Synergetics 1_74 TATAPEHKO B A

Дефекти і радіяційні пошкодження у твердих тілах:

вакансії, бівакансії, анігіляція вакансій, утворення скупчень; власні міжвузловинні атоми, Френкелеві дефекти, кластери, рекомбінація. Ентальпія активації утворення. Об’єм релаксації

Уперше радіяційні пошкодження привернули до себе пильну увагу при створенні перших ядрових реакторів. Розпухання матеріялів і деформація графітових блоків змусили творців реакторів спрямувати свої зусилля на з’ясування причин цих явищ.

Eugene Paul WIGNER (1902–1995)

Угорсько-американський фізик-теоретик і математик Ю. П. Віґнер був одним із перших, хто у 1942 р. припустив, що високоенергетичні невтрони мають зміщувати атоми кристалічних твердих тіл з положень рівноваги і що саме ці зміщення призводять до серйозних технологічних ефектів стосовно умов експлуатації матеріялів. А у 1946 р. він розпочав вивчення нестійкостей, пов’язаних з накопиченням дефектів у кристалах при ядровому опроміненні.

При вивченні радіяційного дефектоутворення в кристалі передусім розрізняють первинні й вторинні ефекти, внаслідок яких в опромінених матеріялах утворюються дефекти: первинні (з утворенням вакансій, міжвузловинних атомів) і вторинні (з утворенням комплексів первинних дефектів з домішковими атомами, кластерів).

Радіяційні дефекти — це продукти атомових зміщень у опромінюваному матеріялі, а також електронних збуджень, що спричинюються у ньому йонізаційними процесами.

Характер радіяційно-стимульованих процесів залежить: від властивостей цілі, зокрема, від спектру її збуджених станів, різних для різних типів твердих тіл; від параметрів променювання

— маси, заряду і енергії його частинок або енергії фотонів, інтенсивности і дози радіяції, а також від умов опромінення — температури, наявности і величини пружніх, електричних та магнетних полів.

У йонних діелектриках основним механізмом утворення дефектів кристалічної ґратниці є релаксація (розпад) електронних збуджень — екситонів (електронно-діркових пар).

Потужнє зовнішнє опромінення світлом створює електронні збудження великої густини (що ґенерують K екситонів в одиниці об’єму за одиницю часу).

швидкости 0, передаючи в кожному акті за одиницю часу теплову енергію коливанням кристалічної ґратниці чи домішкам, та/або зникають внаслідок випромінювання фотонів «за час ».

У напівпровідникових або металевих матеріялах дефектоутворення спричинюється в основному пружніми ударами

сторонніх частинок з атомами твердого тіла. Первинним ефектом пошкодження кристалічної ґратниці, приміром, металу, під дією опромінення є передача одному з її атомів достатньо великої кінетичної енергії й одночасна передача додаткової енергії системі вільних і зв’язаних електронів. Збуджений атом рухається крізь ґратницю, розштовхуючи атоми й залишаючи за собою слід («трек») — область пошкодження (діяметром до декількох десятків нанометрів), що складається зі зміщених атомів, оточених «хмарою» збуджених електронів.

Опромінення високоенергетичною частинкою кристалічної ґратниці (цілі) і передача їй енергії призводить до розриву міжатомових зв’язків і зміщення атому з утворенням первинних радіяційних дефектів — вакансії та власне міжвузловинного атому.

Високоенергетичні частинки опромінення, тільки-но потрапляють у тверде тіло, зазнають пружніх і непружніх зіткнень з його ядрами атомів і спричиняють зміщення їх з притаманних місць у ґратниці.

Вакансія (позначена стрілкою), яку сфотографовано за допомогоюійонного мікроскопу (зі збільшенням 2000000)

При відносно малих енергіях бомбардувальних частинок і помірних дозах опромінення первинні дефекти — точкові: при низьких енергіях бомбардувальних частинок зазначені зміщення призводять до утворення поодиноких вакансій (порожній вузол кристалічної ґратниці) і поодиноких міжвузловинних атомів.

Вакансії (позначені великими жовтими кружечками) та міжвузловинні атоми (малі чорні кружечки) посеред атомів матриці (малі сірі кружечки)

Ще одним з результатів первинного ефекту взаємодії йонізувального випромінення з речовиною твердого тіла є виникнення вакантних місць (V) у ґратниці та власне міжвузловинних атомів (I), які утворюють, насамперед, парні Френкелеві дефекти, кількість і розподіл яких залежить від атомового

нумера речовини, що опромінюється, виду, енергії та густини потоку йонізувального випромінення.





Схематичне зображення двох Френкелевих пар, кожна з яких складається з вакансії і власне міжвузловинного атома, у кристалі типу кам’яної солі NaCl

Пари таких дефектів, передбачені ще у 1926 р. радянським фізиком-теоретиком Я. І. Френкелем, утворюються, коли бомбардувальна частинка передає атому у вузлі кристалічної ґратниці енергію, вищу за деяку порогову, тобто є енергетичний поріг їх утво-

рення d eff.

Якщо ж передана атому енергія є меншою за d eff, ймовірність народження дефекту різко зменшується.

Яків Ілліч ФРЕНКЕЛЬ (1894–1952)

Серед типових характеристик точкових дефектів, що утворюються, зазначимо:

об’єм релаксації кристалу через уведення власних міжвузловинних атомів, який складає 0,6–3,5 ат. об’ємів, а через вакансії — 0,6– 0,62 ат. об’ємів; ентальпію активації утворення моновакансії, власного міжвузловинного атома,

Френкелевого дефекту, що складає 0,39–4,0 еВ, 1,2–12,0 еВ, 2,4–13,6 еВ відповідно (причому, в залежності, зокрема, від (квази)частинок, що опромінюють).

Утворення і ріст пор. Розмірна нестабільність: радіяційне розпухання; радіяційна плазучість

Як правило, реакторні матеріяли використовують при температурах кімнатних і більш високих, і при опроміненні невтронами вакансії в них виявляються рухливими. У чистому металі при цьому можуть бути рухливими й міжвузловинні атоми.

Первинні радіяційні дефекти, — вакансії і міжвузлові атоми, — у широкому інтервалі температур мають значну рухливість, що призводить до різноманітних реакцій між первинними дефектами і домішковими атомами. В ході таких реакцій утворюються стійкі за температури опромінення вторинні радіяційні дефекти.

До вторинних ефектів опромінення відносяться:

1)створення первинно вибитим атомом (ПВА) під час його власного руху крізь ґратницю саме точкових дефектів типу Френкелевої пари (радіяційний каскад);

2)міґрація й асоціяція дефектів, що утворилися.

Увигляді каскаду зміщень процеси відбуваються за тих переданих енергій, що у декілька разів перевищують порогову енергію зміщення.

Вакансії, міжвузлові атоми та їхні скупчення, які виникають при ударі сторонньою частинкою з певною енергією

Якщо Френкелева пара утворюється неадіябатично (коли час зміщення атома у міжвузля dis набагато менший за період коливань його у вузлі ґратниці — dis 0 1), зокрема, за дії на кристал потоку швидких сторонніх ядрових частинок, то релаксація атомів, які оточують Френкелеву пару, що утворилася, не встигає відбутися за час dis, і енергія, необхідна для зміщення атома у міжвузля, стає значною: для бінарних напівпровідників — 5–20 еВ, а для атомарних

—десятки еВ.

Вмісцях проходження зазначених каскадів утворюються як поодинокі вакансії (V) і міжвузлові атоми (I), так і їхні комплекси з n V або з n I, — кластери (n-V) чи (n-I), — області підвищеної густини дефектів; тобто при високих дозах опромінення ефективною стає коаґуляція точкових дефектів, яка супроводжує їх дифузію. В подальшому з плином часу в процесі встановлення термічної рівноваги між розігрітою післякаскадною областю і рештою кристалу ці дефекти зазнають дифузійним шляхом різних структурних перебудов, зокрема, дефекти можуть перебудовуватися з анігіляцією вакансій і міжвузловинних атомів: частина з них гине в процесі анігіляції Френкелевих пар, коли зустрічаються вакансія і міжвузловинний атом. Інша частина змінює свої розміри і форми, своє місце розташування.

Міжвузловинні кластери (n-I) в процесі зростання переходять у так звані петлі дислокацій міжвузловинного типу, які є фраґментами («зародками»)

нових кристалографічних площин у твердому тілі, що опромінюється.

Вакансійні кластери (n-V) в процесі свого зростання можуть розвиватися в двох напрямах залежно від температури кристалу, типу його структури й інших чинників.

У першому випадку, як і міжвузловинні кластери, (n- V) утворюють петлі дислокацій вакансійного типу, які є наче дірками в кристалографічних площинах.

Мікрофотографія (електронно-мікроскопічне зображення на просвіт) петель дислокацій в опроміненім ОЦК-молібдені

Більшість матеріялів, опромінених при температурах в інтервалі (0,3–0,6)Tmelt, проявляють приблизно лінійне збільшення об’єму залежно від флюенса невтронів (при флюенсах, більших за 1021–1022 невтрон/см2; такі флюенси досягаються на покриттях палива в реакторахрозмножувачах на швидких невтронах упродовж приблизно року). Відповідне зменшення щільности («розпухання») матеріялу обумовлене відмінністю у властивостях (рухливості, швидкості анігіляції, тощо) вакансій і міжвузловинних атомів, що й проявляється, насамперед, у пороутворенні. Морфологія вакансійних пор, як тривимірних утворень (кластерів) з вакансій, досить різноманітна. Так, на цьому, другому, шляху еволюції вакансійних кластерів пори, що утворюються, при малих розмірах мають огранювання, яке відповідає типу материнського кристалу, а при великих розмірах є округлими порожнинами.

Мікрофотографія (електронно-мікроскопічне зображення на просвіт) вакансійної пористости в опроміненім ОЦК-ніобії

У кристалах під опроміненням, що є відкритими системами, далекими від стану термодинамічної рівноваги, пори теж можуть структуруватися у надґратниці різного типу з різними об’ємними ефектами.

Еволюція утворення та самоорганізації сукупности пор у ГЦК-ніклі

Надґратниця пор

Як відомо, у відкритій системі можуть спостерігатися різноманітні структури, що є упорядкованими у просторі та (або) у часі і виникають («самоорганізуються») саме завдяки нерівноважности системи. Такі структури було названо бельгійським фізико-хеміком Іллею Романовичем Пригожиним (у 1947 р.) дисипативними.

Ilya PRIGOGINE (1917–2003)

Приклади ефектів самоорганізації в кристалах під опроміненням: утворення періодичних структур дислокацій, зазначене періодичне розташування пор, втілень нових фаз, бульбашок газу, стінок дефектів, тощо.