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in-situ TEM observations of irradiation damage in boron carbide

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Academic year: 2021

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Texte intégral

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HAL Id: hal-02188768

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02188768

Submitted on 18 Jul 2019

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in-situ TEM observations of irradiation damage in boron

carbide

Guillaume Victor, Yves Pipon, Nathalie Moncoffre, Nicolas Bérerd, Claude

Esnouf, Thierry Douillard, Aurélie Gentils

To cite this version:

(2)

In situ TEM observations of irradiation damage in

boron carbide

G. Victor1, Y. Pipon1, N. Moncoffre1, N. Bérerd1, C. Esnouf2, T. Douillard2, A. Gentils3

1 Université de Lyon, UCBL, Institut de Physique Nucléaire de Lyon, Villeurbanne, France 2Université de Lyon, INSA de Lyon, MATEIS UMR CNRS 5510, Villeurbanne, France 3CSNSM, Université Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, Orsay, France

Main results

Experimental protocole

General Background

Observations - Conclusion

→ Lamella preparation using the Focused Ion Beam (FIB) technique

→ Observe the formation of ballistic damage induced by heavy ions (Au+)

irradiation

→ Observe the crystallographic orientation effects on the damage formation → Identify the amorphisation threshold (comparison with recent results of D.

Gosset et al.*)

Aim of the study

B4C structure

Sodium Fast Reactor

Acknowledgments The authors wish to thank the NEEDS Project for financial support and all the JANNuS-Orsay technical staff for their

assistance during the irradiation 1.3x1015at.cm-2(∼ 2 dpa)

3.5x1015at.cm-2(∼ 4 dpa)

4x1015at.cm-2(∼6 dpa)

Irradiation of lamella L2 (Bright field)

*Reference: D. Gosset et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. Sect. B, 365 (2015) 300-304

Generation IV Sodium Fast reactor (SFR)

Neutron absorber: Boron carbide B4C

Behavior under irradiation: role of ballistic and electronic damage

Lamella L1 EELS measurement

(lamella thickness t)

tL1∼ Small to 150 nm tL2∼ 80 nm

Crystallographic orientation analysis by TKD

SEM E-T SE imaging

Lamella L2

→ Distribution of the Z0sample direction with respect to crystal reference system → Each color corresponds to a different grain orientation

TEM in-situ observations performed on the grain

G (black circle EBSD) GL1: random orientation GL2: [1-210] // Au+beam

→ 1 MeV Au+ions at RT

→ Fluence: from 1x1013to 4x1015at.cm-2

Irradiation conditions simulated by SRIM:

1

3

2

Bright field image of the lamella L1 after irradiation 1.3x1015at.cm-2(∼ 2 dpa) Unirradiated (0 dpa) 1x1014at.cm-2(∼ 0.1 dpa) 2x1014at.cm-2(∼0.4 dpa) Damage formation: 0 to 2x1014at.cm-2: 0 to 0.4 dpa

Local curvature of the sample due to an important stress induced in the material

1

1x1015at.cm-2: ∼ 1.6 dpa

Growth of the « black dots » until observation of larger stress field of : → Dislocation loops ∼ 20 nm

3

1.2x1014at.cm-2 : ∼ 0.2 dpa

Appearance of « black dots »

2 2.5x1015 < φ < 4x1015at.cm-2 : 4 < x < 6 dpa Amorphisation threshold 4 Random orientation [1-210] Diffraction patterns:

- In the area observed in-situ under constant electron beam irradiation -1

- In a thick part of the lamella (∼ 150 nm) -2

- In a thin part of the lamella (< 100 nm) -3

0 50 100 150 200 250 300 350 400 Depth (nm) Au+ Rp 1,3x1014 at.cm-2 1x1015 at.cm-2 4x1015 at.cm-2 d p a Im p la n te d i o n s ( a .u .) 0 1 2 3 4 5 6 7 Rp = 190 ± 50 nm tL1< Rp tL2< Rp tL2 tL1 max Irradiation of lamella L1:

Damage (dpa) and Au+ions implantation profiles

No crystallographic orientation effect:

→ defects created homogeneously in the whole lamella, whatever the grain orientation

Effect of the electron beam :

→ Self-healing of the material under electron beam combined with the ballistic effect of the ion beam

Effect of the ion implantation:

→ Amorphisation at fluences 2-3x lower when presence of Au atoms:

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