Radiation damage studies of bulk metallic glass materials under proton irradiation and radioprotection studies for METU-DBL

Abstract

Radyasyon çevreleri için uygun malzeme seçimi görevlerin sürdürülebilirliği için kritiktir. Aday malzemeler için radyasyon testlerinin bu çevrelerde kullanılmadan önce yapılması gereklidir. Nükleer reaktörler için sıklıkla nötron ve ağır iyon testleri yapılırken, uzay uygulamalarında baskın radyasyon türü olduğu için proton testleri gereklidir. Radyasyon çevrelerinde genellikle kristal malzemeler kullanılmakta ancak yeni malzeme arayışı sürmektedir. Yeni jenerasyon malzemelerden biri de iri hacimli metalik camlardır. Bu malzemeler üstün fiziksel, kimyasal, mekanik ve manyetik özelliklerinden dolayı kristal benzerlerine göre oldukça ilgi çekmiştir. Özellikle demir bazlı metalik camlar, yüksek dayanım, sertlik ve iyi korozyon dayanımlarından dolayı bu çevreler için yüksek potensiyele sahiptirler. Literatürde çoğunlukla bu malzemeler için nötron ve ağır iyon testleri bulunmaktadır. Bu çalışmada demir bazlı iri hacimli metalik camlar için proton testleri yapıldı ve proton radyasyonunun bu malzemeler üzerindeki etkileri çalışıldı. Bu malzemeler ark eritme ve bakır kalıp dökmede silindir formunda üretilmiştir ve 3 mm çapında yaklaşık 10 mm uzunluğundadırlar. Ek olarak, paslanmaz çelik 304 ve 316'da ticari olarak sağlanmış ve 30 MeV protonlarla test edilmiştir. Radyasyonun malzemeler üzerindeki etkilerini inceleyebilmek için, yapısal, termal, mekanik ve manyetik karakterizasyon teknikleri uygulanmıştır. Türkiye'de ilk kez yapılan bu testler, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu (TAEK) SANAEM Proton Hızlandırıcı Tesisi'nde (PHT) kurulan ODTÜ- Saçılmalı Demet Hattı'nda (SDH) yürütülmüştür. Bu tesis, 15-30 MeV enerjiye sahip ve 10^5 - 10^11 p/cm^2/s akı aralığındaki protonları kullanarak elektronikleri test etmektedir. Ayrıca, radyoizotop üretimi ve ODTÜ-SDH'nin hassas elektronik bileşenleri için radyasyondan koruma çalışmaları burada sunulmuştur. Işınlanan malzemeler için yapılan karakterizasyon çalışmalarında, hem iri hacimli metalik camlarda hem de paslanmaz çeliklerde noktasal kusurların oluştuğu görülmektedir. Numunelerde herhangi bir yüzey hasarı veya yeni bir faz oluşumu gözlenmedi. Işınlamadan sonra numunelerde noktasal kusurlar gözlemlendi.

Suitable material selection is critical for the sustainability of missions in radiation environments. Radiation tests are required for candidate materials before being used in these environments. While neutron and heavy ion tests are often performed on materials intended for the nuclear reactors, proton tests are necessary for space applications due to them being the dominant radiation. Generally, crystalline materials are used in radiation environments but, new material search is ongoing. One of such new generation is bulk metallic glasses (BMGs). They have received much attention due to their superior physical, chemical, mechanical and magnetic properties compared to their crystalline counterparts. Especially, new generations of Fe-based BMGs have great potential for these environments due to high strength and hardness as well as good corrosion resistance. Mostly neutron and heavy ions tests exist in literature. Here, proton tests for these materials were performed and the effects of proton irradiation on Fe-based BMGs for space radiation were studied. Fe-based BMG was produced by arc melting and then suction casting into copper mold in the form of a 10 cm long cylindrical rod with a diameter of 3 mm. In addition, commercially available 304 and 316 SS were tested with 30 MeV protons. Structural, thermal, mechanical and magnetic characterization techniques were employed to examine the effects of proton radiation on these materials. These tests which are the first time such a study has been performed in Turkey, were conducted at the new METU-Defocusing BeamLine (DBL) facility located inside the Turkish Atomic Energy Authority (TAEA) SANAEM Proton Accelerator Facility (PAF). This facility uses 15-30 MeV protons with a flux between 10^5 - 10^11 p/cm^2/s to test electronics. Also, studies for radioisotope production and radiation protection of sensitive electronic devices of METU-DBL are also presented here. Characterization studies of irradiated materials showed that the point defects were formed on the both BMGs and stainless steels after the irradiation. Any surface damage or new phase occurrence were not observed on these samples. After the irradiation, point defects were observed on the samples.