鋰氫同位素化合物性質的理論研究及其薄膜的制備.pdf

1、慣性約束聚變反應中，點火條件要求熱核燃料必須達到高溫、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)氣體作為聚變燃料。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)生反應持續(xù)一定的時間，消耗的氘需要進行補充。目前用的DT冰或DT氣體聚變燃料無法自增值氚，氚的補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火。作為一種聚變燃料，氘氚化鋰(LiDxT1-x)中同位素6Li，7Li與中子反應，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，當x=0.25或0.5時，DT密度與DT冰幾乎相同，此

3、性質可能用于不增加激光慣性約束聚變(ICF)點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，如果靶丸設計適當（聚變中子充分慢化）還可能利用6Li，7Li造氚，上述設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，它直接關系到靶丸能否獲得均勻輻照、對稱壓

4、縮而實現(xiàn)內爆。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中的聚變燃料和軟x射線多層膜反射鏡間隔層材料加以運用，

5、對此進行研究具有相當大的科學意義和應用價值。
　　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用背景，但是要將其優(yōu)良的性質充分發(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構、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構、密度、熱力學性質、光學性質、與水的反應動力學過程和鋰氫同位素化合物薄膜的制備技術進行了初步研究。計算結果與已有的實驗和理論結果

6、吻合較好，獲得了一些國內外未見報道的理論和實驗結果。這些結果不僅對理解鋰氫同位素化合物的性質有益，而且為其在ICF中的應用奠定了理論和實驗基礎。本論文的主要研究內容如下:
　　(1)運用Materials studio4.0軟件中的CASTEP模塊，采用摻雜的方式構建不同x值的鋰氫同位素化合物的晶體結構，運用平面波贗勢結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晶體結構，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，從理論的角度支持了氘氚化鋰可用于不增加點火靶容積和充氣壓力的情況下提高聚變燃料容量，延長燃燒時間的設想，對發(fā)展新型的聚變燃料有重要的指導意義。
　　(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函數(shù)值，結合準簡諧Debye模型研究LiH(D、T)分子的振動內能、熵隨溫度的變化及其生成熱力學函數(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。
　　(3)采用Gaussian03軟件模擬研究L

9、iH(LiD、LiT)與水的反應動力學過程，首次得到了LiD，LiT與水反應的活化能、反應熱及不同溫度下的反應速率。研究發(fā)現(xiàn)LiT與H2O的反應能壘最低，反應速率最大，反應幾率最大。同一反應，隨溫度的減小，反應速率常數(shù)減小，反應幾率減小。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速率，達到較穩(wěn)定的狀態(tài)。這一結論對防止其水解有重要的指導意義。
　　(4)運用多層膜設計軟件系統(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)和材料配比等結構參數(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，為實驗制備軟x射線多層膜提供了理論指導。
　　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射線多層膜等領域得到了密切的關注。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，在實驗制備中不適于大規(guī)模應用。天然Li和6Li，H，D和T的化學性質相同，物理性質相似，本論文用氫化鋰(LiH)替代研究，獲得有用的研究結果。運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，并對其結構和性質進行了研究，主要內容如下:
　　(1)探索金屬鉬吸收層的制備技術。運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?；菊莆樟酥苽溷f吸收層的工藝條件。
　　(2)探索氫化鋰薄膜的防分解技術。首次運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構和表面形貌的影響，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，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，應力減小。膜厚為55nm時，鋁膜較均勻致密。在此基礎上，制備一系列的不同厚度鋁保護膜的氫化鋰薄膜，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驗依據(jù)。
　　(3)采用脈沖激光沉積方法，在不同靶基距和反應氣壓的條件下，制備了表面粗糙度小于50nm的氫化鋰薄膜，基本達到了ICF中燃料層對表