بررسی اثرات تخریبی تابش یون‌های هلیوم و آرگون تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی بر روی تنگستن

نویسندگان

1 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران

2 گروه مهندسی هسته ای، دانشکده فیزیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان

چکیده

در این تحقیق اثرات تخریبی یون‌های پرانرژی هلیوم و آرگون تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی کم‌انرژی نوع مدر بر روی سطح تنگستن مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های تنگستن در 20 پالس دستگاه پلاسمای کانونی به‌طور جداگانه با یون‌های آرگون و هلیوم مورد تابش قرار گرفتند. سطح نمونه‌های خام و تابش‌دهی شده تنگستن با میکروسکوپ الکترونی آنالیز شد. میکروگراف‌های SEM نشان می‌دهد که تاول‌های متراکم با اندازه تقریبی چند صد نانومتر در سطح تنگستن در اثر تابش یون‌های هلیوم ایجاد شده‌اند ولی در نمونه‌های تابش‌دهی شده با یون‌های پر انرژی آرگون ترک‌های منظم دیده می‌شود که در سطح تنگستن گسترش یافته‌اند. از آنالیز پراش اشعه ایکس برای بررسی تغییرات بلوری ایجاد شده در تنگستن ناشی از تابش استفاده شد. تابش یون‌های پر انرژی هیدروژن و آرگون باعث به‌وجود آمدن تغییراتی در مکان قله‌ها، شدت قله‌ها، پهنای پیک در نصف ارتفاع بیشینه (FWHM) و فاصله صفحات تنگستن شده، که نشان می دهد تابش یون‌های پر انرژی تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی ساختار بلوری تنگستن را نیز تحت تأثیر قرار داده است. با استفاده از کد لی [1] مشخصات باریکه یونی هلیوم و آرگون حاصل از دستگاه پلاسمای کانونی تعیین شد و با استفاده از کد SRIM [2] مقدار shot/Dpa و پروفایل تـراکم یـون‌های هلیـوم و آرگـون در عمـق‌های مختلف تنگستن محاسـبه شـد. نتـایج کد لی نشـان می‌دهد که در هر شـات به‌تـرتیب ion/cm2 1014 × 9/7 و ion/cm2 1014 × 25/0 یون هلیوم و آرگون تولید می‌شود. نتایج کد SRIM نشان می‌دهد که بیشترین تخریب ایجاد شده در تنگستن ناشی از یون‌های آرگون و هلیوم به‌ترتیب در عمق‌های 7 و 30 نانومتری و به اندازه dpa/shot 7/1 و 17/0 می‌باشد. هم‌چنین بیشترین تراکم یون‌های آرگون و هلیوم به‌ترتیب در عمق‌های 20 و 40 نانومتری رخ می‌دهد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Damage studies on irradiated tungsten by helium and argon ions in a plasma focus device

نویسندگان [English]

  • Mir mohammadreza Seyedhabashi 1
  • Babak Shirani bidabadi 2
  • Mohammad Amirhamzeh Tafreshi 1
  • Farid Seddighi 1
  • Ali Nasiri 1
چکیده [English]

Damage of tungsten due to helium and argon ions of a PF device was studied. Tungsten samples were irradiated by 20 shots of the plasma focus device with argon and helium as working gases, separately. The tungsten surface was analyzed by SEM, before and after irradiation. SEM revealed dense blisters with diameters of a few hundred nanometers, on the samples which were irradiated by helium ions, while on the samples irradiated by argon, cracks were developed on the surface. XRD analysis was used for crystallography of tungsten, before and after irradiation. Irradiation by helium and argon affects peak location, peak intensity, FWHM, and spacing of planes, which shows that the crystalline structure of tungsten is affected by irradiation.Characteristics of ion beam of the plasma focus device were calculated by the Lee code. The depth profiles of dpa/shot and ion concentration were calculated using the SRIM code. Using the Lee code, the average fluencies of helium and argon ion beams of the PF device were calculated about 7.9×1014 cm-2 and 0.25×1014 cm2 per shot, respectively. SRIM revealed that the maximum DPA was about 1.7 and 0.17 and occur in the depth of 7 nm and 30 nm for argon and helium, respectively. Also, the maximum concentration occurs in the depth of 20 nm and 40 nm for argon and helium, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Plasma Facing Material
  • Plasma focus
  • Ion Beam
  • Radiation Damage
  • SRIM Code
[1] N. Dutta, S. Mohanty and N. Buzarbaruah. Modification on graphite due to helium ion irradiation, Physics Letters A, 380 (2016) 2525–2530. [2] M. Sadowski, J. Zebrowski, E. Rydygier and J. Kucinski. Ion emission from plasma-focus facilities, Plasma physics and controlled fusion, 30 (1988) 763. [3] M.M. Jakas and D.E. Harrison Jr. Dependence of atom ejection on electronic energy loss, Physical Review B, 32 (1985) 2752. [4] S. Lee and S. Saw. Plasma focus ion beam fluence and flux For various gases, Physics of Plasmas, 20 (2013) 062702. [5] Y. Wang, Z. Pan, Y. Ho, Y. Xu and A. Du, The structural and dynamical properties of Al clusters adsorbed on Ni surface, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 180 (2001) 251–256. [6] V. Philipps. Tungsten as material for plasma-facing components in fusion devices, Journal of nuclear materials, 415 (2011) S2–S9. [7] Y. Ueda, J. Coenen, G. De Temmerman, R. Doerner, J. Linke, V. Philipps and E. Tsitrone. Research status and issues of tungsten plasma facing materials for ITER and beyond, Fusion engineering and design, 89 (2014) 901–906. [8] M. Roedig, W. Kuehnlein, J. Linke, M. Merola, E. Rigal, B. Schedler and E. Visca. Investigation of tungsten alloys as plasma facing materials for the ITER divertor, Fusion Engineering and Design, 61 (2002) 135–140. [9] D. Hwangbo, S. Kajita, N. Ohno, P. McCarthy, J.W. Bradley and H. Tanaka. Growth of nano-tendril bundles on tungsten with impurity-rich He plasmas, Nuclear Fusion, 58 (2018) 096022. [10] B.H. Sencer, G.S. Was, M. Sagisaka, Y. Isobe, G.M. Bond and F.A. Garner. Proton irradiation emulation of PWR neutron damage microstructures in solution annealed 304 and cold-worked 316 stainless steels, Journal of nuclear materials, 323 (2003) 18–28. [11] V.N. Pimenov, E.V. Dyomina, L.I. Ivanov, S.A. Maslyaev, V.A. Gribkov, R. Miklaszewski, M. Scholz, A.V. Dubrovsky, I.V. Volobuev, Y.E. Ugaste, F. Mezzetti, P. De Chiara, L. Pizzo, B. Kolman and A. Szydlowski. Damage of structural materials for fusion devices under pulsed ion and high temperature plasma beams, Journal of Nuclear Materials, 307-311 (2002) 95–99. [12] M. mohammadreza Seyedhabashi, M.A. Tafreshi, B. Shirani, S. Shafiei and A. Abdisaray. Damage study of irradiated tungsten and copper using proton and argon ions of a plasma focus device, Applied Radiation and Isotopes, 154 (2019) 108875. [13] S. Masuzaki, N. Ashikawa, K. Nishimura, M. Tokitani, T. Hino, Y. Yamauchi, Y. Nobuta, N. Yoshida, M. Miyamoto and A. Sagara. Wall Conditioning in LHD, Fusion Science and Technology, 58 (2010) 297–304. [14] Y. Yamauchi, K. Takeda, Y. Nobuta and T. Hino. Hydrogen and helium removal retained in stainless steel by neon glow discharge, Journal of nuclear materials, 390 (2009) 1048–1050. [15] X.-C. Li, X. Shu, P. Tao, Y. Yu, G.-J. Niu, Y. Xu, F. Gao and G.N. Luo. Molecular dynamics simulation of helium cluster diffusion and bubble formation in bulk tungsten, Journal of Nuclear Materials, 455 (2014) 544–548. [16] L. Pentecoste, P. Brault, A.L. Thomann, P. Desgardin, T. Lecas, T. Belhabib, M.-F. Barthe and T. Sauvage. Low Energy and low fluence helium implantations in tungsten: Molecular dynamics simulations and experiments, Journal of Nuclear Materials, 470 (2016) 44–54. [17] N. Dutta, N. Buzarbaruah and S. Mohanty, Damage studies on tungsten due to helium ion irradiation, Journal of Nuclear Materials, 452 (2014) 51–56. [18] S. Javadi, M. Ghoranneviss, R. Rawat and A.S. Elahi. Topographical, structural and hardness changes in surface layer of stainless steel-AISI 304 irradiated by fusion-relevant high energy deuterium ions and neutrons in a low energy plasma focus device, Surface and Coatings Technology, 313 (2017) 73–81. [19] F.W. Meyer, P.S. Krstic, H. Hijazi, M.E. Bannister, J. Dadras, C.M. Parish and H. Meyer. Surface-morphology changes and damage in hot tungsten by impact of 80 eV–12 keV He-ions and keV-energy self-atoms, Journal of Physics: Conference Series of IOP Publishing, (2014) 012036. [20] R. Niranjan, R. Rout, R. Srivastava, Y. Chakravarthy, P. Mishra, T. Kaushik and S.C. Gupta. Surface modifications of fusion reactor relevant materials on exposure to fusion grade plasma in plasma focus device, Applied Surface Science, 355 (2015) 989–998. [21] B. Nayak, B. Acharya, S. Mohanty, T. Borthakur and H. Bhuyan. Surface nitriding of graphite substrate by plasma focus device towards synthesis of carbon nitride coating, Surface and Coatings Technology, 145 (2001) 8–15. [22] J. Davies, J. McIntyre and G. Sims. Isotope effect in heavy ion range studies, Canadian Journal of Chemistry, 39 (1961) 611–615. [23] S.M. Miremad and B.S. Bidabadi. Measurement of the effective energy of pulsed X-rays emitted from a Mather-type plasma focus device, Applied radiation and isotopes, 125 (2017) 169–175. [24] S. Saw, V. Damideh, J. Ali, R. Rawat, P. Lee and S. Lee. Damage Study of Irradiated Tungsten using fast focus mode of a 2.2 kJ plasma focus, Vacuum, 144 (2017) 14–20. [25] M. Bhuyan, S. Mohanty, C. Rao, P. Rayjada and P. Raole. Plasma focus assisted damage studies on tungsten, Applied surface science, 264 (2013) 674–680. [26] M. Scholz, R. Miklaszewski, V. Gribkov and F. Mezzetti. PF-1000 device, Nukleonika, 45 (2000) 155–158. [27] V. Gribkov, A. Banaszak, B. Bienkowska, A. Dubrovsky, I. Ivanova-Stanik, L. Jakubowski, L. Karpinski, R. Miklaszewski, M. Paduch and M. Sadowski. Plasma dynamics in the PF-1000 device under full-scale energy storage: II. Fast electron and ion characteristics versus neutron emission parameters and gun optimization perspectives, Journal of Physics D: Applied Physics, 40 (2007) 3592. [28] M. Akel, S.A. Salo, S.H. Saw and S. Lee. Characterization of oxygen ion beams emitted from plasma focus, Vacuum, 110 (2014) 54–57. [29] M. Chernyshova, V.A. Gribkov, E. Kowalska-Strzeciwilk, M. Kubkowska, R. Miklaszewski, M. Paduch, T. Pisarczyk, E. Zielinska, E.V. Demina, V.N. Pimenov, S.A. Maslyaev, G.G. Bondarenko, M. Vilemova and J. Matejicek. Interaction of powerful hot plasma and fast ion streams with materials in dense plasma focus devices, Fusion Engineering and Design, 113 (2016) 109–118. [30] D. Donovan, D. Buchenauer, J. Whaley and R. Friddle. Characterization of a compact ECR plasma source and its applications to studies of helium ion damage to tungsten, Physica Scripta, 2016 (2016) 014040. [31] M. Habibi, Angular distribution of ion beam emitted from a 3.5 kJ plasma focus device using different shapes of anodes, Physics Letters A, 380 (2016) 439–443.