JANNUS: experimental validation at the scale of atomic modelling

Yves Serruys; Marie-Odile Ruault; Patrick Trocellier; Sandrine Miro; Alain Barbu; Loïc Boulanger; Odile Kaïtasov; Sylvain Henry; Olivier Leseigneur; Philippe Trouslard; Stéphanie Pellegrino; Sylvain Vaubaillon

doi:10.1016/j.crhy.2007.10.015

JANNUS: experimental validation at the scale of atomic modelling
[JANNUS : la validation expérimentale à l'échelle de la modélisation atomistique]

Yves Serruys ¹ ; Marie-Odile Ruault ² ; Patrick Trocellier ¹ ; Sandrine Miro ¹ ; Alain Barbu ¹ ; Loïc Boulanger ¹ ; Odile Kaïtasov ² ; Sylvain Henry ² ; Olivier Leseigneur ¹ ; Philippe Trouslard ³ ; Stéphanie Pellegrino ³ ; Sylvain Vaubaillon ³

¹ CEA–DEN/Département des Matériaux pour le Nucléaire, Centre d'études de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette cedex, France
² CNRS–IN2P3, Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, 91405 Orsay cedex, France
³ CEA–Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires, Centre d'études de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette cedex, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 3-4, pp. 437-444.

Résumé
Abstract

L'irradiation aux ions peut être considérée comme totalement représentative pour simuler les effets de l'irradiation des matériaux par les neutrons dans la mesure où les premiers atomes de recul sont des ions de la cible elle-même. La principale différence qui subsiste réside dans la forme du spectre en énergie des atomes de recul qui est plus étroite dans le cas des neutrons. Ainsi, il est possible d'étudier l'endommagement des matériaux, les effets d'implantation ionique, la production d'hélium et d'hydrogène ainsi que les réactions nucléaires induites en réalisant des expériences de co-irradiation aux ions (double ou triple faisceau). Le projet JANNUS (Jumelage d'Accélérateurs pour les Nanosciences, le NUcléaire et la Simulation) a été lancé en 2002 en collaboration entre le CEA et le CNRS–IN2P3. Deux sites expérimentaux sont concernés. Le premier situé à Saclay regroupe trois accélérateurs d'ions : une machine 3 MV de type Pelletron™ équipée d'une source d'ions multi-chargés ECR, un Van de Graaff simple étage de 2,5 MV et un tandem de 2,25 MV de General Ionex. Le second site situé à Orsay voit le couplage d'un accélérateur mixte de 2 MV (ARAMIS) et d'un implanteur d'ions de 190 kV (IRMA) avec un nouveau microscope électronique à transmission de 200 kV TECNAI™ et permettra ainsi une observation in situ pendant l'irradiation. Cet article discute tout d'abord les avantages et les inconvénients d'une simulation des effets d'irradiation des neutrons par des faisceaux d'ions. Une brève description technique des deux sites expérimentaux est ensuite donnée et quelques informations sont rassemblées sur les autres installations de multi-irradiation disponibles dans le monde. Enfin, les principaux domaines d'application de JANNUS sont présentés.

Ion irradiation is well suited to simulate neutron irradiation because primary knock-on atoms (PKA) produced by neutron collisions are self ions of the target. As the main difference, the energy spectrum of ion-produced PKAs is somewhat broader than in the case of fast neutrons. Studies of the combined effects of target damaging, ion implantation effects, helium and hydrogen production, and the occurrence of nuclear reactions should be performed by co-irradiation experiments (dual or triple beam irradiation). The JANNUS project (Joint Accelerators for Nanosciences and NUclear Simulation) was started in 2002 in the frame of a collaboration between CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique) and CNRS–IN2P3 (Centre National de la Recherche Scientifique–Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules). Two experimental sites are involved. At Saclay, three electrostatic accelerators are being coupled: a new 3 MV Pelletron™ machine equipped with an ECR multi-charged ion source, a 2.5 MV single ended Van de Graaff and a 2.25 MV General Ionex tandem. At Orsay, the 2 MV tandem ARAMIS and the 190 kV ion implanter IRMA are being coupled with a 200 kV TECNAI™ transmission electron microscope to allow simultaneous co-irradiation and observation. This paper will first discuss both advantages and limitations of the use of ion beam irradiation to simulate neutron irradiation. A technical description of both set-ups is then presented, and some details will be given concerning multi-irradiation facilities running worldwide. The main application fields of JANNUS will be further detailed.

Publié le : 2008-04-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2007.10.015

Keywords: Neutron irradiation, JANNUS, Atomic modelling
Mot clés : Irradiation par neutrons, JANNUS, Modélisation atomistique

Affiliations des auteurs :

@article{CRPHYS_2008__9_3-4_437_0,
     author = {Yves Serruys and Marie-Odile Ruault and Patrick Trocellier and Sandrine Miro and Alain Barbu and Lo{\"\i}c Boulanger and Odile Ka{\"\i}tasov and Sylvain Henry and Olivier Leseigneur and Philippe Trouslard and St\'ephanie Pellegrino and Sylvain Vaubaillon},
     title = {JANNUS: experimental validation at the scale of atomic modelling},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {437--444},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {9},
     number = {3-4},
     year = {2008},
     doi = {10.1016/j.crhy.2007.10.015},
     language = {en},
}

TY  - JOUR
AU  - Yves Serruys
AU  - Marie-Odile Ruault
AU  - Patrick Trocellier
AU  - Sandrine Miro
AU  - Alain Barbu
AU  - Loïc Boulanger
AU  - Odile Kaïtasov
AU  - Sylvain Henry
AU  - Olivier Leseigneur
AU  - Philippe Trouslard
AU  - Stéphanie Pellegrino
AU  - Sylvain Vaubaillon
TI  - JANNUS: experimental validation at the scale of atomic modelling
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2008
SP  - 437
EP  - 444
VL  - 9
IS  - 3-4
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2007.10.015
LA  - en
ID  - CRPHYS_2008__9_3-4_437_0
ER  -

%0 Journal Article
%A Yves Serruys
%A Marie-Odile Ruault
%A Patrick Trocellier
%A Sandrine Miro
%A Alain Barbu
%A Loïc Boulanger
%A Odile Kaïtasov
%A Sylvain Henry
%A Olivier Leseigneur
%A Philippe Trouslard
%A Stéphanie Pellegrino
%A Sylvain Vaubaillon
%T JANNUS: experimental validation at the scale of atomic modelling
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2008
%P 437-444
%V 9
%N 3-4
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2007.10.015
%G en
%F CRPHYS_2008__9_3-4_437_0

Yves Serruys; Marie-Odile Ruault; Patrick Trocellier; Sandrine Miro; Alain Barbu; Loïc Boulanger; Odile Kaïtasov; Sylvain Henry; Olivier Leseigneur; Philippe Trouslard; Stéphanie Pellegrino; Sylvain Vaubaillon. JANNUS: experimental validation at the scale of atomic modelling. Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 3-4, pp. 437-444. doi : 10.1016/j.crhy.2007.10.015. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2007.10.015/

Bibliographie
Cité par

[1] G. Martin, G. Zerah, La simulation des matériaux, Clefs CEA 47, Hiver 2002–2003, 26

[2] R.S. Averback et al. Correlations between ion and neutron irradiations: Defect production and stage I recovery, J. Nucl. Mater., Volume 75 (1978), pp. 162-166

[3] R.S. Averback Atomic displacement processes in irradiated metals, J. Nucl. Mater., Volume 216 (1994), pp. 49-62

[4] H. Ullmaier The simulation of neutron-induced mechanical property changes by light ion bombardment, Ann. Chim. Fr. Sci. Mat., Volume 9 (1984) no. 3, pp. 263-274

[5] V. Lévy; D. Gilbon; C. Rivera Influence of helium on swelling of steels, ASTM STP, Volume 870 (1985), pp. 317-329

[6] B.K. Panigrahi Personal communication, March 14th 2006 http://www.igcar.ernet.in/igc2004/igcanr2006.pdf

[7] Y. Kohno; K. Asano; A. Kohyama; K. Hasegawa; N. Igata New dual-ion irradiation station at the University of Tokyo, J. Nucl. Mater., Volume 141–143 (1986), pp. 794-798

[8] M. Iseki; Y. Kizuka; S. Mori; K. Kohmura; M. Kiritani Recoil energy spectrum effect in vanadium by electron and light- and heavy-ion irradiation, J. Nucl. Mater., Volume 233–237 (1996), pp. 492-496

[9] H. Tyrroff, W. Neumann, B. Richter, Strahlkopplung von Tandetron-beschleuniger und Ionenimplanter zur Durchfürhung von Mehrstrahlexperimenten im Forschungzentrum Rossendorf, Report FZR-308 (2001)

[10] W. Wesch; A. Kamarou; E. Wendler; K. Gärtner; P.I. Gaiduk; S. Klaumünzer Ionisation stimulated defect annealing in GaAs and InP, Nucl. Instrum. Methods B, Volume 206 (2003), pp. 1018-1023

[11] A. Kohyama; Y. Katoh; M. Ando; K. Jimbo A new multiple beams–material interaction research facility for radiation damage studies in fusion materials, Fusion Engrg. Design, Volume 51–52 (2000), pp. 789-795

[12] S. Hamada; Y. Miwa; D. Yamaki; Y. Katano; T. Nakazawa; K. Noda Development of a triple beam irradiation facility, J. Nucl. Mater., Volume 258–263 (1998), pp. 383-387

[13] Y. Serruys; M.-O. Ruault; P. Trocellier; S. Henry; O. Kaïtasov; Ph. Trouslard Multiple ion beam irradiation and implantation: JANNUS project, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, Volume 240 (2005), pp. 124-127

[14] H. Tsuchida; H. Takahashi In situ observation of austenitic stainless steels during dual-beam irradiation, J. Nucl. Mater., Volume 239 (1996), pp. 112-117

[15] C.W. Allen, E.A. Ryan, An Hitachi H-9000 for Argonne's HVEM-Tandem facility: Expanded capacities for in situ ion beam studies, Hitachi Instrument News, 30th edition, 1996, pp. 3–10

[16] S.E. Donnelly Comportement des matériaux sous irradiation : un thème de l'Université de Salford http://www.ganil.fr/ciril/gdr/pleniere.html (Réunion de lancement du GDR PAMIR, November 27th–29th 2006, Caen, France)

[17] H. Abe, H. Naramoto, K. Hojou, S. Furuno, The TEM-accelerators facility at JAERI-Takasaki and its application to materials science, 1996, Report JAERI Research 96-047

[18] K. Hojou; S. Furuno; K.N. Kushita; H. Otsu; K. Izui In-situ observation of damage evolution in SiC crystals during He⁺ and $H_{2}^{+}$ dual-ion beam irradiation, J. Nucl. Mater., Volume 191–194 (1992), pp. 583-587

[19] E. Wakai et al. Effect of triple ion beams in ferritic/martensitic steel on swelling behavior, J. Nucl. Mater., Volume 307–311 (2002), pp. 278-282

[20] I. Mukouda; Y. Shinomura; D. Yamaki; T. Nakazawa; T. Aruga; S. Jitsukawa Microstructure in vanadium irradiated by simultaneous multi-ion beam of hydrogen, helium and nickel ions, J. Nucl. Mater., Volume 307–311 (2002), pp. 412-415

[21] S. Nogami; A. Hasegawa; T. Taguchi; K. Abe; R. Yamada Surface Morphology changes in a SiC/SiC composite as caused by simultaneous triple-ion-beam irradiation, Mater. Trans., Volume 42 (2001) no. 1, pp. 171-175

[22] I. Cook Materials research for fusion energy, Nature Mater., Volume 5 (2006), pp. 77-80

Cité par Sources :

Commentaires - Politique

Ces articles pourraient vous intéresser

Modelling of long term kinetic evolution: a fruitful relationship between experiment and theoretical development

Alain Barbu

C. R. Phys (2008)

Jules Horowitz Reactor: a high performance material testing reactor

Daniel Iracane; Pascal Chaix; Ana Alamo

C. R. Phys (2008)