0 引　言

高电荷态离子作为带电载能离子，广泛存在于宇宙中，会对航天飞行器造成一定的辐照损伤；同时，核聚变反应堆中也含有大量的高电荷态离子辐照，因此高电荷态离子对材料的辐照损伤研究得到广泛关注^[1-2]。高电荷态离子具有高正电荷、离子半径小、电场强度高等特点，其轰击固体材料表面时会产生强烈的溅射现象^[3-4]，在短时间内对材料造成严重的辐照损伤。Ar¹²⁺离子，具有高损伤速率，在材料中产生的辐照损伤会更严重；而且Ar是惰性气体，不容易与其他物质发生化学反应，有利于观察单纯的高电荷态离子辐照效应。

金属玻璃即非晶态金属合金，在原子排列上具有长程无序、短程有序的非晶结构特征^[5]，没有传统晶体材料中的晶界、位错等缺陷，是一种新型的功能和结构材料。金属玻璃不仅具有很高的强度、硬度、弹性^[6]，良好的导热率、耐磨和耐腐蚀性能，而且由于其具有大量自由体积的特性^[6]，在低于其晶化开始温度时具有较好的耐辐照性能。MAYR S.G. 等^[7]采用分子动力学模拟计算表明，大块金属玻璃可以作为理想的工程材料应用于辐照环境。Zhang等^[8]利用H⁺离子辐照Fe基、Ni基金属玻璃，Fe基和Ni基金属玻璃均表现出良好的抗H⁺辐照能力；Mei等^[9]采用He²⁺辐照Cu基金属玻璃，表明Cu基金属玻璃在低于其晶化转变温度时有良好的耐辐照性能；Liu等^[10]采用强流脉冲离子束辐照Zr基金属玻璃和金属钨，Zr基金属玻璃的抗辐照性能优于金属钨；文静等^[11]采用H等离子体辐照Zr基、Co基金属玻璃和多晶Mo，研究表明：在相同的辐照条件下，金属玻璃的抗H离子的辐照能力优于多晶Mo，其中Co基金属玻璃表面基本不吸收H，抗H等离子体溅射能力强，辐照后金属玻璃表面仍然保持较高的反射率，符合国际热核聚变实验堆(International thermonuclear experimental reactor, ITER)光学诊断系统对第一镜材料的要求，可作为第一镜候选材料。在众多金属玻璃中，Co基金属玻璃因其强度高，较高的玻璃化转变温度^[11]等特点，在非晶研究领域得到广泛的关注和研究。

因此采用高电荷态离子模拟太空和聚变堆中的辐照环境，研究高电荷态离子对金属玻璃的辐照损伤具有重要意义。文中利用不同剂量的3 MeV Ar¹²⁺离子对金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8和目前最具有前景的面向等离子体材料的金属钨^[12-13]进行辐照，研究Ar¹²⁺离子辐照对Co基金属玻璃和金属钨的微观结构、表面形貌和反射率的影响，比较Co基金属玻璃和金属钨的抗Ar¹²⁺离子辐照能力。

1 试验与方法

试验采用真空电弧熔炼吸铸法，选用纯度高达99.99%的金属Co，B，Si，Ta制备金属合金Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8，制备成的金属玻璃棒材直径为3 mm，切成厚度为2 mm的圆片。金属钨的纯度达到99.5 %，尺寸为5 mm×3 mm×2 mm。Co基金属玻璃和金属钨分别经机械抛磨，丙酮，酒精超声清洗后进行Ar¹²⁺离子辐照试验。金属玻璃和金属钨的辐照试验在中国科学院兰州近代物理研究所的320 kV高电荷态离子综合研究平台上完成。Ar¹²⁺离子辐照能量为3 MeV，束流强度1.12 μA，辐照剂量为1×10¹⁴、1×10¹⁵和1×10¹⁶ ions/cm²。

利用薄膜X射线衍射仪(D8 Discover XRD)测量Co基金属玻璃的相结构变化，分析模式为掠入射X射线衍射(Grazing Incident X-ray Diffraction, GIXRD)，入射角为1°，射线源为Cu-Kα，λ=0.154 06 nm；采用扫描电子显微镜(JSM-5600LV SEM)分析金属玻璃和金属钨的表面损伤情况；利用原子力显微镜(Agilent Olympus Ix7 AFM)计算金属玻璃均方根粗糙度的变化；选用椭偏仪(M2000，λ=370~1 700 nm)分析金属玻璃和金属钨辐照前后表面反射率的变化。

2 结果和讨论 2.1 SRIM模拟

使用SRIM2013程序模拟计算Ar¹²⁺离子注入后金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8和金属钨的表面损伤和离子浓度。表1是SRIM模拟10 000个3 MeV的Ar¹²⁺离子正入射到金属玻璃和金属钨表面的计算结果。从表中可以看出，Ar¹²⁺离子辐照引起的金属玻璃表面的核能损和电子能损均比金属钨小，金属玻璃的溅射产额比金属钨低；Ar¹²⁺离子在金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8和金属钨中的射程分别为1.19 μm和0.77 μm。

原子平均离位(Displacements per atom, DPA)用来表示离子注入所造成的损伤程度^[14]，它与辐照剂量，原子密度和离位阈值有关。DPA的计算公式为：

式中E_d是材料的离位域能；Φ_t是入射离子剂量；ρ是靶材料密度；(dE/dx)_nuclear是离子注入过程中每个离子转移到靶材料上的能量，可以由SRIM程序输出的空位分布、空位结合能和声子能损分布计算得出。

图1为剂量1×10¹⁶ ions/cm²的Ar¹²⁺离子辐照后在Co基金属玻璃中产生的DPA和Ar¹²⁺离子浓度随入射深度的分布曲线。在图1中，Ar¹²⁺离子浓度峰在入射深度1 300 nm处；DPA峰值为13，出现在入射深度1 100 nm处。图2是1×10¹⁶ ions/cm²的Ar¹²⁺离子辐照在金属钨中产生的DPA和Ar¹²⁺离子浓度随入射深度的分布曲线。从图中可以看到，Ar¹²⁺离子辐照后，在金属钨中的DPA峰值接近于10，出现在入射深度700 nm处，Ar¹²⁺离子浓度峰在入射深度800~1 000 nm之间。可见在金属钨中Ar¹²⁺离子浓度分布在较窄的深度范围，在金属玻璃中的Ar¹²⁺离子分布较分散。金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8为典型的非晶结构，含有大量的自由体积，不存在晶界，注入到金属玻璃中的Ar¹²⁺离子更容易扩散；而金属钨为各向异性的晶体结构，在晶界处容易捕获Ar¹²⁺离子，使得Ar¹²⁺离子积聚，所以在金属钨中的Ar¹²⁺离子浓度分布比较集中。

金属钨的离位域能E_d为90 eV，远大于金属玻璃的离位域能(36 eV)，根据DPA计算公式，Ar¹²⁺离子辐照后在金属玻璃中的DPA峰值大于在金属钨中的。Ar¹²⁺辐照在金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8和金属钨中产生的DPA峰值和Ar¹²⁺离子浓度峰值均出现在各自的Ar¹²⁺离子射程附近。辐照使靶材料的离子射程末端存在大量空位，因而DPA的峰值出现在离子射程附近，Ar¹²⁺在空位处滞留，Ar¹²⁺浓度峰值也就出现在离子射程附近；而由于Ar¹²⁺离子在材料中的扩散，从图1和图2中看到Ar¹²⁺浓度峰值相对于DPA峰值均有一定程度的滞后现象。A. Garcia-Carrasco等^[15]在He离子辐照金属Mo的试验中采用重离子弹性反冲测量技术(HIERDA)测量He离子的浓度分布，结果He离子的浓度分布也出现与文中一致的滞后现象。

2.2 Ar¹²⁺辐照对金属玻璃结构和性能的影响

图3所示为金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8辐照前后的XRD衍射图谱。从图中可以看出，原始金属玻璃的XRD谱线为典型的非晶漫散衍射包，表明原始金属玻璃的微观结构状态为非晶态。经不同剂量的Ar¹²⁺离子辐照后，衍射曲线只有一个宽的漫散射峰，表明辐照后金属玻璃仍以非晶为主要结构。根据大块金属玻璃的结晶动力学，离子辐照将导致金属玻璃的结构弛豫或是发生晶化^[16]。Co基金属玻璃的XRD衍射图表明，在辐照剂量为1×10¹⁵(DPA值约1.3)，1×10¹⁶ ions/cm²的条件下，Ar¹²⁺离子辐照不会导致Co基金属玻璃结晶，表明Co基金属玻璃的热力学稳定性相对较好，不会通过离子辐照改变其固有的非晶结构从而由非平衡状态向亚稳平衡态转变^[17]。另一方面，Ar¹²⁺离子辐照试验过程中，温度没有达到其玻璃化转变温度(T_g=926 K)，不足以发生结构弛豫或是晶化现象，金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8仍保持其固有的非晶态结构。

图4为金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8辐照前后的SEM表面形貌。从图中可以看出：辐照前，金属玻璃经过打磨抛光后的表面平整光滑；剂量为1×10¹⁵ ions/cm²的Ar¹²⁺离子辐照后，金属玻璃的表面没有出现明显的辐照损伤，表面相对平整；当辐照剂量增加到1×10¹⁶ ions/cm²时，金属玻璃表面依然没有出现严重的辐照损伤现象。

图5是辐照前后Co基金属玻璃的AFM三维立体形貌。辐照前金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8的表面光滑平整，没有山峰状的凸起，其均方根粗糙度为2.80 nm；剂量为1×10¹⁵ ions/cm²的Ar¹²⁺离子辐照后金属玻璃表面出现少量的山峰状的凸起，表面均方根粗糙度为6.25 nm，较原始材料粗糙度增加；当增大剂量到1×10¹⁶ ions/cm²时，金属玻璃表面出现“波浪形”起伏，均方根粗糙度为8.72 nm，金属玻璃表面粗糙度进一步增加。金属玻璃表面的均方根粗糙度随着辐照剂量的增加而增加。

图6为Co基金属玻璃辐照前后的反射率变化曲线。从图中可以看到，金属玻璃在辐照之前波长1 000~1 500 nm范围内的反射率为0.65，Ar¹²⁺离子辐照后的反射率均比辐照之前低。其中，剂量为1×10¹⁵ ions/cm²时，波长1 100 nm对应的反射率下降约21%，剂量为1×10¹⁶ ions/cm²辐照后的反射率降低约23%；当波长大于1 300 nm时，反射率下降约28%，反射率随剂量的增加不再降低。根据表面粗糙度与反射率的关系公式^[18]：

R₀是理想的光滑平面的反射率；Ra是材料的表面粗糙度；λ是波长。由公式得材料的表面粗糙度越大反射率越小，辐照后金属玻璃表面的粗糙度增加导致反射率降低。

2.3 Ar¹²⁺辐照对金属钨结构和性能的影响

图7为辐照前后金属钨的XRD衍射图谱。从图中可以看出：辐照前后金属钨均为体心立方结构。图7(b)为放大图，图中可以看出剂量为1×10¹⁵ ions/cm²(DPA约为1)辐照后金属钨的衍射峰相对于原始样品向高角度偏移，偏移量约0.19°，根据布拉格方程：2dsinθ=nλ，可知剂量1×10¹⁵ ions/cm²辐照后金属钨的晶面间距(d)变小，表明辐照后金属钨表面存在残余的压应力；当剂量为1×10¹⁶ ions/cm²时，衍射峰相对原始样品几乎没有偏移，表明金属钨内部残余的压应力得到释放，晶面间距恢复。

金属钨在Ar¹²⁺辐照前后的SEM表面形貌如图8所示。从图中看到：辐照前金属钨的表面平整，在图中看到有少量划痕；辐照剂量为1×10¹⁴ ions/cm²(DPA约0.1)时，金属钨表面开始出现不规则的孔洞；继续增大辐照剂量，金属钨表面不规则的孔洞数量增多，且孔洞的面积增大；辐照剂量增加到1×10¹⁶ ions/cm²时，金属钨表面出现大面积的孔洞，金属钨内部残余压应力得以释放，对应的XRD衍射峰没有发生偏移。

图9为Ar¹²⁺离子辐照前后金属钨的反射率变化曲线。从图中可以看出，辐照前金属钨的反射率约为0.14~0.18(波长在900~1 500 nm范围内)。当用剂量为1×10¹⁵ ions/cm²的Ar¹²⁺离子辐照后，反射率(波长1 100 nm)下降了约30%，而此时的金属钨表面已经出现大量孔洞，不能准确测量。

比较辐照后两种材料的表面形貌发现，Co基金属玻璃在剂量为1×10¹⁶ ions/cm²辐照后表面的损伤远远小于金属钨。金属钨为各向异性的晶体结构，在晶界处容易产生辐照损伤；高能Ar¹²⁺离子辐照过程中在金属钨表面产生大量溅射，使得金属钨原子溅射出材料表面，在表面产生大面积孔洞；而Co基金属玻璃为各向同性的非晶结构，没有晶界等缺陷，且含有大量的自由体积，能够容纳Ar¹²⁺离子辐照所带来的损伤，所以金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8的表面损伤不明显，仍然保持光滑表面。SRIM程序计算结果中，金属钨的DPA峰值(约为10)小于金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8的DPA峰值(13)，但从表面形貌看，金属玻璃比金属钨有更好的抗Ar¹²⁺离子辐照损伤能力。

从图6和图9可以看出：金属玻璃反射率比金属钨的反射率下降的少，辐照后金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8仍能保持相对较高的反射率，表明金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8在高电荷态Ar¹²⁺离子的辐照环境下可以作为第一镜候选材料^[19]。

Zhang等^[20]采用低电荷态的H⁺离子辐照金属钨，当辐照剂量为1×10¹⁸ ions/cm²时，在金属钨表面只产生了不均匀分布的起泡损伤，没有出现凹坑和脱落现象。文中采用高电荷态的Ar¹²⁺离子辐照金属钨，在很小的剂量下(1×10¹⁶ ions/cm²)就出现了大面积的孔洞。高电荷态离子轰击材料表面时会引起一系列比单电荷态离子入射时更强的溅射现象，使材料表面在极短时间内产生较严重的辐照损伤，而在同一条件进行辐照的金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8表面并没有发现明显的辐照损伤，表明金属玻璃具有良好的抗Ar¹²⁺离子辐照性能。

高电荷态离子是一种库仑势能很大、电荷态很高的载能粒子，通过释放动能和势能，在辐照材料的表面产生溅射，快速地对材料表面造成辐照损伤。高电荷态离子注入到材料表面过程中会在离子路径范围内产生高的电离区，区域内离子相互作用在短时间内产生库仑爆炸^[21-22]，诱导材料内部产生应变^[23]，同时在材料表面产生强烈的溅射现象。SRIM模拟计算Ar¹²⁺离子在金属钨表面的溅射产额高于在金属玻璃中的，由于金属钨为各向异性的晶体结构，存在晶界等缺陷，高能量的Ar¹²⁺离子辐照使得金属钨晶界处的原子处于非平衡状态，容易引起晶格原子的离位，导致钨原子溅射出金属表面，造成比较严重的辐照损伤。

离子的能量沉积在材料表面，通过离子与晶格原子的相互作用将能量传递给晶格原子，并伴随大量的热产生，从而诱导晶格畸变^[23-24]。金属钨在晶界处容易捕获Ar¹²⁺离子，使得Ar¹²⁺离子积聚，附近应力场增强，加剧晶格畸变；高剂量的Ar¹²⁺离子辐照后，金属钨表面出现大面积的孔洞，残余压应力得到释放，晶面间距恢复。不同剂量的Ar¹²⁺离子辐照后Co基金属玻璃保持非晶态结构不变，表明金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8辐照后结构相对稳定。金属玻璃为长程无序、短程有序的各向同性结构，含有大量的自由体积，能够容纳Ar¹²⁺离子辐照所带来的损伤，尽管Ar¹²⁺离子辐照在金属玻璃表面的DPA峰值比金属钨大，金属玻璃表面依然没有出现严重的辐照损伤。

3 结　论

(1) 不同剂量的3 MeV Ar¹²⁺离子辐照金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8和金属钨，Ar¹²⁺离子辐照在金属玻璃表面的核能损和电子能损均比金属钨小。

(2) 不同剂量辐照后金属玻璃均保持非晶结构，且表面没有明显的辐照损伤。金属玻璃的均方根粗糙度随着Ar¹²⁺辐照剂量的增加而增大。金属玻璃的反射率随着剂量增加而降低；金属玻璃没有金属钨的反射率降低明显。

(3) 剂量为1×10¹⁶ ions/cm²时，金属钨表面有大面积的孔洞产生。在相同的辐照条件下，金属玻璃Co_61.2B_26.2Si_7.8Ta_4.8的抗Ar¹²⁺离子辐照性能优于金属钨。