محاسبه تغییرات میکروسختی در تابش پروتون MeV 5/2 بر ساختار گرافیت درجه TSX

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دکتری، پژوهشکده‌ی راکتور و ایمنی هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران، ایران.

چکیده

تغییر در موقعیت اتم­ها در شبکه بلوری ماده در اثر تابش ایجاد می­شود. تغییر ساختار سبب تغییر در مشخصات ماکروسکوپی ماده خواهد شد.دانستن مقدار تغییرات انواع خصوصیات ماده در محیط­های با تابش بالا ضروری است. در این مقاله به مطالعه تاثیر تابش پروتون با انرژی MeV 5/2 بر ساختار گرافیت با درجه TSX پرداخته شده است. این نوع گرافیت در راکتور تحقیقاتی تهران به عنوان بازتابنده استفاده می­شود. تابش­دهی برای مدت زمان 276 دقیقه با پروتون انجام شده است. در بررسی انجام گرفته از تست میکرو سختی، تست رامان و تصاویر SEM استفاده شده است. نتایج، افزایش میکروسختی ماده در اثر تابش را نشان می­دهد. همچنین افزایش حلقه­های تهی­جا و بین­نشین­ها در بررسی طیف رامان بدست آمده است. ایجاد حفره­های در سطح گرافیت تابش دیده، در تصاویر SEM مشاهده شده است. نتایج بدست آمده با استفاده از مدل عیوب نقطه­ای قابل بررسی می­باشد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Calculation of Microhardness Changes in 2.5 MeV Proton Irradiation on TSX Grade Graphite Structure

نویسندگان [English]

  • Mohamad Amin Amirkhani Dehkordi
  • Mohsen Asadi Asadabad
  • Mostafa Hasanzadeh
  • Sayed Mohamad Mirvakili
PhD., Reactor and Nuclear Safety Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Change in the position of atoms in the material’s crystalline lattice is caused by the radiation. Changes in the macroscopic properties of the material will be created by the change in structure. Knowing the amount of variation of material properties is necessary for materials in high-radiation environments. In this paper, the effect of 2.5 MeV proton irradiation on TSX grade graphite structure is investigated. This graphite is used as a reflector in the Tehran research reactor. The radiation has been carried out with the proton for 276 minutes. Microhardness test, Raman test, and SEM images were used in this study. The results show an increase in the microhardness of the material due to the radiation. Increased vacancy and interstitial clusters have also been observed in the Raman spectrum. The creation of cavities on the surface of irradiated graphite is observed in SEM images. The results can be verified by using the point defect model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Radiation damage
  • TSX graphite
  • Microhardness
  • Proton irradiation
  • Raman spectrum
 
 
[1]        Nordlund K, Sand A, Granberg F, Zinkle S, Stoller R, Averback R, et al. Primary Radiation Damage in Materials: Review of Current Understanding and Proposed New Standard Displacement Damage Model to Incorporate In-cascade Mixing and Defect Production Efficiency Effects. OECD Nuclear Energy Agency; 2015.
[2]        Olander DR. Fundamental aspects of nuclear reactor fuel elements. California Univ., Berkeley (USA). Dept. of Nuclear Engineering, 1976.
[3]        Handbook DF. Material Science. Volume. 1993;2:72.
[4]        Was Gary S. Fundamentals of Radiation Materials Science. Berlin Heidelberg: Springer; 2007.
[5]        Holbert KE. Radiation Effects Damage. Dr Holbert’s Course “EEE 598—Radiation Effects. 2012.
[6]        Johnston A, Swift G, Scheick L, Conley Jr J. Space radiation effects on microelectronics. Jet Propulsion Laboratory, Electronic Parts Engineering Office, Section. 2002;514.
[7]        Mukhopadhyay P, Gupta RK. Graphite, Graphene, and their polymer nanocomposites: CRC Press; 2012.
[8]        Lukez R. The Use of Graphite/Epoxy Composite Structures in Space Applications. 1987.
[9]        Maahs HG, Schryer DR. Chemical impurity data on selected artificial graphites with comments on the catalytic effect of impurities on oxidation rate. 1967.
[10]      Deslandes A, Guenette MC, Corr CS, Karatchevtseva I, Thomsen L, Ionescu M, et al. Ion irradiated graphite exposed to fusion-relevant deuterium plasma. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2014;340:21-6.
[11]      Atsumi H, Muhaimin A, Tanabe T, Shikama T. Hydrogen trapping in neutron-irradiated graphite. Journal of Nuclear Materials. 2009;386:379-82.
[12]      Karthik C, Kane J, Butt DP, Windes WE, Ubic R. Neutron irradiation induced microstructural changes in NBG-18 and IG-110 nuclear graphites. Carbon. 2015;124:131-86.
[13]      Snead L, Contescu C, Byun T, Porter W. Thermophysical property and pore structure evolution in stressed and non-stressed neutron irradiated IG-110 nuclear graphite. Journal of Nuclear Materials. 2016;476:102-9.
[14]      Hinks J, Haigh S, Greaves G, Sweeney F, Pan C, Young R, et al. Dynamic microstructural evolution of graphite under displacing irradiation. Carbon. 2014;68:273-84.
[15]      محمدی ع, حمیدی س, اسدی اسدآباد م. محاسبات آسیب تابش به منظور شبیه سازی تابش نوترون با تابش یون و توسعه برنامه محاسباتی AMTRACK. پژوهش فیزیک ایران. 1397; 251:261-88.
[16]      حسینی ا, فقهی س, جعفری ح, آقایی م. اندازه گیری میزان تاثیر تابش نوترون بر ثابت آسیب جریان معکوس α دیود. علوم و فناوری فضایی. 1392; 11:19-6.
[17]     آقامحمدی ع. بررسی اثر تشعشعات هسته‌ای بر خواص مکانیکی آلومینیوم و آلیاژهای آن. 1371.
[18]      Shabalin IL. Ultra-high temperature materials I: carbon (graphene/graphite) and refractory metals: Springer; 2014.
[19]      Standard A. E384 – 11 Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials. Annual Book of ASTM Standards, ASTM, West Conshohocken, PA. 2012.
[20]      Conshohocken W. Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics 1. Test. 2003:1-10.
[21]      Oku T, Eto M. Correlation between the strength and Vickers hardness of some nuclear graphite. Carbon. 1974;12(4):477-9.
[22]      Krishna R, Jones A, McDermott L, Marsden B. Neutron irradiation damage of nuclear graphite studied by high-resolution transmission electron microscopy and Raman spectroscopy. Journal of Nuclear Materials. 2015;467:557-65.
[23]      Nakamizo M, Honda H, Inagaki M. Raman spectra of ground natural graphite. Carbon. 1978;16(4):281-3.
[24]      Krishna R, Wade J, Jones AN, Lasithiotakis M, Mummery PM, Marsden BJ. An understanding of lattice strain, defects and disorder in nuclear graphite. Carbon. 2017;124:314-33.
[25]      Zhang B, Xia H, He X, He Z, Liu X, Zhao M, et al. Characterization of the effects of 3-MeV proton irradiation on fine-grained isotropic nuclear graphite. Carbon. 2014;77:311-8.
[26]      Amirkhani MA, Asadabad MA, Hassanzadeh M, Mirvakili SM. The effects induced by proton irradiation on structural characteristics of nuclear graphite. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2019:1-9.
[27]      Elman B, Dresselhaus M, Dresselhaus G, Maby E, Mazurek H. Raman scattering from ion-implanted graphite. Physical Review B. 1981;24(2):1027.
[28]      Knight DS, White WB. Characterization of diamond films by Raman spectroscopy. Journal of Materials Research. 1989;4(2):385-93.