摘要X射线光电子能谱技术被广泛用于研究材料表面研究。XPS谱图能够准确及时反映101nm深度内材料表面元素组成与结构信息。利用激发电子的穿透特性，XPS能够作为半定量的研究手段。本文利用XPS测厚技术研究了金属铀在5×10-6Pa氧气压力、温度低于413K条件下的氧化反应动力学行为，在该研究条件下金属铀初始氧化遵循抛物线规律，反应活化能为23.9kJ/mol。
关键词金属铀X射线光电子能谱低压氧化活化能
金属铀作为一种重要的能源材料，被广泛用于核工业领域。金属铀的化学活性很高，极易被各种介质氧化腐蚀。因此，金属铀的氧化腐蚀防护对于其使用寿命及服役安全至关重要。
上个世纪以来，国内外学者利用各种研究手段对金属铀在不同的腐蚀环境中的腐蚀行为进行了大量的研究。对于研究金属铀在氧气氛中的腐蚀行为，热重法是主要的研究手段。A.G.Ritchie等[1]利用热重法系统研究了金属铀在温度低于473K、氧压数千帕条件下的氧化动力学行为，发现在温度低于373K时，铀氧化遵循反对数方程，氧化活化能为113kJ/mol;温度高于373K时，铀氧化初始阶段遵循抛物线规律，最终阶段遵循线性规律，其对应活化能分别为84kJ/mol和92kJ/mol.J.Bloch等[2]利用X射线光电子能谱及AES技术研究了金属铀在室温、氧压(1.5～2)×10-6Pa条件下的初始氧化过程，确认了吸附氧的存在，并通过氧和金属铀的俄歇峰面积比研究了金属铀氧化速率。此外，近年来Lin等[3]和Zalkind等[4]还分别利用椭偏仪和X射线衍射(XRD)技术研究了金属铀在数千帕氧压下的氧化动力学行为。
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XPS技术研究金属铀氧化动力学具有几个方面优势。超高真空腔室为研究金属铀在超低氧压下的氧化行为提供了条件;原位氧化分析能够避免样品转移过程中发生的二次氧化，影响分析结果的准确性;XPS能够反应101nm深度内表面层元素组成与结构随深度的变化，有助于初始氧化过程信息提取分析。XPS测厚技术作为一种半定量分析手段，被广泛利用于多种材料体系的氧化行为研究。本研究就利用XPS测厚技术研究了金属铀在5#10-6Pa氧气压力、温度低于413K条件下的氧化反应动力学行为。
1实验部分
1.1实验方法
整个实验在ESCALAB250系统的超高真空腔室中进行。采用单色AlKα(1486.6eV)照射源和半球分析仪。谱图按照Ag3d5/2为368.2eV进行校准。光电子垂直样品表面采集。为了缩短采谱时间的同时保证能量分辨率，设置通过能20eV，步长0.1eV。实验样品采用直径13mm厚度2mm的贫铀圆片，先后使用600号、800号、1000号砂纸及Al2O3砂纸机械抛光。真空腔室基压为5×10-8Pa。金属铀表面的初始氧化层利用Ar离子溅射随后573K退火处理，反复该过程数次获得平整表面。通过微漏阀控制腔室中高纯氧气(99.9999%)的量。加热系统对样品底部直接加热，控制升温速率使温度在短时间内(尽可能减少过冲)达到目标温度分别为298、323、353、413K。
2结果与讨论
金属铀表面氧化物层厚度变化如图2(a)所示。从图中可以看出，厚度随时间变化基本遵循抛物线规律，表明金属铀初始氧化速率由氧通过表面氧化层的扩散速率控制，氧化速率随温度提高而增加，这些和之前的研究结果一致。
3结论
利用XPS技术研究了金属铀在低氧压5#10-6Pa、温度低于413K条件下的初始氧化动力学，发现初始氧化行为遵循抛物线规律，氧通过氧化层的扩散在该阶段仍起重要作用。该条件下金属铀氧化反应活化能为5.7kJ。——论文作者：孙超伦王晓方潘启发胡殷*刘柯钊*
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