Принцип регистрации нейтронов

Нейтроны непосредственно не создают в детекторе ионных пар. Однако, взаимодействуя с веществом детектора, они вызывают разнообразные ядерные реакции с образованием заряженных частиц и γ-квантов. Это вторичное излучение можно зарегистрировать обычными детекторами, такими, как ионизационная камера, сцинтилляционный счетчик и др. Следовательно, детектор нейтронов представляет собой обычный детектор заряженного или γ-излучения, в который помещено вещество, интенсивно взаимодействующее с нейтронами. К главным критериям, по которым выбирается вещество для детектора нейтронов, относятся: тип реакции, сечение реакции и энергия вторичного излучения. Для детекторов нейтронов пригодны вещества с высоким сечением реакции. Разнообразие ядерных реакций, вызываемых нейтронами, и различная зависимость сечений реакций от энергии нейтронов обусловили появление большого количества детекторов нейтронов. Как правило, ядерная реакция на нейтронах, характеризующаяся высоким сечением для медленных нейтронов, имеет малое сечение для быстрых нейтронов, и наоборот. Так, сечение (n, α ) - реакции на 10В при энергии Е0 = 0,025 эВ равно 4010 барн, а в области быстрых нейтронов оно уменьшается до 0,2 барн. Сечение пороговой (n, 2n) -реакции отлично от нуля только при энергиях нейтронов, превышающих пороговую. Поэтому потребовалось разработать детекторы для регистрации нейтронов в определенных областях энергий. В них используют такие вещества, которые избирательно реагируют с нейтронами именно в этих областях энергии нейтронов. Каждый из типов взаимодействия нейтронов с веществом, может служить основой метода регистрации нейтронов. Выбор того или иного типа взаимодействия определяется значением сечения (n, α ) - реакции и свойствами частицы а. В детекторах нейтронов используют вещества, на ядрах которых идут реакции с испусканием заряженных частиц (протон, α-частица и др.) радиационный захват нейтронов и активация вещества. В зависимости от энергии нейтронов для их регистрации используются разные методы. Так, регистрация нейтронов с энергиями En > 10 МэB осуществляется с использованием их взаимодействий с ядрами углерода (в углеродсодержащих соединениях). Регистрация нейтронов с энергиями от 0.1 <En< 10 МэВ происходит путем их рассеяния в водородосодержащих средах с последующей регистрацией протонов отдачи. Регистрация нейтронов с En <0.1 МэВ производится или путем их замедления до En= 0.5 кэВ с последующей регистрацией продуктов реакции n+p→d+γ или путем их более сильного замедления до тепловых энергий.

Дефекты кристаллических тел

Введение. Научная мысль человечества развивалась по мере смены его орудии труда – деревянные, каменные, металлические. Люди постепенно поняли прекрасные преимущества металлов перед другими материалами, научились их выплавлять, обрабатывать и тем самым добывать новые знания: нагрев смягчает металл, позволяет менять его форму, быстрое охлаждение придает твердость и т.д. Мечи разламываются в местах, где имеются пустоты (каверны) или другие неоднородности в виде инородных включений. Поиск путей устранения этих дефектов постепенно позволил придумать способ проверки качества металлического изделия. Для улучшения качества начали применять различные режимы термической обработки, использование различных добавок – легирование.

Со временем пришло понимание того, что именно микроскопическое строение материалов определяет их свойства. Но истинная реализация этой мысли началась в начале 20-столетия. Ей предшествовали такие важные эпохальные события в науке: строение атома по Э. Резерфорду, дифракции - излучения по М. Лауэ, создание квантовой теории.

Усилиями экспериментаторов и теоретиков был заложен фундамент и построены здания двух взаимосвязанных наук – науки об электронном строении металлов и науки о дефектах их кристаллического строения. У истоков первой стояли немецкий физик Зоммерфельд А. и др. Творцами второй были Френкель Я.И., Вольтер В. (итальянец), Тэйлор Дж. (англичанин). Именно Я.Френкель и А.Иоффе ввели в физику понятия элементарных дефектов точечного характера, назвав их дырками (современный термин - вакансия), а также дислоцированные (междоузельные) атомы.

По мере развития и расширения науки о металлах, начала развиваться дислокационная теория пластической деформации, т.е. механизм пластической деформации. По своей сути дислокация (Д) – это линия в плоскости скольжения, разделяющая сдвинутую область металла от несдвинутой. Основоположником этой теории был англ.физик Дж. Тэйлор.

Но наиболее фундаментальным для теории дислокации оказалось введение в физику твердых тел Бюргерсом понятия о важнейшей характеристике дислокации, названного его именем – вектора Бюргерса. Эти идеи о существовании точечных дефектов и дислокаций фактически стали точкой отсчета науки о дефектах. Понадобилось более 20 лет, чтобы после этого получить прямое экспериментальное доказательство существования точечных дефектов и дислокаций. Заслуга здесь принадлежит американскому ученому Мюллеру в отношении точечных дефектов, и Хиршу, изобретателю электронной микроскопии, получившему изображение дислокации. Тогда как Мюллеру принадлежит авторство изобретения автоионного микроскопа. В дальнейшем была развита теория изменения формы металла за счет цепочек междоузельных атомов – краудионов.

Указанные две ветви одной науки – науки об электронном строении металлов и науки о дефектах кристаллического строения продолжают давать ответы на многие вопросы, касающиеся практически всех важнейших свойств материалов. Первая объяснила свойства металлов – элементов, а также металлов – материалов с идеальной кристаллической решеткой в зависимости от их химической природы. Вторая дала ответы на вопросы, касающиеся реальных металлов, установила связь этих свойств с параметрами присутствующих в металлах структурных дефектов, предварительно изучив свойства самих дефектов. Обе ветви этой науки о материалах продолжают успешно развиваться и поныне. Ибо, как сказал автор открытия инсулина Бантинг Ф.Г., «Не во власти правильно построенного человеческого ума испытывать чувство удовлетворенности, иначе остановился бы сам прогрессии».

В основу классической классификации дефектов положен геометрический фактор, определяющий число измерений, в которых нарушения идеального строения кристаллической решетки простираются на многие межатомные расстояния. В соответствии с этим различают нульмерные (или точечные), одномерные – линейные, двухмерные – поверхностные и трехмерные – объемные дефекты. Переход из одного вида дефектов в другой совершается объединением простых дефектов в комплексы различной кратности.

 

Единичные точечные дефекты

Отсутствие атома в узле кристаллической решетки представляет собой наиболее простой и в то же время наиболее распространенный и важный тип дефектов. Его называют вакансией (фр.vacance). Атом, вклинившийся между узлами кристаллической решетки, называется междоузельным атомом (МУА). Атомы примесей в вакансионном или междоузельном положении также являются точечными дефектами кристалла. Собственные МУА и вакансии, подобно разноименным электрическим зарядам, обладают многими взаимно противоположными свойствами. Подобно тому, как при объединении двух разноименных зарядов общий заряд исчезает, объединение МУА и вакансии приводит к исчезновению этих двух парных дефектов. В этом случае говорят, что они аннигилируют. Если же вакансия образовалась за счет смещения из узла решетки собственного атома матрицы, то эту пару называют парой Френкеля или парные дефекты по Френкелю.

 

Рис 2.1. Дефекты кристаллической решетки

Присутствие в кристаллической решетка точечных дефектов обусловливает ее заметное искажение: окружающие их соседние атомы смещаются из своих нормальных положений в направлении дефектов в случае вакансии. Такие смещения считаются положительными. Если смещения происходит в направлении от дефектов в случае МУА или примесных атомов, то такие смещения называются отрицательными. Могут наблюдаться и более сложные смещения, имеющие и положительную и отрицательную компоненты. Величины этих смещений значительно малы по сравнению с межатомными расстояниями – параметром решетки. Вакансионные смещения затрагивают сферу диаметром до двух межатомных расстояний. Но возникающие при этом упругие деформации значительны. Для расчета этих смещений допускался определенный характер взаимодействия атомов кристаллической решетки между собой, т.н. потенциал межатомного взаимодействия, введенный Борном и Майером. Результаты этих расчетов в обоих случаях оказались неожиданными: знаки смещения атомов первой и второй координационной сфер в случае вакансии были противоположными, то есть ближайшие атомы смещаются к вакансии, вторые по удаленности – от нее, обеспечивая тем самым равновесное состояния. Искажения решетки в окрестностях вакансии определяются типом кристаллической решетки. В одном и том же кристалле все единичные, изолированные друг от друга и от других несовершенств строения, вакансии подобны друг другу, то есть идентичны. Этого нельзя сказать про МУА. Они могут иметь собственные конфигурации, поскольку вклинить лишний атом в решетку можно разными способами (см. рис.2.2).

Рис.2.2. Конфигурации междоузельных атомов

 

Важным параметром точечных дефектов является энергия их образования . Она равна изменению энергии кристаллической решетки в результате переноса иона из объема на поверхность в случае образования вакансии или с поверхности металла в объем при образовании МУА. Результатом указанных операций в обоих случаях является изменение общего состояния системы электронов в целом. Оно включает как состояние части изменение энергии электронов проводимости, а также изменение энергии отталкивания связанных электронов. Сумма этих изменений и есть энергия образования точечного дефекта. Для вакансии она составляет ~ 1-1,2 эВ. Для междоузельных атомов -2-3 эВ.

Другим важным параметром точечных дефектов является энергия их миграции или энергия активации миграции. При определенных условиях вакансии и МУА обладают весьма высокой подвижностью. Движение одиночных вакансий осуществляется за счет простого перехода (перескока) ближайшего к вакансии атома на ее место. Освободившийся узел решетки соответствует новому положению вакансии. В результате вакансия передвинулась на одно межатомное расстояние.

Движение одиночных МУА – более сложный процесс. В него вовлекаются многие соседние атомы. Общий характер обоих процессов состоит в том, что они могут быть представлены как преодоление вакансией или МУА некоторого потенциального барьера высотой , т.е. для вакансии и для МУА имеется некоторое промежуточное положение, называемое седловой точкой, в которое их трудно «загнать». При этом полагается, что, если точечный дефект перешел в это положение, он уже не вернется назад, и без затрат дополнительной энергии сам по себе перейдет в ближайшую вакантную или межузельную позицию. Величина равна разнице потенциальной энергии кристаллической решетки (атомной конфигурации) для случаев расположения точечных дефекта в седловой точке и в исходной позиции. Так, при переходе атома из одного узла ГЦК- решетки в другой, в ближайший к нему свободный узел, ему приходиться преодолевать барьер из четырех атомов, чтобы раздвинуть эти атомы, чтобы пробить себе достаточное окно для перемещения. В ОЦК – решетке такой барьер создается тремя атомами. При одной и той же температуре вакансии обладают меньшей подвижностью, нежели МУА. Если энергия активации миграции вакансии составляет ~ 1 эВ, то для МУА она в 10-20 раз меньше.

Единичные точечные дефекты всегда присутствуют в кристаллической решетке. В этом смысле понятие об идеальной (бездефектной) решетке является моделью. Она удобна для пояснения геометрии построения и основных свойств кристаллических твердых тел. Появление и присутствие в них структурных дефектов обусловлено действием законов природы. Эти законы изучается в разделе физики – термодинамике. Эта наука имеет дело с совокупностями взаимодействующих частиц. При этом широко используется математический аппарат теории вероятности и статистической физики. Поэтому все расчеты здесь ведутся не для отдельных элементов, а для всей системы в целом.

Важнейшим понятием в термодинамике является термин «термодинамического равновесия». Оно используется для описания состояния изучаемой системы объектов, в которое система самопроизвольно переходит за бесконечно большое время. Этот процесс носит название релаксации. В этом состоянии в системе прекращаются все необратимые процессы, напр. диффузия и др. При неизменном объеме и постоянной температуре условием термодинамического равновесие является минимум ее свободной энергии . Она определяется как разность внутренней энергии системы и произведения абсолютной температуры на некоторый параметр , называемый энтропией. Она является количественной мерой вероятности осуществления какого – либо макроскопического состояния. Понятие энтропии в термодинамике имеет исключительно важное значение. Термодинамическому равновесию теплоизолированной системы, когда нет обмена теплом с окружающей средой, отвечает состояние с максимальным значением энтропии. Любые процессы, протекающие в такой системе, либо не приводят к изменению энтропии, либо ведут к ее возрастанию. Отсюда возникают обратимые и необратимые процессы. Исходя из условия минимума свободной энергии кристалла, содержащего точечных дефектов можно оценить их концентрацию , или , т.е. концентрацию вакансии. Отсюда видно, что при Концентрация вакансии быстро возрастает по мере роста температуры. Эту концентрацию вакансии, определенную при данной температуре, называют равновесной.

Специфические (реальные) условия получения кристаллов и их последующая «судьба» обусловливают образование неравновесных точечных дефектов. Следует отметить, что неравновесные дефекты металлов более устойчивы, чем равновесные. Теплота – не единственный источник энергии для образования и миграции точечных дефектов. Другим, не менее эффективным источником является деформация решетки, ее упругие напряжения. Именно упругая деформация кристалла в области точечных дефектов определяет существование так называемого пространства рекомбинации парных дефектов Френкеля. Характерная особенность пространства рекомбинации состоит в том, что заключенные в его пределы вакансия и МУА двигаются друг к другу фактически при любой температуре, в том числе сколь угодно низкой, взаимно уничтожая друг друга, т.е. рекомбинируют. Значение объема рекомбинации для металлов достигает несколько десятков атомных объемов. Геометрия этого пространства несферическая - оно вытянуто вдоль наиболее. плотноупакованных атомов.

Комплексы точечных дефектов

Единичные точечные дефекты могут объединяться в комплексы. Эти комплексы также могут объединяться между собой, образуя комплекс комплексов. Простейшие точечных дефектов – кратности в два и три раза. Двухкратные вакансии называются дивакансиями. Трехкратные – тривакансиями, четырехкратные – тетравакансии. Более высокой кратности – вакансионнные комплексы. Но через три точки всегда можно провести плоскость, следовательно, комплексы вакансии в простейшем случае – это линейные или плоские образования. Комплексам большой кратности могут соответствовать и трехмерные образования, типа объемных.

Достоверных сведений об энергиях образования и их стабильности имеются только для двухкратных. Для образования дивакансии требуется, напр., меньше энергии, чем для образования моновакансии. Дивакансии более подвижны в кристаллической решетке, чем моновакансии. Разница в энергиях образования моно – и дивакансии равна энергии связи двух вакансий в комплексе и составляет эВ. Не простым является вопрос о конфигурации комплекса точечных дефектов и их устойчивости. Образование комплексов происходит непроизвольным способом.

Не менее важной характеристикой дефектной структуры металла в целом – это относительная доля, т.е. концентрация и распределение в его объеме единичных точечных дефектов и их комплексов. В определенных случаях распределение м.б. крайне неравномерным. Точечные дефекты преимущественно могут закрепляться на примесях и других типах дефектов. Возможна и такая ситуация, когда в некотором объеме концентрация точечных дефектов на несколько порядков выше, чем в прилегающем пространстве решетки. Геометрия подобных объемов м.б. плоской (двумерной), либо трехмерной. Первому случаю соответствует образование и вакансий, и МУА; второму – исключительно вакансий. Типичная концентрация вакансий в объемных скоплениях составляет в пределах 1-40%. Такие объемные дефекты еще называют обедненными зонами.

Превышение концентрации вакансии над этими величинами ведет к преобразованию обедненных зон либо в поры, либо в плоские образования, называемые дислокационными петлями. Параметрами обедненных зон являются их геометрия (форма) во взаимосвязи с кристаллографией металла, т.е. вытянутость в каком – либо кристаллографическом направлении, объем, количество и концентрация в них вакансий. Важную информация несет и распределение концентрации вакансии по координационным сферам относительно центра обедненной зоны, изолированность одной обеденной зоны от другой.

Параметры объемного – трехмерного скопления вакансий с предельной концентрацией 100% (поры) являются более определенными – объем поры , число составляющих ее вакансий , геометрия форма ограничивающей пору поверхности, ее связь с кристаллографией металла. Пору можно считать с одной стороны более сложным дефектом, чем обедненная зона, поскольку в ее состав входят и точечные дефекты, и поверхностные. Но, с другой стороны, обедненная зона в принципе может включать в себя и небольшие поры, и цепочки вакансий, т.е. она становится комплексом всех типов вакансионных дефектов – точечных, линейных, поверхностных и объемных. В этом отношении обедненная зона, разумеется, более сложное образование, чем пора. Правда, такой спор о сложности или важности дефектов довольно бессмысленный, ибо что считать порой, начиная с какой кратности комплексы вакансий считать порами? Если пора – это трехмерная пустота в атомном масштабе, то трехмерный комплекс из четырех вакансий может представлять собой пору при соответствующей конфигурации. Важность того или иного типа дефектов зависит от их определяющего влияния на те или иные свойства металлов, имеющие решающее значение при конкретных условиях.

Геометрия пор, так же как и геометрия обедненных зон, определена природой их образования и эволюцией в изменяющихся условиях эксплуатации материала. Все зависит от внешних воздействий и «внутренней обстановки» в объеме металла. Дело в том, что если пора - просто комплекс вакансий, т.е. ничем не заполнена, ее называют вакансионной. Этим самым подчеркиваются другая возможность – существование газовых пор. В объеме вакансионных пор реализуется фактически идеальный вакуум – или абсолютная пустота. Однако чем больше этот объем, тем выше вероятность того, что в него просочатся атомы или молекулы растворенного газа в металле. Направленную диффузию частиц газа к поре обеспечат создаваемые порой внутри решетки поля упругих напряжений. По мере заполнения поры газом эти напряжения снижаются за счет повышения внутреннего давления в поре. Соответственно, будет падать и поток частиц газа в сторону поры.

Реальные условия эксплуатации металлических изделий могут привести к образованию в их объеме газовых пор. Давление газа внутри поры может значительно превосходить атмосферное. В таких случаях поры становятся источниками значительных механических напряжений, чего не может быть в случае вакансионных.