Cтраница 4
В реакциях синтеза около 80 % энергии уносится высокоэнерге-тичными ( порядка 14 МэВ) нейтронами, пронизывающими на большую глубину элемент конструкции термоядерного реактора. С учетом этого следует ожидать, что объемные повреждения материалов при одинаковом интегральном потоке нейтронов будут более значительными, чем в случае быстрых реакторов, по крайней мере, в силу двух причин: с одной стороны, под действием нейтронов с энергией 14 МэВ в материалах будут возникать более энергичные первично выбитые атомы, а следовательно, будут создаваться большие количества смещенных атомов и большие повреждения, чем в случае нейтронов быстрых реакторов. [46]
Процесс производится в вакуумной камере, заполненной инертным газом ( например, аргоном), в котором возбуждается газовый разряд. Возникающие положительные ионы бомбардируют распыляемый материал ( мишень), выбивая из него атомы или молекулы, которые осаждаются на подложках. Выбитые атомы на пути к подложке рассеиваются на атомах инертного газа. Это уменьшает скорость осаждения, но увеличивает равномерность осаждения пленки по подложке, чему также способствует большая площадь мишени. Скорость и время распыления ( от нескольких минут до нескольких часов) регулируются напряжением на электродах и могут быть выдержаны с высокой точностью. По сравнению с термическим вакуумным испарением данный процесс позволяет получать пленки тугоплавких металлов; наносить диэлектрические пленки, соединения и сплавы, точно выдерживая их состав; обеспечивать равномерность и точное воспроизведение толщины пленок на подложках большой площади, а также малую инерционность процесса. Распыление ионной бомбардировкой имеет несколько разновидностей. [47]
Для низких и средних энергий бомбардируемых ионов преобладают / -, а с увеличением энергии иона возрастает вклад Ef. При соударении внедряемого иона с атомами матрицы он может передать им энергию, существенно превышающую пороговую энергию смещения атома с места его расположения в кристаллической решетке облучаемого материала. Первично выбитый атом, обладая достаточно большой энергией, может инициировать развитие целого каскада столкновений, сопровождающихся смешением большого числа атомов матрицы. Когда энергии соударяющихся атомов уменьшаются до нескольких ки. Столкновительная фаза каскада развивается в течение времени порядка 10 с, при этом в матрице образуется большое количество дефектов типа вакансий и междоузельных атомов. Большая часть близко расположенных атомов и вакансий ( пар Френкеля) за время 10 - 12 с рекомбинирует. Однако оставшаяся часть дефектов в процессе облучения потоком, состоящим из большого числа ионов, накапливается, объединяется в плоские скопления, образует дислокационные петли и в конечном итоге сетки дислокаций. [48]
Для низких и средних энергий бомбардируемых ионов преобладают Е, а с увеличением энергии иона возрастает вклад Ее. При соударении внедряемого иона с атомами матрицы он может передать им энергию, существенно превышающую пороговую энергию смещения атома с места его расположения в кристаллической решетке облучаемого материала. Первично выбитый атом, обладая достаточно большой энергией, может инициировать развитие целого каскада столкновений, сопровождающихся смещением большого числа атомов матрицы. Расчеты показывают [ 811, что большая часть атомных смещений в каскаде образуется именно путем низкоэнергетических замещающих столкновений. Столкновительная фаза каскада развивается в течение времени порядка 10 - 13 с, при этом в матрице образуется большое количество дефектов типа вакансий и междоузельных атомов. Большая часть близко расположенных атомов и вакансий ( пар Френкеля) за время 10 - 12 с рекомбинирует. Однако оставшаяся часть дефектов в процессе облучения потоком, состоящим из большого числа ионов, накапливается, объединяется в плоские скопления, образует дислокационные петли и в конечном итоге сетки дислокаций. [49]
Вещество, находящееся в активной зоне реактора, подвергается бомбардировке нейтронами, образующимися при делении ядерного топлива, а также облучению электронами и у-лучами, возникающими в процессе радиоактивного распада продуктов деления. При столкновении быстрого нейтрона с атомом образуется целый каскад смещений. При этом все вначале выбитые атомы, имеющие энергию в тысячи и десятки тысяч электронволът, способны сами создавать дальнейшие поколения смещенных атомов в результате упругого соударения. Таким образом возникают сложные комплексы дефектов. [50]
Быстрая частица, попадая в твердое тело, вовлекается в непрерывный процесс взаимодействия с его атомами и электронами, передавая им свою энергию. Некоторые атомы среды при этом получают энергию, превышающую их энергию связи в твердом теле, и также приходят в движение, порождая вакансии. Какая-то часть первично выбитых атомов в результате взаимодействия с быстрой частицей получает энергию, достаточную для приведения в движение других вторично выбитых атомов. Возникает каскад движущихся атомов. Все эти движущиеся в твердом теле частицы и атомы в результате взаимодействия со средой постепенно замедляются и останавливаются. Некоторые атомы при этом захватываются ранее образованными вакансиями ( этот процесс называется быстрым или кратковременным отжигом), а остальные останавливаются в межузлиях кристаллической решетки. [51]
В модели Кинчина и Пиза для упрощения вводится предположение о наличии резкого порога Eit при котором прекращается ионизация и наступает область упругих столкновений. Однако для легких элементов бомбардировка нейтронами деления приводит к образованию большого числа выбитых атомов с энергией, превышающей Ег, и, следовательно, выбору этого параметра необходимо уделить больше внимания. Применение каскадной теории к столкновениям, когда вторично выбитые атомы также достигают области ионизации, оказывается более сложным, и: до сих пор для них не проведено достаточно точных расчетов. Однако в большинстве рассматриваемых случаев упругие столкновения, производимые первично выбитыми атомами с энергией выше Ег, очень слабо экранируются и приводят главным образом к образованию вторично выбитых атомов, обладающих значительно меньшей энергией, чем первичные атомы. [52]
Размер пор монотонно растет с дозой. В табл. 18 [39] указаны значения показателя степени т на начальном участке зависимости ( rv) s - t, числового множителя A, ( rv) B и ( Ф /) в - среднего радиуса пор и дозы, при которых наблюдается замедление роста пор. Видно, что независимо от спектра первично выбитых атомов и скорости повреждения значение т лежит в пределах 2 - 2 7, а в значении дозы ( Ф /) в существует большой разброс. [53]
Все виды радиоактивного излучения, проходя через материал, взаимодействуют либо с ядрами атомов, либо с электронами. При этом происходит возбуждение электронов, смещение атомов из узлов решетки и возбуждение атомов и молекул частицами или квантами высоких энергий радиоактивного излучения. Вторичные явления проявляются в каскадном возбуждении и нарушении структуры материала выбитыми атомами, ионами и элементарными частицами, в результате чего изменяется структура облучаемого материала. Одним из видов изменения структуры является образование вакансий в кристаллической решетке при столкновении частиц большой энергии или при взаимодействии квантов радиоактивного излучения с атомами твердого тела. Атомы, выбитые из своих устойчивых положений в решетке, могут оставаться в промежуточном, неустойчивом положении, образуя группу внедренных атомов. Если внедренный атом рекомбиниругт с образованной им вакансией, то не возникает нового дефекта, но происходит атомное замещение, приводящее к разупорядочению кристаллической решетки. [54]
Несмотря на то, что эти вычисления и имеют большой теоретический интерес, из них нельзя сделать никаких заключений о том, что происходит в реальном веществе. Можно представить себе, что выбитый атом вернется на пустое место, с которого ов был выбит, так что восстановится нормальная решетка, и в результате после облучения конечное разрушение будет очень мало. Бартон [1] указал, что большая плотность упаковки атомов в решетке способствует возвращению выбитого атома на свое место, так как чем плотнее упаковка, тем менее устойчивым будет положение атома вне узлов решетки. Он также указал, что вещества с низкой температурой плавления, в особенности не твердые, должны закаливаться и на них не должно оказывать влияния даже продолжительное облучение. Было обнаружено, указывается в отчете Смита, что графит после интенсивного облучения нейтронами изменяет электрическое сопротивление и теплопроводность. Насколько тела меняют свои свойства при облучении тяжелыми частицами, необходимо в каждом отдельном случае определять экспериментально. [55]
К сожалению, в настоящее время теория радиационного повреждения осколками деления развита недостаточно. Схематично модель радиационного повреждения а-урана осколками деления имеет следующий вид. Для описания пространственного распределения дефектов, образующихся на пути пробега осколками деления ( или первично выбитого атома решетки, обладающего достаточно высокой начальной энергией), Бринкманом [31] было введено понятие пика смещения. Бринкман делит траекторию быстрой частицы на две части: на первом, высокоэнергетичном участке, остаются только точечные дефекты, тогда как на втором точечные дефекты уже не могут образовываться. С уменьшением скорости тяжелой частицы длина пробега между последующими столкновениями резко сокращается и становится сравнимой с межатомным расстоянием, вследствие чего создаются условия для быстрой передачи остатка кинетической энергии атомам среды. В этой области соударения перестают быть независимыми, они образуют пик или зону смещения. [56]
Быстрая частица, попадая в твердое тело, вовлекается в непрерывный процесс взаимодействия с его атомами и электронами, передавая им свою энергию. Некоторые атомы среды при этом получают энергию, превышающую их энергию связи в твердом теле, и также приходят в движение, порождая вакансии. Какая-то часть первично выбитых атомов в результате взаимодействия с быстрой частицей получает энергию, достаточную для приведения в движение других вторично выбитых атомов. Возникает каскад движущихся атомов. Все эти движущиеся в твердом теле частицы и атомы в результате взаимодействия со средой постепенно замедляются и останавливаются. Некоторые атомы при этом захватываются ранее образованными вакансиями ( этот процесс называется быстрым или кратковременным отжигом), а остальные останавливаются в межузлиях кристаллической решетки. [57]