铍金属阈值位移能的实验测定及其取向依赖性研究

本研究首次通过透射电子显微镜实验测定了铍(Be)晶体沿〈0001〉、〈0110〉、〈1213〉和〈2\overline{1}$$\overline{1}0〉晶向的阈值位移能(Ed)，填补了该领域空白。研究人员发现Ed存在显著取向依赖性（27.6-35.0 eV），为核聚变反应堆结构材料的抗辐照设计提供关键参数。

　　

在核能工程领域，铍金属因其优异的中子慢化性能成为聚变堆首选材料，但其在强辐照环境下的损伤机制尚不明确。阈值位移能(E_d)作为表征材料抗辐照性能的核心参数，决定了高能粒子轰击下原子脱离晶格位置所需的最小能量。长期以来，铍的E_d数据仅依赖理论计算，缺乏实验验证，严重制约了聚变堆结构材料的优化设计。

北京科技大学材料科学与工程学院Tonghao Wang团队在《Scripta Materialia》发表重要研究成果。研究人员采用透射电子显微镜(TEM)电子辐照技术，首次精确测定了铍单晶沿四个主要晶向的E_d值：〈0001〉方向35.0±0.8 eV、〈0110〉方向30.5±0.7 eV、〈1213〉方向29.0±0.7 eV、〈2\overline{1}$$\overline{1}0〉方向27.6±0.8 eV。这些数据揭示了铍晶体E_d的显著各向异性特征——密排方向〈0001〉的E_d比疏松方向高26.8%，该发现为理解铍的辐照损伤机制提供了实验基准。

关键技术包括：1) 高取向精度单晶样品制备；2) TEM电子束能量精确调控系统；3) 原位观察缺陷形成的暗场成像技术。通过系统调节电子束能量（50-1000 keV）并结合缺陷表征，确定了各晶向产生空位-间隙原子对(Frenkel pair)的临界能量阈值。

【研究结果】

1. 晶向依赖性：E_d<0001>最高（35.0 eV），表明沿c轴方向原子结合最强；E_d<2\overline{1}$$\overline{1}0>最低（27.6 eV），与该方向原子间距较大相关。
2. 误差控制：通过300次重复实验将测量不确定度控制在±0.7-0.8 eV，显著优于分子动力学模拟的±5 eV偏差。
3. 损伤机制：电子能量超过E_d时，观察到位错环密度呈指数增长，证实了位移损伤的阈值效应。

该研究建立了首个铍金属E_d实验数据库，解决了聚变堆材料设计中的关键参数缺失问题。实测数据表明，现行国际热核实验堆(ITER)设计手册采用的30 eV统一E_d值需要根据晶体取向修正。特别值得注意的是，〈2\overline{1}$$\overline{1}0〉方向的低E_d值预示该晶面在辐照环境下更易产生缺陷，这对反应堆内铍组件晶向择优生长具有重要指导价值。研究成果不仅为辐照损伤建模提供了实验基准，还将直接应用于中国聚变工程实验堆(CFETR)的铍第一壁设计优化。