Fe cr
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 23

Τριμελής Τριμελής Επιτροπή : Ε. Συσκάκης (Κύριος επιβλέπων) Επ. Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ PowerPoint PPT Presentation


  • 130 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Μελέτη αποκατάστασης βλαβών από ακτινοβόληση σε κράματα Fe-Cr με μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης Ζ. Κοτσίνα. Τριμελής Τριμελής Επιτροπή : Ε. Συσκάκης (Κύριος επιβλέπων) Επ. Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ Γ. Αποστολόπουλος Ερευνητής B , Ε.ΚΕ.Φ.Ε ‘ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ’ Ρ. Βλαστού-Ζάννη

Download Presentation

Τριμελής Τριμελής Επιτροπή : Ε. Συσκάκης (Κύριος επιβλέπων) Επ. Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Fe cr

Μελέτη αποκατάστασης βλαβών από ακτινοβόληση σε κράματα Fe-Cr με μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασηςΖ. Κοτσίνα

Τριμελής

Τριμελής Επιτροπή:Ε. Συσκάκης (Κύριος επιβλέπων)

Επ. Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ

Γ. Αποστολόπουλος

Ερευνητής B, Ε.ΚΕ.Φ.Ε ‘ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ’

Ρ. Βλαστού-Ζάννη

Καθηγήτρια, ΣΕΜΦΕ, ΕΜΠ

Ορισμός Τριμελούς Επιτροπής : 16/01/2012


3685297

Περίγραμμα Ομιλίας

  • Εισαγωγή- Σκοπός

  • Πειραματικές Λεπτομέρειες

  • Αποτελέσματα & Συζήτηση

  • Συμπεράσματα


3685297

Εισαγωγή

  • Κράματα Fe-Cr

    Αποτελούν τη βάση τωνφερριτικών ατσαλιών,τα οποία είναι υποψήφια δομικάυλικά για μελλοντική εφαρμογήσε προηγμένα συστήματα πυρηνικής ενέργειαςόπως π.χ Αντιδραστήρες Σύντηξης.

  • Πλεονεκτήματα

    • Μικρή ενεργοποίηση

    • Υψηλή αντίσταση σε βλάβες από ακτινοβόληση

    • Καλές μηχανικές ιδιότητες

  • Προβλήματα

    • Γίνονται ψαθυρά κατά την ακτινοβόλησή τους σε χαμηλές θερμοκρασίες

    • Απώλεια αντοχής στις υψηλές θερμοκρασίες

  • Οι βασικές φυσικές διεργασίες που διέπουν τη συμπεριφορά τους κατά την ακτινοβόληση δεν είναι πλήρως κατανοητές.

    • Πειραματική & θεωρητική έρευνα πραγματοποιείται, με σκοπό την κατανόηση και βελτιστοποίηση των υλικών αυτών.


3685297

Σκοπός

  • Η συμπεριφορά των υλικών κατά τη ακτινοβόληση, εξαρτάται πρωτίστως από τις ιδιότητες των σημειακών ατελειών.

  • Κατά την ακτινοβόληση, σημειακές ατέλειες δημιουργούνται και εν συνεχεία διαχέονται με αποτέλεσμα την μεταβολή της μικροδομής.

Σκοπός της παρούσης εργασίας

  • Μελέτη των βασικών ιδιοτήτωντων σημειακών ατελειών σε κράματα Fe-Cr

    Μεθοδολογία

  • Ακτινοβόληση σε χαμηλή θερμοκρασία σε συνδυασμό μεin-situμέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης.

    • Η συγκεκριμένη πειραματική εργασία χαρακτηρίζεται ως “Αποκατάσταση τηςηλεκτρικής αντίστασης”


3685297

Σημειακές Ατέλειες από ακτινοβόληση

  • Ατομικές μετατοπίσειςπροκαλούνται κατά την ακτινοβόληση στην περίπτωση που τα άτομα λάβουν ενέργεια που υπερβαίνει την ενέργεια κατωφλιού~40eV

  • Οι μετατοπίσεις αυτές οδηγούν κυρίως σε σχηματισμόFrenkel Pairs = Πλεγματικό Κενό (vacancy) + άτομο σε ενδοπλεγματική θέση (interstitial) .

  • Δομή Frenkel Pair σεbcc Fe

Interstitial

Dumbbell

<110>

Vacancy

Interstitial migration

Em= 0.34 eV

Fu et al. (Nature Materials 2005)

DFT calculations

Takakiet al. (Radiation Effects 1983)


3685297

2. Πειραματικές Λεπτομέρειες


3685297

Προετοιμασία Δειγμάτων-Πειραματικές Συνθήκες

Προετοιμασία Δειγμάτων

  • Υψηλής καθαρότητας κράματα Fe-Cr με συγκέντρωση Cr 5, 10 and 15 at. %

  • Ψυχρή έλαση δειγμάτων σε πάχος 50μm

  • Θερμική ανόπτηση στους Τ=800o C υπό κενό (10-7mbar)

    Συνθήκες Ακτινοβόλησης

    • Οι ακτινοβολήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ειδική διάταξη ακτινοβόλησηςστον επιταχυντή TANDEMστο ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος»

    • Ακτινοβόληση σε κρυογενικές θερμοκρασίες (T=40K)

    • Δέσμη πρωτονίων ενέργειας 5 MeV, μέση ροήΦ~ 2 x 1011p/cm2-sec

      Ανόπτηση για αποκατάσταση βλαβών

    • Θερμοκρασίες Ανόπτησης Ta = 40 – 300 K σε βήματαΔΤa/Τa ~ 0.03

    • Χρόνος Ανόπτησης Δta , ΔΤa/Δta=1K /min.

      Μέτρηση ηλεκτρικής αντίστασης

    • In-situ, DC μέτρηση τεσσάρων επαφών, διακριτική ικανότητα 10-7

    • Μέτρηση παραμένουσας αντίστασης σε Τ=15K (διακοπή ακτινοβόλησης/ανόπτησηςκαι απότομη ψύξηδείγματος σε Τ=15 K)


3685297

Πειραματική Διαδικασία

Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει τα εξής βήματα:

  • Δημιουργία σημειακών ατελειών κατά την ακτινοβόληση σε κρυογενική θερμοκρασία

  • ΑύξησηΔρi της ηλεκτρικής αντίστασης (λόγω ατελειών)

  • Οι ατέλειες παραμένουν αρχικά ακίνητες (εξαιτίας της χαμηλής θερμοκρασίας)

  • Ακολουθεί βαθμιαία αύξηση της θερμοκρασίας

  • Ενεργοποίηση μηχανισμών μετανάστευσης και επανασύνδεσης των ατελειών

  • Η ηλεκτρική αντίσταση προοδευτικά μειώνεται ανακτά την προ- ακτινοβόλησης τιμή της

Αποκατάσταση Αντίστασης-Καθαρός Fe

C.C. Fu, Nature Materials, Vol 4,2005


3685297

3. Αποτελέσματα & Συζήτηση


3685297

Αποκατάσταση Ηλεκτρικής Αντίστασης

  • Μετά την ακτινοβόληση σε Τ=40Κ, παρατηρείται αύξηση της αντίστασης Δρi

  • Εν συνεχεία γίνεται ανόπτηση σε βαθμιαία υψηλότερες θερμοκρασίες με συνέπεια η τιμή της αντίστασης να επανέρχεται σταδιακά στην αρχική τιμή

  • Τοκλάσμα αποκατάστασηςσε κάθε θερμοκρασία ανόπτησης, Τα, ισούται με το λόγο της απομένουσας Δρπρος την αρχικήαύξησηΔρi (προκληθείσα από την ακτινοβόληση)

  • Ενδιαφέρον παρουσιάζει ορυθμός αποκατάστασης– κλασματική αποκατάσταση ανά θερμοκρασιακή μεταβολή.


3685297

Ρυθμός αποκατάστασης

  • Οι κορυφές αποδίδονται σε περιοχές υψηλού ρυθμού αποκατάστασης

    • Ενεργοποίησημηχανισμών μετανάστευσης ατελειών

  • Διακρίνονται τρεις κύριες περιοχές με σήμανση:  (~100K),  (~170K) και  (~230K) και αναφέρονται ως ‘Στάδια’.

  • Το Στάδιο  οφείλεται στην ενεργοποίηση του μηχανισμού μετανάστευσης ενδοπλεγματικών ατόμων

  • H φυσική προέλευση των Σταδίων  &  δεν είναι ακόμα σαφής






3685297

Ρυθμός αποκατάστασης

  • Θα επικεντρωθούμε στα Στάδια και

  • Εμφανίζουν αντίθετη συμπεριφορά ως προς την T και τη συγκέντρωση Cr:

    • Στάδιο μετατόπιση προς χαμηλότερη Τ και μείωση της έντασής του με την αύξηση της συγκέντρωσης του Cr

    • Στάδιο μετατόπιση προς υψηλότερη Τ και ενίσχυση της έντασής του με την αύξηση της συγκέντρωσης του Cr






3685297

Ερμηνεία των Σταδίων & 

  • Παραδοχή: ενδοπλεγματικό άτομο ευκίνητο / πλεγματικό κενό ακίνητο

  • Ο απλούστερος μηχανισμός περιγραφής των Σταδίων  &  αποτελεί η υπόθεση της ύπαρξης παγίδας (trap) για τα ενδοπλεγματικά άτομα

Τ

V

Ι

ΙΤ

  • Ο μηχανισμός παρουσιάζεται από το ακόλουθο μοντέλο αντιδράσεων

I : Interstitial

V: Vacancy

T: Trap

IT: Trapped Interstitial

K+

K

K-


3685297

Μαθηματική Περιγραφή Μοντέλου

Η εξέλιξη της συγκέντρωσης των ατελειών περιγράφεται από τις ακόλουθες εξισώσεις κινητικής (Rate Theory Equations):

Παράμετροι

Emi: ενέργεια μετανάστευσης των

ενδοπλεγματικών ατόμων

EB: ενέργεια σύνδεσης(παγίδες)

CT: πυκνότητα των παγίδων

Σταθερές


3685297

Σύγκριση με το πείραμα

Το μοντέλο περιγράφει ποιοτικά την συμπεριφορά των πειραματικών αποτελεσμάτων

Πείραμα

Θεωρητικό Μοντέλο

Emi= 0.28eV (pure Fe: 0.34eV)

EB= 0.27eV

CT CCr (ο μηχανισμός παγίδευσηςσυσχετίζεται με CCr)

Παράμετροι μοντέλου:


3685297

Συμπεράσματα

  • Η αποκατάσταση της αντίστασης κραμάτων Fe-Cr μετρήθηκε μετά την ακτινοβόληση με πρωτόνια σε χαμηλή θερμοκρασία

  • Στο φάσμα της αποκατάστασης εμφανίζονται 3 κύρια ΣτάδιαΑποκατάστασης.

    • Θέση και ένταση εξαρτώνται από τη συγκέντρωση Cr

  • Τα Στάδια  &  υποδεικνύουν την ύπαρξη μηχανισμού παγίδευσης ενδοπλεγματικών ατόμων

  • Ανάλυση με Rate Theory Equations έδειξε ποιοτική συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα υποθέτοντας

    • Φραγμό μετανάστευσης για τα ενδοπλεγματικά άτομα 0.28 eV

    • Ενέργεια σύνδεσης για τις παγίδες 0.27 eV

    • Πυκνότητα των παγίδων ανάλογη με τη συγκέντρωση Cr

      Μελλοντική εργασία

  • Το μοντέλο αυτό θα επεκταθεί περαιτέρω και στη μελέτη του Σταδίου και θα πραγματοποιηθούν ακτινοβολήσεις με διαφορετικές δόσεις.


3685297

Ευχαριστίες

  • Τριμελή Επιτροπή: E. Συσκάκη, Γ. Αποστολόπουλο, Ρ. Βλαστού-Ζάννη

  • Κ. Μεργιά, Σ. Μεσολωρά, Ε.ΚΕ.ΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ»

  • Α. Λαγογιάννη, Σ. Χαρισόπουλο, Ε.ΚΕ.ΦΕ «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ»

  • European Fusion Development Agreement (EFDA),για την οικονομική υποστήριξη της παρούσης εργασίας.

    Ευχαριστώ για την προσοχή σας!

    Συμμετοχή σε συνέδρια

  • XXIΧ Συνέδριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και Επιστήμης Υλικών (Σεπτέμβριος 2013)

  • 22ο Συμπόσιο της Ελληνικής Εταιρίας Πυρηνικής Φυσικής (Αθήνα, Μάιος 2013)

  • Συνάντηση εργασίας της EFDA(Βουκουρέστι, Ιούνιος 2013)


3685297

Backup Slides


Example of annealing cycle

Example of Annealing Cycle

Heating off

Heating on

Base T=15K

Annealing Induced

ΔR


Example of irradiation cycle

Example of Irradiation Cycle

Beam on

Beam off

Base T=15K

Irradiation Induced

ΔR


Fe cr1

Ακτινοβόληση κραμάτων Fe-Cr

  • Γραμμική αύξηση της αντίστασης με τη δόση εξαιτίας της σταθερής δημιουργίας ατελειών (vacancies και interstitials)

  • Οι ατέλειες παραμένουν παγωμένες στο πλέγμα εξαιτίας της χαμηλής Τ.

T=40K


Fe cr2

Ακτινοβόληση κραμάτων Fe-Cr

  • Γραμμική αύξηση της αντίστασης με τη δόση εξαιτίας της σταθερής δημιουργίας ατελειών (vacancies και interstitials)

  • Οι ατέλειες παραμένουν παγωμένες στο πλέγμα εξαιτίας της χαμηλής Τ.

  • Η συνολική αύξηση της αντίστασης χαρακτηρίζεται ως Δρi

  • Διαφορές στηΔρiδεν αποδίδονται σε διαφορετικό αριθμό ατελειών (πιθανώς σε διαφορές σκέδασης/ ατέλεια)

T=40K

Δρi


3685297

Διάταξη Ακτινοβόλησης

  • Τα πειράματα διεξήχθησαν σε ειδική διάταξη ακτινοβόλησηςστον επιταχυντή 5MV TANDEM «Δημόκριτο»

    • In-situμέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης, 10-7 ακρίβεια

    • Ποικίλες θερμοκρασίες ακτινοβόλησης (10 – 700 K, κρυοστάτης & φούρνος)

    • Περιοχή Ακτινοβόλησης 1x1 cm2, ρεύμα δέσμης ~0.2μΑ

Pumping

Port

Variable

Beam Slit

Sample

Accelerator

Beam

Faraday

Cup

El. Isolated

Connection

Pressurized He

Port

Electrical

Feedthrough

2-Stage

Cryo-Refrigerator

Sample stage with Cold-head

Beam-line integration


  • Login