Превращения в облученных твердых телах

Радиационно-химические превращения в твердых телах идут, как правило, со значительно меньшими выходами, чем в жидкостях или газах. Это вызвано тем, что жесткие связи между частицами, характерные для твердого тела, сильно затрудняют движение атомов и молекул в твердом теле и, следовательно, тормозят химические реакции, происходящие в результате столкновения этих частиц. Здесь рассмотрим некоторые особенности радиационно-химических процессов в твердом теле. Нужно отметить, что легкие частицы (рентгеновские и гамма-лучи, электроны) и тяжелые частицы (альфа-лучи, ускоренные протоны, дейтроны, осколки деления) оказывают различные действия на твердое вещество. Легкие частицы заметно воздействует только на электронную оболочку атомов, вызывая в отдельных случаях смещение атомов в объеме твердого вещества, что, естественно, влияет и на его свойства. В жидкостях, где атомы могут передвигаться свободно, это смещение не вызывает нарушения структуры.

Интересно отметить практическое применение этой способности ионизирующих излучений для изменения свойств полупроводников. Как известно, полупроводниковые свойства зависят от количества дефектов структуры. В согласии с этим при облучении кристаллов германия (высокой степени чистоты) потоком быстрых нейтронов было обнаружено уменьшение сопротивления кристаллов, вызванное смещением атомов в решетке. Одна американская фирма заявила недавно, что будет производить кристаллы германия, облученные определенной дозой ионизирующего излучения, благодаря чему кристаллы будут иметь наперед заданное число дефектов. Образующиеся при облучении дефекты структуры облегчают термическое разрушение различных веществ.

Дефекты структуры как бы разрыхляют кристалл, поверхность его становится пористой, неоднородной. Чем выше доза излучения, тем более неоднородной становится поверхность и, следовательно, тем большее количество молекул газа захватывается, адсорбируется ею из окружающего пространства. Это явление нашло практическое применение в вакуумной технике. Облученный силикагель, как показал С.В. Стародубцев с сотрудниками, способен сильно снижать давление в сосуде Дьюара. Откаченные сосуды Дьюара, содержащие облученный силикагель, сохраняли жидкий азот значительно дольше, чем сосуды, не содержащие силикагеля. Сейчас этот метод внедряется в промышленность. В США этот же метод применяют для повышения вакуума в радиолампах.

Радиационно-химические эффекты во многом зависят от типа кристалла. Для различных типов кристаллов наблюдаются разные эффекты. В случае кристаллов, построенных из ионов, например хлористого натрия (поваренная соль), ионизирующая частица вырывает электрон из иона хлора. Ион хлора превращается в атом хлора, а электрон, получивший какую-то кинетическую энергию, отходит на расстояние, где захватывается положительным ионом натрия, который в результате этого также превращается в нейтральный атом. Ионизирующая частица может вырвать электрон и из иона натрия. Тогда вылетевший электрон отправится в свое недолгое путешествие по кристаллу до встречи с ионом Na⁺, а двухзарядный ион натрия отнимает электрон у соседнего иона хлора. Результат будет тот же - образование нейтральных атомов натрия и хлора. При достаточно длительном облучении таких атомов накопится много, и поскольку они имеют иной размер, чем исходные ионы, то решетка кристалла либо расширится, либо сузится. В случае хлористого натрия решетка расширяется, а это значит, что уменьшается удельный вес кристалла и увеличивается его объем.

В более сложных соединениях возможны более глубокие превращения. Например, в случае нитрата натрия образуются атомарный натрий и радикал NO₃, распадающийся на атомарный кислород и двуокись азота NO₂. Облучение хлората натрия приводит к одновременному восстановлению и к окислению вещества - образуются хлорид и перхлорат натрия

NaClO₃ -->NaCl, NaClO₄ (4.61)

Интересным примером является облучение твердого бикарбоната натрия (обычной питьевой соды), при котором образуются простые органические соединения - соли муравьиной и щавелевой кислот: HCOONa и (СOO)₂Na₂. Одним из важнейших следствий образования незаряженных атомов при облучении является окрашивание кристаллов и стекол. Образующиеся атомы щелочных металлов интенсивно поглощают синий свет, поэтому все эти соединения при облучении приобретают окраску.

Появляющуюся окраску можно устранить, для этого необходимо нагреть окрашенные кристаллики стекла до 400-600^оС. При этом подвижность атомов увеличивается и происходит их рекомбинация с образованием первоначальных ионов или молекул, т.е. протекают обратные процессы, и кристалл или стекло вновь становятся прозрачными. Для некоторых сортов стекол плотность окраски пропорциональна дозе облучения. Такие стекла используются для дозиметрии больших доз излучения. Это удобный и простой способ: облученное стекло помещают в прибор для измерения плотности окраски (калориметр) и по шкале непосредственно отсчитывают дозу, полученную стеклом. Затем стекло прогревают для обесцвечивания, и оно вновь готово к использованию.

Окрашивание стекол при облучении сильно затрудняет оптические измерения посредством перископов и телевизионных передатчиков в зоне действия излучения. Поэтому в последние годы велись поиски стекол неокрашивающихся при облучении. Сейчас такие стекла созданы. Ведь окраска появляется в результате захвата электронов ионами щелочных металлов, т.е. в результате восстановления. Следовательно, в состав стекла следует вводить такое вещество, которое захватывает электроны энергичнее, чем ионы натрия или калия. Такими веществами могут служить, например, ион 4-х валентного церия или молекулярная сера. При захвате электронов они образуют неокрашенные соединения:

Ce⁴⁺+e -> Ce³⁺; S₂+e ->S-2 (4.62)

Стекла, содержащие такие добавки, при облучении остаются прозрачными и не меняют своей окраски. При облучении твердых соединений, состоящих не из ионов, а из молекул (нафталин, крахмал, многие высокомолекулярные соединения), в результате отрыва электронов образуются ионы. Таким образом, в первоначально нейтральном соединении появляются отрицательные ионы, часто устойчивые длительное время. Вещество становится значительно более электропроводным, чем ранее. Так, если полиэтилен, имеющий сопротивление 10¹⁹ ом*см, облучить, а затем прогреть до высокой температуры, то его сопротивление уменьшиться до очень малой величины: при дозе 4*10²³ см^-2 сопротивление упадет до 0,2 ом*см. Что касается возбужденных молекул, то из-за ограниченной подвижности их в твердом теле, они почти не вступают в химические взаимодействия с другими молекулами и ионами. Сложные молекулы либо распадаются на более простые, либо отдают свою энергию в виде тепла и света.

Свойство испускать свет при облучении использовано для построения дозиметрических приборов, так называемых люминесцентных счетчиков. Они регистрируют кванты света, возникающие при поглощении энергии излучения в кристалле специально подобранного вещества. Такие дозиметры позволяют измерять очень слабые потоки ионизирующих излучений, вплоть до нескольких фотонов или альфа-частиц.

На электронную оболочку атомов действует любой вид излучения - и гамма-лучи и альфа-частицы. Что же касается взаимодействия с атомными ядрами, то в случае легкого излучения оно наблюдается крайне редко, - настолько редко, что в потоке гамма-лучей с энергией 1Мэв из миллионов фотонов только один раз сталкивается с атомным ядром. Тяжелые частицы сталкиваются с ядрами намного чаще. При столкновении с ядром тяжелой частицы (протона, быстрого нейтрона и альфа-частицы) ядро приходит в движение подобно биллиардному шару, получившему толчок от другого шара. В результате удара атом выбивается со своего места. Энергия, полученная им, зависит как от энергии и массы частицы и угла удара, так и от массы атомного ядра. Если энергия велика (сотни тысяч электронвольт), то атом при ударе потеряет один или несколько электронов - возникает атомарный ион, несущий большую энергию и способный производить ионизацию окружающего вещества. Такие атомарные ионы называются атомами отдачи.

Получив значительную кинетическую энергию, атом может пройти в веществе довольно большое расстояние. Чтобы подтвердить это, был поставлен следующий опыт. Кобальтовая пластинка, покрытая с обеих сторон тонким (несколько сот ангстрем) слоем золота, была зажата между двумя графитовыми пластинками и облучена в ядерном реакторе. Атомы кобальта при захвате нейтронов становятся радиоактивными. Одновременно они получают сильные удары от быстрых нейтронов. Энергия, полученная атомами кобальта, была настолько велика, что они, пройдя через пограничный слой золота, очутились в графитовых пластинках.

Таким образом, тяжелые частицы выбивают атомы из их мест в решетке твердого тела. При этом образуются атомы, занимающие промежуточное - междоузельное положение в веществе. Это обуславливает их стремление вернуться в прежнее положение, но этому препятствует "жесткость" структуры. При облучении твердого тела энергия излучения как бы накапливается в нем в виде энергии смещенных атомов. Энергия смещения называется вигнеровской по имени американского физика Е. Вигнера, открывшего это явление. Оно имеет большое значение в реакторостроении, так как в ядерных реакторах материалы могут накопить огромные количества такой энергии. В этом отношении особенно опасен графит, как наиболее часто применяемый замедлитель нейтронов. Ядерные реакторы время от времени приходится останавливать и прогревать, чтобы атомы вернулись на свои места в кристаллической решетке. В тех случаях, когда нагрев производится очень быстро, выделяющаяся при возращении атомов на свои места вигнеровская энергия вызывает саморазогревание, в результате которого происходит тепловой взрыв. По этой причине зарегистрировано несколько случаев аварий ядерных реакторов.

Третий эффект действия тяжелых частиц на твердое тело заключается в следующем. Как уже говорилось, отдача энергии летящей частицей на единицу проходимого ею расстояния тем больше, чем меньше скорость ее движения, т.е. чем меньше ее энергия. Поэтому по мере замедления частица отдает все больше и больше энергии на единицу пути. На самом последнем участке своего движения отдача энергии малому объему вещества столь велика, что происходит мгновенное расплавление вещества в этом микрообъеме; все остальное вещество остается в прежнем состоянии. Через некоторое время расплавленное вещество вновь застывает, но структура его после этого может быть уже иной, а следовательно, изменяется и физические свойства. Если же при температуре плавления происходит термическое разложение вещества, то естественно, не только его структура, но и состав будет иным. К таким веществам относится большинство органических веществ и многие неорганические (например, перманганат калия).

Даже в самых тугоплавких металлах - вольфраме, молибдене, цирконии - при очень больших дозах в результате суммирования всех трех эффектов действия тяжелого излучения наблюдаются структурные изменения. В настоящее время самыми устойчивыми к излучениям твердыми материалами являются металлы. Заметные изменения в них наступают только при дозах, превышающих 10²⁴см^-2. К общим для большинства металлов изменениям следует отнести повышение микротвердости, предела прочности (в отдельных случаях до 50% исходной величины) предела текучести (для некоторых сталей на 200%). В результате длительного облучения механические свойства сталей вследствие перестройки внутренней структуры улучшаются. К сожалению, использовать облучение для улучшения свойств сталей невыгодно, ибо такие "улучшенные" стали будут стоить дороже золота.

Очень интересен с научной и практической стороны вопрос о действии излучения на твердые катализаторы. Активность катализаторов, т.е. их способность ускорять различные реакции, зависит от многих факторов, в том числе и от состояния поверхности и кристаллической решетки. Облучение вызывает изменение их обеих, поэтому можно надеяться, что с его помощью можно будет изменять каталитические свойства твердых тел. Работа в этом направлении только еще начинается. Несмотря на очень небольшое число исследованных систем, уже сейчас установлено, что некоторые катализаторы при облучении меняют свою активность как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Вот два примера. Облучение медной пластинки протонами в несколько раз превышает ее каталитическую активность по отношению к реакции распада муравьиной кислоты при 150^оС, а активность по отношению к реакции гидрирования этилена при облучении снижается в несколько раз. Можно полагать, что такой метод изменения свойств катализаторов найдет применение в химической промышленности.

4.10 РАДИАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ И ОХРУПЧИВАНИЕ

Образующиеся в процессе облучения радиационные дефекты вызы­вают существенное изменение характеристик прочности материала (на­пряжение сдвига, пределы текучести и прочность, твердость). В виде примера рис. 3.42 представлены кривые напряжение-деформация для об­лученных и необлученных железа и никеля, которые заметно различают­ся. На диаграмме растяжения облученного никеля (рис. 3.42, б) появля­ется так называемая площадка текучести. У железа в результате облуче­ния площадка текучести как бы сглаживается и предел текучести по сво­ей величине приближается к разрушающему напряжению. Пределы те­кучести никеля и железа увеличиваются с ростом дозы облучения. Отно­сительно природы явления радиационного упрочнения к настоящему времени более или менее утвердились два объяснения, в одном из кото­рых упрочнение связывается с тем, что радиационные дефекты являются дополнительными центрами закрепления дислокаций и снижают эффек­тивность действия источников дислокаций, а в другом - с образованием в кристаллической решетке дефектов - барьеров, препятствующих дви­жению дислокаций в своих плоскостях скольжения.

Рис. 4.20. Кривые напряжение-деформация для облученных (1) и необлученных (2) образцов железа (а) и никеля (б). Доза облучения 1,1∙10²⁰ нейтрон/см², _т - предел

текучести

Мына сурет болама агай?

В пользу первого механизма говорят такие факты, как появление ярко выраженного зуба текучести на диаграмме растяжения (напряжение-деформация) при испытании моно- и поликристаллических образцов об­лученных металлов (рис. 3.42, б), изменение внутреннего трения металла в результате обучения, данные электронно-микроскопических исследо­ваний облученных образцов,

Во втором, барьерном механизме увеличение критического напряже­ния сдвига или предела текучести металла в результате облучения свя­зывается с трением дислокаций о различные скопления точечных дефек­тов (например, кластеры, дислокационные петли и вакансионные поры), которые возникают вследствие упругого и контактного взаимодействия названных скоплений с дислокациями.

Радиационные дефекты в той или иной мере тормозят движение дис­локаций, они затрудняют процесс пластической деформации, что ведет к возрастанию предела текучести, упрочнению кристаллов. Подходя в процессе скольжения к дефекту - препятствию, дислокация цепляется за него, но ее боковые крылья продолжают скольжение. По мере уменьше­ния угла между крыльями дислокации возрастает давление на дефект -препятствие. С возрастанием напряжения, действующего на дислокацию, при определенном критическом угле она срывается с препятствия, пре­одолевает его, распрямляется и продолжает движение. Чем мощнее пре­пятствие, тем меньший критический угол срыва ему соответствует. Ра­диационные дефектные кластеры располагаются в плоскостях скольже­ния хаотически, причем их размеры также неоднородны и дислокация часто находит путь легкого скольжения по участкам слабых дефектов -препятствий.

По мере увеличения приложенного напряжения дислокация переме­щается до тех пор, пока она не преодолеет всю плоскость скольжения и всю совокупность барьеров, находящихся в ней. Требуемое для этого до­полнительное напряжение и формирует ту добавку к исходному пределу текучести для необлученного кристалла, которая ответственна за радиа­ционное упрочнение. Обычно радиационное упрочнение почти всегда сопровождается зна­чительным уменьшением пластичности облучаемых материалов - явлени­ем радиационного охрупчивания. Поэтому нетрудно предположить, что между радиационным упрочнением и охрупчиванием существует опре­деленная связь. Вычисление природы явления радиационного упрочне­ния позволяет установить возможные причины радиационного охрупчи­вания и пути его подавления.

Здесь следует отметить, что радиационное охрупчивание обычно на­блюдается у поликристаллических материалов, состоящих из отдельных зерен, представляющих собой монокристаллы. Появление в теле таких зерен во время облучения различных трансмутантов, и в первую оче­редь инертных газов (гелия и др.), ведет к тому, что при повышенных температурах эти вновь образовавшиеся примеси мигрируют к стокам, которые являются границами отдельных зерен. В частности, гелий как инертный газ нерастворим в металлах и выделяется по границам зерен в виде пузырьков, ослабляя эти границы. Таким образом, уменьшение пла­стичности облученного материала обусловлено снижением прочности границ зерен в результате образования и роста гелиевых пузырьков и выделений других трансмутантов. Но охрупчивание помимо этого усу­губляется и радиационным упрочнением материала внутри зерен, речь о которой шла выше. Зерно упрочняется, а границы между зернами разу­прочняется. Судя по всему, в этом и заключается основные причины ра­диационного охрупчивания.

 

4.11 РАДИАЦИОННАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ

 

Если к материалу приложить растягивающее напряжение, не превы­шающее предела текучести материала, то при достаточно высоких тем­пературах материал начнет деформироваться. Такая пластическая де­формация часто называется ползучестью материала. Она не обусловлена процессами скольжения дислокаций. За нее ответственны процессы диффузии, происходящие в напряженном кристалле. Можно создать в кристалле разность концентраций вакансий, если за счет приложенного внешнего напряжения энергия образований термических вакансий и хи­мический потенциал атомов в различных точках образца различны. В этом случае возникает диффузионный поток вакансий или, что то же са­мое, встречный поток атомов (рис. 4.21, а). Этот массоперенос приводит к необратимому изменению формы тела, то есть к пластической дефор­мации. Естественно, что все это возможно только при достаточно высо­ких температурах, активизирующих процессы миграции. Имеющиеся в реальных кристаллах дислокации служат не только стоками, но и источниками вакансий, так что диффузионный путь при наличии дислокаций сокращается и определяется не размером кристалла, а гораздо меньшим расстоянием между дислокациями разной ориента­ции (рис. 4.21, а, в центре). Сами дислокации, взаимодействуя с вакансиями, также перемещают­ся (переползают). Рассмотрим атомный механизм переползания на при­мере краевой дислокации в простой кубической решетке. На рис. 4.21, б представлен кусок атомной плоскости, содержащей вакансию V. Мигри­руя по кристаллу, вакансия может выйти на край экстраплоскости, кото­рый при этом перемешается по нормали к плоскости скольжения.

Рис. 4.22. Вакансионные потоки в кристалле под растягивающим напряжением (а)

и последовательные стадии механизма переползания краевой дислокации за счет присоединения вакансий: гладкий край экстраплоскости (1) присоединена одна ва­кансия (2), ступенька на краю экстраплоскости (3) (б)

 

Возможен также обратный процесс - отрыв вакансии от края экстра­плоскости или, что то же, присоединение к нему атома из узла решетки, который становится вакантным. Относительная частота актов присоеди­нения и отрыва вакансий зависит от того, какова плотность вакансий -выше или ниже термодинамически равновесной. В равновесии эти час­тоты равны. Локальный избыток вакансий создается у торцевых поверхностей растягиваемого кристалла, представленного на рис. 4.22, а. Если в нем имеются дислокации, то устанавливаются, как уже говорилось выше, диффузионные потоки вакансий не между гранями кристалла, а между соседними дислокациями, ориентированными так, чтобы кристалл удли­нялся, когда они обмениваются вакансиями (рис. 4.22, б).

Конструкционные узлы и детали современных ядерных энергетиче­ских установок находятся в напряженном состоянии и при этом работа­ют при повышенных температурах. Поэтому одной из главных причин изменения их размеров наряду с распуханием является ползучесть, кото­рая значительно усиливается под облучением. Оказалось, что для боль­шинства материалов скорость радиационной ползучести значительно выше, чем скорость термической ползучести. Основную роль радиационная ползучесть играет при температурах ниже ~ 0,45 Т_пл, а в области температур ~ 0,5 Т_пл ее вклад в деформацию становится сравнимым с термической ползучестью. При высокотемпера­турном облучении (~ 0,5 Т_пл) деформация материала под напряжением главным образом определяется уже процессом термической ползучести. Поэтому наибольший интерес представляют исследования, которые про­водятся при температурах 0,5 Т_пл.

Кратко остановимся на теоретических моделях, объясняющих радиационно-ускоренную ползучесть. Часто радиационная ползучесть реализу­ется в результате стимулированного напряжением движения дислокаций, включающего в себя консервативную и неконсервативную составляю­щие. Оказалось, что облучение оказывает влияние на ту и другую со­ставляющие. С одной стороны, кластеры, микропоры и дислокационные петли, образующиеся в процессе облучения, становятся барьерами на пу­ти скользящих дислокаций и тем самым замедляют процесс деформации. С другой - создаваемые в большом числе радиационно-индуцированные точечные дефекты способствуют переползанию краевых дислокаций и, следовательно, ускоряют процесс деформации под напряжением. По­следний эффект чаще всего является более существенным, именно по­этому под воздействием облучения скорость ползучести возрастает.

В соответствии со сказанным большая часть теоретических моделей радиационной ползучести так или иначе включает в себя процессы пере­ползания дислокаций в результате поглощения ими точечных дефектов. В поле внешнего напряжения появляется дополнительное взаимодей­ствие дислокаций с точечными дефектами, обусловленное разницей уп­ругих констант матрицы и точечных дефектов, так называемый модульний эффект. В результате дислокации, по-разному ориентированные по отношению к нагрузке, неодинаковым образом поглощают точечные де­фекты, что приводит к различию их скоростей переползания и, в конеч­ном счете, к направленной деформации.

 

4.12 РАСПЫЛЕНИЕ

 

Бомбардировка поверхности твердого тела ионами с достаточно вы­сокой энергией сопровождается эмиссией частиц вещества мишени в ва­куум, т. е. распылением мишени.

Рассмотрим только физическое распыление, пренебрегая химическим взаимодействием падающих частиц с атомами мишени.

Эффективность распыления принято характеризовать коэффициен­том распыления S. Естественно, что S, как величина среднестатистиче­ская, может выражаться нецелым числом. Следует сразу же оговориться, что при распылении частицы могут покидать поверхность в разных заря­довых состояниях - нейтральном, положительно и отрицательно заря­женном. В двух последних случаях имеем дело соответственно с поло­жительной и отрицательной ионно-ионными эмиссиями.

Очевидно, что физическое распыление является результатом переда­чи атомам мишени кинетической энергии, вносимой первичным бомбар­дирующим ионом. Для того чтобы атом покинул поверхность твердого тела, эта энергия должна превышать энергию связи атома с ним. Естест­венным результатом такого подхода является введение понятия порого­вой энергии распыления E_s. Если энергия налетающей частицы E₁ < E_s, то атому мишени не может быть сообщена энергия, большая энергии связи, и распыления не происходит. При E₁ > E_s с ростом энергии E₁ увеличива­ется количество атомов в поверхностных слоях мишени, которым в ре­зультате торможения первичного иона будет передана энергия, большая энергии связи. Таким образом, рост E₁ в припороговой области энергий должен сопровождаться быстрым увеличением S. Обычно энергия поро­га распыления E_s для разных комбинаций ион - твердое тело составляет 10-30 эВ. Следует иметь в виду, однако, что понятие пороговой энергии распыления удобно вводить для идеализированной модели твердого те­ла. Для реальных твердотельных мишеней из-за наличия ступенек атом­ного размера на поверхности, адсорбированных или примесных атомов, различных дефектов структуры, например, дислокаций, характерно не одно дискретное значение энергии связи, а некоторое распределение по энергиям. Вследствие этого, а также из-за теплового движения атомов поверхностного слоя, четко выраженного энергетического порога распы­ления в экспериментах наблюдать не удается.

Передача атомам мишени энергии и импульса, необходимых для то­го, чтобы они покинули твердое тело, и вышли в вакуум, может осущест­вляться разными путями. На рис. 4.23, а показан механизм распыления «рикошетом», когда атом отдачи, получивший энергию от первичного иона, столкнувшись с другим атомом мишени, сразу же рикошетом вы­летает в вакуум. Схема на рис. 4.23, б соответствует распылению атомов отдачи, получивших энергию непосредственно от первичного иона. До выхода в вакуум атом претерпевает серию последовательных столкнове­ний, при каждом из которых уменьшается его энергия и изменяется на­правление движения. Наконец, на рис. 4.23, в показан каскад столкнове­ний, рожденный первичным ионом. В результате передачи энергии от первоначально смещенных атомов другим атомам мишени и далее про­исходит ее распыление. Рис. 4.23, а и б соответствуют быстрым процес­сам, для которых характерны времена t ~ 10^-15÷10^-14 с, а рис. 3.29, в -медленным процессам с характерными временами t ~ 10^-14 ÷10^-12 с. Кроме этих процессов вклад в распыление могут давать также фокусированные столкновения.

в

Рис. 4.23. Схемы столкновений, приводящих к распылению: а - вылет рикошетом; б - выход первично смещенных атомов отдачи; в - выбивание атомов в каскаде столкновений

 

Очевидно, что эмиссия атомов при бомбардировке ионами может быть также обусловлена их термическим испарением из области тепло­вого пика. Характерное время этого процесса лежит в интервале 10^-12-10^-10 с.

В предположении, что именно представленные на рис. 3.29 процессы определяют распыление твердых тел ионами, П. Зигмунд разработал теорию катодного распыления аморфных и поликристаллических мате­риалов, наилучшим образом описывающую экспериментально наблю­даемые закономерности этого явления. Согласно этой теории коэффици­ент распыления S прямо пропорционален сечению упругого торможения S_n при Е = Е₁, и обратно пропорционален энергии Е_ь связи атомов на по­верхности. В области энергий ионов Е₁ ≥ l кэВ эта зависимость с доста­точной точностью описывается формулой

(4.63)

 

Здесь Е_ь выражено в эВ; S_n - в эВ∙см²; 4,2∙10¹⁴ - множитель, имеющий размерность см^-2; a_s - безразмерный коэффициент, характеризующий эффективность передачи энергии, который зависит от отношения масс взаимодействующих частиц и слабо изменяется с энергией первичных ионов. Энергия Е_ь связи атомов на поверхности для различных материалов обычно лежат в интервале 2-8 эВ. Эти значения энергий несколько меньше, чем значения соответствующих величин в объеме, так как проч­ность закрепления атома в узле решетки зависит от числа связей, а на по­верхности часть из них оборвана. Иными словами, в общем случае Е_ь меньше пороговой энергии смещения Е_ь, характеризующей образование радиационных дефектов в объеме. С другой стороны, поскольку распы­ление является неравновесным процессом, значения энергии Е_ь могут несколько превышать значения энергии сублимации.

Толщина слоя, из которого в вакуум выходит основное количество распыленных атомов, обычно составляет 1-2 нм, что, как правило, значи­тельно меньше глубины проникновения ионов. Из-за этого коэффициент распыления зависит от угла падения ионов , отсчитываемого от норма­ли к поверхности. В первом приближении можно считать, что путь, про­ходимый ионом в активном слое - поставщике распыленных атомов, пропорционален 1/cos . Энергия, рассеиваемая в этом слое, а, следова­тельно, и коэффициент распыления S изменяются примерно по такому же закону. Количественный расчет в рамках теории П. Зигмунда приво­дит к выражению

(4.64)

Здесь S(0) - коэффициент распыления при = 0; f - фактор, определяе­мый соотношением масс сталкивающихся частиц (для M₁ ≥ М₂ f ≈ 1,7; для M₁ << М₂ f≈ 1).

При углах паде­ния, больших некоторого критического _max, происходит уменьшение ко­эффициента распыления, что обусловлено увеличением с ростом ко­личества отраженных от поверхности мишени первичных ионов и их «выходом из игры» до развития полного каскада столкновений. Распыление нейтронами представляет некоторый интерес в исследо­ваниях по управляемому термоядерному синтезу в связи с тем, что рас­пыленные атомы стенки могут попадать в качестве примеси в плазму. Эмиссия радиоактивных первичных выбитых атомов на установке с большими потоками высокоэнергетических нейтронов может приводить к радиоактивному заражению жидкости, применяемой для охлаждения.

 

4.13 ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

РАДИАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ И ЭФФЕКТОВ

 

В основе радиационной физики твердого тела лежат, как известно, процессы взаимодействия высокоэнергетических частиц и излучений с различными материалами. В настоящее время физика этих процессов служит основой (базисом) для современных технологических разрабо­ток. Достаточно вспомнить, например, технологии, связанные с

• формированием скрытых легированных, пористых и дефектных слоев;

• легированием радиационными дефектами;

• ядерным трансмутационным легированием;

• ионно-лучевым перемешиванием;

• формированием квантово-размерных структур;

• изготовлением структур «кремний на изоляторе» («Smart Cut» тех­нология) и другими.

В последние 10-15 лет в области радиационной физики твердого тела сформировалось актуальное научное направление - радиационная инже­нерия материалов (РИМ). Под этим собирательным термином понимает­ся комплексное использование радиационных эф­фектов, индуцированных высокоэнергетическим воздействием частиц и излучения для получения, обработки и конструирования материалов с целью направленного изменения их свойств и изготовления различных изделий с новыми и улучшенными характеристиками и параметрами.

Направление РИМ включает в себя в первую очередь использование научных знаний неравновесных диаграмм состояния и радиационно-индуцированных явлений и эффектов, необходимых для выбора состава материала и создания его структурно-фазового состояния, обеспечиваю­щих требуемые физические и химические свойства материала.

Нарастающее развитие радиационной инженерии материалов, начав­шееся в начале XXI-го столетия было подготовлено и обеспечено успе­хами в области физики конденсированного состояния, радиационной фи­зики твердого тела, нанотехнологий, а также проектированием и конст­руированием новых поколений реакторов на быстрых нейтронах и тер­моядерных реакторов, требующих разработки и создания материалов, способных работать в жестких условиях активной зоны ядерно-энергетических установок. В последнем случае следует спроектировать оптимальный состав и микроструктуру сплавов для реакторов деления и синтеза.