диссертация (1097652), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Как уже упоминалось во введении, энергии облучения врадиационных экспериментах с протонами и ионами свинца были выбраны так, чтобы непревышать соответствующие энергетические барьеры начала ядерных реакций. Такимобразом, ионный пучок взаимодействует с материалом мишени только через (1) прямуюионизацию материала мишени или (2) упругие столкновения с атомами решетки мишени,или оба эти механизма [Holbert, 2008]. Заряженные частицы теряют свою кинетическуюэнергию почти исключительно за счет ионизации мишени до того момента, пока ихэнергия не упадет ниже порогового уровня Eth (от англ. “threshold” – порог), которыйсоставляет ∼1 кэВ для металлического железа [Butler, Cox, 1971].
Однако, ионизация вметаллах не приводит к необратимым повреждениям, и для металлов механизм (2)является наиболее важным механизмом радиационного повреждения [Holbert, 2008].Ниже Eth бомбардирующие частицы теряют свою энергию через смещение атомов, врезультате которых в кристаллической структуре образуются точечные дефекты (такиекак вакансии и междоузельные атомы).
Одна налетающая частица может привести (послепервого столкновения) к “каскаду столкновений”: первый выбитый атом будет далеевыбивать другие атомы решетки [Butler, Cox, 1971, 1974].Согласно базовой теории радиационных повреждений металлических тел [Butler, Cox,1974], энергия, которую может получить первый выбитый атом ограничена и выражаетсякак:Ep(Max)=4EMm/(M+m)2 (2)179 где Е и М – энергия и масса налетающей частицы, соответственно; m – масса атомарешетки мишени.Средняя энергия, которую получает первый выбитый атом, определяется по формуле:E p = Ed ln(E p ( Max )Ed(3))где Ed - энергия, необходимая для выбивания атома из узла решетки (Ed~27 эВ дляметаллического железа [Dienes, Vineyard, 1957]).В нашем случае Ep>>Ed, поэтому среднее число выбитых атомов на одно первичноестолкновение составляет:ν~ ≅Ep(4)2 EdТаким образом, в настоящей работе в случае железной мишени, протонныебомбардировки привели к каскадам столкновений числом ν~ ∼3.5 ( E p =187 эВ) и ν~ ∼3.9 (E p =208 эВ) выбитых атомов Fe на одно первичное столкновение для энергий протонногооблучения E1=400 кэВ и E2=850 кэВ, соответственно.
В свинцово-ионной бомбардировкис энергией облучения 1 ГэВ ν~ ∼8.5 ( E p =459 эВ).Накопление в процессе облучения точечных дефектов выше некоторой критическойконцентрации(критическоеповреждение)можетпривестикчастичномуразупорядочению атомов или аморфизации (то есть, спонтанному фазовому переходу изкристаллического в аморфное состояние) облученной области кристалла (например,авторы работы [Тетельбаум, Менделева, 2004] предлагают простую механическую модельаморфизации при ионном облучении твердых тел). Микроструктурные изменения воблученных твердых телах влияют и на макроскопические свойства, такие как объемныемакромагнитные свойства.Аморфизация твердых тел под действием быстрых нейтронов (φ~1020 cm-1) быларассмотрена в ряде работ [Дубинин и др., 1998]; под действием быстрых нейтроновнекоторыетвердыетелаиспытываютнеаморфизацию,апростоеатомноеразупорядочение [Дубинин и др., 1998].
О радиационном упорядочении – эффекте,обратном радиационной аморфизации, монокристалла никелистого железа посленейтронной бомбардировки сообщал Неель и др. [Néel et al., 1964]. Важно отметить, чтовышеописанный механизм механической аморфизации принципиально не зависит оттемпературы и радикально отличается от эффекта аморфизации, связанного с локальнымплавлением вещества вдоль ионных (нейтронных) треков с последующим быстрым 180 охлаждением, результатом которого является затвердевание аморфной фазы внутриоблученной области вещества [Тетельбаум, Менделева, 2004].Интересно отметить, что ионное облучение может быть источником образованияпримесей в кристаллической решетке [Holbert, 2008].
Действительно, бомбардирующиепротоны замедляются и захватывают необходимые для их нейтрализации электроны.Таким образом, протоны становятся водородом и могут стать причиной вспучиванияматериала в результате внутреннего давления соседних атомов [Holbert, 2008]. Однако, внастоящейработевспучиваниематериалаобразцовврезультатепротоннойбомбардировки не наблюдалось.§ 4.4.
Результаты и обсуждение4.4.1. Облучение протонами4.4.1.1. Тепловые эффектыОбразцы после протонной бомбардировки представлены на рис. 4.1 (фото).Радиационно-индуцированные изменения в магнитных свойствах облученных образцовпредставлены в табл. 4.2 и 4.3.ОбразецНазвание образца (**)IrxIryIrzIrОбразецНазвание образца (**)МикродиоритIryIrzIrМоноклинный пирротин 21-1 (Ir0)0.13.1-0.13.15-1(Ir0)0.22.7-0.12.71-1 (RIRM)1.33.1-1.23.55-1 (RIRM)3.62.22.85.11-2 (Ir0)-0.22.2-0.22.25-2 (Ir0)0.03.3-0.43.41-2 (RIRM)-0.11.61.32.15-2 (RIRM)10-2.2-1.4101-3 (Ir0)0.43.00.23.15-3 (Ir0)0.73.00.13.11-3 (RIRM)1.33.21.93.95-3 (RIRM)1.42.3-0.12.71-a (Ir0)---1.95-a (Ir0)---2.61-a (RIRM)-1.20.24.64.85-a (RIRM)-1.7-0.30.11.7Базальт IrxЖелезо в эпоксидной смоле2-1 (Ir0)-0.65.60.05.76-1 (Ir0)-0.13.8-0.53.82-1 (RIRM)4.46.42.28.06-1 (RIRM)1.92.3-2.43.92-2 (Ir0)-0.56.10.16.16-2 (Ir0)-0.13.40.23.42-2 (RIRM)2.47.81.28.26-2 (RIRM)5.10.41.45.32-3 (Ir0)-0.76.0-0.16.06-3 (Ir0)0.05.0-0.35.02-3 (RIRM)7.36.36.7126-3 (RIRM)1.62.30.12.82-a (Ir0)---3.26-a (Ir0)---1.02-a (RIRM)-1.90.50.02.06-a (RIRM)-0.80.1-0.20.8181 Гексагональный пирротин---1.06-b (RIRM)-0.90.20.11.03-1 (Ir0)-2.7889.0893-1 (RIRM)2.2878.1873-2 (Ir0)-9.990-0.7917-1 (Ir0)-0.216-0.8163-2 (RIRM)-8.1855.7857-1 (RIRM)0.72.7-8.69.03-3 (Ir0)-0.575-13767-2 (Ir0)0.27.20.37.23-3 (RIRM)-1.557-8.8577-2 (RIRM)-0.12.80.12.83-a (Ir0)---387-3 (Ir0)-0.14.4-0.34.43-a (RIRM)-1924-13337-3 (RIRM)-0.43.50.63.6---507-a (Ir0)---5.7-1825-26407-a (RIRM)-0.723-2.2233-b (Ir0)3-b (RIRM)Метеорит BensourМоноклинный пирротин 1**6-b (Ir0)Магнетит в эпоксидной смоле4-1 (Ir0)-0.32.40.42.58-1 (Ir0)0.14.10.04.14-1 (RIRM)1.82.20.52.98-1 (RIRM)0.62.9-0.43.04-2 (Ir0)0.81.80.21.98-2 (Ir0)0.01.50.11.54-2 (RIRM)2.31.81.03.18-2 (RIRM)0.51.1-0.41.24-3 (Ir0)0.12.0-0.82.18-3 (Ir0)0.13.10.13.14-3 (RIRM)2.23.7-1.94.78-3 (RIRM)-0.11.00.01.14-a (Ir0)---1.78-a (Ir0)---0.24-a (RIRM)-1.10.00.21.18-a (RIRM)-0.10.00.00.1Вид остаточной намагниченности Ir; Ir0 – предрадиационная остаточная намагниченность, оставшаясяпосле размагничивания переменным полем с амплитудой 120 мТл; RIRM – радиационная остаточнаянамагниченность, измеренная после протонной бомбардировки; Irx, Iry, Irz, и Ir - x-, y-, z-компоненты исуммарная интенсивность остаточной намагниченности, соответственно (в % от пострадиационной SIRM,значение Irx положительное в случае коллинеарности направлению распространения протонного пучка.
{x, y,z} – система координат 2G SQUID магнитометра.Таблица 4.3. Остаточная намагниченность образцов до и после протонной бомбардировкиКак видно из рис. 4.1, с увеличением флюенса протонов наблюдается последовательноеизменениецветаэпоксиднойсмолы.Хотятермопара,спомощьюкоторойконтролировалась температура во время протонной бомбардировки, не показывалатемператур выше 38°С, наблюдаемое потемнение эпоксидной смолы может указывать навозможный радиационно-индуцированный нагрев образцов. Для оценки верхнего пределатемператур, мы провели пошаговый нагрев образцов эпоксидной смолы той же марки до230°C. Цвет первой второй и третьей групп образцов был достигнут при температурах110°C<T1<160°C, T2~190°C, Т3~230°С, соответственно. Это согласуется с тем фактом, чтотепловое старение эпоксидных смол начинается при 120°C, в то время как короткаяэкспозиция материала воздействию температур в диапазоне 230-250°C вызывает его 182 разрушение [Гордон , 1963].
Поскольку мы не наблюдали механического разрушенияоблученных образцов, Т3 не превышала 230°C.В отличие экспериментов по нагреву, протонная бомбардировка может вызыватьпотемнение эпоксидной смолы в результате действия другого механизма. Потемнениеорганических полимеров может происходить за счет химической реакции протонов соструктурой полимера, что приводит к разрывам связей молекул полимера иосвобождениюразличныхэлементов,такихкакуглерод,посредствомразрывамежатомных связей [Koptelov et al., 2008].
Действительно, о радиационно-наведенныхувеличении хрупкости и карбонизации эпоксидных смол сообщалось в работе [Kircher,Bowman, 1964]. Интересно отметить, что авторы работы [Коптелов и др., 2008]указывают,чтоизмененияфизическихсвойствполимеровпоявляютсянижеопределенного критического флюенса φcr (от англ. “critical”) как результат разрывамежатомных связей.
Выше φcr можно ожидать видимую потерю диэлектрических свойствпри облучении. Критический флюенс протонов для исследованного Коптеловым и др.[2008] полимера каптон (C22H10N2O5) составляет φcr=3.1×1016 р/см2, что вышемаксимального флюенса протонов φ3, использованного в настоящей работе. Такимобразом, во всех описанных в настоящей работе экспериментах эпоксидная смоласохранила свои диэлектрические свойства при протонной бомбардировке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
