Surface energy anisotropy for the low-index crystal surfaces of the textured polycrystalline BCC tungsten: experimental and theoretical analysis

Summarizing the experimental and theoretical trends observed on the changes in surface microstructure and topography resulting from surface energy anisotropy for the low-index crystal surfaces of the polycrystalline bcc tungsten under sputtering is done. A brief summary of the most closely related work is included. The experimental results have been discussed in the framework of the various theoretical methods. Emphasis was placed on the problems which are existing up to now. It is shown that the absence of a common trend in the ordering of the (100), (110), and (111) surface energies amongst the various theoretical models is a problem yet to be satisfactorily discussed. It is shown experimentally that for polycrystalline textured tungsten (bcc metal), the order of the three low-index surface energies is γ(111) > γ(100) > γ(110).Проведено комплексний експериментальний та теоретичний аналізи закономірностей у зміненні мікроструктури і топографії низькоіндексних кристалографічних плоскостей полікристалічного ОЦК-вольфраму під впливом розпилення та пов’язаних з анізотропією його поверхневої енергії. Приведено короткий огляд найбільш близьких за тематикою робіт. Експериментальні результати обговорюються у рамках різноманітних теоретичних підходів. Акцент зроблено на проблемах, які не вирішені на цей час. Показано, що різноманітні сучасні теоретичні підходи дають різні значення поверхневої енергії для площин (100), (110) та (111) навіть за порядком порівняння, та ця проблема на цей час не має задовільного рішення. Експериментально показано, що для полікристалічного текстурованого вольфраму (ОЦК-метал) поверхневі енергії для трьох низькоіндексних площін мають такий порядок порівняння: γ(111) > γ(100) > γ(110).Проведены комплексный экспериментальный и теоретический анализы закономерностей в изменении микроструктуры и топографии низкоиндексных кристаллографических плоскостей поликристаллического ОЦК-вольфрама под влиянием распыления и связанных с анизотропией его поверхностной энергии. Приведен краткий обзор наиболее близких по теме работ. Экспериментальные результаты обсуждаются в рамках различных теоретических подходов. Акцент сделан на проблемах, нерешенных к настоящему времени. Показано, что различные современные теоретические подходы дают разные значения поверхностных энергий для плоскостей (100), (110) и (111) даже по порядку сравнения, и эта проблема на сегодняшний день не имеет удовлетворительного решения. Экспериментально показано, что для поликристаллического текстурированного вольфрама (ОЦК-металл) поверхностные энергии для трех низкоиндексных плоскостей имеют следующий порядок сравнения: γ(111) > γ(100) > γ(110)

Thermal grain boundary grooves formation in tungsten under recrystallization

Tungsten has been chosen as the main candidate for plasma facing components (PFCs) due to its superior properties under extreme operating conditions in future nuclear fusion reactors such as ITER and DEMO. One of the serious issues for PFCs is the high heat load during transient events and disruption in the reactor. Recrystallization and grain size growth in PFC materials are undesirable changes in the materials, since the microstructure developed after recrystallization exhibits a lower mechanical strength and an increased surface roughening. The current work was focused on careful investigation of the thermal grooving at grain boundaries (GB) in tungsten surface under recrystallization (W-rс). Topography of GB thermal grooves in W-rc is studied by atomic force microscopy (AFM). The peculiarities of its profile formation and the main factors which effect on the profile of GB grooving were determined. It is the purpose of this paper to point out these factors. The nature of GB grooving was determined.Завдяки своїм унікальним властивостям вольфрам є основним кандидатом для конструкційних елементів, які повернені до плазми, у таких перспективних реакторах, як ITER та DEMO. Однією з важливих проблем для таких елементів є високе термічне навантаження при перехідних процесах та зривах плазми в реакторі. Рекристалізація та зростання розміру зерна в матеріалах елементів, які повернені до плазми, є небажаними, оскільки мікроструктура, що формується при рекристалізації, дає більш низькі механічні властивості та підвищену шорсткість. Ця робота присвячена дослідженню формування термічних канавок на границях зерен у вольфрамі при рекристалізації (W-rc). Топографія канавок термічного травлення (КТТ) у W-rc вивчена за допомогою атомної силової мікроскопії. Визначені особливості формування КТТ та основні фактори, що впливають на їх профіль. Метою даної роботи було вияснення цих факторів. З’ясована природа термічних канавок травлення.Благодаря своим уникальным свойствам вольфрам является основным кандидатом для обращенных к плазме конструкционных элементов таких перспективных реакторов, как ITER и DEMO. Одной из серьезных проблем для таких элементов является высокая термическая нагрузка при переходных процессах и срывах плазмы в реакторе. Рекристаллизация и увеличение размера зерна в материалах, обращенных к плазме элементов, являются нежелательными, поскольку микроструктура, формирующаяся при рекристаллизации, дает более низкие механические свойства и увеличенную шероховатость. Настоящая работа посвящена исследованию формирования термических канавок на границах зерен в вольфраме при рекристаллизации (W-rc). Топография канавок термического травления (КТТ) в W-rc изучена с помощью атомной силовой микроскопии. Определены особенности формирования КТТ и основные факторы, влияющие на их профиль. Целью данной работы было исследование этих факторов. Установлена природа термических канавок травления

Effect of quasi-hydrostatic extrusion on microhardness in CuCrZr alloy

Effect of quasi-hydrostatic extrusion at liquid nitrogen (77 K) and room (300 K) temperatures on the microhardness in high-strength CuCrZr alloy has been investigated. It is shown that the combination of equalchannel angular compression (ECAP) and quasi-hydrostatic extrusion (QHE) allows raising microhardness of CuCrZr alloy especially in the case of the low-temperature (77 K) QHE treatment. PACS: 68.35.Ct, 81.05.Bx, 81.40.CdИсследовано влияние квазигидроэкструзии при температуре жидкого азота (77 K) и комнатной температуре (300 K) на микротвердость жаропрочного CuCrZr-сплава. Выявлено, что комбинация равноканального углового прессования (РКУП) и квазигидроэкструзии (КГЭ) приводит к увеличению микротвердости CuCrZr-сплава, особенно в случае низкотемпературной (77 K) КГЭ-обработки.Досліджено вплив квазігідроекструзії при температурі рідкого азоту (77 K) та кімнатній температурі (300 K) на мікротвердість жароміцного CuCrZr-сплаву. Визначено, що комбінація рівноканального кутового пресування (РККП) та квазігідроекструзії (КГЕ) призводить до підвищення мікротвердості CuCrZr-сплаву, особливо у випадку низькотемпературної (77 K) КГЕ-обробки

Modification of optical properties of tungsten exposed to low-energy, high flux deuterium plasma ions

Anomalous change of optical properties of recrystallized W caused by exposure to D plasma ions at sample temperature of ~535 K was studied by ellipsometry and reflectometry. There is a qualitative difference between the samples reflectivity values measured directly and calculated using ellipsometric data. A physical model of the phenomenon is suggested. It is shown that on the W surface exposed at ~535 К two processes take place 1) blistering and 2) modification of electron structure in the upper-most layer.Методами еліпсометрії та рефлектометрії виявлено аномальне змінення оптичних властивостей рекристалізованого W внаслідок бомбардування іонами D при температурі ~535 К. Існує принципова різниця між значеннями коефіцієнту відбиття, що отримано рефлектометрією та розраховано за даними еліпсометрії. Запропоновано фізичну модель виявленого ефекту. Показано, що на поверхні W, що опромінено при 535 К, мають місце два процеси: 1) блістерінг и 2) модифікація електронної структури поверхневого шару.Методами эллипсометрии и рефлектометрии обнаружено аномальное изменение оптических свойств рекристаллизованного W в результате бомбардировки ионами D при температуре ~535 К. Имеет место принципиальное отличие между значениями коэффициента отражения, измеренными рефлектометрией и рассчитанными по данным эллипсометрии. Предложена физическая модель обнаруженного эффекта. Показано, что на поверхности W, облученного при 535 К, имеют место два процесса: 1) блистеринг и 2) модификация электронной структуры поверхностного слоя

The prospect on the use of Be mirrors in a fusion reactor with Be first wall

Many methods of plasma diagnostics in a fusion reactor (FR) require the use of so called first mirrors (FM) disposed inside the vacuum vessel. One reason of FM degradation is the deposition on the FM surface of material eroded from the inner components subjected to most intensive plasma impact, i.e., deposition of beryllium in the case of experimental FR (ITER) with Be wall protection. Thus, in ITER only Be mirror can sustain its optical properties for long time and in the present paper results are presented of the simulation experiments on some ITER environment effects on FM made of Be. Namely, effects of bombardment by D ions on reflectance, R(λ), in the λ=220-650 nm range was studied as modelling the impact of charge exchange atoms. It was found that with high ion energy (600-1350 eV) the sharp drop of R(λ), 5-20 %, rising with decreasing wavelength of reflected light, was observed after ion fluence ~10¹⁸ions/cm². It was supposed that under deuterium ions the BeO surface film was transformed into the Be(OD)₂ film accompanying by changing the refraction and extinction indices of the film, as was registered by ellipsometry measurements. Effects of ion energy and ion fluence variation on R(λ) of Be mirrors are discussed in detail.Багато методів діагностики плазми в реакторі синтезу (РC) вимагають використання так званих перших дзеркал (ПД), розташованих у внутрішній частині вакуумної камери. Одна з причин деградації ПД - осадження на поверхні ПД матеріалу ерозії внутрішніх компонентів, що піддавались найбільш інтенсивній плазмовій дії, тобто, осадження берилiю у випадку експериментального РС (ІTER) із захистом стінки з Be. Таким чином, тільки в ІTERі дзеркало з Be може зберігати оптичні властивості протягом довгого часу, і в наведеній роботі представлені результати експериментів моделювання деяких ефектів середовища ІTER для ПД, виготовленого з Be. А саме, вплив бомбардування іонами D на коефіцієнт відображення, R(λ), у діапазоні λ=220–650 нм вивчався у рамках моделі ударного впливу атомів перезарядження. При високих енергіях іонів (600-1350 eВ) було виявлене різке зниження R(λ), 5-20 %, зростаюче при зменшенні довжини хвилі відбитого світла, яке спостерігалось після флюенса іонів ~10¹⁸ іонів/cм². Передбачалося, що під дією іонів дейтерію поверхнева плівка Be була перетворена на Be(OD)₂ плівку, що супроводжувалось зміною показників рефракції і экcтинкції плівки, як було зареєстровано вимірами эліпсометрії. Докладно обговорювалось вплив енергії іонів і варіацій флюенсу іонів на R(λ) Be дзеркала.Многие методы диагностики плазмы в реакторе синтеза (РC) требуют использования так называемых первых зеркал (ПЗ), расположенных во внутренней части вакуумной камеры. Одна из причин деградации ПЗ – осаждение на поверхности ПЗ материала эрозии внутренних компонент, подвергавшихcя наиболее интенсивному воздейcтвию плазмы, то есть, осаждение бериллия в экспериментальном РC (ITER) с защитой cтенки из Be. Таким образом, только в ITERе зеркало из Be может cохранять оптические свойства в течение долгого времени. В данной работе представлены результаты экспериментов моделирования некоторых эффектов влияния cpеды ITER на ПЗ, изготовленное из Be. А именно, влияние бомбардировки ионами D на коэффициент отражения, R(λ), в диапазоне λ=220-650 нм изучалоcь в рамках модели ударного воздействия атомов перезарядки. Пpи высоких энергиях ионов (600–1350 эВ) было обнаружено резкое снижение R(λ), 5-20%, возpаcтающее пpи уменьшении длины волны отраженного света, которое наблюдалоcь после воздействия флюенса ионов ~10¹⁸ ионов/cм². Предполагалось, что под дейcтвием ионов дейтерия поверхностная пленка BeO преобразовалась в Be(OD)₂ пленку, что сопровождалоcь изменением показателей рефракции и экcтинкции пленки, как было зарегистрировано измерениями эллипсометрии. Подробно обcуждалоcь влияние энергии ионов и вариаций флюенса ионов на R(λ) Be зеркала

Simulation of neutron influence on tungsten mirrors

The effect of neutron irradiation on behavior of optical characteristics for two types of tungsten mirrors was modeled. Preliminary irradiated rcW and WJ-IG mirrors with 20 MeV W⁶⁺ ions were used for experiments. Changes in the surface morphology and optical characteristics of the samples were investigated in the sputtering process.Изучалось влияние нейтронного облучения на поведение оптических свойств двух типов вольфрамовых зеркал rcW и WJ-IG. Зеркала предварительно облучались ионами W⁶⁺ с энергией 20 МэВ. В процессе распыления исследовались изменения морфологии поверхности и оптических характеристик образцов.Вивчався вплив нейтронного опромінення на поведінку оптичних властивостей двох типів вольфрамових дзеркал rcW та WJ-IG. Дзеркала попередньо були опромінені іонами W⁶⁺ з енергією 20 МеВ. Під час процесу розпилення досліджувалися зміни морфології поверхні та оптичних властивостей зразків

Origin of surface layer on common substrates for functional material films probed by ellipsometry

A multiple angle ellipsometric method is used to investigate thin film layers on common substrates (gadolinium gallium garnet-GGG, sapphire-Al₂O₃, and glass ceramic sitall) for functional material films. The method evaluates fundamental optical constants and thicknesses of the layers. Dielectric functions for the surface layers on such kind of plates have been determined. Coincidence up to the third decimal point in refractive index value (nf) was shown. Errors for the thickness of surface layer (df) is not more than 3 %. It is shown that the dielectric properties of microscopically rough layers of thickness ~10-45 nm can be accurately modeled in the homogeneous thin layer approximation. The thickness and origin of the surface layer on substrates are found out. Experimental data analysis allows to make some conclusions concerning the origin of this layer. It is a specific amorphous damaged layer that remains after taking out stressed surface layer via chemical polishing. The corrosion processes on glass ceramic seems to be very similar to those occurring on GGG and sapphire single crystals

Optical constants of surface layer on gadolinium gallium garnet: ellipsometric study

A multiple angle ellipsometric method is used for measurements of thin film layers on substrates. The method evaluates fundamental optical constants and thicknesses of the film layers. Dielectric functions of the surface layers on the gadolinium gallium garnet (GdGaG) substrate – commonly used substrate material for rare-earth ferrogarnets (ReFeG) films, have been determined. The thickness and origin of the surface layer on the GdGaG substrate was found out. It is shown that the dielectric properties of microscopically rough layers with thicknesses ~ of 20 to 35 nm can be accurately modeled in the homogeneous thin layer approximation, but not in the effective-medium one. The precision of data was confirmed by comparing different simulations. Agreement to the third decimal point for refraction index was shown. Errors for thicknesses were not more than 3%

The optical characteristics of contaminating films on Mo, SS and Cu mirror samples exposed in plasma devices

The optical methods with the use of in-vessel first mirrors (FMs) are expected to occupy an important place in the diagnostic complex of the future fusion reactor ITER. As the surface of FMs will be subjected to physical sputtering by high-energy D and T charge-exchange atoms, this can lead to a decline in the initial FM reflectance. The second factor of FM reflectance deterioration is the redeposition of contaminants on the mirror surface. In the paper, optical indices and thickness values of the films deposited on Mo and SS mirrors in the tokamak TRIAM-1M as well as on SS and Cu mirrors in the torsatron URAGAN-3M were studied by ellipsometry at the wavelength λ=632.8 nm. The spectral reflectance at normal incidence of light for all the samples was measured in the wavelength range λ=253–650 nm. The optical parameters of TRIAM-1M films were determined as the film was progressively removed by deuterium plasma ions in the stand DSM-2.Оптичні методи з використанням внутрікамерних перших дзеркал (ПЗ) будуть займати важливе місце в діагностичному комплексі майбутнього реактора синтезу ІTER. Тому що поверхня ПЗ буде піддаватися фізичному розпиленню високоенергетичними атомами перезарядження D і T, це може привести до зниження початкового коефіцієнта відбиття (КВ). Другим фактором погіршення КВ буде переосадження забруднювачів на поверхню дзеркала. Для плівок, осаджених на Mo і SS дзеркала в токамаку TRIAM-1M, а також на SS і Cu дзеркала в торсатроні УРАГАН-3M, методом eліпсометрії вивчалися товщини і константи на довжині хвилі λ=632.8 нм. Спектральний КВ усіх зразків при нормальному падінні світла був виміряний у діапазоні λ=253–650 нм. Оптичні параметри плівок із TRIAM-1M були визначені на стадіях поступового видалення плівки іонами дейтерієвої плазми в стенді ДСМ-2.Оптические методы с использованием внутрикамерных первых зеркал (ПЗ) будут занимать важное место в диагностическом комплексе будущего реактора синтеза ITER. Так как поверхность ПЗ будет подвергаться физическому распылению высокоэнергетическим D и T атомами перезарядки, это может привести к снижению исходного коэффициента отражения (КО). Вторым фактором ухудшения КО будет переосаждение загрязнителей на поверхность зеркала. Для пленок, осажденных на Mo и SS зеркала в токамаке TRIAM-1M, а также на SS и Cu зеркала в торсатроне УРАГАН-3M методом эллипсометрии изучались толщины и константы на длине волны λ=632.8 нм. Спектральный КО всех образцов при нормальном падении света был измерен в диапазоне λ=253–650 нм. Оптические параметры пленок из TRIAM-1M были определены на стадиях постепенного удаления пленки ионами дейтериевой плазмы в стенде ДСМ-2