Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schädigung und Aktivierung von reinem Eisen unter Bestrahlung mit höherenergetischen leichten Ionen

In diesem Bericht wird mit experimentellen und theoretischen Ansätzen untersucht, inwiefern Leichtionenbestrahlungen zur Simulation von Verlagerungsschädigung durch Fusions-neutronenbestrahlung anwendbar sind. Dazu wurde die Produktion von primären Rückstoßkernen (PKA) und die Verlagerung von Gitteratomen (DPA) unter Protonen- und Alphateilchenbestrahlung in reinem Eisen betrachtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den durch Kernreaktionen induzierten nichtelastischen Prozessen, welche zum ersten Mal quantitativ untersucht werden konnten. Der Verlauf eines nichtelastischen PKA-Spektrums kann durch die Anregungsfunktionen der auftretenden Kernreaktionen und durch die Rückstoßreichweiten der Restkerne charakterisiert werden.
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In diesem Rahmen wurden die Anregungsfunktionen der Protonen- und Alphateilchen-induzierten Kernreaktionen, die auf die langlebigen Nuklide von 57Ni bis 47Sc führen, experimentell gemessen. Die kurzlebigen Nuklide wie 53Feg, 53Fem, 52Mnm und 52V konnten zum ersten Mal untersucht werden. Die mittleren Rückstoßreichweiten der nichtelastisch erzeugten Rückstoßkerne wurden mit der selben Meßanordnung erhalten. Zur theoretischen Bestimmung des nichtelastischen PKA-Spektrums wurden Kern- und Reichweitenmodelle verwendet.
Ein Vergleich der experimentellen und theoretischen Daten zeigt, daß bei den meisten Anregungsfunktionen eine sehr gute Übereinstimmung und bei den mittleren Rückstoßreichweiten eine ausreichend gute Übereinstimmung vorhanden ist. Die Auswertung der Leichtionen-induzierten PKA-Spektren ergibt, daß die elastischen PKA einen großen Beitrag bei geringen Energien leisten, während die nichtelastischen PKA einen deutlichen Beitrag bei Energien oberhalb von 0,1 MeV zeigen. Der nichtelastische Beitrag nimmt mit steigender Projektilenergie zu. Der Vergleich der PKA-Spektren zwischen Leichtionen und Fusionsneutronen zeigt, daß mit 20 MeV Protonen die beste Simulation der Fusionsneutronen erreicht wird. Bei den -Teilchen wird jedoch ein zu großer hochenergetischer Anteil erzeugt, der zu viele Kaskaden und Subkaskaden produziert. Allgemein betrachtet zeigt sich, daß Leichtionen viel besser zur Simulation von Fusionsneutronen geeignet sind, als bisher angenommen wurde. Die Analyse der DPA-Produktion führt auf einen zusätzlichen nichtelastischen Anteil gemessen an der Gesamtproduktion bei Protonen von ca. 30 % und bei -Teilchen von ca. 20 %. Dies bedeutet für bisherige DPA-Berechnungen in Simulationsexperimenten, daß die Leichtionen-induzierten DPA-Werte um ca. 20 - 30 % erhöht werden müssen, wenn der nichtelastische Anteil berücksichtigt wird.
Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit wurde das Computerprogramm LINDA (Light Ion Induced Non-elastic Damage and Activation) entwickelt. Dieses Programm kann dazu verwendet werden, die Aktivierung und die nichtelastsiche Verlagerungsschädigung von reinem Eisen in Abhängigkeit von der Eindringtiefe für typische Leichtionen-simulationsexperimente zu berechnen.

Theoretical and Experimental Investigations of the Damage and Activation of Pure Iron under Irradiation with Energetic Light Ions
In this report the applicability of light ion simulation irradiations with respect to the displacement damage under fusion neutron irradiation is investigated by theoretical and experimental activities. The production of primary knock-on atoms (PKA) and the displacement of lattice atoms (DPA) under proton and a-particle irradiation is considered in pure iron. The main focus is put on the effect of the non-elastic processes which are characterized by nuclear reactions and taken into account quantitatively for the first time. ... mehrThe profiles of the non-elastic PKA spectra can be characterized by the excitation functions of the corresponding nuclear reactions and by the mean recoil ranges of the residue nuclides.
In this framework the excitation functions of proton- and a-particle-induced nuclear reactions leading to the long-lived nuclides from 57Ni to 47Sc are measured. The short-lived nuclides 53Feg, 53Fem, 52Mnm and 52V are investigated for the first time. The mean recoil ranges of the non-elastic PKA are experimentally determined by the same method. Based on theoretical calculations with nuclear and range models, non-elastic PKA spectra are obtained for all open reaction channels.
A comparison of experimental and theoretical data shows for the excitation functions a very good agreement and for the mean recoil ranges a reasonably good agreement. The analysis of the light ion-induced PKA spectra shows that the elastic PKA cause a broad contribution at low PKA energies while the non-elastic PKA provide a clear contribution at PKA energies higher than 0.1 MeV. The non-elastic fraction becomes more important for higher projectile energies. The comparison of the PKA-spectra between light ions and fusion neutrons shows, that 20 MeV protons are most suitable for simulation of fusion neutrons. The -particles show however a high-energy tail which is too broad causing too much cascade and subcascade formation. Generally it is shown that the light ion-induced displacement damage is much more suitable for simulating fusion neutron induced displacement damage than previously believed. The analysis of the DPA-production shows that the additional non-elastic contribution to the total atomic displacements for high energetic protons and a-particles is 30 % and 20 %, respectively. This means, that previously used DPA can be enhanced by 20 % to 30 % and former light ion simulation experiments might be reevaluated with respect to non-elastic displacement damage.
The investigations result in the computer code LINDA (Light Ion Induced Non-elastic Damage and Activation). With this code a quick calculation of the activation and the non-elastic displacement damage in pure iron as function of the penetration depth for typical light ion simulation irradiation experiments is possible.