npeЯдерная физика и инжинирингNuclear Physics and Engineering2079-56292079-5637МИФИ10.56304/S2079562922030034npe-254Research ArticleТвердые тела в экстремальных условияхSolids Under Extreme ConditionsМодифицирование углерод-углеродных композиционных материалов при высокодозном воздействии ионов плазмы термоядерных установокModification of Carbon–Carbon Composite Materials under High-Fluence Irradiation of Fusion Plasma IonsАндриановаН. Н.AndrianovaN. N.

Москва, 125993

Moscow, 125993

БорисовA. М.BorisovA. M.

Москва, 125993, 

Москва, 127055

Moscow, 125993,

Moscow, 127055

МашковаЕ. С.MashkovaE. S.

Москва, 119991

Moscow, 119991

ОвчинниковМ. А.OvchinnikovM. А.

Москва, 119991

Moscow, 119991

ov.mikhail@gmail.comМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian FederationМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет); Московский государственный технологический университет “СТАНКИН”РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University); Moscow State Technological University “STANKIN”Russian FederationНаучно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияSkobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State UniversityRussian Federation202203052024136550557Copyright © Андрианова Н.Н., Борисов A.М., Машкова Е.С., Овчинников М.А., 20242024Андрианова Н.Н., Борисов A.М., Машкова Е.С., Овчинников М.А.Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://npe.elpub.ru/jour/article/view/254

Экспериментально исследовано модифицирование углерод-углеродных композиционных материалов при высокодозном (>3 ⋅ 1018 см–2) воздействии ионов Не+, Ne+, Ar+ и С+ c энергиями 10–30 кэВ и температурах облучения от комнатной до 600°С. Показано, что облучение углеродных волокон ионами с энергией десятки кэВ позволяет имитировать радиационные нарушения в графитах с уровнем до несколько сотен смещений на атом (сна), и дает возможность единовременного исследования воздействия ионного облучения под различными углами падения ионов на обращенные к плазме материалы термоядерных установок. При имитации радиационных нарушений в условиях механических напряжений, включающих как сжатие, так и растяжение подходит облучение ионами гелия. Облучение более тяжелыми ионами инертных газов (Ne, Ar) подходит для имитации механических напряжений сжатия. Температурные зависимости ионно-электронной эмиссии отражают текстуру поверхности графитовых материалов и могут служить методом in-situ контроля текстуры оболочки волокна.

The modification of carbon-carbon composite materials under high fluence (>3 · 1018 cm–2) irratiation with He+, Ne+, Ar+ and C+ ions with an energies of 10–30 keV at irradiation temperatures from room temperature to 600°C has been studied experimentally. It is shown that irradiation of carbon fibers with the ion energies of tens keV allows to imitate radiation damage in graphites with levels of radiation damage up to several hundred displacements per atom (dpa), and makes it possible to simultaneously study the effect of ion irradiation at different angles of incidence on plasma-facing materials of fusion plants. The irradiation with helium ions is appropriate for imitation of radiation damage under mechanical stress conditions which include both compression and stretching. Irradiation with heavier ions of noble gas ions (Ne, Ar) is applicable to imitation of mechanical stresses of compression. Temperature dependences of the ion-induced electron emission reflect the surface texture of graphite materials and can be used as a method of in-situ control of the fiber shell texture.

углеродное волокноуглерод-углеродный композитоблучениеионы Не+Ne+Ar+ и С+радиационные нарушениячисло смещений на атомионно-электронная эмиссияморфология и микроструктура оболочки волокнаcarbon fibercarbon-carbon compositeirradiationHe+Ne+Ar+ and C+ ionsradiation damagedisplacements per atomion-induced electron emissionfiber shell morphology and microstructureИсследование выполнено при частичной финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-30058)ReferencesAtomic and Plasma-Material Interaction Data for Fusion. 1991. Vienna: IATA. V. 1.Atomic and Plasma-Material Interaction Data for Fusion. 1991. Vienna: IATA. V. 1.Temmerman G.D., Heinola K., Borodin D. et al. // Nucl. Mater. Energy. 2021. V. 27. P. 100994.Temmerman G.D., Heinola K., Borodin D. et al. // Nucl. Mater. Energy. 2021. V. 27. P. 100994.Eckstein W., Bohdansky J., Roth J. Physical Sputtering. 1991. Vienna: IATA. V. 1. P. 51–62.Eckstein W., Bohdansky J., Roth J. Physical Sputtering. 1991. Vienna: IATA. V. 1. P. 51–62.Merola M., Escourbiac F., Raffray R., Chappuis P., Hirai T., Martin A. // Fusion Eng. Des. 2014. V. 89. P. 890–895.Merola M., Escourbiac F., Raffray R., Chappuis P., Hirai T., Martin A. // Fusion Eng. Des. 2014. V. 89. P. 890–895.Ding F., Luo G.-N., Chen X., et al. // Tungsten. 2019. V. 1. P. 122–131.Ding F., Luo G.-N., Chen X., et al. // Tungsten. 2019. V. 1. P. 122–131.Khvostenko P.P., Anashkin I.O., Bondarchuk E.N., et al. // Fusion Eng. Des. A. 2019. V. 146. P. 1108–1112.Khvostenko P.P., Anashkin I.O., Bondarchuk E.N., et al. // Fusion Eng. Des. A. 2019. V. 146. P. 1108–1112.Marsden B.J., Hall G.N. // Comp. Nucl. Mater. 2012. V. 4. P. 325–390.Marsden B.J., Hall G.N. // Comp. Nucl. Mater. 2012. V. 4. P. 325–390.Guérin Y., Was G.S., Zinkle S.J., Editors G. // Mater. Res. Soc. Bull. 2009. V. 34. P. 10–14.Guérin Y., Was G.S., Zinkle S.J., Editors G. // Mater. Res. Soc. Bull. 2009. V. 34. P. 10–14.Was G.S. // J. Nucl. Mater. 2007. V. 367–370. P. 11–20.Was G.S. // J. Nucl. Mater. 2007. V. 367–370. P. 11–20.Virgil’ev Yu.S., Kalyagina I.P. // Inorg. Mater. 2004. V. 40. P. S33–S49.Virgil’ev Yu.S., Kalyagina I.P. // Inorg. Mater. 2004. V. 40. P. S33–S49.Burchell T.D. // MRS Bull. 1997. V. 22. P. 29–35.Burchell T.D. // MRS Bull. 1997. V. 22. P. 29–35.Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science, 2nd ed. 2014. New York: Springer-Verlag.Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science, 2nd ed. 2014. New York: Springer-Verlag.Galy N., Toulhoat N., Moncoffre N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2017. V. 409. P. 235–240.Galy N., Toulhoat N., Moncoffre N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2017. V. 409. P. 235–240.Liu D., Cherns D., Johns S., et al. // Carbon. 2021. V. 173. P. 215–231.Liu D., Cherns D., Johns S., et al. // Carbon. 2021. V. 173. P. 215–231.Behrisch R. Particle Bombardment and Energy Fluxes to the Vessel Walls in Controlled Thermonuclear Fusion Devices. 1991. Vienna: IAEA. V. 1. P. 7–16.Behrisch R. Particle Bombardment and Energy Fluxes to the Vessel Walls in Controlled Thermonuclear Fusion Devices. 1991. Vienna: IAEA. V. 1. P. 7–16.Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., et al. // Horizons in World Physics. 2013. New York: Nova Science. V. 280. P. 171.Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., et al. // Horizons in World Physics. 2013. New York: Nova Science. V. 280. P. 171.Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. 1985. Amsterdam: North-Holland.Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. 1985. Amsterdam: North-Holland.Niwase K., Tanabe T. // J. Nucl. Mater. 1991. V. 179– 181. P. 218–222.Niwase K., Tanabe T. // J. Nucl. Mater. 1991. V. 179– 181. P. 218–222.Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., et al. // Vacuum. 2021. V. 188. P. 110177.Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., et al. // Vacuum. 2021. V. 188. P. 110177.Andrianova N.N., Borisov A.M., Makunin A.V., et al. // Proc. 25th Int. Conf. Ion Surface Interactions. 2021. V. 2. P. 35–38.Andrianova N.N., Borisov A.M., Makunin A.V., et al. // Proc. 25th Int. Conf. Ion Surface Interactions. 2021. V. 2. P. 35–38.Аникин В.А., Борисов А.М., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т. 9 (2). С. 122−129 [Anikin V.A., Borisov A.M., Makunin A.V., , Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A. // Phys. At. Nucl. 2018. V. 81 (11). P. 1547–1553].Аникин В.А., Борисов А.М., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т. 9 (2). С. 122−129 [Anikin V.A., Borisov A.M., Makunin A.V., , Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A. // Phys. At. Nucl. 2018. V. 81 (11). P. 1547–1553].Andrianova N.N., Borisov A.M., Kazakov V.A., et al. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2020. V. 84 (6). P. 707– 712.Andrianova N.N., Borisov A.M., Kazakov V.A., et al. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2020. V. 84 (6). P. 707– 712.Andrianova N.N., Borisov A.M., Virgiliev Y.S., et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutron Tech. 2008. V. 2 (3). P. 376–379.Andrianova N.N., Borisov A.M., Virgiliev Y.S., et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutron Tech. 2008. V. 2 (3). P. 376–379.Cernusca S., Fursatz M., Winter H.P., et al. // Europhys Lett. 2005. V. 70 (6). P. 768–774.Cernusca S., Fursatz M., Winter H.P., et al. // Europhys Lett. 2005. V. 70 (6). P. 768–774.Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Немов А.С., Питиримова Е.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. нейтр. исслед. 2006. № 1. C. 7–13.Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Немов А.С., Питиримова Е.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. нейтр. исслед. 2006. № 1. C. 7–13.Ferrari A.C., Robertson J. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. P. 14095.Ferrari A.C., Robertson J. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. P. 14095.Borisov A.M., Vysotina E.A., Mashkova E.S., et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutron Tech. 2022. V. 16 (2). P. 211–216.Borisov A.M., Vysotina E.A., Mashkova E.S., et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutron Tech. 2022. V. 16 (2). P. 211–216.Borisov A.M., Virgil’ev Y.S., Mashkova E.S. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutron Tech. 2008. V. 2 (1). P. 52–67.Borisov A.M., Virgil’ev Y.S., Mashkova E.S. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutron Tech. 2008. V. 2 (1). P. 52–67.Blackstone R. // J. Nucl. Mater. 1977. V. 65. P. 72.Blackstone R. // J. Nucl. Mater. 1977. V. 65. P. 72.Burchell T.D., Eatherly W.P. // J. Nucl. Mater. 1991. V. 179–181. P. 205.Burchell T.D., Eatherly W.P. // J. Nucl. Mater. 1991. V. 179–181. P. 205.Andrianova N.N., Borisov A.M., Virgil’ev Yu.S., et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutr. Tech. 2014. V. 8 (3). P. 513−518.Andrianova N.N., Borisov A.M., Virgil’ev Yu.S., et al. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotr. Neutr. Tech. 2014. V. 8 (3). P. 513−518.Schilling W., Ullmaier H. // Material Science and Technology. Ed. by Cahn R.W., Haasen P., and Kramer E.J. 1994. Weinheim: VCH. Ch. 9.Schilling W., Ullmaier H. // Material Science and Technology. Ed. by Cahn R.W., Haasen P., and Kramer E.J. 1994. Weinheim: VCH. Ch. 9.Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргилиев Ю.С., Машкова Е.С. // ВАНТ. Сер.: Технич. физика автоматиз. 2013. № 67 (1). C. 119–125.Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргилиев Ю.С., Машкова Е.С. // ВАНТ. Сер.: Технич. физика автоматиз. 2013. № 67 (1). C. 119–125.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.