[論文レビュー] Elastic Strain Associated with Irradiation-Induced Defects in Self-ion Irradiated Tungsten

Guanze He, Hongbing Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Ion-surface interactions and analysis被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、透過電子顕微鏡（TEM）および高分解能軸対称透過キクチ diffraction（HR-TKD）を用いて自己イオン照射されたタングステンにおける放射線誘発欠陥に起因する弾性ひずみを調査した。0.01 dpaを超えると結晶学的配向の長距離ひずみフラクチュエーションが観察され、0.1 dpaを超えると全弾性エネルギーが増加する。これは、損傷進化において弾性相互作用が果たす重要な役割を初めて実験的に定量的に明らかにしたものである。

ABSTRACT

Elastic interactions play an important role in controlling irradiation damage evolution, but remain largely unexplored experimentally. Using transmission electron microscopy (TEM) and high-resolution on-axis transmission Kikuchi diffraction (HR-TKD), we correlate the evolution of irradiation-induced damage structures and the associated lattice strains in self-ion irradiated pure tungsten. TEM reveals different dislocation loop structures as a function of sample thickness, suggesting that free surfaces limit the formation of extended defect structures found in thicker samples. HR-TKD strain analysis shows the formation of crystallographically-orientated long-range strain fluctuation above 0.01 dpa and a decrease of total elastic energy above 0.1 dpa.

研究の動機と目的

• タングステンにおける放射線損傷進化における弾性相互作用の役割を実験的に解明すること。これは、依然として十分に理解されていない。
• 自己イオン照射された純チタンタングステンにおける欠陥構造と関連する格子ひずみを相関させること。
• 照射線量関数としての長距離ひずみフラクチュエーションおよび弾性エネルギー変化を定量すること。
• 試料厚さおよび自由表面が欠陥形態およびひずみ分布に与える影響を検討すること。
• 難融金属における放射線誘発欠陥に起因する弾性ひずみ進化を直接実験的に裏付けること。

提案手法

• 透過電子顕微鏡（TEM）を用いて、自己イオン照射タングステン試料内のミクロスコピック欠陥構造および欠陥形態を可視化した。
• 高分解能軸対称透過キクチ diffraction（HR-TKD）を用いて、高い空間分解能で格子ひずみをマッピングした。
• 試料は、0.01から0.5 dpaの範囲で制御された線量に達するように自己イオンで照射した。
• ひずみ解析では、結晶学的配向の長距離ひずみフラクチュエーションの特定と全弾性エネルギーの定量に焦点を当てた。
• 試料厚さを変化させ、自由表面が欠陥構造形成およびひずみ緩和に与える影響を評価した。
• TEMとHR-TKDのデータを相関させ、微細組織の進化と弾性ひずみ発展の関係を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タングステンにおける照射誘発欠陥は線量が増加するにつれてどのように進化するか。自由表面は欠陥構造形成を制限する役割を果たすか。
• RQ2 タングステンにおける照射損傷に関連する長距離弾性ひずみフラクチュエーションの性質と範囲は何か。
• RQ3 線量が増加するにつれて格子の全弾性エネルギーはどのように変化するか。
• RQ4 照射タングステンにおけるひずみ場はどの程度異方的で、結晶学的配向を示すか。
• RQ5 実験的ひずみマッピングは、難融金属における欠陥進化を支配する弾性相互作用を解明できるか。

主な発見

• 0.01 dpaを超えると、結晶学的配向の長距離ひずみフラクチュエーションが観察され、欠陥間の弾性相互作用の開始を示した。
• 0.1 dpaを超えると、タングステン格子内の全弾性エネルギーが顕著に増加し、線量に伴うひずみ蓄積が進行していることを示唆した。
• 試料厚さに応じてディスlocationループ構造が変化し、自由表面が広がった欠陥構造の形成を制限していることが示された。
• HR-TKDは、従来のTEMの分解能を超えるひずみ不均一性を特定する高精度な格子ひずみマッピングを可能にした。
• TEMで観察された欠陥とHR-TKDによるひずみマップの相関から、弾性ひずみが欠陥形態と本質的に関連していることが確認された。
• 本研究は、照射タングステンにおける弾性ひずみ進化の、初めての直接的実験的証拠を提供し、損傷進化におけるその役割を強調した。