聚变能,具有资源无限、无污染、不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一。在未来聚变装置(如ITER)中,高功率的脉冲持续和累积运行时间的大量增加以及随之而来的高热载荷,导致了严重的等离子体与面壁材料的相互作用和效应,燃料滞留是其中的一个关键问题。在燃烧等离子体条件下,等离子体中的氢氦粒子和高能中子轰击高热载荷的面壁材料将产生包括直接注入引起的燃料滞留和因刻蚀壁材产生的杂质同燃料共沉积的滞留,这将严重影响粒子的再循环、等离子体性能、运行效率和安全。本论文就是围绕氘、氦在等离子体面壁材料(PFM)中的滞留行为而展开的,着重研究了ITER装置拟使用的两种PFM材料C和w在被侵蚀后与燃料原子氘和氦原子共沉积滞留行为。论文采用磁控溅射的实验方法,模拟了在D2/He混合气体氛围中等离子体放电条件下,被侵蚀材料原子(碳或钨)再沉积过程,并对含有气体(D、He)原子在共沉积薄膜中的气体滞留行为进行了研究。研究从单元素材料石墨碳开始,再到单元素材料多晶钨,最后到混合碳钨材料。论文的第一部分,用射频磁控溅射在D2+He/Ar混合等离子体气氛下,实验模拟了氘、氦与碳原子共沉积过程,并对含氦的非晶氘化碳薄膜(He a-C:D)样品进行细致研究。通过控制变量法,改变气体的氦氘流量比、基底温度、基底材料等条件,研究了氘、氦在共沉积过程中的滞留和共沉积薄膜的特性。研究发现,在不同的基底上(Si和W)生长的含氦氘的碳薄膜样品中,D的分布和生长速率是不同的：基底温度的升高,能够有效地减小薄膜中气体的滞留量；共沉积过程产生的含氘氦的碳薄膜为非晶薄膜,其结构随氦引入的增加而变得更加无序化,但石墨碳的成分却随之增多并趋于饱和；在较高He浓度条件下,首次观察到薄膜表面的气泡、裂纹和碎片,薄膜表面的整体性因He的引入而被破坏。论文的第二部分,利用相同方法,在D2+He/Ar混合等离子体气氛下,实验模拟了氘、氦与钨原子共沉积过程,并对含气体的钨薄膜样品进行了分析研究。通过改变混合气体中的He分压和基底温度,分别研究了氦的引入和基底温度对薄膜中氘滞留和薄膜结构、形貌的影响。研究发现,在D、He与w共沉积的薄膜中,He的滞留对薄膜中D滞留、薄膜晶体结构和表面形貌(起皮、剥落)有很大的影响：基底温度的升高,极大地减少了D、He的滞留,并使得薄膜表面出现起皮和脱落现象。通过在不同基底上的共沉积层研究发现,基底粗超度的增加,能够抑制薄膜表而出现的起皮和脱落现象。论文第三部分,研究了在混合气体D2/Ar或D2+He/Ar氛围中的C-W共沉积过程,并对两种气氛下生成的薄膜样品的气体滞留行为和薄膜特性进行了研究。对D2/Ar气氛下制备的共沉积薄膜样品研究表明：捕获的D浓度与C/W原子比成正比关系,这说明C原子是D的主要捕获中心；压强增大时,C/W、D浓度在压强为5.OPa处有一个极大值。温度的升高,使得C/W、D浓度和薄膜沉积速率减小,晶体结构趋向于石墨化,并有WC1-,晶体相的出现。当He引入后,发现He对D滞留和薄膜结构和形貌都产生了很大的影响,使得C/W值和D浓度都增大,但薄膜生长速率没有明显变化；He的引入也使薄膜表面形貌发生了较大的变化,薄膜表面观察到的纳米颗粒尺度随He引入量增加而增大,但未见气泡产生。基底si升温至573K后,C/W和薄膜生长速率无明显变化,但D、He的浓度显著减少。这是由于温度升高使薄膜结晶性增强,而C或WC1-x晶体相成分也随之增多,这势必减少D被C捕获的几率和C被D侵蚀的几率。综上,在C、W同时用于PFM条件下,在PFM表面形成了含气体原子的C、W和C-W共沉积薄膜。共沉积过程中,D原子主要被薄膜中的C原子捕获,C、W或C-W薄膜结构对D滞留也有直接的影响,如缺陷结构、C-W中的碳钨化合物晶体相成分和结构等。He的引入使得共沉积过程复杂化,增加了薄膜晶体结构中的缺陷,影响了薄膜的结构和成分。一方面,它增加了薄膜中D滞留；另一方面,它又使薄膜表面无序化,颗粒度变大,或产生气泡、剥落等现象,这会使得薄膜容易被载能的中性原子侵蚀而剥落掉,从而影响等离子体放电持续稳定进行。提高基底温度对气体滞留、薄膜的结构和表面形貌都有直接和重大的影响,是一种有效抑制氘滞留和提高沉积薄膜晶体结构的方法。