Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Дегтяренко Свойства дефектов и их ансамблей, радиационная 2011

.pdf
Скачиваний:
70
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
6.53 Mб
Скачать

тельно большеK= Полное дифференциальное сечение образования= первично-выбитых атомов с энергией= q (dσ L dq ) равно сумме дифJ

ференциальных сечений в упругих и неупругих= (dσ L dq )n

процессах=

взаимодействия потока частиц с веществом=

 

æ ö

æ ö

 

=

Z ç

 

÷

Hç

 

÷

=

 

 

dq

è dq øe

è dq øn ===============================EPKNQF

Потери энергии и вклад каждого из процессов взаимодействия= потока частиц с веществом в создание смещенных атомов зависят от= энергииI=заряда и массы бомбардирующих частицI=а также от заряда= и массы ядер мишениK=В соответствии с принятой в настоящее время= терминологией бомбардирующие частицы условно делят в зависиJ мости от массы на легкие= МN< =Мp= EМp= – =масса протонаF =и тяжелые= МN> =МpI= от заряда= –= на нейтральные и заряженныеI= от энергии на= медленные= EbNY =l =кэВFI =промежуточные= EN =кэВ= Y =ЕN= Y= NMMкэВF= и= быстрыеX=EЕN= [=NMM=кэВFK=Ядра мишени в зависимости от массы подJ разделяются на легкие=EАO=Y=ORFI=промежуточные=EOR=Y=АO=Y=8MF=и тяJ

желые=EАO=[=8MFK=

Материалы термоядерных установок подвергаются действию= потока различных частиц и электромагнитных излученийK=ОсновныJ ми из них являются нейтроныI=заряженные частицы и=g-квантыK=

=

P.O.O. Взаимодействие нейтронов с веществом

=

Основной вклад в создание дефектов вносит упругое рассеяние = нейтроновK=Максимальная энергияI=которую способны передать атоJ му нейтроны с энергией=ЕNI имеет вид=

ˆ

QA

bNI =======================EPKNRF=

qNO NO bNZ

EAHNFO

 

 

где= А= Z =МNO= –= приблизительно равно массовому числу мишениK= Средняя энергияI= переданная атомам при упругом рассеянии= нейтронов=

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

Z

qNO

Z

αNO bN

Z

OA

b K ======================EPKNSF=

q

 

 

 

 

NO

O

O

EAHNFO

N

 

 

 

 

NQN=

=

Для большинства атомных ядер в широком интервале энергий= нейтронов=EMIMO=¸=R=МэВF=дифференциальное сечение передачи энерJ гии можно записать такW=

σd EqIbFZ const K=============================EPKNTF=

αNO bN

С увеличением энергии растет вероятность неупругого рассеяJ ния нейтроновK= При неупругом рассеянии ядром поглощается некоJ торая часть энергии падающего нейтронаI= и ядро переходит в возJ бужденное состояниеK= Возврат возбужденного ядра в равновесное= состояние сопровождается вторичным излучением= Eиспусканием= gJ квантовFK=Средняя энергияI=переданная атомам при неупругом рассеJ янии=

 

 

 

OAb

bγ

 

 

 

 

 

q Z

N

J

 

 

I =======================EPKN8F=

 

 

 

 

NO

EAHNFO

AHN

 

 

 

 

 

где=Еg=–=энергияI=израсходованная на возбуждение ядраI=испускаемая= со вторичным излучениемK=

При ядерных реакциях на нейтронах=xEnI=βF;=EnI=aF;=EnI=fF;=EnI=gFz= ядра отдачи иногда получают энергиюI= достаточную для смещения= атомовK= Число смещенийI= вызываемых атомом при испускании= g= J квантаI=определяется из формулы=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

öO

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

æ q

 

 

 

 

νEq FZ

 

 

 

ç

 

γ

÷ I ===================

EPKNVF=

Qj

 

b

 

 

 

c

 

 

 

 

 

NO

O

 

ç

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d è

 

 

ø

 

 

 

где= qγ =–=энергия=g-квантаI=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O Z Oj

b

 

 

 

cO I ===============================================EPKOMF=

 

 

q

 

 

 

 

 

 

γ

2 отд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для некоторых=

где Еотд=–=энергия ядра отдачиK=Значения=Еотд и= νEqγ F

элементов приведены в таблK=PKPK=

Радиационный захват вносит ощутимый вклад в создание= смещений только на медленной составляющей нейтронного потокаK=

При плотности потока тепловых нейтронов= jТ и сечении= sТ= реакции=EnI=gF скорость повреждения=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

öO

 

 

 

 

 

N

 

 

æ q

 

 

h

γ

φ

 

 

ç

 

γ

÷ K ================

EPKONF=

 

 

b

 

 

c

 

q

q Qj

O

ç

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

d è

 

 

ø

 

NQO=

=

При испускании=β-частиц ядра отдачи также обладают энерJ гиейI=достаточной для смещения атомовK=В этом случае==

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ

 

 

β öO

 

 

 

 

 

 

N

 

 

b

νEq

 

 

FZ

 

 

β

 

 

 

 

ç

 

 

 

÷ I =========================EPKOOF=

Qj

 

b

 

 

c

 

 

 

O

ç

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

d è

 

 

ø

где= b β –=энергия=β-частицI=

h β Z φ×σ nIβ νEqβ FK =============================EPKOPF=

=

Таблица=PKP= Энергия ядер отдачи при испускании ядрами=g-кванта=EnI=gF=и=

среднее число смещений в каскаде для некоторых элементов=

Элемент=

bотдI=xэВz=

nET

g F =

bотд÷sTI=xэВ·бz=

 

 

 

 

 

АN=

TTMK=S=

 

NS=

NTT=

ce=

P8VK=O=

8=

V8R=

Со=

PMR=

 

S=

===NNKP÷NMP=

ki=

RST=

 

NO=

OTOO=

Си=

P8NK=V=

 

T=

NQQM=

Zr=

OMN=

 

Q=

PSKO=

Ti=

QOTK=S=

 

J=

OQ8M=

jo=

NQ8K=R=

 

J=

QMN=

s=

QPP=

 

J=

OONM=

_e=

N8PNK=O=

 

J=

J=

jg=

QNR=

 

J=

OS=

 

 

 

 

 

=

Ядерные реакцииI= в которых образуются высокоэнергетичные= ионыI= могут рассматриваться как внутренние источники бомбардиJ рующих частицI= и число возникающих при этом смещений рассчиJ тывается по формулам для расчета числа смещенийI= образуемых= иономI=замедляющимся в твердом теле до полной остановкиK=

Для определения скорости образования смещений при реакJ торном облучении материалов необходимо знать реальный энергеJ тический спектр нейтроновK= Обычно оценка повреждающей способJ ности реакторного облучения сводится к расчету скорости образоваJ ния смещений для нейтронов средней энергииK= Одно смещение на=

NQP=

=

атом достигается в нержавеющих сталяхI=напримерI=при облучении в=

реакторе БОРJSM=при флюенсе=NK8∙NMOR н/мOI=в реакторе=b_oJП=–=при=

2∙NMOR н/мOI=в реакторе=ecfo=–=при=T∙NMOQ н/мOK=

Если сечения процессов взаимодействия нейтронов реакторноJ го спектра с веществом для материалов известныI=то расчет скорости= образования смещений при нейтронном облучении не вызывает= принципиальных затрудненийK=

=

P.O.P. Взаимодействие ускоренных ионов с веществом

Для описания процесса рассеяния ионов на атомах решетки= обычно пользуются простым кулоновским потенциалом= Eпри= l= = ~I= где= l =– =расстояние максимального сближения атомовI= а= –= радиус= экранированияFI=экранированным кулоновским потенциалом при=l=»= а и экранированным кулоновским потенциалом с учетом потенциала= Борна-Майера при=а=<=l=<=NMаK=

NK=При кулоновском рассеянии ион с энергией=ЕN передает поJ

 

ˆ

 

коящемуся атому энергию от=M=до= qNO W=

 

ˆ

QjNj O

bNI ==============================EPKOQF=

qNO NO bN Z

 

EjN Hj O FO

 

 

где=МN и=МO=–=массовые числа взаимодействующих частицK== Средняя энергияI=переданная атомам частицей с энергией=ЕNI=

 

 

Z

qd lnNO bN L bd F

K=====================

EPKORF=

q

 

 

NO

NJ bd L αNO bN

 

 

 

 

 

Полное сечение образования смещений при кулоновском расJ сеянии частиц вычисляется по формуле=

 

 

 

Qπ~Oj

N

Z OZ O bO

 

 

 

 

σ

d

Z

M

N O o

ENJ b

d

L α

b FI==

EPKOSF=

 

 

 

 

 

j O bNbd

NO

N

 

 

 

 

 

 

 

 

где=bo=–=энергия Ридберга=ENPISMR=эВFI=ZNI=ZO=–=атомные номера взаиJ модействующих частицK=

Облучение ионами с энергией= ЕN вызывает смещение атомов= со скоростью=

 

 

 

 

Oπ~Oj

N

Z O Z O bO

α b

 

 

 

 

hZσ

Eq F×φ=φ×

M

N O o

×ln

NO N

K ===============EPKOTF=

 

 

 

 

 

d NO

j O bNbd

bd

 

 

 

 

NQQ=

=

РезультатыI= приведенные вышеI= применимыI= когда всеми= скользящими столкновениями=El=[=аF=можно пренебречь=Eони не дают= ощутимого вклада в создание смещенийFK=Как предельный критерий= применимости простой кулоновской модели используется условие= ЕN»ЕbI=Еb= –= энергия ионовI= при которой для обычного кулоновского= потенциала=El=Z=аF=

 

eO~ bO

 

 

 

 

b Z

NO ~

I =======================================EPKO8F=

 

b

Qbd

 

 

 

 

где= Еа= –= энергия ионовI= при которой для экранированного кулоновJ

ского потенциала=El=Z=аF=

 

 

 

 

 

 

T S æ jNHjO

ö

 

b~ ZObo EZNZO F

ç

 

÷K

EPKOVF=

ej O

 

 

è

ø

===================

OK=Для ионов с энергией меньше=Еb=EЕ~=<=bN<=bbF наряду с лоJ бовыми столкновениями=El=…=аFI=следует учесть и скользящие столкJ новения для которых=l=»=аK= Наиболее приемлемой для расчета спекJ тров ПВА в этом случае является модель экранированного кулоновJ ского взаимодействия в аппроксимации ЛиндхардаK=

На расстояниях между атомами=r ≤=MKTǺ наилучшую точность= дает потенциал Томаса-Ферми-ФирсоваW=

sErFZ ZNZOeO χEr L ~FI =========================EPKPMF=

r

где= ZNI =ZO= –= атомные номера иона и атома мишениI= r= –= расстояние=

между

ядрами

сталкивающихся

атомныхI=

~ZMI88×~M (

ZN H ZO

O P

 

I = ~M= –)= боровский радиусI= c(хF= –= функция=

экранирования Томаса-ФермиI= при= х= … =N = =c ≈= N–NIR8x и потенциал= sErF переходит в кулоновскийK=

PK=При=ЕN ≤ Е~ нельзя пренебрегать лобовыми столкновениямиI= но также необходимо учитывать скользящие столкновения с Jпри цельным параметром вплоть до= NMаI =тK =еK =при= ЕN ≤ Е~ представляют= интерес столкновенияI=для которых=а=<=l=<NMаK=

На расстояниях=r ≥=MIT=ǺI=которые играют основную роль при= энергиях взаимодействия меньше нескольких сотен эВI= лучшее соJ гласие дает потенциал Борна-Майера===sErFZ AexpEJbrFI b=Z=PKRP,=

NQR=

=

(

Z

N

H

Z

O

Q P

)

~Z8TKT=

 

 

эВK ==================EPKPNF=

Для этого класса столкновений средняя энергияI= переданная= атомамI=и полное сечение рассеяния приближенно имеют вид=

 

 

 

 

αNO bN bd I ===================================EPKPOF=

qNO Z

 

 

 

nO~O b

~

 

 

σd Z

 

~

NO

K

=========================EPKPPF=

 

 

 

 

 

 

Q

bNbd

=========

Если знаем потенциал взаимодействия атомных частицI= то по=

известным формулам классической механики можно найти диффеJ ренциальное сечение рассеяния иона на заданный угол или диффеJ ренциальное сечение передачи энергии=Т неподвижному атомуK==

В общем случае интегралыI =входящие в выражения для дифJ ференциальных сечений с потенциалами= EPKPMF=и= EPKPNFI= не выражаJ ются через элементарные функцииK=Поэтому для большинства пракJ тических расчетов используют степенные аппроксимации потенциаJ

лов=EPKPMF=и=EPKPNF=sErF~ r JNm I =M=<=m=≤=NI=при этом дифференциальное= сечение передачи энергии=Т хорошо аппроксимируется выражением=

dσ Z Cm ×b Jm ×q JNJm I ==M=<=Т=<=ТmI======= =========================EPKPQF=

====ds=Z=MI========================q=>=qmI==========================================

где= q Z QjNj O b = –= максимально возможная передаваемая энерJ m EjN Hj O FO N

гияK=

Передаваемая энергия= Т= связана с углом рассеяния в системе= центра инерции соотношением= q Zqm sinO (Θ L O K=) Константы= Cm= имеют видW==

 

 

 

π

 

~O æ

jN

ö

m æ

OZNZOe

O öOm

C

 

Z

λ

ç

 

÷ I ==m>NLQX==========EPKPRF=

m

 

 

÷

 

 

 

 

O

m

ç

 

ç

~

÷

 

 

 

 

è j O ø

è

ø

 

π

 

O æ jN

öm

Om

I===m<NLQK==

Cm Z

 

λmb

ç

 

÷

E OΛF

 

O

 

 

 

 

è j O

ø

 

 

 

Потенциал= s :rJNm при= m= <= NLQ= аппроксимирует потенциал= Борна-Майера=EPKPNFI=а при=m=>NLQ=–=потенциал Фирсова=EPKPMFI=приJ

NQS=

=

чем при=NM=<=rLа=<=PM==–==m=≈=NLPI=при=N=<=rLа=<=NM=–==m=Z=NLOI=при=MKO= <=rLа=<=O=–=mZ=OLPI=при=rLа=<=MKO==J=m=Z=NK= Константы=lm убывают с=

ростом=mI=lM=Z=OQI==lNLP=Z=NIPMVI==lNLO=Z=MKPOTK=

Вид потенциала=EPKPMFI=а также аппроксимации=EPKPQF=при=m=>= NLQ=позволяет ввести безразмерную энергию==

εZ

b

;==bi Z

ZNZOeO jNHj O

K =

EPKPSF=

b i

~

 

 

j O

 

 

 

 

 

 

======

 

Множитель= EjNHjO FL jO в выражении= Еi

введен для переJ

вода безразмерной энергии в лабораторную системуK= Как можно=

увидеть в дальнейшемI=многие важные результаты в теории взаимоJ

действия атомных частиц с твердым телом выражаются в виде униJ

версальных функций от безразмерной энергииK=

 

Упругие

столкновения ионов

с атомами мишени приводят=

во-первыхI=к рассеиванию ионовI=а во-вторыхI=к потере энергии=

 

 

 

 

æ db

ö

 

 

qm

 

 

 

 

 

 

 

 

ò qdσEqFK ===========================EPKPTF=

 

 

 

 

ç

 

÷ Z kpn Z k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è dx

øn

 

M

 

Величина= pn называется упругой или ядерной тормозной споJ собностью веществаX= pnEeF= –= универсальная функция безразмерной= энергииI=она представлена на рисKPKTK=При степенной аппроксимации= EPKPMF=с=m=Z=NLP=

pn ZNIPM8π~ZNZOe

O

jN

ZconstK=

EPKP8F=

 

jNHjO

 

 

 

 

При=NLQ ≤= e ≤= O=pn действительно слабо зависит от энергииI= и= можно пользоваться выражением=EPKP8FK=

Высокоэнергетичные ионы могут проникнуть под облако= атомных электроновI= при этом часть энергии ионов расходуется на= ионизацию и возбуждение электронной подсистемыK= Однако ион= почти не рассеивается на электронах вследствие большой разницы= масс электрона и ионаK=Поэтому можно считатьI=что на ион действуJ

ет непрерывная тормозящая силаI=направленная в сторонуI=обратную= скорости ионаK=При скоростях иона меньше скорости= электронов на= поверхности Ферми тормозная способность=EdbLdхFе пропорциональJ на скорости иона=vK=

NQT=

=

=

РисK= PKTK= Ядерные и электронные тормозные способности = в безразмерных единицах=e=и=rW==

—========–=ядерная тормозная способность= (ε L ρ )n X=

J=J=J=======–=в приближении потенциала=s=~=rJOX=

J=∙=J=∙=J===–=электронная тормозная способность=EN=–=для протоновI=O=–= для тяжелых ионовF=

=

Выражение для неупругих потерь энергии тяжелых ионов быJ ло получено Фирсовым на основе представления об обмене электроJ нами летящим ионом и атомом мишениI= в результате которого кажJ дый электрон переносит импульсI=равный=mvI=где=m=–=масса электроJ наI= v= –= относительная скорость иона и атомаK=При этом на ион дейJ ствует сила тренияI=которая для не сильно отличающихся атомных= номеров иона и атома равна=

æ db ö

Z kpe ZJMIOPQ×NMJPMEZNHZO FkvI=

EPKPVF=

ç

 

÷

 

è

dx øn

 

 

где=pе=–=электронная тормозная способностьK=

Эта формула впоследствии обобщаласьI=во-первыхI=для случая= сильно различающихся атомных номеров иона и атома мишениK=ВоJ вторыхI= на основе распределений электронной плотности в атомахI= полученных из квантовой механикиI= были учтены оболочечные эфJ фекты и получена не монотоннаяI=а осциллирующая зависимость= pе= от= ZN= и= ZOK =Все эти обобщенияI =однакоI =приводят к весьма громоздJ ким формуламI=поэтому мы их не приводимK=Тем болееI=что формула= EPKPVF=отличается от ее обобщений не более чем на фактор=OK=ВыраJ

NQ8=

=

жение для=EdbLdxFеI= мало отличающееся от формулы Фирсова=EPKPVFI= было дано также Линдхардом и Шарфом=

J

æ db ö

Z~

 

ξ

éZ

 

Z

 

eO k L

(

Z OL P HZ OL P

PL O ù

v

I = = = = = = = EPKQMF=

ç

 

÷

Б

N

O

ú

 

 

 

 

ê

 

 

N

O

 

)

 

è

dx øn

 

 

 

ë

 

 

 

 

 

 

 

û vM

 

где= ~Б и= vM= –= боровский радиус и

скорость

электрона на

боровской=

орбитеI=x=Z=N=¸=O=и меняется=~=zNLSK=

 

 

 

 

скоростью= v =< =vc= –

Для протонаI= движущегося

в металле

со

фермиевской скорости электроновI= выражение

для потери

энергии=

на возбуждение электронов было получено Трубниковым и ЯвлинJ

скимW=

 

 

 

 

 

 

 

 

æ db ö

æ mэф ö

 

 

Jç

 

÷ ZNNIT×NMT hneN PZOO ç

 

 

÷vI ==

EPK=QNF=

 

 

 

è

dx øn

è m

ø

 

 

где= ne= – =плотность свободных электроновI =~ =mэф= –= их эффективная= массаK= Эта формула была получена из рассмотрения поляризации= среды движущимся зарядом с помощью формализма диэлектричеJ ской проницаемостиK=

Неупругие потери энергии достигают максимума при скорости= иона= ~ vM Z OOL P I=а затем уменьшаются с ростом скорости иона согласJ но формуле Бете-Блоха==

æ db ö

 

QπZNOeQ

Jç

 

÷

Z

 

 

mvO

è

dx øe

 

æ Om vO ö

 

ZO k ×ln ç

e

÷I =

EPKQOF=

f

ç

÷

 

è

 

ø

 

где= f= –= средний потенциал ионизацииI= который в модели ТомасаJ Ферми равен=NPIR=эВK=

 

На рисK=PKT=приведена для сравнения также неупругая тормозJ

ная

способность= pе для некоторого ионаK= Безразмерная энергия= eсI=

при

которой сравниваются упругие и неупругие потериpnE=ecF= Z=

peEecFI составляет=eс=Z=N=¸=O=для=ZN=>=ZOK=При=ZN=<=ZO==eс=<NI=а для проJ тонов и других изотопов водорода практически всегда=pе=>pnK=

Полный пробег иона в веществе определяется суммой тормозJ ных способностей=p=Z=pn=H=pe и равен=

N M db

oZ k bò pn Hpe K =======================================EPKQPF=

NQV=

=

Однако практически наибольший интерес представляет = не полный пробег ионаI=а расстояние от места начала движения до меJ стеI= где ион останавливаетсяK= НапримерI= важно знать глубинуI= на= которую проникают ионыI= падающие на поверхность мишениI= или= расстояниеI=на которое смещается атомI=выбитый из узла кристаллиJ ческой решеткиK=Расстояние от места начала движения до остановки=

в твердом теле всегда меньшеI =чем полный пробегI =поскольку ион= движется по=…ломаной траектории»I=вследствие рассеяния на атомахK= Если начальный импульс иона не ориентирован вдоль плотноJ упакованных атомных рядов в кристаллеI= то эффект каналирования= не существен для движения ионаI= его столкновения с атомами миJ шени не коррелированыK= В этом случае мишень можно считать= аморфнойK= Для большинства процессовI= рассмотренных нижеI= приJ

ближение аморфной мишени вполне достаточноK=

По мере проникновения вглубь мишени уменьшается энергия= ионовI= изменяются механизм и сечение их взаимодействия с атомаJ ми мишениI=что вызывает изменение скорости повреждения по глуJ бине пробега ионовK=Для расчета профилей повреждения созданы= программы и атласыI= которые следует использовать как стандарты= на расчет уровня повреждений при ионном облученииK= С помощью= этих программ рассчитывается также уровень повреждений при реJ акторном и электронном облученииK=

P.O.4. Распределение по глубине проникновения внедренных ионов и дефектов, созданных ионами

=

Для исследования большинства процессовI=которые проходят в= облученном твердом телеI= важно знать распределение по глубине= проникновения= EилиI= как его называютI= …профиль»F= внедренных= ионовK=

Распределение внедренных ионов по глубине проникновения= изучалось многоI= разными методамиI= как экспериментальноI= так и= теоретическиK= Ряд экспериментальных методов определения профиJ ля= основан на анализе поверхности= EнапримерI= методами оже-спекJ= троскопииI= масс-спектрометрииI= рентгеновской спектроскопии =и т.пKFI= которому сопутствует послойное стравливание поверхностных= слоевK= Существуют и неразрушающие методы измерения профиляI=

NRM=

=

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]