مطالعه آسیب تابش یون‌های پرانرژی تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی بر مورفولوژی سطحی تنگستن

الموضوعات :

میرمحمد رضا سید حبشی ¹ , احسان اله نوری ² , علی رضا اصل زعیم ³

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

تاريخ الإرسال : 14 الخميس , ربيع الثاني, 1446 تاريخ التأكيد : 12 الأحد , رجب, 1446 تاريخ الإصدار : 23 الإثنين , ربيع الأول, 1447

الکلمات المفتاحية: تنگستن دستگاه پلاسمای کانونی یون‌های پرانرژی مورفولوژی سطحی ساختار بلوری تابش هم‌زمان,

ملخص المقالة :

در این پژوهش، اثرات تابش یون‌های پرانرژی هلیوم و آرگون تولید شده توسط دستگاه پلاسمای کانونی Mather، به‌صورت جداگانه و هم‌زمان، بر روی مورفولوژی سطحی و ساختار بلوری تنگستن مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، نمونه‌های تنگستن با ابعاد 10×10×1 میلی‌متر به مدت 20 تخلیه الکتریکی تحت تابش یون‌های هلیوم، آرگون و مخلوط هلیوم و آرگون با نسبت برابر قرار گرفتند. نتایج آنالیز SEM نشان داد که تابش یون‌های هلیوم موجب تشکیل تاول‌های سطحی به هم پیوسته در مقیاس نانو، با اندازه‌هایی در حدود 100 نانومتر و بزرگ‌تر و ایجاد تنش فشاری در ساختار تنگستن شد. از سوی دیگر، تابش یون‌های آرگون باعث ایجاد ترک‌های سطحی متراکم با عمق 700 نانومتر و تنش کششی در ساختار تنگستن گردید. در تابش هم‌زمان یون‌های هلیوم و آرگون، ترکیبی از ترک‌های عمیق و تاول‌های سطحی به وجود آمد که نشان‌دهنده اثرات هم‌افزایشی این دو نوع تابش بود. علاوه بر این، نتایج XRD نشان داد که تابش یون‌های هلیوم باعث جابجایی قله‌ها به سمت زوایای بزرگ‌تر و کاهش شدت آن‌ها می‌شود، در حالی که تابش یون‌های آرگون باعث جابجایی قله‌ها به سمت زوایای کوچک‌تر و کاهش فاصله صفحات بلوری تنگستن شد. این پژوهش با بررسی اثرات ترکیبی تابش‌های یون‌های مختلف، نوآوری جدیدی را در درک رفتار تنگستن در شرایط مشابه با راکتورهای همجوشی هسته‌ای فراهم می‌آورد. این نتایج می‌توانند بهبود پیش‌بینی فرسایش و عملکرد مواد مواجه شونده با پلاسما در این نوع راکتورها کمک کنند.

المصادر:

[1] B. Cipiti & G. Kulcinski, "Helium and deuterium implantation in tungsten at elevated temperatures", Journal of Nuclear Materials, vol. 347, no. 3, pp. 298-306, 2005.

[2] N. Dutta, N. Buzarbaruah & S. Mohanty, "Damage studies on tungsten due to helium ion irradiation", Journal of Nuclear Materials, vol. 452, no. 1-3, pp. 51-56, 2014.

[3] V. Pimenov, E. Dyomina, L. Ivanov, S. Maslyaev, V. Gribkov, R. Miklaszewski, M. Scholz, A. Dubrovsky, I. Volobuev & Y. E. Ugaste, "Damage of structural materials for fusion devices under pulsed ion and high temperature plasma beams", Journal of Nuclear Materials, vol. 307, pp. 95-99, 2002.

[4] H. Bolt, V. Barabash, W. Krauss, J. Linke, R. Neu, S. Suzuki, N. Yoshida & A. U. Team, "Materials for the plasma-facing components of fusion reactors", Journal of Nuclear Materials, vol. 329, pp. 66-73, 2004.

[5] H. Bolt, V. Barabash, G. Federici, J. Linke, A. Loarte, J. Roth & K. Sato, "Plasma facing and high heat flux materials–needs for ITER and beyond", Journal of Nuclear Materials, vol. 307, pp. 43-52, 2002.

[6] S. Takamura, T. Miyamoto, Y. Tomida, T. Minagawa & N. Ohno, "Investigation on the effect of temperature excursion on the helium defects of tungsten surface by using compact plasma device", Journal of Nuclear Materials, vol. 415, no. 1, pp.100-103, 2011.

[7] L. Pentecoste, P. Brault, A. L. Thomann, P. Desgardin, T. Lecas, T. Belhabib, M. F. Barthe & T. Sauvage, "Low Energy and low fluence helium implantations in tungsten: Molecular dynamics simulations and experiments", Journal of Nuclear Materials. vol. 470, pp. 44-54, 2016.

[8] X. C. Li, Y. N. Liu, Y. Yu, G. N. Luo, X. Shu & G. H. Lu, "Helium defects interactions and mechanism of helium bubble growth in tungsten: A molecular dynamics simulation", Journal of Nuclear Materials, vol. 451, no. 1-3, pp. 356-360, 2014.

[9] S. Saw, V. Damideh, J. Ali, R. Rawat, P. Lee & S. Lee, "Damage Study of Irradiated Tungsten using fast focus mode of a 2.2 kJ plasma focus", Vacuum, vol. 144, pp.14-20, 2017.

[10] S. Javadi, M. Ghoranneviss, R. Rawat & 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, vol. 313, pp. 73-81, 2017.

[11] M. Bhuyan, S. R. Mohanty, C. V. S. Rao, P. A. Rayjada & P. M. Raole, "Plasma focus assisted damage studies on tungsten", Applied Surface Science, vol. 264, pp. 674-680, 2013.

[12] M. M. Seyedhabashi, B. Shirani Bidabadi, M. Amirhamzeh Tafreshi, F. Seddighi & A. Nasiri, "Damage studies on irradiated tungsten by helium and argon ions in a plasma focus device", Journal of Radiation Safety and Measurement , vol. 9, no. 5, pp.1-12, 2020.
[13] Y. N. Liu, T. Wu, Y. Yu, X. C. Li, X. Shu & G. H. Lu, "Hydrogen diffusion in tungsten: A molecular dynamics study", Journal of Nuclear Materials, vol. 455, no. 1-3, pp. 676-680, 2014.

[14] L. Sun, S. Jin, X. C. Li, Y. Zhang & G. H. Lu, "Hydrogen behaviors in molybdenum and tungsten and a generic vacancy trapping mechanism for H bubble formation", Journal of Nuclear Materials, vol. 434, no. 1-3, pp. 395-401, 2013.

[15] Wang, Wenmin, J Roth, S Lindig, and CH Wu. "Blister Formation of Tungsten Due to Ion Bombardment." Journal of nuclear materials 299, no. 2 (2001): 124-31.


[16] S. Al-Hawat, M. Soukieh, M. Abou Kharoub & W. Al-Sadat, "Using Mather-type plasma focus device for surface modification of AISI304 Steel", Vacuum, vol. 84, no. 7, pp. 907-912, 2010.

[17] M. Seyedhabashi, M. Ebrahimi, D. Rostamifard, S. Goudarzi, E. Noori & A. Nasiri, "Experimental investigation and simulation of penetration depth of nitrogen ions emitted by plasma focus device inside titanium samples", Results in Physics, vol. 52, pp.106897, 2023.

[18] M. Seyedhabashi, S. Shafiei, M. Tafreshi & B. S. Bidabadi, "Study of surface damage and hydrogen distribution in irradiated tungsten by protons in plasma focus device", Vacuum, vol. 175, pp.109249, 2020.









[19] M. M. Seyedhabashi, B. Shirani Bidabadi, M. Amirhamzeh Tafreshi, F. Seddighi & A. Nasiri, "Damage studies on irradiated tungsten by helium and argon ions in a plasma focus device", Iranian Journal of Radiation Safety and Measurement, vol. 9, no. 5, pp.1-12, 2020

[20] M. M. R. Seyedhabashi, M. A. Asgarian, C. Rasouli & F. Sedighi, "Radiation Damage of Graphite Surface, Used in First-Wall and Divertor of Tokamaks, Irradiated by Hydrogen and Argon in Plasma Focus Device", IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 50, no. 6, pp.1814-1822, 2022.

[21] M. Tafreshi, M. Habashi, B. Bidabadi, A. Abdisaray, S. Shafiei & A. Nasiri, "Investigating the effects of high-energy pulsed protons on the surface and structural properties of copper and tungsten by MTPF-2 plasma focus device", Journal of Nuclear Science and Technology (JONSAT), vol. 41, no. 2, pp.100-109, 2020.