Конфигурация и типы дефектов при облучении.

Простейшими типами повреждений, которые образуются бомбардирующими частицами, являются междоузельный атом (МУА) и вакансия в кристаллической решетке. Образования одиночного МУА происходит в том случае, когда атом покидает поверхность кристалла и располагается в одном из междоузлий кристаллической решетки. Энергия кристалла увеличивается во время такого перехода на величину , называемую энергией образования МУА. Удаление атома из внутреннего узла решетки и расположение его на поверхности кристалла приводит к возникновению вакансии. Энергия кристалла при этом еще раз возрастает на величину , называемую энергией образования вакансии. В том случае, когда выбитый из узла решетки атом располагается в междоузлии, образуется пара точечных дефектов – вакансия и междоузельный атом. Энергия образования такой пары, вообще говоря, отлична от энергии и . В каждом из двух случаев атомы, окружающие МУА или вакансию, имеют возможность релаксировать к состоянию равновесия.

Образование точечных дефектов не нарушает условия электронейтральности кристалла, т.к. в металлах удаление иона при образовании вакансии сопровождается удалением электрона. В чисто ионных кристаллах для сохранения электронейтральности на каждый отрицательно заряженный дефект образуется один положительный. Равновесная концентрация дефектов, присутствующих в кристалле при какой-либо температуре, определяется энергией их образования. Концентрация вакансий в твердом теле, находящегося в состоянии теплового равновесия, может быть представлена возражением:

. (3.20)

Аналогичные выражения будут для пар Френкеля, МУА и комплексных дефектов в полярных кристаллах. Одиночные дефекты подвижны. Пусть МУА при температуре абсолютного нуля находится в потенциальной яме глубиной . Повышение температуры заставляет МУА совершать тепловые колебания внутри потенциальной ямы, в результате чего с ростом температуры возрастает вероятность выхода МУА из ямы и попадает в другую яму. Частота перескоков МУА записывается как

(3.21)

Величины и известны как энергии активации движения вакансии и МУА. Теоретические и экспериментальные значения, найдены для многих материалов. Для плотно упакованных решеток металлов они составляют:

Эти оценки находятся в удовлетворительным согласии с экспериментальными данными.

Между однотипными и разными дефектами действуют как дальнодействующие, так и короткодействующие силы, приводящие к существенному изменению концентрации или скопления дефектов в твердях телах, облучаемых при температурах, при которых одиночные дефекты подвижны. Простейшими типами скоплений точечных дефектов являются пара связанных МУА, или двойное междоузлие, и пара связанных вакансий, или дивакансии. Возможно также существование устойчивой пары МУА-вакансия. Энергия связи дивакансий равна 0,23-0,6 эВ, а энергия образования изменяется в пределах 0,15-0,35 эВ. Экспериментально установлено, что энергия активации движения дивакансии в металлах ниже соответствующей величины для одиночных вакансий.

Помимо перечисленных, одной из возможных комплексных конфигураций смешенных атомов может быть кроудион. Это такая конфигурация, в которой дополнительный атом выстраивается по линии плотной упаковки. Однако такая комбинация невсегда устойчива. Вполне вероятно, что МУА в этом случае образует так называемую расщепленную конфигурацию, или «гантель». Образование комплекса из трех вакансий или четырех вакансий также возможно. Энергия связи комплекса из четырех вакансий (тетравакансий) находится в пределах а энергию активации миграции - равной 1,9 эВ. В ионных кристаллах между противоположно заряженными дефектами действуют обычные электростатические силы, поэтому работа на образование скоплений невелика. В большинстве случаев облучения материалов конструкций в процессе эксплуатации образующиеся скопления дефектов состоят из гораздо большего числа точечных дефектов.

Образование и рост скоплений радиационных дефектов

В любой кристаллической решетке имеются определение плоскости, наиболее плотно упакованные атомами. Расстояние между такими атомными плоскостями – наибольшее. В условиях, когда возможно образование скоплений МУА, минимальная энергия на образование этих скоплений будет затрачиваться в том случае, когда скопление имеет форму одноатомного плоского слоя, расположенного между двумя соседними плотно упакованными плоскостями в кристалле. Скопления этого типа могут содержат более 100 атомов. Их можно рассматривать, как краевую дислокацию. Вектор Бюргерса дислокации направлен нормально к плоскости плотной упаковки. Характер дислокационной петли зависит от свойств кристаллической решетки. В гранецентрированной кубической решетке дислокационная петля из МУА имеет вектор Бюргерса, равный а/з (III), и представляет собой дефект упаковки. Дефект упаковки может быть устранен, если две частичные дислокации пересекают петлю, одна в плоскости скольжения, расположенной над плоскостью петли, другая в плоскости под петлей. Дефект упаковки исчезает, если энергия полной дислокации меньше энергии расщепленной дислокации .

Для небольшого числа вакансий вариантов конфигураций скоплений также немного. Наименьшей энергией обладает скопление в форме сферического пузырька. Если энергия поверхностного натяжения кристалла равна , то энергия сферической полости с радиусом равна: . С увеличением числа вакансий в полости, наименьшей энергией обладает конфигурация плоской дислокационной петли. В этом случае энергия петли равна энергии расщепленной дислокации. Для образования такой плоской конфигурации сферическая полость должна пройти стадию дискообразной формы. Энергия образования этой формы равна , где -радиус диска. Если через обозначить атомный объем, можно найти полное число вакансий в полости через

. (3.22)

Если не учитывать процесс рекомбинации точечных дефектов, а только процесс образования скоплений, то можно установить две возможности. Первая состоит в том, что точечный дефект диффундирующий через твердое тело, встретить другой подобный дефект и образует неподвижную связанную пару. В последствии это пара сыграет роль зародыша для конденсации следующих дефектов этого типа. Такой процесс известен под названием гомогенного зарождения скоплений дефектов. Такой же процесс происходит, когда небольшие скопления дефектов остаются неподвижными, а после встречи со следующим дефектом закрепляются и в дальнейшем служат центрами конденсации. Вторая возможность для возникновения скоплений состоит в конденсации точечных дефектов, но уже имеющихся в кристалле несовершенствах решетки, границах зерен и дислокациях. Такой процесс образования называется гетерогенным зарождением скоплений дефектов.

Гомогенное зарождение скоплений происходит при бомбардировке любыми частицами, но только в том случае, когда скорость образования смещенных атомов достаточно велика. Гетерогенное зарождение скоплений происходит тогда, когда точечные дефекты собираются на примесных атомах или дислокациях. В первом случае примеси играют роль зародышей, тогда как во втором случае повышенная равновесная концентрация точечных дефектов вблизи дислокации увеличивает вероятность локального зарождения.

3.6 Стоки для точечных дефектов.