Окисление циркония после облучения ионами аргона

Abstract

У роботі виявлено окислення приповерхневих шарів зразків чистого цирконію внаслідок опромінення іонами у атмосфері залишкових газів вакуумної камери. Опромінення виконано з використанням іонів Ar+ з енергією 100 кеВ, флюенсом 1 1017 см– 2, температура зразків не перевищувала 150 С. Елементний аналіз модифікованих шарів виконано з використанням спектрометрії резерфордівського (РЗР) та резона- нсного пружного зворотнього розсіювання (РезЗР) іонів гелію-4 (резонанс у розсіюванні 16O(4He,4He)16O при энергії близько 3,045 МеВ). Стехіометричний склад окисної плівки на поверхні спостережено блізьким до ZrO2. Плівки мали фіолетовий колір. Товщина окисного шару дорівнює близько 660 нм, що майже на поря- док перевищує величину обчисленого проективного пробігу іонів аргону у цирконії (Rp 69,3 нм, SRIM2008). Передбачається, що окислення мало лінійний (або руйнуючий) характер. Отримані результати дозволяють запропонувати інший можливий механізм підвищення корозійної стійкості U, Zr та його спла- вів після опромінення іонами He, Ar, Kr, Xe, спостереженого раніше експериментально у литературі. Обго- ворюється можливий механізм швидкої дифузії атомів кисню та формування глибокого окисного шару.

В работе обнаружено окисление приповерхностных слоёв образцов чистого циркония в результате облучения ионами аргона в атмосфере остаточных газов вакуумной камеры. Облучение реализовано ионами Ar+ с энергией 100 кэВ, флюенсом 1 1017 см – 2, температура образцов не превышала 150 °С. Элементный анализ модифицированных слоев выполнен с использованием спектрометрии резерфор- довского (РОР) и резонансного упругого обратного рассеяния (РезОР) ионов гелия-4 (резонанс в рассе- янии 16O( 4He, 4He) 16O при энергии около 3,045 МэВ). Стехиометрический состав оксидной плёнки на поверхности обнаружен близким к ZrO2. Плёнки имели фиолетовый окрас. Толщина оксидного слоя найдена равной около 660 нм, что почти на порядок превышает величину расчётного проективного пробега ионов аргона в цирконии (Rp 69,3 нм, SRIM2008). Предполагается, что окисление носило линейный (или разрушительный) характер. Полученные результаты позволяют предложить альтер- нативный механизм увеличения коррозионной стойкости U, Zr и его сплавов после облучения ионами He, Ar, Kr, Xe, обнаруженного ранее экспериментально в литературе. Обсуждается возможный меха- низм быстрой диффузии атомов кислорода и формирования протяжённого оксидного слоя.

An oxidation of the near surface layers of pure zirconium samples resulting from ion irradiation in residual gas atmosphere of vacuum chamber was observed in the work. The irradiation was performed with 100 keV Ar+ ions at fluence of 1 × 1017 cm – 2, temperature of the samples did not exceed 150 °С. An element analysis of the modified layers was carried out using Rutherford (RBS) and Resonant Elastic Backscattering Spectrometry (ResBS) of 4He ions (resonance in 16O(4He,4He)16O scattering at about 3,045 MeV). A stoichiometric composition of the surface oxide film was found out related to ZrO2. The films were coloured in violet. A thickness of the oxide layer was measured to be about 660 nm, which is by about an order of magnitude greater than a value of the calculated projected range of Ar ions in Zr (Rp 69,3 nm, SRIM2008 code). It is supposed that the oxidation has a linear (or destructive) character. The obtained results allow us to propose an alternative mechanism of the enhanced anticorrosion resistance of U, Zr, and its alloys after irradiation with He, Ar, Kr, Xe ions experimentally observed in the literary previously. A possible mechanism of the fast oxygen diffusion and formation of broad deep oxide layer was discussed.