Study of the thermal oxidation of titanium and zirconium under argon ion irradiation in the low MeV range (E ≤ 15 MeV)
Etude de l'oxydation thermique du titane et du zirconium sous irradiation aux ions d'argon dans le domaine du MeV (E ≤ 15 MeV)
Résumé
We have shown that argon ion irradiation between 1 and 15 MeV produces damage on both titanium and zirconium surfaces, taking the form of accelerated oxidation and/or craterization effects, varying as a function of the projectile energy and the annealing atmosphere (temperature and pressure) simulating the environmental conditions of the fuel/cladding interface of PWR fuel rods. Using AFM, we have shown that the titanium and zirconium surface is attacked under light argon ion bombardment at high temperature (up to 500°C) in weakly oxidizing medium (under rarefied dry air pressure ranging from 5,7 10-5 Pa to 5 10-3 Pa) for a fixed fluence of about 5 1014 ions.cm-2. We observed the formation of nanometric craters over the whole titanium surface irradiated between 2 and 9 MeV and the whole zirconium surface irradiated at 4 MeV, the characteristics of which vary depending on the temperature and the pressure. In the case of the Ar/Ti couple, the superficial damage efficiency increases when the projectile energy decreases from 9 to 2 MeV. Moreover, whereas the titanium surface seems to be transparent under the 15-MeV ion beam, the zirconium surface exhibits numerous micrometric craters surrounded by a wide halo. The crater characteristics (size and superficial density) differ significantly from that observed both in the low energy range (keV) where the energy losses are controlled by ballistic collisions (Sn) and in the high energy range (MeV - GeV) where the energy losses are controlled by electronic excitations (Se), which was not completely unexpected in this intermediate energy range for which combined Sn - Se stopping power effects are possibly foreseen. Using XPS associated to ionic sputtering, we have shown that there is an irradiation effect on thermal oxidation of titanium, enhanced under the argon ion beam between 2 and 9 MeV, and that there is also an energy effect on the oxide thickness and stoichiometry. The study conducted using Spectroscopic Ellipsometry on the oxide films grown between 1 and 9 MeV confirmed these results and showed precisely that there is an oxidation peak as a function of the argon ion energy, found maximum at 3 MeV under present experimental conditions. The oxygen gain measurements obtained by NBS confirm the presence of this oxidation peak. Until now, the results obtained by NBS concerning the thermal oxidation of zirconium under argon irradiation at 4 and 9 MeV confirm the previous works done by the 'Aval du Cycle Electronucléaire' group of the 'Institut de Physique Nucléaire de Lyon', and strongly suggest the existence of the oxidation peak in the same projectile energy range, as for titanium.
Nous avons montré que l'irradiation aux ions d'argon d'énergie comprise entre 1 et 15 MeV cause des dommages en surface du titane et du zirconium, qui prennent la forme d'une oxydation accélérée et/ou d'une cratérisation dont les effets évoluent en fonction de l'énergie du projectile et de l'atmosphère de recuit (température et pression), simulant les conditions environnementales représentatives de l'interface gaine/combustible d'un réacteur REP. Par AFM, nous avons montré que la surface du titane et du zirconium était attaquée par bombardement aux ions d'argon, à haute température (jusqu'à 500°C) en milieu faiblement oxydant (sous pression d'air sec raréfié comprise entre 5,7 10-5 Pa et 5 10-3 Pa) et à une dose moyenne fixée à environ 5 1014 ions.cm-2. On observe ainsi la formation de cratères nanométriques sur toute la surface du titane irradié entre 2 et 9 MeV et celle du zirconium irradié à 4 MeV, dont les caractéristiques varient en fonction de la température et de la pression. Dans le cas du couple Ar/Ti, l'efficacité d'endommagement superficiel augmente lorsque l'énergie du projectile diminue de 9 à 2 MeV. Par ailleurs, alors que la surface du titane apparaît transparente au faisceau d'ions à 15 MeV, celle du zirconium révèle de nombreux cratères micrométriques entourés d'un large halo sombre. Les caractéristiques des cratères (taille et densité superficielle) diffèrent de façon significative de celles observées à la fois dans le domaine des basses énergies (keV) où le dépôt d'énergie est contrôlé par les collisions balistiques (Sn) et dans le domaine des hautes énergies (MeV - GeV) où le dépôt d'énergie est contrôlé par les excitations électroniques (Se), ce qui n'était pas complètement inattendu dans le domaine d'énergie intermédiaire étudié, dans lequel des effets de pouvoir d'arrêt combiné Sn - Se sont envisageables. Par XPS couplé au décapage ionique, nous avons montré qu'il existe un effet d'irradiation sur l'oxydation thermique du titane, exacerbée sous faisceau d'ions d'argon entre 2 et 9 MeV, et qu'il existe aussi un effet d'énergie sur l'épaisseur et la stœchiométrie de l'oxyde. L'étude menée par Ellipsométrie Spectroscopique sur les films d'oxyde formés entre 1 et 9 MeV a corroboré ces résultats et montré précisément qu'il existe un pic d'oxydation en fonction de l'énergie d'ions d'argon, qui présente un maximum à 3 MeV, dans les conditions de l'expérience. Les mesures de gain d'oxygène effectuées par NBS confirment l'existence de ce pic d'oxydation. Les résultats acquis à ce jour par NBS concernant l'oxydation thermique du zirconium sous irradiation à l'argon de 4 et 9 MeV confirment les travaux antérieurs du groupe Aval du Cycle Electronucléaire de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et suggèrent fortement l'existence d'un pic d'oxydation dans la même plage d'énergie de projectile que pour le titane.
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