pfms的首选材料，但存在抗溅射能力差、氢腐蚀速率高、对氘氚有较高的吸附性等缺点。最早使用的碳基材料是高纯石墨；但随着核聚变研究的发展，纯石墨材料不能满足使用需求，人们通过掺杂硼、硅、钛和sic等来提高石墨的抗化学腐蚀能力和降低氚滞留，但效果不佳。金刚石是热导率和弹性模量最高的材料，氢离子对其蚀刻速率比石墨低很多，且具有较低的氘氚吸附量。如果能在石墨表面制备一层结合强度高的金刚石膜，将可以显著改善碳基pfms的抗氢离子蚀刻和吸氘氚性能，对受控热核聚变能研究和利用具有重要的推动作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种面向等离子体的金刚石膜第一壁及制备方法，它能够改善碳基面向等离子体第一壁材料的抗氢离子蚀刻性能和氘氚吸附性能。
本发明的技术方案如下：面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，将超声波清洗、热电子增强氢/氩等离子体蚀刻纯化处理和金刚石涂层热丝化学气相沉积结合起来，在石墨表面生长抗氢离子蚀刻的金刚石膜，该方法包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除石墨或低活化马氏体钢基材表面污染层；
(2)然后利用热丝化学气相沉积设备产生的氢/氩等离子体对石墨或低活化马氏体钢基材表面进行蚀刻纯化处理；
(3)最后利用热丝化学气相沉积设备生长金刚石涂层。
所述的步骤(3)之前采用热丝化学气相沉积工艺先沉积sic过渡层；石墨选用高纯石墨，低活化马氏体钢选用国内的clf-1和clam，主要由fe、cr两种元素组成，并添加了少量的v、mn、w、ta等元素，具体成分比例为(以下均为质量百分比)：fe占85％以上，cr在7－13％之间，v在0.1－0.3％之间，w在1.0－2.0％之间，mn在0.1－0.6％之间，ta在0.01－0.2％之间。
所述的步骤(2)所需的氢/氩等离子体通过热丝发射的热电子与氩气和氢气的混合气体碰撞产生，热丝温度范围为1800-2500℃，氩气和氢气的混合气体总压范围为0.1-10pa，氩气和氢气的比例范围为0.1-10。
所述的步骤(2)操作时，热丝放电电源的正极接热丝，负极接工件台，热丝放电电源的输出电压范围为20-300v。
所述的步骤(2)操作时，基体温度控制在800-2000℃。
所述的步骤(3)操作时，通过进气系统向真空室内同时通入氢气和含碳气体，含碳气体可以是甲烷、乙炔、乙醇、丙酮和甲苯。
所述的步骤(3)操作时，热丝温度范围为1800-2500℃，氢气和含碳气体的混合气体的总压范围为100-10000pa，混合气体的氢气含量范围为90-99.5％，含碳气体含量范围为0.5-10％。
所述的步骤(3)和预制sic过渡层操作时，热丝放电电源的负极接热丝，正极接工件台，热丝放电电源的输出电压范围为10-300v。
所述的步骤(3)和和预制sic过渡层操作时，基体温度控制在600-1200℃。
本发明的有益效果在于：金刚石膜相比石墨和低活化马氏体钢，具有极高的导热率，高的抗氢离子蚀刻性能和低的氘氚吸附能力，同时还具有极强的防氚渗透能力，有望成为聚变实验装置的另一种面向等离子体材料选择。本发明在200mm见方的石墨表面生长了致密的金刚石膜，已在400ev、50ma的氢离子辐照10小时，在电镜下未观察到表面微观形貌变化，说明金刚石膜具有较高的抗氢离子蚀刻性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，主要是：将超声波清洗、热电子增强氢/氩等离子体蚀刻纯化处理和金刚石涂层热丝化学气相沉积结合起来，在石墨表面生长抗氢离子蚀刻的金刚石膜，该方法包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除石墨或低活化马氏体钢基材表面污染层；
(2)然后利用热丝化学气相沉积设备产生的氢/氩等离子体对石墨或低活化马氏体钢基材表面进行蚀刻纯化处理；
(3)最后利用热丝化学气相沉积设备生长金刚石涂层。
在上述制备方法的基础上，可在石墨或低活化马氏体钢基材与金刚石膜之间增加sic过渡层，增强界面结合力。
在上述制备方法(3)之前采用热丝化学气相沉积工艺先沉积sic过渡层；
石墨选用高纯石墨，低活化马氏体钢选用国内的clf-1和clam，主要由fe、cr两种元素组成，并添加了少量的v、mn、w、ta等元素，具体成分比例为(以下均为质量百分比)：fe占85％以上，cr在7－13％之间，v在0.1－0.3％之间，w在1.0－2.0％之间，mn在0.1－0.6％之间，ta在0.01－0.2％之间。
在上述制备方法中，热丝化学气相沉积设备由真空室、真空泵、真空测量系统、进气系统、热丝、工件台、热丝加热电源、热丝放电电源和电控柜组成。
在上述制备方法中，热丝化学气相沉积设备的热丝加热电源为交流电源；热丝放电电源为直流电源。
在上述制备方法中，步骤(2)所需的氢/氩等离子体通过热丝发射的热电子与氩气和氢气的混合气体碰撞产生，热丝温度范围为1800-2500℃，氩气和氢气的混合气体总压范围为0.1-10pa，氩气和氢气的比例范围为0.1-10。
在上述制备方法中，步骤(2)操作时，热丝放电电源的正极接热丝，负极接工件台，热丝放电电源的输出电压范围为20-300v。
在上述制备方法中，步骤(2)操作时，基体温度控制在800-2000℃。
在上述制备方法中，步骤(3)操作时，通过进气系统向真空室内同时通入氢气和含碳气体，含碳气体可以是甲烷、乙炔、乙醇、丙酮和甲苯。
在上述制备方法中，步骤(3)操作时，热丝温度范围为1800-2500℃，氢气和含碳气体的混合气体的总压范围为100-10000pa，混合气体的氢气含量范围为90-99.5％，含碳气体含量范围为0.5-10％。
在上述制备方法中，预制sic过渡层时，通过进气系统向真空室内同时通入氢气、含碳气体和硅烷，含碳气体可以是甲烷、乙炔、乙醇、丙酮和甲苯。
在上述制备方法中，预制sic过渡层时，热丝温度范围为1800-2500℃，氢气、含碳气体和硅烷的混合气体总压范围为50-5000pa，混合气体的氢气含量范围为90-99％，含碳气体含量范围为0.1-10％，硅烷含量范围为0.1-10％。
在上述制备方法中，步骤(3)和预制sic过渡层操作时，热丝放电电源的负极接热丝，正极接工件台，热丝放电电源的输出电压范围为10-300v。
在上述制备方法中，步骤(3)和和预制sic过渡层操作时，基体温度控制在600-1200℃。
实施例1
(1)首先利用超声波清洗技术去除高纯石墨表面污染层。(2)然后利用热丝化学气相沉积设备产生的氢/氩等离子体对石墨表面进行蚀刻纯化处理。在蚀刻过程中向真空室内通入氩气和氢气，氩气和氢气的流量分别为50和200sccm，气体总压控制在1pa。热丝加热电源为交流电源，控制热丝加热温度为2200℃；热丝接热丝放电电源的正极，样品台接放电电源的负极，放电电压为200v。基体温度控制在1500℃。(3)再利用热丝化学气相沉积设备在蚀刻后的石墨表面制备sic过渡层。在制备sic过渡层过程中向真空室内通入氢气、甲烷和硅烷，氢气、甲烷和硅烷的流量分别为200、5和5sccm，气体总压控制在200pa。热丝加热电源为交流电源，控制热丝加热温度为2200℃；热丝接热丝放电电源负极，样品台接放电电源伏击，放电电压为100v。基体温度控制在900℃。(4)最后利用热丝化学气相沉积设备生长金刚石涂层。在生长金刚石涂层时向真空室内通入氢气和甲烷，氢气和甲烷的流量分别为200和2sccm，气体总压控制在3000pa。热丝加热电源为交流电源，控制热丝加热温度为2200℃；热丝接热丝放电电源负极，样品台接放电电源伏击，放电电压为50v。基体温度控制在900℃。
实施例2
(1)首先利用超声波清洗技术去除高纯石墨表面污染层。(2)然后利用热丝化学气相沉积设备产生的氢/氩等离子体对石墨表面进行蚀刻纯化处理。在蚀刻过程中向真空室内通入氩气和氢气，氩气和氢气的流量分别为50和500sccm，气体总压控制在2pa。热丝加热电源为交流电源，控制热丝加热温度为2100℃；热丝接热丝放电电源的正极，样品台接放电电源的负极，放电电压为300v。基体温度控制在1200℃。(3)再利用热丝化学气相沉积设备在蚀刻后的石墨表面制备sic过渡层。在制备sic过渡层过程中向真空室内通入氢气、甲烷和硅烷，氢气、乙炔和硅烷的流量分别为300、2和3sccm，气体总压控制在1000pa。热丝加热电源为交流电源，控制热丝加热温度为2100℃；热丝接热丝放电电源负极，样品台接放电电源伏击，放电电压为80v。基体温度控制在800℃。(4)最后利用热丝化学气相沉积设备生长金刚石涂层。在生长金刚石涂层时向真空室内通入氢气和乙炔，氢气和乙炔的流量分别为300和2sccm，气体总压控制在5000pa。热丝加热电源为交流电源，控制热丝加热温度为2100℃；热丝接热丝放电电源负极，样品台接放电电源伏击，放电电压为80v。基体温度控制在800℃。
1.面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：将超声波清洗、热电子增强氢/氩等离子体蚀刻纯化处理和金刚石涂层热丝化学气相沉积结合起来，在石墨表面生长抗氢离子蚀刻的金刚石膜，该方法包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除石墨或低活化马氏体钢基材表面污染层；
(2)然后利用热丝化学气相沉积设备产生的氢/氩等离子体对石墨或低活化马氏体钢基材表面进行蚀刻纯化处理；
(3)最后利用热丝化学气相沉积设备生长金刚石涂层。
2.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)之前采用热丝化学气相沉积工艺先沉积sic过渡层；石墨选用高纯石墨，低活化马氏体钢选用国内的clf-1和clam，主要由fe、cr两种元素组成，并添加了少量的v、mn、w、ta等元素，具体成分比例为(以下均为质量百分比)：fe占85％以上，cr在7－13％之间，v在0.1－0.3％之间，w在1.0－2.0％之间，mn在0.1－0.6％之间，ta在0.01－0.2％之间。
3.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)所需的氢/氩等离子体通过热丝发射的热电子与氩气和氢气的混合气体碰撞产生，热丝温度范围为1800-2500℃，氩气和氢气的混合气体总压范围为0.1-10pa，氩气和氢气的比例范围为0.1-10。
4.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)操作时，热丝放电电源的正极接热丝，负极接工件台，热丝放电电源的输出电压范围为20-300v。
5.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)操作时，基体温度控制在800-2000℃。
6.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)操作时，通过进气系统向真空室内同时通入氢气和含碳气体，含碳气体可以是甲烷、乙炔、乙醇、丙酮和甲苯。
7.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)操作时，热丝温度范围为1800-2500℃，氢气和含碳气体的混合气体的总压范围为100-10000pa，混合气体的氢气含量范围为90-99.5％，含碳气体含量范围为0.5-10％。
8.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)和预制sic过渡层操作时，热丝放电电源的负极接热丝，正极接工件台，热丝放电电源的输出电压范围为10-300v。
9.如权利要求1所述的面向等离子体的金刚石膜第一壁制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)和和预制sic过渡层操作时，基体温度控制在600-1200℃。
技术总结