低温聚焦离子束铣削技术对比研究：Ga+与Xe+在锆合金TEM和APT样品制备中的氢化物抑制效应

本研究针对锆合金在核反应堆服役中因氢化物形成导致的脆化问题，系统比较了Ga+与Xe+聚焦离子束（FIB）在常温和低温条件下制备TEM和APT样品的差异。结果表明，低温FIB技术可显著减少氢化物形成，为核材料微观结构精准表征提供了新方法，对核燃料组件安全评估具有重要价值。

　　

在核反应堆的极端运行环境中，锆（Zr）合金作为燃料包壳材料面临着中子辐照、高温腐蚀和氢脆等多重挑战。其中，氢化物析出是导致材料机械性能退化的关键因素，但传统表征方法如透射电子显微镜（TEM）和原子探针层析（APT）的样品制备过程本身可能引入氢化物，严重干扰原始微观结构的观测。更棘手的是，六方密排（HCP）结构的锆合金在聚焦离子束（FIB）铣削时极易形成氢化物，这使得区分"真实服役损伤"与"制备假象"成为国际核材料领域的重大难题。

为攻克这一技术瓶颈，来自英国曼彻斯特大学（University of Manchester）和英国原子能管理局（UKAEA）等机构的研究团队在《Ultramicroscopy》发表了创新性研究。他们系统比较了传统Ga⁺离子束与新兴Xe⁺等离子体FIB在常温和低温（-90°C至-130°C）条件下制备锆合金样品的差异，首次揭示了两种离子束对氢化物形成的抑制效果及其对APT氢检测准确性的影响。

研究采用多尺度联用技术：通过BOR-60反应堆和质子辐照制备不同损伤剂量（0.15-27 dpa）的ZIRLO和Zircaloy-2合金样本；利用配备低温台的FEI Helios系列FIB完成样品制备，其中Ga⁺铣削最终电压为2-5 kV，Xe⁺铣削采用30 kV粗加工结合2 kV精修；采用JEOL ARM200F和Thermo Scientific Talos F200X TEM观察微观结构；通过Cameca LEAP 5000-XR原子探针在60-70K条件下进行氢含量分析，并创新性采用蒸发速率外推法区分本体氢与实验污染氢。

3.1 Ga⁺ FIB-TEM结果
低温制备（-90°C）的样品中氢化物体积分数显著低于常温样品，TEM图像清晰显示出辐照诱导的型位错环和合金元素（Fe/Sn/Cr）的化学偏聚。特别值得注意的是，低温样品中未观察到常温样品常见的型位错与氢化物的伴生现象，证实了低温FIB能有效避免制备过程引入的假性缺陷。

3.2 Xe⁺ FIB-TEM结果
Xe⁺等离子体FIB在-130°C制备的样品中几乎完全抑制了氢化物形成，但常温制备时产生的氢化物尺寸（>350 nm）比Ga⁺ FIB（~200 nm）更大。这表明虽然Xe⁺铣削速率更高，但其在常温下的氢引入风险可能更显著，凸显低温制备的必要性。

3.3 Ga⁺ FIB-APT结果
通过解谱分析包含H⁺、H₂⁺等8种氢相关离子峰发现：低温制备样品的表观氢含量（3 at.%）较常温样品（50-55 at.%）降低一个数量级。激光模式（80 pJ）下氢在样品背激光侧异常富集，揭示出分析过程中氢的表面迁移效应。采用Meier提出的速率外推法，计算出中子辐照Zircaloy-2的真实氢含量为1.1 at.%。

3.4 Xe⁺ FIB-APT结果
质子辐照Zircaloy-2在Xe⁺低温FIB制备后测得氢含量仅0.12 at.%，与SRIM模拟的质子植入氢量（<0.1 at.%）高度吻合。该结果首次证明Xe⁺等离子体FIB结合低温技术可近乎完全规避氢污染，为APT氢定量分析建立了新标准。

这项研究通过严谨的实验设计阐明：低温环境能有效抑制FIB铣削过程中的氢扩散，其中Xe⁺离子因质量更大可能产生更浅的损伤层。研究建立的"蒸发速率外推法"为区分真实氢含量与实验伪影提供了普适性方案，而发现的高电场导致ZrH_x优先蒸发现象，则对APT数据分析具有重要启示。这些突破不仅解决了核材料表征中的关键技术难题，其方法论更可推广至钛合金等其他HCP材料研究，为先进核能系统的安全设计提供了不可或缺的分析工具。