Untersuchung der Entstehung von Helium-Cluster in Metallen mittels Positronenannihilation kombiniert mit Ionenestrahlanalyse und temperaturprogrammierter Desorption

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Hugenschmidt; Dr. Thomas Schwarz-Selinger
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429845086

In diesem Projekt soll der Nukleationsprozess von Heliumclustern in Molybdän und Wolfram untersucht werden. Das Hauptziel des Projekts ist es zu ergründen, welche Rolle Gitterdefekte bei der Helium induzierte Clusterbildung spielen und für die beiden Modellsysteme Molybdän und Wolfram experimentell die Bindungsenergien von Heliumatomen am einfachsten Fallentyp, an einer atomaren Leerstelle mit wenigen darin gefangenen He-Atomen, zu bestimmen.Es ist bekannt, dass sich in den meisten Metallen ab einer ausreichenden He-Konzentration und Temperatur He-Cluster bilden und zu He-Blasen wachsen. Dies kann entweder durch in das Metall eindringendes He, was die Überwindung einer Energieschwelle von bis zu mehreren eV erfordert, oder durch Alphazerfälle im Metall selbst erreicht werden. Da solche Prozesse in Kernspaltungs- und Fusionsanlagen stattfinden, ist das Phänomen bereits in der Nukleartechnik intensiv erforscht worden. Daher ist der Einfluss von He-Blasenwachstum auf die makroskopischen Eigenschaften vieler reaktorrelevanter Materialien bekannt. Jedoch gibt es bis jetzt kein experimentell validiertes Modell, das die Bildung von He-Cluster auf atomarer Ebene zufriedenstellend beschreibt. Innerhalb der letzten zehn Jahre ist eine zunehmende Anzahl numerischer Studien zu dem Ergebnis gekommen, dass eine Kombination von zwei Mechanismen – "He-self-trapping" und He-induzierte "trap-Mutation" – nötig ist, um He-Clusternukleation und He-Blasenwachstum zu beschreiben. Diese Hypothese ist jedoch bislang nicht experimentell geprüft worden. Im Rahmen dieses Projekts wollen wir solch eine experimentelle Prüfung durchführen. Zunächst sollen Proben mit wohldefinierter Defektart und -konzentration hergestellt werden, die wir mithilfe des koinzidenten Doppler-Verbreiterungsspektrometers (CDBS) und Positronenlebensdauerspektroskopie (PALS) an der weltweit intensivsten Positronenquelle (NEPOMUC) am FRM II charakterisieren werden. NEPOMUC wird vom erstgenannten Antragsteller als Experte für Positronenexperimente betrieben. Danach wird ex situ He, bei Energien unterhalb der Schädigungssschwelle, in die Proben implantiert. Mithilfe einer beantragten He-Ionenquelle zurErweiterung des CDBS sollen auch in situ He-Beladungen durchgeführt werden. Durch Ionenstrahlanalyse (IBA; Kernreaktions- und elastische Rückstreudetektionsanalyse) wird die Tiefenverteilung des oberflächennahen He gemessen. Die Bindungsenergien der He-Atome an Gitterdefekte wird mithilfe der thermalen Desorptionsspektroskopie (TPD) bestimmt. Diese Ergebnisse werden mit denen der Positronenanalytik (CDBS und PALS) verglichen, um TPD-Peaks jeweiligen Defektspezies zuzuordnen. Die experimentell bestimmten Bindungsenergien lassen sich dann direkt mit den aus Simulationen generierten Literaturwerten vergleichen. Die IBA- und TPD-Messungen werden unter Leitung des zweitgenannten Antragsteller mit seiner wertvollen Expertise im Bereich der Wasserstoff- und Helium-Metall-Wechselwirkung durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen