能源是制约社会发展的关键因素之一，聚变能的应用则可能一劳永逸地解决人类的能源问题。但实现聚变反应堆的商业运行还需攻克大量难关，其中主要的技术瓶颈就包括了聚变堆材料的问题。磁约束聚变装置(托卡马克)中的面向等离子体材料须承受高温、高热通量以及各种载能粒子的辐照。钨(W)材料因具有较高热导率、较低溅射率、较低氢同位素滞留率等特点，使其成为重要的第一壁及偏滤器包层材料。然而，钨材料在受到各种粒子辐照后性能会发生不同程度的退化，其中之一便是本文主要研究的氦注入引起的表面肿胀效应(氦肿胀)。在聚变堆的实际运行中，偏滤器上的钨材料会受到高剂量的低能强流氦(He)离子注入。注入的氦原子在材料中会聚集形成团簇、气泡，并最终在材料表面产生肿胀、剥离等效应。上述气泡等结构会增大氢同位素在钨中的滞留率，而表面剥离则会导致钨包层的寿命减少，脱离的钨屑甚至可能影响等离子体的稳定运行。因此，研究氦离子注入多晶钨引起的表面肿胀行为对聚变堆材料的设计有重要意义。
　　本论文以实验为主，使用氦离子注入的方法研究了影响钨表面肿胀的三个因素(晶体取向、抛光方式、注入温度)。所用测试表征手段为扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、聚焦离子束系统(FIB)等，并结合分子动力学模拟(MD)进行讨论。相关的结论如下：
　　(1)晶体取向对氦肿胀的影响
　　实验发现氦肿胀的尺寸与表面晶体取向有明显的相关性。在所标记的五个晶向中，靠近{111}方向的晶粒表面肿胀平均尺寸最小，而靠近{100}方向的尺寸最大。分子动力学(LAMMPS)模拟结果显示，不同晶向上的韧性断裂阈值不同。在建立的三个晶粒模型中，沿{100}方向的晶粒阈值最低，约为13GPa。结合模拟所得的应力-应变曲线，可知此晶向上的晶粒在较低气体内压下即可产生较大形变，对应较大的平均表面肿胀尺寸。
　　(2)抛光预处理方式对氦肿胀的影响
　　实验发现经机械抛光和电解抛光处理的钨样品表面氦肿胀尺寸和数密度不同。电解抛光样品的表面肿胀分布较均匀，而机械抛光样品的表面肿胀只出现在某些特定晶粒上，且平均尺寸较小，密度较低。进一步的观察显示，注入后的氦原子主要集中于机械抛光样品的晶体缺陷(晶界)处。这些缺陷容纳了注入的氦原子，并形成了可以连接样品表面的通道状结构，从而释放了气体内压。这说明机械抛光样品与超细晶钨有类似的性质。
　　(3)注入温度对氦肿胀的影响
　　这一部分工作使用氦离子在不同温度下注入钨样品，注入后观察到在不同温度下样品表面均产生了氦肿胀。当温度大于1073K时，表面肿胀发生了大面积的剥离和脱落，证明温度的升高会促进表面肿胀的演化。
　　本论文不但获得了氦肿胀从初期形成到长大直至最后破裂的SEM/TEM图像，还观察到了一些特殊的空洞结构。同时，实验结果表明在钨的某些特定晶向上以及在较低的注入温度下氦肿胀较轻微，且机械抛光预处理能在一定程度上抑制氦肿胀的产生。这些结果有利于理解钨表面氦肿胀的形成和演化过程，并对聚变堆第一壁材料的设计有积极的指导作用。