مقایسه اثرات تخریب تابش پالس‌های پرانرژی پروتون در دستگاه پلاسمای کانونی بر فلزات واسطه: مطالعه موردی مس و مولیبدن

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشگاه پیام نور واحد تهران، تهران

2 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی، قزوین

3 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران

چکیده

در این تحقیق اثرات تخریب پروتون‌های پرانرژی تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی بر مورفولوژی سطحی و هم‌چنین پارامترهای ساختاری مس و مولیبدن مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌های مس و مولیبدن که در فاصله 6 سانتی‌متری از سر آند قرار داده شده و در 20 تخلیه با یون‌های هیدروژن مورد تابش قرار گرفتند. نمونه‌ها قبل و بعد از تابش‌دهی با میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می‌دهد که تابش پروتون‌های پرانرژی بر سطح مولیبدن و مس باعث به‌وجود آمدن تاول، ترک و ذوب‌شدگی در سطح نمونه‌ها شده است. از آنالیز پراش اشعه ایکس برای بررسی تغییرات ایجاد شده در ساختار نمونه‌ها در اثر تابش پروتون‌های پرانرژی استفاده شد. ازکد لی به‌منظور مشخصه‌یابی باریکه یونی دستگاه پلاسمای کانونی استفاده شد. نتایج کد لی نشان می‌دهد که در هر تخلیه تعداد 1014× 9/7 یون از ستون پلاسما ساطع می‌شود. از کد SRIM برای محاسبه تخریب ایجاد شده در مولیبدن و مس و تراکم هیدروژن در عمق‌‌های مختلف مولیبدن و مس استفاده شد. براساس نتایج کد SRIM بیشینه مقدارجابه‌جایی بر اتم برای نمونه‌های مولیبدن و مس تابش‌دهی شده با یون‌های هیدروژن در عمق‌های 500 و 580 نانومتر به‌ترتیب برابر با 0/024 و 0/009 برآورد شد. بیشینه تراکم یون‌های هیدروژن در نمونه تابش داده‌ شده مولیبدن و مس در عمق‌های 550، 750 نانومتر به‌ترتیب 0/5 و 0/11 درصد می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The comparison of the destructive effects of high energy protons produced in a plasma focus device on copper and molybdenum

نویسندگان [English]

  • Alieh Chamani 1
  • Seyed Mohammad Mahdi Abtahi 2
  • Mohammad Amir Hamzeh Tafreshi 3
  • Mir Mohammad Reza Seyedhabashi 3
چکیده [English]

The main features of damages that occurred on surface morphology as well as the structural parameters of Cu and Mo materials when irradiated to high-energy protons produced in the dense plasma focus device was investigated. The samples placed 6 cm from the anode head were irradiated in 20 shots with hydrogen ions. The samples examined with Scanning Electron Microscopy (SEM) before and after irradiation. SEM results showed that the radiation of high-energy protons on the surface of Mo and Cu has caused blisters, cracks, and melts on the surface of the specimens. X-ray diffraction analysis used to investigate changes in the structure of the specimens due to the radiation of high-energy protons. The Lee code was used to characterize the ionic beam of the plasma focus device. The results showed that 7.9 x 1014 ions are emitted from the plasma column in each shot. The SRIM code used to calculate the damage created in Mo and Cu, as well as the concentration of hydrogen at different depths of them. The results of SRIM revealed that the maximum of displacement per atom (DPA) for Mo and Cu samples irradiated with hydrogen ions at depths of 500 and 580 nm was estimated to be 0.024 and 0.009 dpa per shot, respectively. The maximum concentrations of hydrogen ions in the irradiated samples at depths of 550 nm, and 750 nm are 0.5%, and 0.11%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Radiation Damage
  • Molybdenum
  • copper
  • Morphology surface
  • Structural analyses
  • Plasma focus device
[1] J. Brooks, L. El-Guebaly, A. Hassanein and T.J. Sizyuk. Plasma-facing material alternatives to tungsten, Nuclear Fusion, 55(2015) 043002 (7pp). [2] M.M. Seyedhabashi, B. shirani bidabadi, M. Amirhamzeh Tafreshi, F. Seddighi and A. Nasiri. Damage studies on irradiated tungsten by helium and argon ions in a plasma focus device, IJRSM, 8(2020) 1-12. [3] S. Javadi, B. Ouyang, Z. Zhang, M. Ghoranneviss, A.S. Elahi and R.S. Rawat. Effects of fusion relevant transient energetic radiation, plasma and thermal load on PLANSEE double forged tungsten samples in a low-energy plasma focus device, Applied Surface Science, 443 (2018) 311-320. [4] D. Nishijima, M. Ye, N. Ohno and S. Takamura. Formation of Nanostructured Tungsten with Arborescent Shape due to Helium Plasma Irradiation, Journal of Nuclear Materials, 97 (2003) 313-316. [5] V. Barabash, The ITER International Team, A. Peacock, S. Fabritsiev, G. Kalinin, S. Zinkle, A. Rowcliffe, J.W. Rensman, A.A. Tavassoli, P.Marmy, P.J. Karditsas, F. Gillemot and M.Akiba. Materials challengges for ITER-Current status and future activities, Journal of Nuclear Materials, 367 (2007) 21-32. [6] X. Yang and A. Hassanein. Molecular dynamics simulation of deuterium trapping and bubble formation in tungesten, Journal of Nuclear Materials, 434 (2013) 1-6. [7] Q. Xu, T. Yoshiie and H. Huang. Nuclear Instruments and Methods in physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Molecular dynamics simulation of vacancy diffusion in tungsten induced by irradiation, 206 (2003) 123-126. [8] N.-Y. Park, Y.C. Kim, H.K. Seok, S.H. Han and S. Cho. Nuclear Instruments and Methods in physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Molecular dynamics simulation of irradiation damage in tungsten, 265 (2007) 547-552. [9] G. Janeschitz and I. Jct. Plasma-Wall interaction issuse in ITER Journal of Nuclear Materials, 290 (2001) 1-11. [10] M.M. Seyedhabashi, M. A. Tafreshi, S. Shafiei and A. Abdisaray. Damage study irradiation tungsten and copper using poroton and argon ions of a plasma focus device, Applied radiation and Isotopes, 154 (2019) 108875. [11] F. Sedighi, A. Kouhi, D. Iraji and C. Rasouli. Damage study of comparision the effects of high-energy pulsed-protons of plasma focus device with low-energy protons of glow discharge plasma of tokamak, Plasma Research Express, 2 (2020) 035001. [12] M. Seyedhabashi, S. Shafiei, M. Tafreshi and B.S. Bidabadi. Study of surface damage and hydrogen distribution in irradiated tungsten by protons in plasma focus device, Vacuum, 175 (2020) 109249. [13] V. Gribkov, V.A. Gribkov, V.N. Pimenov, L.I. Ivanov, E.V. Dyomina, S.A. Maslyaev, R. Miklaszewski, M. Scholz, U.E. Ugaste, A.V. Dubrovsky and V.C. Kulikauskas. Interaction of high temperature deuterium plasma streams and fast ion beams with stainless steels in dense plasma focus device, Journal of Physics D:Applied Physics, 36 (2003) 1817. [14] M.J. Inestrosa-Izurieta, E. Ramos-Moore and L. Soto. Morphological and structural effects on tungsten targets produced by fusion plasma pulses from a table top plasma focus , Nuclear Fusion, 55 (2015) 093011. [15] V. Gribkov, V.A. Gribkov, V.N. Pimenov, L.I. Ivanov, E.V. Dyomina, S.A. Maslyaev, R. Miklaszewski, M. Scholz, U.E. Ugaste, A.V. Dubrovsky and V.C. Kulikauskas. Interaction of high temperature deuterium plasma streams and fast ion beams with stainless steels in dense plasma focus device, Journal of Physics D:Applied Physics, 36 (2003) 1817. [16] S.H. Saw, V. Damideh, J. Ali, R. S. Rawat and S. Lee. Damage Study of Irradiated Tungsten using fast focus mode of a 2.2 kJ plasma focus, Vacuum, 144 (2017) 14-20. [17] R. Niranjan, R.K. Rout, R. Srivastava, Y. Chakravarthy, P. Mishra, T.C. Kaushik and Satish 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. [18] S.M. Miremad and B.S. Bidabadi. Investigation the effect of anode’s insert material on spatial distribution of X-ray source in plasma focus device, Journal of Fusion Energy. 33 (2014) 319-335. [19] M.M. Seyyedhabashy, M.A. Tafreshi, S. Shafiei and A. Nasiri. Damage studies on irradiated tungsten by helium ions in a plasma focus device‌, Nuclear Engineering and Technology, 52 (2020) 827-834. [20] S. Saw, V. Damideh, O.H. Chin, J. Ali, P.C.K. Lee, R.S. Rawat and S. Lee. Comparative numerical study of the dynamics, ion beam and flow energetics of fast and slow focus modes in a 2 kJ plasma focus operated in various gases, Vacuum, 165 (2019) 337-342. [21] Q. Gong , T. Gao, T. Hu and G. Zhou. Synthesis and Electrochemical Energy Storage Applications of Micro/Nanostructured Spherical Materials, Nanomaterials, 9 (2019) 1207. [22] R.E. Stoller, M.B. Toloczko, G.S. Was, A.G. Certain, S. Dwaraknath and F.A. Garner. On the use of SRIM for computing radiation damage exposure, Nuclear instruments and methods in physics research section B: beam interactions with materials and atoms, 310 (2013) 75-80. [23] E.A. Uehling. Penetration of Heavy Charged Particles in Matter, Annual review of nuclear science, 4 (1954) 315-350.