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Characterization of radiation damage induced by swift heavy ions in graphite

Hubert, Christian :
Characterization of radiation damage induced by swift heavy ions in graphite.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Characterization of radiation damage induced by swift heavy ions in graphite
Language: English
Abstract:

Graphite is a classical material in neutron radiation environments, being widely used in nuclear reactors and power plants as a moderator. For high energy particle accelerators, graphite provides ideal material properties because of the low Z of carbon and its corresponding low stopping power, thus when ion projectiles interact with graphite is the energy deposition rather low. This work aims to improve the understanding of how the irradiation with swift heavy ions (SHI) of kinetic energies in the range of MeV to GeV affects the structure of graphite and other carbon-based materials. Special focus of this project is given to beam induced changes of thermo-mechanical properties. For this purpose the Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and glassy carbon (GC) (both serving as model materials), isotropic high density polycrystalline graphite (PG) and other carbon based materials like carbon fiber carbon composites (CFC), chemically expanded graphite (FG) and molybdenum carbide enhanced graphite composites (MoC) were exposed to different ions ranging from 131Xe to 238U provided by the UNILAC accelerator at GSI in Darmstadt, Germany. To investigate structural changes, various in-situ and off-line measurements were performed including Raman spectroscopy, x-ray diffraction and x-ray photo-electron spectroscopy. Thermo-mechanical properties were investigated using the laser-flash-analysis method, differential scanning calorimetry, micro/nano-indentation and 4-point electrical resistivity measurements. Beam induced stresses were investigated using profilometry. Obtained results provided clear evidence that ion beam-induced radiation damage leads to structural changes and degradation of thermal, mechanical and electrical properties of graphite. PG transforms towards a disordered sp2 structure, comparable to GC at high fluences. Irradiation-induced embrittlement is strongly reducing the lifetime of most high-dose exposed accelerator components. For irradiation temperatures above 200 °C damage formation is mitigated due to defect annealing. Thus a controlled temperature of accelerator components is desirable in order to increase the lifetime. This thesis contributes to a better understanding of radiation damage in swift heavy ion-exposed graphite with the aim to optimize the design of beam catchers and production targets for secondary ion beams for the Super Fragment Separator (Super-FRS) at FAIR. Moreover, the results of this work provide important input data for simulations to describe the beam response and lifetime of high-dose exposed critical accelerator components.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Graphit ist ein klassisches Material für den Einsatz in der Umgebung von Neutronenstrahlen und wird weit verbreitet in Kernreaktoren und Atomkraftwerken als Moderator eingesetzt. Für Teilchenbeschleuniger bietet Graphit ebenfalls ideale Materialeigenschaften wegen der geringen Ordnungszahl Z und des daraus folgenden geringen Bremsvermögens welches wiederum zu einer relativ geringeren Energiefreigabe führt. Diese Arbeit hat das Ziel das Verständnis der Interaktionen von Hoch energetischen Schwerionen (SHI) in Energiebereichen von MeV zu GeV mit der Struktur von Graphit und anderen Kohlenstoffbasierten Materialien zu verbessern. Ein spezieller Fokus liegt hierbei auf den Ionenstrahlinduzierten Veränderungen der thermo-mechanischen Materialeigenschaften. Zu diesem Zweck wurden Hoch orientierter pyrolytischer Graphit (HOPG) und glasartiger Kohlenstoff (GC) (beide fungieren als Modellmaterialien), isotropischer polykristalliner Graphit hoher Dichter (PG) und andere kohlenstoffbasierte Materialien wie Kohlenstofffaser Kohlenstoffkomposite (CFC), chemisch expandierter Graphit (FG) und Molybdencarbid verstärktes Graphitkomposit (MoC) mit verschiedenen Ionenspezies von 131Xe bis zu 238U bestrahlt, die vom UNILAC Beschleuniger am GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt, Deutschland, bereit gestellt wurden. Um Änderungen der Struktur zu untersuchen wurden zahlreichen in-situ und ex-situ Experimente durchgeführt, darunter Ramanspektroskopie, Röntgenbeugung und Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Veränderungen der thermo-mechanischen Eigenschaften wurden mit der Laser-Flash Methode, dynamischer Differenzkalorimetrie, Mikro/Nanoindentierung und 4-Punkt Widerstandsmessungen untersucht. Die gewonnen Ergebnisse sind deutliche Beweise für eine Änderungen der Struktur von Graphit und in Folge dessen einer Verminderung der thermischen, mechanischen und elektrischen Materialeigenschaften auf Grund von Ionenstrahlinduzierten Strahlenschäden. PG ändert seine Struktur hin zu einer ungeordneten sp2 Struktur welche bei sehr hohen Fluenzen der von GC ähnelt. Ionenstrahlinduzierte Versprödung reduziert die Lebenszeit der meisten Beschleunigerkomponenten die hohen Strahlendosen ausgesetzt sind. Bei Bestrahlungstemperaturen von mehr als 200 °C wird die Entstehung von Strahlenschäden auf Grund Defektausheilung deutlich abgeschwächt. Deshalb ist eine Kontrolle der Temperatur für Beschleunigerbauteile wünschenswert, um die Laufzeiten zu erhöhen. Diese Thesis trägt zu einem besseren Verständnis von Strahlenschäden durch hoch energetische Schwerionen in Graphit bei, mit dem Ziel das Design von Strahlfängern und Produktionstargets für sekundäre Strahlen des Super Fragment Separator (Super-FRS) Experiments an FAIR zu optimieren. Des Weiteren liefern die Ergebnisse dieser Arbeit wichtige Daten für Simulationen zur Bestimmung der Lebenszeit und des Verhaltens während der Bestrahlung und von kritischen Beschleunigerbauteilen die hohen Strahlendosen ausgesetzt sind.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: -
Uncontrolled Keywords: Graphite, Radiation damage, Swift heavy ions, Ramanspectroscopy, Nanoindentation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Graphit, Strahlenschäden, Schwerionen, Ramanspektroskopie, NanoindentierungEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
Date Deposited: 01 Jun 2016 12:16
Last Modified: 02 Jun 2016 07:23
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54660
Identification Number: Dissertation #5465
Referees: Trautman, Prof. Christina and Krupke, Prof. Ralph
Refereed: 15 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5466
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