Radiation Damage of High-Energy Ions Produced By Plasma Focus Device on Surface Morphology of Tungsten

Subject Areas :

mir mohammad reza seyedhabashi ¹ , Ehsanallah Noori ² , alireza aslezaeem ³

1 - Plasma Physics and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Atomic Energy Organization of Iran (AEOI), Tehran, Iran.
2 - Plasma Physics and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Atomic Energy Organization of Iran (AEOI), Tehran, Iran.
3 - Plasma Physics and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Atomic Energy Organization of Iran (AEOI), Tehran, Iran

Received: 2024-10-17 Accepted : 2025-01-12 Published : 2025-09-15

Keywords: Tungsten Plasma Focus Device High-Energy Ions Surface Morphology Crystalline Structure Simultaneous Irradiation,

Abstract :

This study investigates the effects of high-energy helium and argon ion irradiation produced by a Mather-type plasma focus device, both separately and simultaneously, on the surface morphology and crystalline structure of tungsten. Tungsten samples with dimensions 10×10×1 mm were irradiated with 20 shots of helium, argon, and a helium-argon mixture with equal ratios. SEM analysis revealed that helium ion irradiation resulted in the formation of interconnected surface blisters in the nanometer scale, with sizes ranging from 100 nm and larger, inducing compressive stress in the tungsten structure. On the other hand, argon ion irradiation caused the formation of dense surface cracks with a depth of 700 nm and tensile stress in the tungsten structure. Simultaneous irradiation of helium and argon ions led to a combination of deep cracks and surface blisters, indicating the synergistic effects of these two irradiations. Furthermore, XRD results showed that helium ion irradiation caused a shift of peaks to larger angles and a decrease in peak intensity, while argon ion irradiation led to a shift of peaks to smaller angles and a decrease in interplanar spacing in the tungsten crystal structure. This study offers new insights into the synergistic effects of simultaneous ion irradiations, providing an innovative approach to understanding tungsten behavior under fusion-relevant conditions. These findings can aid in improving predictions of erosion and the performance of plasma-facing materials in fusion reactors.

References:

[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.

Full-Text:



فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نوزدهم –  شماره دوم –  تابستان 1404 (شماره پیاپی 73)، ص­ص. 50-59
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

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

 

میرمحمد رضا سید حبشی*، احسان اله نوری، علیرضا اصل زعیم1

مقاله پژوهشی

1- پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته­ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته­ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران، ایران.

*  [e-mail]

 

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 26/07/1403 پذیرش: 22/10/1403		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.
کلید واژگان: تنگستن دستگاه پلاسمای کانونی یون‌های پرانرژی مورفولوژی سطحی ساختار بلوری تابش هم‌زمان.

 

Radiation Damage of High-Energy Ions Produced By Plasma Focus Device on Surface Morphology of Tungsten

 

 

Mir Mohammadreza Seyed Habashi*, Ehsan Noori, Alireza Aslezaeem1

1- Plasma Physics and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Atomic Energy Organization of Iran (AEOI), Tehran, Iran.

* [e-mail]

 

Abstract		Article Information
This study investigates the effects of high-energy helium and argon ion irradiation produced by a Mather-type plasma focus device, both separately and simultaneously, on the surface morphology and crystalline structure of tungsten. Tungsten samples with dimensions 10×10×1 mm were irradiated with 20 shots of helium, argon, and a helium-argon mixture with equal ratios. SEM analysis revealed that helium ion irradiation resulted in the formation of interconnected surface blisters in the nanometer scale, with sizes ranging from 100 nm and larger, inducing compressive stress in the tungsten structure. On the other hand, argon ion irradiation caused the formation of dense surface cracks with a depth of 700 nm and tensile stress in the tungsten structure. Simultaneous irradiation of helium and argon ions led to a combination of deep cracks and surface blisters, indicating the synergistic effects of these two irradiations. Furthermore, XRD results showed that helium ion irradiation caused a shift of peaks to larger angles and a decrease in peak intensity, while argon ion irradiation led to a shift of peaks to smaller angles and a decrease in interplanar spacing in the tungsten crystal structure. This study offers new insights into the synergistic effects of simultaneous ion irradiations, providing an innovative approach to understanding tungsten behavior under fusion-relevant conditions. These findings can aid in improving predictions of erosion and the performance of plasma-facing materials in fusion reactors.		Original Research Paper Doi: 10.71753/ma.2025.1187354
		Keywords: Tungsten Plasma Focus Device High-Energy Ions Surface Morphology Crystalline Structure  Simultaneous Irradiation.

 

 

 

1- مقدمه

با توجه به‌شدت بالای تابش ذرات پرانرژی و تشعشعات نوترونی حاصل از واکنش همجوشی هسته­ای، تحلیل تخریب ناشی از تابش­های اتمی و هسته­ای در مواد مواجه شونده با پلاسما (PFM)1 در راکتورهای همجوشی هسته­ای از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. به‌طورکلی، با توجه به اینکه مواد مواجه شونده با پلاسما مسئول جذب انرژی آزاد شده در طی واکنش­های گداخت و همچنین حذف گرمای اضافی از راکتورهای گداخت هستند، باید قادر به تحمل شرایط شدت بالای تشعشع و تابش با کمترین تخریب باشند تا از عملکرد ایمن و کارآمد راکتور همجوشی اطمینان حاصل شود [1]. به‌طورکلی، تنگستن و ترکیبات آن مانند اکسید تنگستن دارای کاربردهای بسیار متنوعی از جمله استفاده به‌عنوان الکتروکاتالیست، فوتوکاتالیست، تولید سنسورهای گازی و همچنین استفاده در صنایع فولاد دارند [2-3]. علاوه بر کاربردهای ذکر شده، تنگستن دارای ویژگی­های منحصربه‌فردی است که برای استفاده جهت برهمکنش با پلاسما در راکتورهای گداخت هسته­ای بسیار مناسب می­باشد از جمله این ویژگی­ها داشتن نقطه ذوب بالا در حدود ۳۴۲۲ درجه سانتی‌گراد و همچنین پایداری و استحکام حرارتی قابل‌قبول در دماهای بالا می­باشند که برای حفظ ساختار راکتور همجوشی ضروری است [1-3]. علاوه بر آن، تنگستن بازده کندوپاش پایینی دارد، به این معنی که اتم‌ها به‌راحتی از سطح آن در هنگام بمباران شدن توسط ذرات با انرژی بالا در محیط پلاسمای همجوشی کنده نمی‌شوند. این خاصیت برای کاهش آلودگی پلاسما یا همان گاز یونیزه با دمای بالا که سوخت واکنش‌های همجوشی است بسیار ضروری است [4-5]. به‌طورکلی، موادی مانند تنگستن که پوشش داخلی راکتور همجوشی هسته­ای را تشکیل می‌دهند در معرض بمباران شدید یون‌ها قرار دارند [6-7]. این اندرکنش می‌تواند منجر به فرسایش مواد از طریق فرآیندهایی مانند کندوپاش فیزیکی و تاول زدن شود. درک اینکه چگونه یون‌های مختلف با تنگستن اندرکنش دارند، به پیش‌بینی نرخ‌های فرسایش و در نتیجه طول عمر این اجزا کمک می‌کند. زمانی که یون‌های پر انرژی با سطح تنگستن برخورد می‌کنند، ممکن است اتم‌های تنگستن را از سطح تنگستن به بیرون از ساختار شبکه پرتاب کنند و در نهایت وارد این اتم‌ها کنده شده از سطح وارد پلاسما می‌شوند. حضور اتم‌های فلزات سنگین در پلاسما می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی آن را خنک کند، فرآیند اتلاف انرژی از طریق تابش به این صورت است که الکترون‌ها و یون‌های موجود در محیط پلاسما در نزدیکی این اتم‌ها سنگین از خود تابش ترمزی گسیل می‌کنند که با افزایش ناخالصی در پلاسما به میزان تابش ترمزی افزوده شده و باعث فرار انرژی از طریق تابش الکترومغناطیس از داخل پلاسما می‌شود [8]. دستگاه پلاسمای کانونی2 یک دستگاه پالسی است که می­تواند در جهت انجام تحقیقات آزمایشگاهی گداخت هسته­ای، برای یونیزه کردن یک گاز کم‌فشار، پلاسمای با چگالی و انرژی بالا تولید کند. پلاسمای تولید شده توسط دستگاه پلاسمای کانونی می­تواند برای تابش مواد مختلف، از جمله PFM ها، به‌منظور ایجاد شبیه­سازی شرایط تجربی یک راکتور گداخت هسته­ای، مورد استفاده قرار گیرد؛ بنابراین، با استفاده از دستگاه‌ پلاسمای کانونی محققان می‌توانند اثرات تشعشعات پلاسما بر PFMها مانند فرسایش، اصلاح سطح و آسیب تشعشع را مانند آنچه که در راکتورهای همجوشی به روش محصورسازی مغناطیسی اتفاق می­افتند، بررسی کنند [8].

در سال­های اخیر، تحقیقات گسترده‌ای به‌صورت تجربی و شبیه­سازی در رابطه با مطالعه آسیب تابش­های اتمی در تنگستن با استفاده از دستگاه پلاسمای کانونی انجام شده است. در پژوهشی آسیب وارد شده به تنگستن ناشی از تابش یون‌های دوتریوم تولید شده در دستگاه پلاسما کانونی با انرژی با 2/2 کیلوژول بررسی شد [9]. در تحقیقی دیگر جوادی و همکارانش نمونه‌های تنگستن را با یون­های دوتریوم مورد تابش قرار دادند و نشان دادند که تغییرات ساختاری و فازی در ساختار تنگستن ایجاد می­شود. آن­ها همچنین تشکیل نقص­های ناشی از تابش را نیز مشاهده کردند [10]. در پژوهشی دیگر، نمونه‌های تنگستن با یون‌های هیدروژن تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی مورد تابش قرار داده شده‌اند. نتایج نشان داد که تابش پروتون‌ها منجر به توسعه استرس‌های فشاری در نمونه‌ها و تشکیل فازهای جدید در نمونه‌های تابش‌دهی شده است [11]. یکی از چالش‌های اساسی در بررسی مواد مواجه‌ با پلاسما، مطالعه تأثیر تابش یون‌های پرانرژی بر مورفولوژی و ساختار بلوری این مواد است. تاکنون، پژوهش‌های متعددی به بررسی اثرات تابش یون‌های هلیوم و آرگون به‌صورت جداگانه بر روی تنگستن پرداخته‌اند [12]، در این پژوهش، علاوه بر بررسی تأثیر تابش جداگانه این یون‌ها، برای نخستین بار اثر تابش هم‌زمان یون‌های هلیوم و آرگون بر سطح تنگستن مورد مطالعه قرار گرفته است. این نوآوری، درک عمیق‌تری از اثرات هم‌افزایشی دو یون مختلف بر ساختار و تنش‌های ایجاد شده در تنگستن فراهم می‌آورد. دستگاه پلاسمای کانونی به‌عنوان تنها دستگاه آزمایشگاهی قادر به شتاب‌دهی هم‌زمان یون‌های مختلف، فرصت منحصربه‌فردی برای مطالعه اثرات ترکیبی تابش یون‌ها فراهم می‌کند. این ویژگی باعث شده تا بتوان شرایط مشابه با راکتورهای همجوشی هسته‌ای را شبیه‌سازی کرد و به بررسی جامع‌تر مواد مواجه با پلاسما پرداخت. نوآوری این پژوهش در بهره‌گیری از این توانایی منحصربه‌فرد برای مطالعه اثرات تابش هم‌زمان دو نوع یون مختلف در شرایط آزمایشگاهی است که پیش‌تر کمتر به آن پرداخته شده است.

 

2- مواد و روش­ها تحقيق

2-1- چیدمان آزمایشگاهی

دستگاه پلاسمای کانونی MTPF از نوع مدر3 (حداکثر انرژی kJ7/1) با خازنی به ظرفیت µF5/13، حداکثر ولتاژ کاری kV16، اندوکتانس nH152 و حداکثر جریان تخلیه kA 150 به‌عنوان منبع تولید یون­های پرانرژی برای پرتودهی نمونه­ها مورد استفاده قرار گرفته است [21-22]. سایر مشخصات این دستگاه در جدول (1) آورده شده است.

 

جدول (1): مشخصات دستگاه پلاسمای کانونی MTPF

پارامتر	مقدار
ظرفیت خازنی	µF 5/13
ولتاژ کاری عملیاتی	kV 12-16
محدوده انرژی دستگاه	kJ 7/1-1
جریان تخلیه	kA 110-150
اندوکتانس مداری	nH 152
طول آند	cm 5/14
شعاع آند	cm 45/1
شعاع کاتد	cm 95/3
دوره زمانی تخلیه	µs 9

 

تعداد 12 عدد کاتد به‌صورت متقارن در اطراف آند قرارگرفته­اند. در نوک آند یک حفره به شعاع mm 10 و عمق mm 10 به‌منظور کاهش مقدار بخار مس ایجاد ‌شده است. ابتدا برای دستیابی به محدوده‌ی مناسب فشار گاز، در فشارهای مختلف گاز هلیوم، آرگون و هم‌زمان هلیوم و آرگون و در ولتاژهای kV 10-13 آزمایش­های مختلفی انجام شد و نتایج نشان داد که ولتاژ شارژ خازن و فشار مناسب گاز هلیوم برای دستیابی به شرایط بهینه و پینچ­های متوالی با عمق پینچ خوب به ترتیب mbar 7/0 در ولتاژ kV12 می­باشد و در مورد گاز آرگون فشار مناسب mbar4/0 و ولتاژ kV 12 و برای مخلوط هلیوم وآرگون فشار 6/0 و ولتاژ kV 12 تعیین شد. از پیچه‌ی روگوفسکی برای ثبت سیگنال مشتق جریان استفاده شد. نمونه­ای از سیگنال­های جریان و مشتق جریان دستگاه پلاسمای کانونی MTPF-2 در شکل (1) نشان داده شده‌اند.

شکل (1): الف) نمای دستگاه پلاسمای کانونی و ب) مشتق جریان و جریان تخلیه در دستگاه پلاسمای کانونی [12].

 

2-2- آماده­سازی نمونه­های آزمایش

نمونه تنگستن به ابعاد mm 1×10×10 تهیه شد و سطح نمونه­ها قبل از تابش‌دهی با استفاده از سمباده صیقل داده شد. در شکل (2) تصویر SEM نمونه­های تنگستن قبل از تابش­دهی نشان داده شده است.

 

 

 

همان‌گونه که از میکروگراف شکل (2) مشخص است، نمونه تنگستن پیش از تابش­دهی دارای سطحی صاف می­باشد. نمونه­های تنگستن در فاصله 6 سانتیمتری از سر آند و در 20 تخلیه تحت تابش یون­های هلیوم، آرگون و هم‌زمان هلیوم وآرگون به‌صورت جداگانه قرار گرفتند. نمونه­های تنگستن در فاصله 6 سانتیمتری از سر آند برای انجام 20 تخلیه دستگاه پلاسمای کانونی تحت تابش یون­های هلیوم، آرگون و هم‌زمان هلیوم وآرگون به‌صورت جداگانه قرار گرفتند.

 

 

شکل (2): تصویر SEM نمونه تنگستن قبل از تابش­دهی

 

3- نتايج و بحث

پس از تابش‌دهی تنگستن با 20 شات از هر یک از یون‌های هلیوم، آرگون و ترکیب مساوی آن‌ها، تصاویرSEM به‌صورت عمود از سطح نمونه‌ها گرفته شد که نتایج آن در شکل (3) ارائه شده است.

 

 

 

 

شکل (۳): سطح نمونه‌های تاب شده‌ی شده با ۲۰ شات دستگاه پلاسمای کانونی: a) هلیوم، b) آرگون و c) مخلوط هلیوم و آرگون با نسبت برابر.

 

 

در میکروگراف شکل 3-a در سطح تنگستن تاول4 متراکم دیده می‌شود که در اثر تجمع یون‌های هلیوم و تشکیل خوشه‌های هلیوم وجود آمده است. این تاول‌های در سطح تنگستن به هم پیوسته‌اند و اندازه آن­ها به چند صد نانومتر می‌رسد. تاول‌های به وجود آمده با پیوستن به یکدیگر تشکیل رشته تاول یا تاول­های بزرگ‌تری در ابعاد 1 میکرومتر تشکیل داده­اند. به‌طورکلی، علت به وجود آمدن تاول در سطح تنگستن ناشی از تجمع اتم‌های هلیوم در نقص‌های شبکه‌ای5 مانند نقص بین نشینی6، جابه‌جایی شبکه7، جاهای خالی از شبکه9 است. در اثر برخورد یون‌های پر انرژی با سطح تنگستن، دمای سطح تنگستن تا چند هزار درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا می‌کند، دمای نمونه تحت تابش، نقش اساسی در تغییر نقص‌های شبکه، از جمله چگالی دمایی، بین نشین/ تهی‌جای جا، به هم پیوستن جاهای خالی9 و جابه‌جایی نقص‌های بینابینی در شبکه بلوری ماده و همچنین پخش و نفوذ اتم‌های هلیوم در ساختار ماده دارد که این نقص در اثر تابش یون‌های پر انرژی و همچنین تحمیل بار گرمایی بر تنگستن در ساختار کریستالی آن به وجود آمده است [13-14]. هر چقدر تعداد و اندازه نقص‌های شبکه‌ای در ماده بیشتر شود، به دنبال آن اتم‌های هلیوم بیشتری می‌تواند در این نقص‌های شبکه به دام افتد و در نتیجه باعث افزایش اندازه و تراکم تاول‌ها می‌شود. با به هم پیوستن این تاول‌ها و یا در مرحله اول به هم پیوستن نقص‌های شبکه‌ای در ماده اندازه تاول‌ها بزرگ‌تر شده است. فلونس یونی در دستگاه پلاسمای کانونی ion/m21020 ×4/2 گزارش شده است. نتایج نشان می‌دهد بیشترین عامل مؤثر در ایجاد تاول‌ها، اندازه و تعداد آنها مربوط به فلوئنس اتم‌های هلیوم است، نتایج تحقیقات وانگ و همکاران10 نشان داد که در تابش‌دهی تنگستن با یون‌های دوتریم با شار ion/m2  1023با انرژی 100 الکترون‌ولت نیز تاول مشاهده شده است و یکدیگر از نتایج مهم دیگر تحقیقات آنها این بود که با افزایش فلوئنس یونی از ion/m2 1019 به 1021 با انرژی 1 کیلو الکترون‌ولت، اندازه تاول‌ها افزایش پیدا کرده و تعداد آن در سطح تنگستن کاهش یافته است. همان‌گونه که از شکل 3-b مشخص است، در اثر تابش یون­های آرگون، ترک­هایی در سطح تنگستن به وجود می­آید. دلیل اصلی به وجود آمدن این ترک­ها، گسترش تنش گرمایی در سطح تنگستن به دلیل تابش با جریان پلاسمایی آرگون می‌باشد [15].

شکل (4) تصاویر SEM را نشان می­دهد که با زاویه  از سطح تنگستن تابش‌دهی شده با هلیوم، آرگون و مخلوط هلیوم و آرگون گرفته شده­اند. این تصاویر، به دلیل نمایش سه بعدی (در مقایسه با نمایش دوبعدی تصاویر عمودی در شکل 3) اطلاعـات بیشتری از مـورفـولـوژی سطح نمونه­هـا نشان می­دهند.

 

 

 

 

شکل (4): تصاویر SEM با زاویه  از سطح نمونه تنگستن تابش­دهی شده با ۲۰ شات دستگاه پلاسمای کانونی: a) هلیوم، b) آرگون و c) مخلوط هلیوم و آرگون با نسبت برابر.

 

 

در نمونه‌های تنگستن تابش‌دهی ‌شده با یون‌های آرگون، عمق ترک‌ها به‌طور میانگین در حدود 700 نانومتر اندازه‌گیری شده است، در حالی که ارتفاع تاول‌ها از مقیاس نانومتری بسیار ریز تا حدود 100 نانومتر متغیر است. همان‌طور که در تصاویر SEM مشاهده می‌شود، ترک‌ها به‌صورت گسترده در سطح تنگستن گسترش یافته‌اند و تاول‌ها نیز تقریباً تمامی سطح نمونه را پوشش داده‌اند.

تابش هم‌زمان یون‌های هلیوم و آرگون: در نمونه‌هایی که به‌طور هم‌زمان تحت تابش یون‌های هلیوم و آرگون قرار گرفته‌اند، خطوط ترک مانند متورم در سطح تنگستن مشاهده شده است. این خطوط ناشی از تأثیرات ترکیبی هر دو نوع یون هستند: ترک‌ها عمدتاً به دلیل تابش یون‌های آرگون ایجاد شده‌اند، در حالی که تورم‌های موجود در این خطوط ناشی از تجمع یون‌های هلیوم در نواحی تهی‌جاهای ایجادشده توسط آرگون است.

نقش یون‌های آرگون در ایجاد عیوب شبکه‌ای: یون‌های آرگون، به دلیل سنگینی تقریباً ده برابری نسبت به یون‌های هلیوم، در فرآیند برخورد با اتم‌های شبکه تنگستن تکانه و انرژی بیشتری منتقل می‌کنند. این انتقال انرژی باعث تشکیل تهی‌جاهای عمیق‌تر در ساختار تنگستن می‌شود. در نتیجه، هنگام تابش هم‌زمان هلیوم و آرگون، یون‌های هلیوم قادر به نفوذ به عمق بیشتری از سطح شده و تجمع بیشتری در عمق ساختار دارند. در مقابل، تابش تنگستن با یون‌های هلیوم خالص، سبب به دام افتادن یون‌های هلیوم در تهی‌جاهای سطحی و تشکیل تاول‌های سطحی می‌شود؛ بنابراین، اثرات سطحی در این شرایط برجسته‌تر است.

اثر تابش یون‌های آرگون خالص: تابش خالص یون‌های آرگون به دلیل انتقال انرژی زیاد و تحمیل بار گرمایی شدید به سطح تنگستن، باعث ایجاد ترک‌های عمیق و گسترده می‌شود. این ترک‌ها به دلیل اختلاف دمای بالا و تنش‌های حرارتی در ساختار بلوری تنگستن به وجود می‌آیند. این یافته‌ها نشان‌دهنده نقش کلیدی نوع و ترکیب یون‌ها در ایجاد عیوب سطحی و ساختاری تنگستن هستند و اطلاعات ارزشمندی برای طراحی مواد مقاوم در برابر تابش در شرایط پلاسما فراهم می‌کنند. برای بررسی تأثیر تابش یون‌های پرانرژی هلیوم، آرگون و تابش هم‌زمان آن‌ها بر ساختار بلوری تنگستن، از آنالیز پراش پرتوایکس (XRD) استفاده شد. طیف‌های XRD مربوط به نمونه‌های مرجع و تابش‌دهی ‌شده در شکل 5 ارائه شده‌اند. دو قله اصلی که مربوط به صفحات (002) و (112) هستند، در طیف نمونه مرجع تنگستن مشاهده می‌شوند.

الف: تغییر مکان قله‌ها

تابش یون‌ها باعث جابجایی قابل‌توجه قله‌ها در طیف XRD شده است که نشان‌دهنده تغییرات ساختاری در شبکه بلوری تنگستن است:

تابش هلیوم: قله‌ها به سمت زوایای بزرگ‌تر با جابجایی حدود 0.3∘ منتقل شده‌اند. این جابجایی ناشی از نفوذ عمیق یون‌های هلیوم در ساختار تنگستن و ایجاد تنش فشاری در لایه‌های بلوری است.

تابش آرگون: قله‌ها به سمت زوایای کوچک‌تر با جابجایی 0.04∘ جابجا شده‌اند. این جابجایی ناشی از تأثیر سطحی تابش یون‌های آرگون و ایجاد تنش کششی در سطح تنگستن است.

تابش هم‌زمان هلیوم و آرگون: جابجایی قله‌ها به میزان 0.23∘ به سمت زوایای بزرگ‌تر نشان‌دهنده ترکیب تنش‌های فشاری و کششی است که به دلیل اثرات هم‌افزایشی دو یون رخ داده است.

ب: تغییر در شدت و پهنای قله‌ها11

تابش یون‌های مختلف باعث کاهش شدت قله‌ها و افزایش پهنای آن‌ها شده است:

تابش هلیوم: کاهش قابل‌توجه در شدت قله‌ها نسبت به تابش آرگون مشاهده شده است که به دلیل نفوذ عمیق‌تر هلیوم و ایجاد نقص‌های بیشتر در عمق ماده است.

تابش آرگون: کاهش شدت قله‌ها کمتر از هلیوم است و این نشان می‌دهد که تأثیر تابش آرگون عمدتاً سطحی بوده و برد کوتاه‌تر آن به ایجاد تغییرات سطحی منجر شده است.

تابش هم‌زمان هلیوم و آرگون: شدت قله‌ها به میزان متوسط کاهش یافته و پهنای قله‌ها افزایش‌یافته است که نشان‌دهنده تأثیر توأمان تنش‌های سطحی و عمقی است.

نتایج XRD نشان می‌دهند که نفوذ یون‌های هلیوم به عمق بیشتر و تأثیر تابش آرگون به سطح محدود است. این تفاوت در نفوذ و تخریب ناشی از اختلاف در برد انرژی و جرم یون‌ها است؛ به‌ویژه اینکه یون‌های آرگون حدود 10 برابر سنگین‌تر از یون‌های هلیوم هستند و انرژی بیشتری در برخورد با سطح منتقل می‌کنند، اما برد کمتری دارند.

این تغییرات ساختاری، ناشی از نفوذ یون‌ها و ایجاد نقص‌هایی همچون تهی‌جاها و تنش‌های بلوری، بر مقاومت مکانیکی و عملکرد تنگستن در محیط‌های پلاسما اثر مستقیم دارد و نشان‌دهنده اهمیت بررسی تابش‌های هم‌زمان یون‌های مختلف در دمای پلاسمای راکتورهای همجوشی هسته‌ای است.

 

 

شکل (4): طیف پراش اشعه ایکس نمونه خام و تابش‌دهی شده تنگستن.

 

جدول (2): نتایج آنالیز XRD نمونه­های تنگستن.

 

تابش یون‌های آرگون باعث به وجود آمدن تنش کششی12 شده است (شیفت به زوایای کوچک­تر و در نتیجه افزایش فاصله صفحاتی) ولی تابش هلیوم باعث ایجاد تنش فشاری13 شده است (انتقال به زوایای بزرگ‌تر و در نتیجه کاهش فاصله صفحات). مقدار این تنش از رابطه زیر به دست می­آید [15].

 

شماره صفحه	فاصله صفحات ()
	مرجع
(0 0 2)	583/1	584/1	577/1	580/1
(1 1 2)	292/1	282/1	287/1	284/1
شماره صفحه	(درجه)
	مرجع
(0 0 2)	25/58	21/58	51/58	48/58
(1 1 2)	17/73	81/73	51/73	71/73

 

که در آن  ثابت الاستیک ماده است که برای تنگستن برابر است با . نسبت  تغییرات فاصله صفحات به مقدار اولیه آن است که به ‌صورت زیر تعریف می­شود:

 

(1)

 

مقدار  برای نمونه خام تنگستن برای صفحه (200) برابر با 583/1 آنگسترم می‌باشد. مقادیر مربوط تنش فشاری و تنش کششی ناشی از تابش یون‌های هلیوم، آرگون و مخلوط هلیوم و آرگون در جدول (3) آورده شده است.

 

جدول (3): نتایج تابش یون بر تنش­های کششی و فشاری تنگستن.

(2)

 

جابجایی مکان قله­ها نسبت به مکان آنها در طیف نمونه مرجع به دلیل تنش و کرنش14 ایجاد شده در نمونه­ها به دلیل انتقال گرمایی بسیار زیاد به نمونه­ها در زمان تابش یون­های پر انرژی بوده است. تنش و کرنش ایجاد شده ناشی از عوامل متعددی از جمله جابه­جایی اتم­ها از شبکه15، ترک­های انباشته شده16، میکرو تنش­ها17، تنش­های داخلی دوربرد18، مرز دانه19، تنش داخلی20 و نواقص نقطه­ای21 می‌باشد [16-21].

 

4- نتیجه­گیری

اثر تابش یون‌های آرگون و هلیوم به‌صورت خالص و مخلوط هلیوم و آرگون با نسبت برابر، بر روی تنگستن مورد بررسی قرار گرفت. هدف از انجام این پژوهش مشاهده و مقایسه اثر تجمعی تابش هم‌زمان دو یون آرگون و هلیوم نسبت به پرتودهی تنگستن با هر کدام از یون‌ها به‌صورت مجزا می‌باشد. نتایج آنالیز SEM نمونه­ها نشان داد که تابش یون­های هلیوم باعث به وجود آمدن رشته تاول‌های به هم پیوسته در کل سطح تنگستن می­شود. تاول‌های متراکم در سطح تنگستن با به هم پیوستن تاول‌های بزرگ‌تر را به وجود آوردند. سطح نمونه تابش‌دهی شده به‌صورت هم‌زمان آرگون و هلیوم خطوط ترک مانند و متورم، دیده می‌شود خطوط ترک مانند، ناشی از تابش یون‌های آرگون است و تورم ایجاد شده در این خطوط ناشی از تجمع یون‌های هلیوم در این نواحی می‌باشد. آنالیز پراش پرتوایکس نمونه­ها نیز نشان داد که تابش یون­های پر انرژی می­تواند باعث به وجود آمدن تغییرات در ساختار تنگستن شود. همچنین مشخص شد که تابش یون­های آرگون و هلیوم به ترتیب تنش­های کششی و فشاری را در تنگستن به وجود می‌آورند.

 

تشکر و قدردانی

نویسندگان مقاله از حمایت­های پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته­ای پژوهشگاه علوم و فنون هسته­ای به دلیل فراهم آوردن امکانات لازم جهت انجام آزمایش­های پژوهش حاضر، کمال تشکر و قدردانی را دارند.

 

5- منابع

[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.

 

6- پی‌نوشت

[1] Plasma-Facing Materials (PFM)

[2] Plasma Focus Device

[3] Mather-Type Plasma Focus

[4] Compact Blisters

[5] Crystalline Defects

[6] Interstitials

[7] Lattice Dislocations

[8] Vacancies

[9] Vacancies Coalescence

[10] Wang et al

[11] FWHM

[12] Tensile Stress

[13] Compressive Stress

[14] Stress/Stain

[15] Dislocations

[16] Stacking Faults

[17] Micro-Stresses

[18] Long-Range Internal Stresses

[19] Grain Boundaries

[20] Internal Stresses

[21] Point Defects

 

نمونه		تنش
آرگون (20 شات)	001/0	108×45/3 کششی
هلیوم (20 شات)	006/0-	109×07/2 فشاری
مخلوط آرگون و هلیوم (20 شات)	003/0-	109×03/1 فشاری

 

 

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Mir Mohammadreza Seyed Habashi, Ehsan Noori, Alireza Aslezaeem, Radiation Damage of High-Energy Ions Produced By Plasma Focus Device on Surface Morphology of Tungsten, New Process in Material Engineering, 2025, 19(2), 50-59.

 

 

 

---