Επίδραση της ακτινοβολίας ιόντων σιδήρου στις δομικές και μαγνητικές ιδιότητες υμενίων σιδήρου

Abstract

This thesis was carried out within the frame of the “Fusion Technology” research programaiming to the development of new structural materials for the future fusion reactor. The candidate materials are based on Fe-Cr alloys, which at this stage are unable to withstand the operating conditions of the future fusion reactor. Due to the high neutron fluxes and temperatures achieved inside the reactor, developing highly resistant materials is mandatory. To this end, it is essential to study and understand the radiation damage mechanisms in the fusion environment. In order to materialize this objective, using fission reactors to study the effect of irradiation on materials proves to be insufficient owing to significant differencies in the energy spectrum between fission and fusion neutrons. Nevertheless the research on neutron radiation damage can be implemented by appreciating that the dominant damage arises from Primary Knock-on Atoms (PKA). As the neutrons hit the iron target, their energy is transferred to the primary knock on iron atoms that propagate the damage inside the material through collision cascades. It was chosen to utilize the above expressed viewpoint self irradiating iron as it is the main constituent of Fe-Cr alloys; the candidate materials of the future fusion reactor. The energy of the Fe+ was defined to 490 keV as this is the mean energy of the Fe PKA produced by 14 MeV fusion neutrons impinging on iron.Simulations of the 490 keV iron ion irradiation of iron have shown that the ions penetrate the target at a depth of 400 nm. Therefore, thin films are the appropriate system to study the radiation damage mechanisms in iron. During irradiation the mechanisms present are two: the ion implantation and the iron atom displacement, whose contribution varies as a function of the film depth. To understand the damage induced by each of these mechanisms, iron films of 60 nm and 200 nm thickness were fabricated using the technique of DC Magnetron Sputtering. The principal mechanism taking place in 60 nm films is iron atom displacement, while in 200 nm both mechanisms contribute.Iron samples were irradiated with 490 keV iron ions at the JANNuS facilities at CEA, Saclay of France; irradiation doses of 2×10^14 – 1.34×10^17 ions/cm2 were achieved for different ion fluxes. These ion doses correspond to 0.5 – 341 displacements per iron atom. The samples were characterized berofe and after irradiation, using the experimental techniques of X-ray diffraction and reflectivity for the study of their structural properties as well as polarized neutron reflectivity and hysteresis loop measurements investigating their magnetic properties.From the results of the above measurements follows that iron ion irradiation affectssignificantly the structure and magnetism of iron in both film thicknesses. Both the lattice constant and the grain size increase monotonically with dose. Initially an abrupt increase of the lattice constant and the grain size is observed up to a certain dose beyond which both properties approach slowly the saturation. It is concluded that in both film thicknesses, the lattice constant and the grain size follow a universal behavior with irradiation dose. Furthermore, the coercive field of the films is reduced exponentially, making iron magnetically softer, with irradiation.For the first time the effect of irradiation and its induced defects on iron magnetic moment has been determined, behaving differently for the two film thicknesses. In the case of 60 nm films a major increase of magnetic moment per iron atom was observed, from 2.1 μB/at before the irradiation to 2.5 μB/at for the highest dose of 72 dpa. This behavior is attributed to the creation of vacancies and vacancy clusters which are responsible for the increase of magnetic moment according to the predictions of theoretical studies. Furthermore the time relaxation effect of magnetic moment has been observed returning to its prior irradiation value 24 months after irradiation. In the case of 200 nm films, irradiation induces a depth dependent magnetic profile consisting of two sublayers. The top Fe sublayer has a magnetic moment higher than that of the Fe before the irradiation whereas the bottom sublayer lower. This behavior is connented with the effects of Fe+ irradiation, i.e. in the top sublayer, radiation damage mainly occurs whereas in the bottom one, implantation of impinging Fe+ ions. The magnetic moments of the two sublayers have a non-monotonous variation with irradiation dose depicting a maximum for the top sublayer and a minimum for the bottom one at 96.2 dpa. The magnetic moment enhancement/ reduction is examined in relation with the atomic volume variation in the case of atom displacements and/ or implantation effects.

Η εργασία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος «ΤεχνολογίαΣύντηξης» με απώτερο σκοπό την ανάπτυξη νέων δομικών υλικών για το μελλοντικό αντιδραστήρα σύντηξης. Τα υποψήφια υλικά βασίζονται σε κράματα Fe-Cr, τα οποία στο παρόν στάδιο ανάπτυξής τους δεν είναι ανθεκτικά στις συνθήκες λειτουργίας του μελλοντικού αντιδραστήρα σύντηξης. Οι αυξημένες ροές νετρονίων και οι υψηλές θερμοκρασίες στο εσωτερικό του απαιτούν υλικά υψηλής αντοχής και για το λόγο αυτό είναι επιτακτική η ανάγκη μελέτης και κατανόησης των μηχανισμών που διέπουν τις βλάβες που δημιουργούνται στα υλικά κατά την ακτινοβόλησή τους σε περιβάλλον αντιδραστήρα σύντηξης. Για την επίτευξη του παραπάνω σκοπού η μελέτη της επίδρασης της ακτινοβόλησης στα υλικά χρησιμοποιώντας αντιδραστήρες σχάσης κρίνεται ανεπαρκής εξαιτίας σημαντικών διαφοροποιήσεων μεταξύ του ενεργειακού φάσματος των νετρονίων σχάσης και σύντηξης. Εντούτοις η βλάβη που προκαλείται στα υλικά από τα νετρόνια σύντηξης μπορεί να μελετηθεί υπό την εκτίμηση ότι η κυρίαρχη βλάβη προέρχεται από τα πρωταρχικά ανακρουόμενα άτομα. Τα νετρόνια καθώς προσπίπτουν στο υλικό μεταφέρουν την ενέργειά τους στα πρωταρχικώς ανακρουόμενα άτομα τα οποία διαδίδουν τη βλάβη στο εσωτερικό του μέσω αλληλουχιών σκεδάσεων. Με το σκεπτικό αυτό επιλέχθηκε η μελέτη της ακτινοβόλησης με ιόντα σιδήρου στο σιδήρο ως το κύριο συστατικό των υποψήφιων κραμάτων Fe-Cr του μελλοντικού αντιδραστήρα σύντηξης. Η ενέργεια των ιόντων σιδήρου ορίστηκε 490 keV, ίση με τη μέση ενέργεια των πρωταρχικά ανακρουόμενων ατόμων σιδήρου τα οποία προέρχοναι από την πρόσπτωση νετρονίωνσύντηξης ενέργειας 14 MeV στο σίδηρο. Προσομοιώσεις της ακτινοβόλησης του σιδήρου με ιόντα σιδήρου ενέργειας 490 keV έδειξαν ότι τα ιόντα διεισδύουν στον σίδηρο σε βάθος έως 400 nm. Επομένως το κατάλληλο σύστημα για την μελέτη των μηχανισμών βλάβης στον σίδηρο είναι τα λεπτά υμένια. Οι μηχανισμοί που είναι παρόντες κατά την ακτινοβόληση είναι δύο: η εμφύτευση ιόντων και η μετατόπιση των ατόμων σιδήρου, των οποίων η συνεισφορά μεταβάλλεται συναρτήσει του βάθους του υμενίου. Για την κατανόηση της βλάβης που προκαλεί ο κάθε μηχανισμός επιλέχθηκαν δύο πάχη υμενίων σιδήρου, 60 nm και 200 nm, τα οποία παρασκευάστηκαν με την τεχνική DC Magnetron Sputtering. Στα υμένια των 60 nm υπερισχύει ο μηχανισμός της μετατόπισης ατόμων σιδήρου ενώ στα υμένιατων 200 nm συνεισφέρουν και οι δύο μηχανισμοί.Τα δείγματα σιδήρου ακτινοβολήθηκαν με ιόντα σιδήρου ενέργειας 490 keV στιςεγκαταστάσεις JANNUS, CEA στο Saclay της Γαλλίας και επιτεύχθηκαν δόσεις ακτινοβόλησης2×10^14 – 1.34×10^17 ions/cm2 για διαφορετικές ροές ιόντων. Οι δόσεις αυτές αντιστοιχούν σε μετατοπίσεις ανά άτομο σιδήρου 0.5 – 341 dpa. Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν πριν και μετά την ακτινοβόληση ως προς τις δομικές τους ιδιότητες με τις πειραματικές τεχνικές της περίθλασης και ανακλαστικότητας ακτίνων Χ και ως προς τις μαγνητικές τους ιδιότητες με μετρήσεις ανακλαστικότητας πολωμένων νετρονίων και μαγνητικού βρόγχου υστέρησης.Τα αποτελέσματα των παραπάνω μετρήσεων έδειξαν ότι η ακτινοβόληση ιόντων σιδήρουέχει σημαντική επίδραση στη δομή και τη μαγνήτιση του σιδήρου και για τα δύο πάχη υμενίων. Η πλεγματική σταθερά και το μέγεθος των κρυσταλλιτών αυξάνονται μονότονα με τη δόση της ακτινοβόλησης. Αρχικά παρατηρείται απότομη αύξηση της πλεγματικής σταθεράς και του μεγέθους των κρυσταλλιτών έως μία τιμή δόσης πέρα από την οποία τα δύο μεγέθη πλησιάζουν αργά τον κόρο. Συμπεραίνεται ότι και στα δύο πάχη υμενίων η πλεγματική σταθερά και το μέγεθος των κρυσταλλιτών παρουσιάζουν μία ενιαία συμπεριφορά με τη δόση της ακτινοβόλης. Επιπλέον το συνεκτικό πεδίο των υμενίων παρουσιάζει σημαντική εκθετική μείωση, καθιστώντας τον σίδηρο μαλακότερο, καθώς αυξάνεται η δόση της ακτινοβόλησης.Για πρώτη φορά προσδιορίζεται η επίδραση της ακτινοβόλησης, και κατά συνέπεια τωνβλαβών που δημιουργούνται, στη μαγνητική ροπή του σιδήρου, ενώ η συμπεριφορά διαφέρει για τα δύο πάχη υμενίων. Στα υμένια των 60 nm παρατηρείται αύξηση της μαγνητικής ροπής ανά άτομο σιδήρου από 2.1 μB/at πριν την ακτινοβόληση σε 2.5 μB/at στην υψηλότερη δόση των 72 dpa. Η συμπεριφορά αυτή αποδίδεται στη δημιουργία πλεγματικών κενών και συμπλεγμάτων αυτών τα οποία ευθύνονται για την αύξηση της μαγνητικής ροπής όπως προβλέπουν θεωρητικές μελέτες. Επιπλέον, παρατηρήθηκε η εξάρτηση της τιμής της μαγνητικής ροπής από το χρόνο μετά τηνακτινοβόληση. Συγκεκριμένα η μαγνητική ροπή εφησυχάζει στην τιμή της πριν από τηνακτινοβόληση σε χρόνο 24 μηνών. Στα υμένια των 200 nm η ακτινοβόληση προκαλεί τη μεταβολή της μαγνητικής ροπής με το βάθος διαχωρίζοντας το υμένιο σε δύο στρώματα. Η μαγνητική ροπή στο εξωτερικό στρώμα εμφανίζεται αυξημένη σε σχέση με την τιμή του σιδήρου πριν την ακτινοβόληση, ενώ το εσωτερικό στρώμα μειωμένη. Η συμπεριφορά αυτή σχετίζεται με τα φαινόμενα ακτινοβόλησης Fe+ τα οποία είναι παρόντα στα δύο στρώματα. Στο εξωτερικό στρώμα κυριαρχεί η βλάβη λόγω της μετατόπισης των ανακρουόμενων ατόμων σιδήρου ενώ στο εσωτερικό στρώμα η εμφύτευση των Fe+. Η μαγνητική ροπή στα δύο στρώματα εμφανίζει μη μονότονη συμπεριφορά με τη δόση της ακτινοβόλησης, παρουσιάζοντας μέγιστο για το εξωτερικό στρώμα και ελάχιστο για το εσωτερικό στη δόση των 96.2 dpa. Η ενίσχυση/ μείωση της μαγνητικής ροπής εξετάζεται σε σχέση με τη μεταβολή του ατομικού όγκου παρουσία των φαινομένων μετατόπισηςατόμων Fe και/ή εμφύτευσης Fe+.