CH與聚變材料Be相互作用的分子動力學模擬

　　采用分子動力學方法模擬了不同能量的CH 粒子與聚變材料Be 的相互作用。根據托卡馬克中的環境，入射粒子CH 的模擬入射能量分別設定為低能量( 1，5， 10， 25 eV) 和高能量(50， 100， 150， 200 eV) ，其中碳的沉積率隨能量的增大逐漸增加，而氫的沉積率恰好相反。當CH 粒子的入射能量為低能量時，Be 樣品表面形成一層碳氫膜; 且其膜厚度越來越薄，并且形成一個厚度逐漸增加中間層; 當入射能量為高能量時，樣品中的Be 原子濺射越來越大，入射粒子在樣品中的入射深度越來越深，對樣品的破壞越來越大，且會在樣品中形成一個C 反應層。

　　由于碳基材料具有良好導熱性、強抗熱沖擊性及低原子系數等優點，在ITER 裝置選作為偏濾器部件垂直靶中下部和收集板候選材料。在聚變裝置運行情況下，從芯部等離子體中逃逸出來的H、D 或T 等載能粒子作用于碳基材料后，將導致碳基材料中的C 原子發生刻蝕現象�？涛g產物碳氫化合物( CxHy) 在芯部等離子體可能獲得更高的能量作用于第一壁材料鈹。

　　本文研究的是CH 與Be 樣品的相互作用。近年來，各國研究人員在等離子體與壁材料相互作用方面做了大量的研究。Balaji 等通過Ab initio 理論計算研究了Be 與C2H2、C2H4的相互作用。計算結果表明當研究C2H2、C2H4分子與處于基態下或者電子激發狀態下的Be 原子相互作用時，有必要考慮分子的扭曲及變形生成的BeC2H2、BeC2H4化合物具是具有高度扭曲變形的基態1A1; 在Be 原子與碳氫化合物相互作用的距離內，基態1A1的最低勢能面可避免電子排布的雜化和伴隨物的交換，。Ohya 等用分子動力學和蒙特卡洛模擬了等離子體與材料的相互作用。他們的方法是在W 基底上鍍上一層碳薄膜，然后用H 轟擊C 薄膜層，最后用Be 原子與C、H 混合層相互作用。模擬結果表明當H/( C + H) < 0. 1 時，濺射產物以CH 為主; 隨著H/( C + H) 比例的增加，濺射產物逐漸以CH2、CH3為主，Be 原子的注入可以減小大分子的濺射。但是很少人研究CH 與Be 相互作用過程中對入射離子沉積、濺射的微觀機理以及入射離子在樣品中分布。

　　本文采用分子動力學方法模擬了CH 粒子與Be 表面的相互作用過程，模擬中采用的勢函數為Bjorkas 等就發展了Be-C-H 體系Tersoff 勢函數，此勢函數可以描述原子間相互作用時化學鍵的斷裂和形成。主要研究碳、氫原子的沉積、濺射、對晶格Be 的刻蝕及在樣品中的分布來揭示其微觀相互作用機制，此研究有利于更全面掌握粒子與壁材料的相互作用，為較少壁損傷提供一定的理論基礎。

Be-C-H 體系的勢能函數

　　本論文采用Bjorkas 等發展的ABOP( Analytical bondorder potentials) 勢能函數來描述Be-C-H系統中粒子之間的相互作用。該勢能函數把系統總能量表示為

　　式中，E 為系統總能量，r ij表示原子i 和j 之間的距離，fcij( rij) 為截斷函數，bij是一個多體的經驗鍵序函數，VR( r) 和VA( r) 分別為原子之間的排斥能和吸引能。式( 1) 中的截斷函數fcij( rij) 規定了原子間相互作用的范圍，它的形式為

　　式中，R 和D 分別表示為截斷范圍和間距。

結論

　　本文主要敘述了利用分子動力學方法研究入射能量在1 ～ 200 eV 范圍內CH 與Be 樣品的相互作用，入射能量對CH 粒子與Be 樣品作用的影響顯著。低能時，CH 粒子與Be 相互作用主要為沉積行為，在Be 樣品表面形成CH 薄膜。而高能時，CH 粒子則會導致樣品Be 原子的濺射，形成Be /C /H 的反應層。對薄膜和反應層的性質做了詳細的分析，進一步探討了CH 粒子與Be 樣品的相互作用機制C 的濺射。而由高能CH + 在Be 表面形成的反應層中也沒有發現大量H 的滯留，在表面也發現了富C層，并有大量的Be-C 鍵。因此可推斷，反應層中有大量的Be /C 化合物，而且十分穩定。這與Guseva等的實驗研究是一致的。