鎢由于高熔點、低濺射率等優(yōu)點而被廣泛的認(rèn)為是最有希望的核聚變裝置面對等離子體材料。然而考慮到等離子體約束和邊界氣體再循環(huán)，鎢涂層面對等離子體材料在真空中的出氣性能的研究是十分重要的。研究結(jié)果顯示鎢涂層主要出氣種類為H₂，H₂O，O₂，CO/N₂和CO₂。在300℃、經(jīng)過4小時的烘烤，涂層出氣率有明顯的降低，特別是H₂O 和CO/N₂；繼續(xù)烘烤對涂層出氣率改善效果不顯著，因此真空等離子體噴涂鎢涂層在用作面對等離子體材料時，仍需要烘烤、放電清洗等壁處理手段。

　　等離子體噴涂技術(shù)雖然解決了鎢銅兩者由于膨脹系數(shù)和楊氏模量的巨大差異所引起的連接困難，但是等離子體噴涂鎢涂層（PS-W）多孔性的特點使其作為核聚變面對等離子體材料（PFM）成為一個問題：氣孔不僅降低了涂層間粒子的結(jié)合強度、影響整體部件的傳熱能力，而且使得核聚變?nèi)剂蠚怏w的滯留量以及再循環(huán)行為增大。因此鎢涂層在承受高熱負(fù)荷過程中的出氣特性如何直接關(guān)系到該種材料的真空性能，所以鎢涂層在高熱負(fù)荷條件下的出氣研究是非常重要的，但是國內(nèi)外文獻(xiàn)對鎢涂層面對等離子體材料的真空性能的報道卻很少，特別是針對純鎢涂層的研究。為了消除基體材料對出氣性能的影響，作者把真空等離子體噴涂鎢涂層從銅合金基材上剝離并對其進(jìn)行了真空特性的研究。

1、實驗設(shè)置

　　3 塊鎢涂層大小均為30×30×1 mm³，實驗前對樣品的處理分別是：第一塊樣品只進(jìn)行超聲波清洗；第二塊樣品超聲波清洗后，在300℃溫度下烘烤4h；最后的樣品則首先超聲波清洗，然后在300℃烘烤7h。

　　采用電子束熱負(fù)荷實驗平臺對其進(jìn)行出氣分析。實驗過程中溫度變化通過熱電偶測量，測量范圍從室溫到1000℃，出氣種類和出氣量通過四極質(zhì)譜儀（QMS）檢測。

2、鎢涂層出氣性能

　　圖1 是抽真空后本底真空情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：本底主要氣體成份為水蒸氣（H₂O），扣除本底氣體即檢測量減去本底量質(zhì)譜圖如圖1（b）所示，H₂O 出現(xiàn)了負(fù)值，這主要是由于質(zhì)譜檢測到的H₂O 量遠(yuǎn)低于本底，所以出現(xiàn)了負(fù)值，其他氣體含量基本達(dá)到可以忽略的水平，因此通過對本底真空的分析可以判斷：通過扣除本底氣體等方法可以消除實驗裝置對鎢涂層真空性能所帶來的影響。圖2為真空等離子體噴涂鎢涂層的真空出氣性能。

(a) 本底質(zhì)譜曲線(b) 扣除本底后質(zhì)譜曲線

圖1 實驗裝置本底真空情況

(a)W 涂層原樣質(zhì)譜曲線，(b)300℃、烘烤4 h 后W 涂層質(zhì)譜曲線，(c）300℃、烘烤7h 后W 涂層質(zhì)譜曲線

圖2 VPS-W 涂層真空出氣性能

　　W 涂層樣品主要出氣氣體為H₂、H₂O、O₂、CO/N₂、CO₂， 特別是H₂。在整個升溫區(qū)間（20~1000℃），H2 表現(xiàn)出最大的出氣量，然后是H₂O，由于真空制備環(huán)境和空氣中氧含量較少，所以涂層對O₂ 和CO₂ 吸附量也較小，故整個解吸實驗中表現(xiàn)出較小的出氣率。從峰值出現(xiàn)的溫度范圍可以看出，H₂ 主要出氣峰值在400~500℃，而CO/N₂ 的峰值在1000℃，其他氣體的出氣率隨著溫度的增加而增大，沒明顯峰值，這些結(jié)果與Hirohata 等人研究結(jié)果相一致。在300℃、經(jīng)過4 h烘烤后，涂層出氣率有明顯的降低，特別是H₂O 和CO/N₂，然而，H₂ 在400~500℃仍然出現(xiàn)了較高的出氣峰值。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，延長烘烤時間（7 h）水的出氣率有所降低，但是對其他氣體出氣率的影響不是很明顯，這可能與氣體在涂層中的吸附機(jī)理有關(guān)。

3、鎢涂層出氣性能討論

　　對于物理吸附（0.3eV 結(jié)合能），可以通過真空烘烤讓其解吸，但對于化學(xué)吸附（3 eV 結(jié)合能）的原子或分子只有從外部入射粒子中得到較大能量時才能釋放出來。由于入射粒子的解析機(jī)制是動量轉(zhuǎn)換，入射電子或光子引起的解吸率要比入射粒子引起的解吸率低2~3 個數(shù)量級。一般而言，在等離子體放電過程中要周期性的進(jìn)行壁處理，壁處理的方法有：烘烤，主要是去除裝置內(nèi)壁的水分；放電清洗（輝光放電、泰勒放電清洗與射頻放電清洗），主要去除裝置內(nèi)壁的碳、氧等輕雜質(zhì)；鍍膜技術(shù)（硼膜、碳膜、鋰膜、硅膜等），控制氧雜質(zhì)和工作氣體的再循環(huán)。同樣，對于鎢涂層面對等離子體材料，烘烤仍然是壁處理的第一步。通過前面的研究判斷：在300℃，經(jīng)過4 h 的烘烤能有效的去除涂層內(nèi)的吸附氣體。然而，針對碳氧以及氫氣體，單純的烘烤效果不是太明顯，同時在放電過程中，不斷有氣體吸附到涂層表面，所以VPS-W 涂層周期性的進(jìn)行放電清洗等處理手段也是必需的。雖然，從壁處理過程工藝考慮，鎢涂層比石墨PFM沒有表現(xiàn)出優(yōu)越性，但是氫及其同位素或其他雜質(zhì)在鎢涂層材料中的滯留量很小，所以鎢涂層面對等離子體材料壁處理工作（壁處理時間和工作量）相比石墨面對等離子體材料而言要簡單很多。

4、結(jié)束語

　　面對等離子體材料的真空性能直接關(guān)系到核聚變等離子體約束和邊緣等離子體氣體再循環(huán)。鎢涂層出氣種類主要有H₂、H₂O、CO/N₂、O₂ 和CO₂。在300℃、經(jīng)過4h烘烤后涂層出氣率有顯著降低，特別是H₂O 和CO/N₂，然而H₂ 在400- 500℃仍然有較高的出氣峰，且繼續(xù)烘烤效果不明顯。鎢涂層在用作核聚變面對等離子體材料時，真空烘烤、放電清洗等壁處理手段仍是必要的。