Directional effects in albedo and angular distributions of relativistic electrons reflected from single crystals at grazing incidence

Using the computer experiment methods directional effects of relativistic electrons’ coherent reflection from crystal surface at glancing incidence were studied in conditions when it is due to multiple transversal scattering of particles by atomic chains (axial surface channeling). Directional dependencies of backscattering coefficients, ranges and depths of reflected electrons’ penetration in crystal and their angular distributions have been calculated. It has allowed to elicit the directional effects of strings that lead to reflection at grazing angles close to the beam incident angle with respect to atomic chain as well as kinetic effects of surface plane that result in specular reflection and dominate at large beam misalignments with respect to low-index crystallographic directions.Методами комп'ютерного експерименту досліджені орієнтаційні ефекти у когерентному відбитті релятивістських електронів від поверхні кристалів за умов ковзного падіння та аксіального поверхневого каналювання, коли відбиття визначається азимутальним багаторазовим розсіюванням частинок на атомних ланцюжках. Розраховані орієнтаційні залежності коефіцієнтів відбиття, довжин пробігу, глибин проникнення у кристал та кутових розподілів зворотно розсіяних частинок. Їх аналіз дозволив виявити орієнтаційні ефекти ланцюжків, що ведуть до відбиття під ковзними кутами, близькими до кута орієнтації вісі пучка до напрямку атомного ланцюжка, та кінетично обумовлені ефекти площини, що призводять до дзеркального відбиття та домінують за великих азимутальних разорієнтацій пучка до низькоіндексних кристалографічних напрямків.Методами компьютерного эксперимента исследованы ориентационные эффекты в когерентном отражении релятивистских электронов от поверхности кристаллов при скользящем падении в условиях аксиального поверхностного каналирования, когда отражение определяется азимутальным многократным рассеянием частиц на атомных цепочках. Рассчитаны ориентационные зависимости коэффициентов отражения, длин пробега, глубин проникновения в кристалл и угловых распределений обратно рассеянных частиц. Их анализ позволил выявить ориентационные эффекты цепочек, проявляющиеся в отражении под углами скольжения, близкими к углу ориентации оси пучка к направлению атомной цепочки, и кинетически обусловленные эффекты плоскости, приводящие к зеркальному отражению и доминирующие при больших азимутальных разориентациях пучка к низкоиндексным кристаллографическим направлениям

Effect of heterogeneity of subjects of industrial irradiation processes on spatial distributions of absorbed doses upon electron beam, X-ray and gamma irradiation

By means of Monte Carlo computer modeling the effects of heterogeneity and spatial arrangement of irradiated disposable syringes on the absorbed dose deposition profiles has been studied for different kinds of irradiation. Substantial deviations from the predictions of conventional approximation of homogenized medium have been found for electron beam irradiation. The dependencies of irradiation process parameters on the orientation and the regularity/stochasticity of the product loading pattern, the variations of dose accumulation in component parts of a syringe and the non-equilibrium dose effects on the internal surface of a syringe needle have been investigated.Шляхом моделювання методом Монте-Карло вивчено вплив гетерогенності та просторового розташування одноразових шприців під опроміненням на профілі поглиненої дози за різних видів опромінення. Для електронного опромінювання знайдені суттєві відхилення від передбачень звичайного наближення гомогенізованого середовища. Виявлені залежності технологічних параметрів опромінювання від орієнтації та регулярності/стохастичності розташування шприців під опроміненням, різниці в накопиченні дози у різних деталях шприцу та нерівноважні дозові ефекти на внутрішній поверхні його голки.Путем моделирования методом Монте-Карло изучено влияние гетерогенности и пространственного размещения облучаемых одноразовых шприцов на профили поглощенной дозы при различных видах облучения. Для электронного облучения обнаружены существенные отклонения от предсказаний обычного приближения гомогенизированной среды. Выявлены зависимости технологических параметров облучения от ориентации и регулярности/стохастичности расположения шприцов под облучением, различия в накоплении дозы в различных деталях шприца и неравновесные дозовые эффекты на внутренней поверхности его иглы

Multiscale modeling of the low-temperature electron irradiation of beryllium

Presented are the methodology and the results of the multiscale modeling of radiation defects primary production and time evolution for 2.5 MeV cryogenic (77 K) irradiation of highly deformed to ~ 10¹² cm⁻² dislocations density beryllium at the NSC KIPT electron linac ELIAS. It is shown that the application of low-temperature e⁻-irradiation of prestrained targets allows efficient suppression of vacancy-interstitial recombination due to escape of freely mi-grating self-interstitial atoms to dislocation sinks and results in abnormally high (~ 10⁻³ per atom) vacancy yield comparable with that of primarily produced Frenkel pairs at a reasonable (≤10³h)e⁻-beam exposure.Представлено методологію та результати багатомасштабного моделювання первинної продукції та еволюції у часі радіаційних дефектів за криогенного (77 К) опромінення сильнодеформованого до густини дислокацій ~10¹² cм⁻² берилію на електронному лінаці ELIAS ННЦ ХФТІ. Показано, що застосування низькотемпературного електронного опромінення попередньо напружених мішеней дозволяє ефективно пригнічувати рекомбінацію пар Френкеля через витік вільно мігруючих власних міжвузельних атомів до дислокаційних стоків і призводить до аномально високих (~10⁻³ на атом) концентрацій вакансій, які добре порівнянні з концентраціями первинних пар Френкеля за прийнятної (≤10³ год) тривалості електронного опромінення.Представлены методология и результаты многомасштабного моделирования первичной генерации и временной эволюции радиационных дефектов при криогенном (77 К) облучении сильнодеформированного до плотности дислокаций ~ 10¹² cм⁻² бериллия на электронном линаке ELIAS ННЦ ХФТИ. Показано, что применение низкотемпературного облучения предварительно напряженных мишеней позволяет эффективно подавлять рекомбинацию пар Френкеля за счет ухода свободно мигрирующих собственных межузельных атомов на дислокационные стоки и приводит к аномально высоким (~ 10⁻³ на атом) выходам вакансий, сопоставимых с концентрациями первичных пар Френкеля при разумной (≤10³ ч) длительности e⁻-облучения

Multiscale modeling of the low-temperature electron irradiation of beryllium

Presented are the methodology and the results of the multiscale modeling of radiation defects primary production and time evolution for 2.5 MeV cryogenic (77 K) irradiation of highly deformed to ~ 10¹² cm⁻² dislocations density beryllium at the NSC KIPT electron linac ELIAS. It is shown that the application of low-temperature e⁻-irradiation of prestrained targets allows efficient suppression of vacancy-interstitial recombination due to escape of freely mi-grating self-interstitial atoms to dislocation sinks and results in abnormally high (~ 10⁻³ per atom) vacancy yield comparable with that of primarily produced Frenkel pairs at a reasonable (≤10³h)e⁻-beam exposure.Представлено методологію та результати багатомасштабного моделювання первинної продукції та еволюції у часі радіаційних дефектів за криогенного (77 К) опромінення сильнодеформованого до густини дислокацій ~10¹² cм⁻² берилію на електронному лінаці ELIAS ННЦ ХФТІ. Показано, що застосування низькотемпературного електронного опромінення попередньо напружених мішеней дозволяє ефективно пригнічувати рекомбінацію пар Френкеля через витік вільно мігруючих власних міжвузельних атомів до дислокаційних стоків і призводить до аномально високих (~10⁻³ на атом) концентрацій вакансій, які добре порівнянні з концентраціями первинних пар Френкеля за прийнятної (≤10³ год) тривалості електронного опромінення.Представлены методология и результаты многомасштабного моделирования первичной генерации и временной эволюции радиационных дефектов при криогенном (77 К) облучении сильнодеформированного до плотности дислокаций ~ 10¹² cм⁻² бериллия на электронном линаке ELIAS ННЦ ХФТИ. Показано, что применение низкотемпературного облучения предварительно напряженных мишеней позволяет эффективно подавлять рекомбинацию пар Френкеля за счет ухода свободно мигрирующих собственных межузельных атомов на дислокационные стоки и приводит к аномально высоким (~ 10⁻³ на атом) выходам вакансий, сопоставимых с концентрациями первичных пар Френкеля при разумной (≤10³ ч) длительности e⁻-облучения

Enhanced phenomenological models of ion channeling contribution to doping profiles in crystals

New phenomenological models are proposed to describe the effect of an ordered lattice structure of crystalline targets on the as-implanted doping profiles of low-energy heavy ions. The models account for the channeling kinetics and clarify the effect of bi-directional transitions of ions between random-like and channeled modes of motion on the target depth dependencies of dopant concentration. They also incorporate a simple model of the target radiation damaging effect on doping profiles. The presented results of model validation against the experimental and Monte Carlo computer simulation data and the comparative analysis of the capabilities of the proposed and the existing models show that the application of a more physically grounded approach allows us to improve the quality of doping profile description. The theoretical models developed are useful for obtaining physical parameters of low-energy ion channeling kinetics from the experimental data.Запропоновано новi феноменологiчнi моделi опису впливу впорядкованої структури кристалiчної ґратки мiшеней на профiлi iмплантацiї низькоенергетичних важких iонiв. Моделi враховують кiнетику каналювання та проясняють вплив двобiчних переходiв iонiв мiж хаотичним та канальованим режимами руху на залежностi концентрацiї домiшки вiд глибини занурення у мiшень. Вони також мiстять в собi просту модель впливу радiацiйного пошкодження мiшенi на профiлi занурення. Представленi результати верифiкацiї моделей на експериментальних даних та даних комп’ютерного моделювання методом Монте-Карло поруч iз порiвняльним аналiзом можливостей запропонованих та iснуючих моделей показали, що застосування бiльш фiзично обґрунтованого пiдходу дозволяє покращити опис профiлiв iмплантацiї. Використовуючи запропонованi теоретичнi моделi, можна одержати з аналiзу експериментальних даних фiзичнi параметри кiнетики каналювання iонiв низьких енергiй

Electron beam transport and energy deposition in heterogeneous assemblies of the hastelloy samples embedded into the molten fluorides mix

By means of the Monte Carlo computer modeling technique the depth dependencies of energy deposition and concentration of radiation induced point defects have been calculated in heterogeneous assemblies of Hastelloy plates embedded into the melt of fluoride salts and irradiated by 8–10 MeV electron beams. For assemblies of various designs the beam penetration depth dependencies of energy spectra, angular distributions and energy fluxes of electrons and secondary gamma quanta had been studied in great details. As a result of these investigations the optimization of the target assembly design for the imitating experiment at the LUE-10 linac has been accomplished. It has been shown that for the optimized target ampoule design at the experimental conditions (700 hrs long 10 MeV electron irradiation) different surfaces of the Hastelloy plates contacting with molten fluorides are characterized by substantially different values of specific energy deposition (from ~5 keV/atom down to ~60 eV/atom) arising from inelastic ionization energy losses of primary and secondary charged particles. The concentration of point defects produced in elastic collisions of charged particles with target atoms decreases by ~500 times along the assembly thickness. Therefore the single imitating experiment opens up the possibility to study the radiation and corrosion stability of Hastelloy irradiated in the molten fluorides medium in a wide range of doses of electron beam energy deposition and radiation damage of alloy.Шляхом математичного моделювання методом Монте-Карло розраховані профілі енерговиділення та концентрацій точкових дефектів, що утворюються в гетерогенних збірках тонких платівок сплаву хастелой, занурених у розплав фторидних солей, під опроміненням пучками електронів с енергіями 8…10 МеВ. Детально досліджена еволюція енергетичних спектрів, кутових розподілів та густин потоку енергії електронів та вторинних гамма-квантів з глибиною проникнення пучка у збірки різних конструкцій. На цій основі виконана оптимізація конструкції збірки-мішені для імітаційного експерименту на електроннім прискорювачі ЛПЕ-10. Показано, що для оптимізованої конструкції ампули мішені за умов експерименту (700-годинне опромінювання електронами з енергією 10 МеВ) на різних поверхнях платівок хастелою, що контактують з розплавом, досягаються суттєво різні значення питомого енерговиділення (від ~5 кеВ/атом до ~60 еВ/атом), пов’язаного з непружними іонізаційними втратами енергії первинних та вторинних заряджених частинок. Концентрації точкових дефектів, що утворюються у пружних зіткненнях заряджених частинок з атомами, на товщині збірки спадають приблизно у 500 разів. Таким чином, єдиний імітаційний експеримент відкриває можливість дослідити радіаційну та корозійну стійкість хастелою, опроміненого у середовищі розплавлених фторидів, в широкому інтервалі доз енерговиділення електронного пучка та радіаційного пошкодження сплаву.Путем математического моделирования методом Монте-Карло рассчитаны профили энерговыделения и концентраций образуемых точечных дефектов в гетерогенных сборках тонких пластинок сплава хастеллой, погруженных в расплав фторидных солей, под облучением пучками электронов с энергиями 8…10 МэВ. Детально исследована эволюция энергетических спектров, угловых распределений и плотностей потока энергии электронов и вторичных гамма-квантов по глубине проникновения пучка в сборки различных конструкций. На этой основе выполнена оптимизация конструкции сборки-мишени для имитационного эксперимента на электронном ускорителе ЛУЭ-10. Показано, что для оптимизированной конструкции ампулы мишени в условиях эксперимента (700-часовое облучение электронами с энергией 10 МэВ) на различных поверхностях пластинок хастеллоя, контактирующих с расплавом, достигаются существенно различные значения удельного энерговыделения (от ~5 кэВ/атом до ~60 эВ/атом), связанного с неупругими ионизационными потерями энергии первичных и вторичных заряженных частиц. Концентрации точечных дефектов, образуемых в упругих столкновениях заряженных частиц с атомами, на толщине сборки спадают приблизительно в 500 раз. Таким образом, единственный имитационный эксперимент открывает возможность исследовать радиационную и коррозионную стойкость хастеллоя, облученного в среде расплавленных фторидов, в широком интервале доз энерговыделения электронного пучка и радиационного повреждения сплава

Modeling of kinetics of macrochanneling of fast electrons and ions in planar gap collimators

Using the novel method of macroscopic computer simulation of the reflection of charged particles from solid surfaces at grazing incidence the kinetics of planar macrochanneling, the directed transport of particles between surfaces separated by macroscopic distance, has been studied for swift electrons and ions. The dechanneling functions at macrochanneling have been calculated for the first time. The modeling of angular distributions of particles has confirmed the effect of beam angular splitting at the exit of macrochannel. The method of the taking into account of surface atomic discreteness at modeling of coherent effects of ion planar semichanneling has been developed. It has been shown that due to stochastic effects of particles reflection the macrochanneling of electrons in long channels is actually reduced to the effects of beam collimation while for ions the coherent effect allows to stabilize the macrochanneling and to achieve the beam transportation at long distances without considerable losses of intensity.Оригінальним методом макроскопічного математичного моделювання відбиття заряджених частинок від поверхні твердого тіла досліджена кінетика площинного макроканалювання швидких електронів та іонів — орієнтованого транспорту частинок між поверхнями, розділеними макроскопічною відстанню. Вперше розраховані функції деканалювання частинок при макроканалюванні. Моделювання кутових розподілів підтвердило існування ефекту розділення потоків частинок. Розроблено метод урахування атомної дискретності поверхні в моделюванні когерентних ефектів площинного напівканалювання іонів. Показано, що з-за стохастичності процесу відбиття макроканалювання електронів в каналах великої довжини ефективно визначається механізмами колімації пучка, тоді як для іонів когерентний ефект дозволяє стабілізувати макроканалювання та досягти транспортування та розділення пучка на великих відстанях без значних втрат інтенсивності.Оригинальным методом макроскопического математического моделирования отражения заряженных частиц от поверхности твердого тела исследована кинетика плоскостного макроканалирования быстрых электронов и ионов — ориентированного транспорта частиц между поверхностями, разделенными макроскопическим расстоянием. Впервые рассчитаны функции деканалирования частиц при макроканалировании. Моделирование угловых распределений подтвердило существование эффекта разделения потоков частиц. Разработан метод учета атомной дискретности поверхности при моделировании когерентных эффектов плоскостного полуканалирования ионов. Показано, что ввиду стохастичности процесса отражения макроканалирование электронов в каналах большой длины эффективно определяется механизмами коллимации пучка, тогда как для ионов когерентный эффект позволяет стабилизировать макроканалирование и достичь транспортировки и разделения пучка на больших расстояниях без существенных потерь интенсивности

Electron irradiation, temperature, and stress effect on corrosion of Zr-, Ni-Cr-, and Fe-Cr-based alloys in the vicinity of the water coolant supercritical transition

Quantitative regularities of the Zr-1%Nb alloy, Ni-Cr alloy 690 and Fr-Cr stainless steel (SS) 12X18H10T corrosion in the near-critical domain (23.5 MPa, 360…380 °C) of a circulating water coolant are searched using multiscale calculations of the NSC KIPT Super-Critical Water (SCW) Convection Loop experiment e-irradiation environment qualifiers. The per-sample quantification of irradiation doses, temperatures, stress, and the radiolytically altered coolant chemistry was obtained. A bi-linear increase of the oxidized coupons weight gain with absorbed dose and corrodent temperature has been first revealed and described within the proposed mechanistic model approach. The origin of the experimentally found corrosion cracking of the SS sample has been attributed to the irradiation induced thermal-elastic hoop stress. The cracks activation threshold stress is predicted to lie between 40 and 80 MPa. An experimental technique to study the controlled stress governed corrosion in SCW under irradiation is presented.Кількісні закономірності корозії сплаву Zr-1%Nb, Ni-Cr-сплаву 690 й нержавіючої сталі 12X18H10T у білякритичному (23,5 МПа, 360…380 °C) водному теплоносії, що циркулює, розшукуються за допомогою багатомасштабних розрахунків показників радіаційного оточення експерименту на надкритичній водній конвекційній петлі ННЦ ХФТІ під опроміненням електронами. Кожний із зразків кількісно охарактеризований за дозою опромінення, температурою, напругою та радіолітично зміненим складом оточуючого теплоносія. Вперше виявлені й описані в межах запропонованого механістичного модельного підходу білінійні збільшення приросту маси окислених зразків з поглиненою дозою опромінення та температурою корозійного агента. Походження спостереженого в експерименті корозійного розтріскування стального зразка пояснене викликаною опроміненням термопружною окружною напругою та передбачено, що нижня гранична напруга активації розтріскування лежить поміж 40 і 80 МПа. Представлена експериментальна методика дослідження керованої контрольованою напругою корозії в надкритичній воді під опроміненням.Количественные закономерности коррозии сплава Zr-1%Nb, Ni-Cr-сплава 690 и нержавеющей стали 12X18H10T в околокритическом (23,5 МПа, 360…380 °C) циркулирующем водном теплоносителе разыскиваются с помощью многомасштабных расчетов показателей радиационного окружения эксперимента на cверхкритической водной конвекционной петле ННЦ ХФТИ под облучением электронами. Каждый из образцов количественно охарактеризован по дозе облучения, температуре, напряжению и измененным вследствие радиолиза химическим составом окружающего теплоносителя. Впервые выявлены и описаны в рамках предложенного механистичного модельного подхода билинейные увеличения прироста массы окисленных образцов с поглощенной дозой облучения и температурой коррозионного агента. Происхождение наблюденного в эксперименте коррозионного растрескивания стального образца объяснено вызванным облучением термоупругим окружным напряжением. Предсказано, что пороговое напряжение активации растрескивания лежит в пределах 40…80 МПа. Представлена экспериментальная методика исследования управляемой контролируемым напряжением коррозии в сверхкритической воде под облучением

Computational dosimetry and post-irradiation studies of the electron beam irradiation-assisted corrosion and stress corrosion cracking of statically strained steel samples in a supercritical water coolant

New experimental data on the corrosion behavior of the 12X18H10T austenitic steel elastically strained cou-pons after 500 h long exposure in situ the NSC KIPT “Electron Irradiation Test Facility” supercritical water circulation loop are presented and discussed. The γ-activation analysis based computational dosimetry of samples is correlated to their weight gain/loss measurement data. The absorbed dose and stress effect on their irradiation assisted general corrosion is revealed. The corrosion surface/layer chemistry/microstructure are discussed with special emphasis of the irradiation/stress impact on the protective coating stability, intergranular corrosion and precursors of cracking.Наведені та обговорюються нові експериментальні дані щодо корозійної поведінки пружно деформованих купонів аустенітної сталі 12X18H10T після 500-годинної експозиції in situ надкритичної водної конвекційної петлі установки «Electron Irradiation Test Facility» ННЦ ХФТІ. Засновані на γ-активаційному аналізі дані обчислювальної дозиметрії зразків зіставлені з даними вимірів набуття або втрати їх маси. Виявлений вплив поглиненої дози та напруги на їх стимульовану опроміненням загальну корозію. Склад та мікроструктура корозійної поверхні та шару обговорюються з особливою увагою до впливу опромінення й напруги на стабільність захисного покриття, міжзеренну корозію та передвісники розтріскування.Приведены и обсуждаются новые экспериментальные данные по коррозионному поведению упруго-деформированных купонов аустенитной стали 12X18H10T после 500-часовой экспозиции in situ сверхкритической водной конвекционной петли установки «Electron Irradiation Test Facility» ННЦ ХФТИ. Основанные на γ-активационном анализе данные вычислительной дозиметрии образцов сопоставлены с данными измерений набора или потери ими массы. Выявлено влияние поглощенной дозы и напряжения на их стимулированную облучением общую коррозию. Состав и микроструктура коррозионной поверхности и слоя обсуждаются с особым вниманием к влиянию облучения и напряжения на стабильность защитного покрытия, межзеренную коррозию и предвестники растрескивания

The cell for electron irradiation of stressed steel samples in a supercritical water flow for corrosion evaluation

To study experimentally the stress enhanced corrosion of structural materials in a water coolant flow under electron irradiation, a novel design of the target irradiation cell was developed. The stress application scheme is described and the stress-strain state of samples is calculated. Hydraulic resistance of the stainless steel 12X18H10T samples loaded cell has been measured at a dedicated facility and is discussed in terms of hydraulic and hydrodynamic models. System Thermal Hydraulics calculations have shown the device capability to operate efficiently in a natural convection driven Supercritical Water Circulation Loop.З метою експериментального вивчення посиленої корозії конструкційних матеріалів у потоці водного теплоносія під опроміненням електронами розроблена нова конструкція мішеневої камери. Описана схема прикладання напруги та розрахований пружно-деформований стан зразків. Гідравлічний опір камери зі зразками з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т був виміряний на спеціальній установці й обговорювався з точки зору гідравлічних та гідродинамічних моделей. Термогідравлічні розрахунки продемонстрували спроможність пристрою ефективно функціонувати в надкритичній водній циркуляційній петлі з природною конвекцією.С целью экспериментального изучения усиленной коррозии конструкционных материалов в потоке водного теплоносителя под облучением электронами разработана новая конструкция мишенной камеры. Описана схема приложения напряжений и рассчитано напряженно-деформированное состояние образцов. Гидравлическое сопротивление камеры с образцами из нержавеющей стали 12Х18Н10Т было измерено на специальной установке и обсуждалось с точки зрения гидравлических и гидродинамических моделей. Термогидравлические расчеты продемонстрировали способность устройства эффективно функционировать в сверхкритической водной циркуляционной петле с естественной конвекцией