中子辐照单晶钨的飞行时间二次离子质谱分析：揭示等离子体面向材料中钨的嬗变产物

为解决核聚变装置中钨基等离子体面向材料（PFMs）在中子辐照下产生的嬗变效应问题，美国橡树岭国家实验室团队利用飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）技术，对比分析了原始与中子辐照单晶钨（SCW）的质谱特征。研究首次系统鉴定了钨嬗变产物（如Re、Os等同位素），证实ToF-SIMS在核材料同位素分析中的高分辨优势，为聚变堆材料性能评估提供了关键数据支撑。

　　

核聚变能作为清洁能源的未来之星，其核心装置面临极端环境挑战——高温等离子体与高能中子流的轰击。钨（W）因其卓越的耐热性与抗辐照性能，成为等离子体面向材料（Plasma Facing Materials, PFMs）的首选。然而，中子辐照会引发钨原子核的嬗变反应，生成铼（Re）、锇（Os）等元素，导致材料脆化、热导率下降等致命问题。传统质谱技术难以区分质量相近的钨同位素（如¹⁸²
W与¹⁸³
W）及其嬗变产物，制约了材料性能的精准评估。

针对这一瓶颈，橡树岭国家实验室的Xiao-Ying Yu团队在《Results in Surfaces and Interfaces》发表研究，首次采用飞行时间二次离子质谱（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, ToF-SIMS）对比分析原始与中子辐照单晶钨（Single Crystal Tungsten, SCW）的质谱特征。该技术凭借超高质量分辨率（ΔM<65 ppm）和空间分辨率，成功解析了传统方法难以检测的嬗变产物同位素信号。

关键技术方法
研究团队利用高压电子显微镜-聚焦离子束（SEM-FIB）制备辐照样品（20×10×10 μm³
），采用IONTOF TOF.SIMS V仪器，以30 keV Bi₃
⁺
初级离子束扫描150×150 μm²
区域，通过450-602次深度剖面扫描获取静态质谱。数据经OriginPro 2023处理，以CsW⁺
簇离子为内标校准，确保同位素比值的准确性。

数据描述
质谱覆盖0-800 Da范围，重点分析150-225 Da的钨及其嬗变产物峰。原始SCW中检测到W₂
⁺
、W₃
⁺
簇及^182-186
W同位素（ΔM<40 ppm），而辐照样品W18中显著出现Re⁺
（m/z 186.9579）、Os⁺
（m/z 191.9684）等特征峰，证实嬗变反应发生。尤为关键的是，团队首次通过CsM⁺
簇离子法（如Cs¹⁸⁶
W⁺
）实现了钨同位素的定量检测。

实验设计
样品在700°C、2.2-3.5×10²⁵
n/m²
中子注量下辐照，纯度>99.99 wt%。通过ROI技术降低辐照区域（100×100 μm²
）的信号干扰，结合1 keV Cs⁺
溅射消除表面氧化层影响。

研究结论与意义
该研究不仅建立了首个SCW嬗变产物质谱数据库，更揭示了ToF-SIMS在核材料研究中的独特价值：

1. 高分辨识别能力：区分质量差<0.01 Da的¹⁸³
   W¹⁸²
   W⁺
   （m/z 364.8979）与¹⁸³
   W₂
   ⁺
   （m/z 365.8999）簇离子；
2. 定量潜力：CsW⁺
   簇信号强度与钨含量呈正相关，为嬗变率计算提供新思路；
3. 工程指导：Os-Re等嬗变产物的检出（如Os¹⁸⁶
   W⁺
   ，m/z 377.9153）直接关联材料力学性能退化机制。

这项研究为未来聚变示范堆（Fusion Pilot Plants）的材料筛选与寿命预测奠定了分析方法基础，被Gabriel D. Parker等作者评价为“融合材料研究社区的关键参考数据集”。其技术路线可扩展至其他耐高温合金的辐照损伤研究，推动核能材料科学进入原子级精准诊断时代。