Επίδραση της ακτινοβολίας ιόντων σιδήρου στις δομικές και μαγνητικές ιδιότητες υμενίων σιδήρου
Authors: Παπαμιχαήλ Αικατερίνη 
Published: August 2021

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+.