Под действием больших доз облучения изменяется плотность кристалла, а при низкой симметрии - решетка и геометрическая форма. Чтобы дать понятие о порядках величин, укажем, что под действием интегрального по времени порядка 1020 реакторных нейтронов на 1 см2 плотность кварца снижается на 15%. В качестве примера сильно и резко анизотропно меняющегося материала можно привести альфа - модификацию урана, имеющую довольно низкую ромбическую симметрию. Монокристалл такого урана под действием облучения в реакторе сжимается в одних направлениях и расширяется в других, причем размеры могут изменяться больше чем вдвое.
Облучение сильно влияет на механические свойства. Обычно материал упрочняется из-за того, что возникшие под влиянием облучения дефекты тормозят движение дислокаций. Модуль упругости растет, разрушение вместо пластического становится хрупким. Эти изменения иллюстрируются на рисунке 13.3 графиками деформация - напряжение для малоуглеродистой стали при облучении ее различными потоками нейтронов.
Радиационные изменения механических свойств довольно устойчивы. Их можно уничтожить только отжигом при температуре порядка рекристаллизации.
На создание вакансий и атомов в междоузлиях тратится довольно значительная энергия. При больших дозах облучения эта так называемая скрытая энергия становится большой в макроскопическом масштабе. Например, в графите после облучения дозой 3*1021 нейтрон/см2 создается скрытая энергия 620 кал/моль. Эта энергия выделяется при отжиге. В некоторых случаях наблюдается самопроизвольное выделение скрытой энергии, приводящее к саморазогреву материала.
В металлах при облучении возрастает остаточное (т. е. не зависящее от температуры) электрическое сопротивление. Электропроводность диэлектриков после облучения в одних случаях возрастает, в других - падает. Увеличению электропроводности способствует возрастание числа ионных носителей тока. Но если после облучения появляются сложные комплексы (грозди) дефектов, то носители начинают застревать в этих комплексах, что снижает электропроводность. Косвенным подтверждением правильности этих механизмов являются два графика ,
на которых приведены температурные зависимости относительного удельного сопротивления и запасенной скрытой энергии для поваренной соли, облученной дозой 8,9*1015 протонов на 1 см2 довольно высокой энергией 350 МэВ. Увеличение сопротивления при подходе к первому максимуму соответствует образованию гроздей дефектов. Падение сопротивления после первого максимума соответствует распаду гроздей. Возникшие в результате распада дефекты (в частности, вакансии) активно участвуют в электропроводности. Сопротивление падает. В минимуме сопротивления скрытая энергия достигает резкого максимума - в отдельных дефектах энергии больше, чем в грозди. Далее начинается отжиг дефектов. Число носителей падает. Сопротивление растет. Наконец, после прохождения второго максимума начинает падать роль дефектов в общем балансе механизма электропроводности. В результате относительное (не абсолютное) сопротивление начинает приближаться к единице, т. е. спадать. Более сложно разобраться в действии на электропроводность нейтронного облучения. Нейтроны, поглощаясь посредством радиационного захвата (n, г), создают в-и г-активные ядра. Радиоактивные ядра, находящиеся на поверхности, ионизируют окружающий воздух, делая его проводником. Возникающая поверхностная проводимость сильно искажает общую картину электропроводности.
В неметаллах после облучения падает теплопроводность за счет рассеяния фононов на дефектах.
4. Появление дефектов в кристаллической решетке неизбежно искажает структуру электронных уровней, что приводит к изменению оптических и электрических свойств кристалла. Эти изменения существенны для диэлектриков и полупроводников, но не для металлов, внутри которых имеется большое число свободных электронов, которые, с одной стороны, практически не подвержены действию точечных дефектов решетки, а, с другой стороны, определяют электрические и оптические свойства кристалла.
Мы уже рассмотрели зависящую непосредственно от решетки электропроводность диэлектриков после облучения. Для работы изоляторов в условиях облучений и для других вопросов важно знать электропроводность диэлектриков во время облучения. Эта радиационная электропроводность детально изучена для действия г-излучений из радиоактивных источников и реакторов. Оказалось, что при напряжениях, достаточно далеких от пробоя, радиационная электропроводность линейно растет с интенсивностью облучения. Этот результат естествен. Облучение непрерывно создает свободные электроны посредством фотоэффекта и комптон-эффекта, причем число электронов, создаваемых в единицу времени, пропорционально интенсивности облучения.
Особенно сильно влияет облучение на электрические свойства полупроводников материалов. Это и понятно, так как действие вакансий и атомов в междоузлиях во многом сходно с действием примесных атомов, а электропроводность полупроводников, как известно, крайне чувствительна даже к очень малым (сотые доли процента и даже меньше) примесям. Главное и очень вредное для технических приложений действие облучения на полупроводнике состоит в том, что появляющиеся под влиянием облучения дефекты создают новые электронные энергетические уровни в запрещенной зоне. Эти уровни являются ловушками для носителей зарядов. Дефекты - ловушки сильно снижают времена жизни носителей, что приводит к уменьшению электропроводности. Кроме того, в ловушках накапливается пространственный заряд, искажающий электрическое поле внутри проводника и резко ухудшающий его технические характеристики. Большинство дефектов, созданных электронными или г-облучениями, при отжиге рекомбинирует, после чего полупроводник почти восстанавливает свои первоначальные свойства. Нейтронное облучение создает значительно большое количество дефектов, часть которых необратима. К последним, в частности, относятся примесные атомы, возникающие посредством радиационного захвата нейтронов атомами полупроводника. Этот захват обычно приводит к возникновению в полупроводнике акцепторных или донорных примесей. Механизм возникновения этих примесей можно проследить на примере германия. Германий четырехвалентен. Его кристалл имеет структуру алмаза (каждый атом находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя ближайшими соседями). Германий имеет пять стабильных изотопов 32Ge70 , 32Ge72 , 32Ge73 , 32Ge74, 32Ge76, содержание которых в естественной смеси составляет соответственно 21, 29, 8, 36 и 8%. Основной изотоп 32Ge74 при захвате нейтрона переходит путем электронного распада в изотоп 33As75 пятивалентного мышьяка, являющегося, очевидно, донором, так как на его внешней оболочке имеется лишний для германиевой решетке пятый электрон. С другой стороны, изотоп 32Ge70 , проглотив нейтрон, претерпевает позитронный распад, превращаясь в изотоп 31Ga70 , трехвалентного галлия, являющегося типичным акцептором. Акцепторные уровни на радиационных дефектах появляются и при облучении другими частицами, например дейтронами. Это демонстрируется приведенными на рис. 13.5 зависимостями удельной проводимости акцепторного и донорного германия от дозы облучения слегка падает из-за образования дефектов, тормозящих носители тока.
Проводимость донорного образца сначала падает на несколько порядков из-за компенсации донорных и акцепторных носителей. При более сильном облучении проводимость резко растет, но уже является не донорной, а акцепторной. Этот эффект может быть использован как один из методов создания p-n - переходов, необходимых для использования любого полупроводников устройства.
Оптические проявления влияния излучений разнообразны и иногда возникают при довольно слабом облучении. Из всех этих проявлений мы ограничимся примером появления так называемых центров окраски (F-центры) в кристаллах поваренной соли. Эти кристаллы при облучении окрашиваются в желтый цвет (длина волны спектральной линии 465 нм). Происхождение этого окрашивания объясняется следующим образом. Вакансия на месте выбитого отрицательного иона хлора замещается электроном. На этот электрон действуют примерно те же силы, что и на ион хлора. Но при одинаковых силах квадраты частот колебаний обратно пропорциональны массам. Электрон в десятки тысяч раз легче атома хлора. Поэтому частота колебаний электрона, занявшего вакансию, будет в сотни раз больше частоты колебаний атома. А этого как раз достаточно, чтобы «довести» частоту колебаний электрона до оптической области. Правильность такого объяснения радиационного окрашивания подтверждается эффектом точно такого же окрашивания поваренной соли при нагреве ее в парах натрия с последующим быстрым охлаждением. Этот процесс приводит к избытку натрия, т. е. к хлорным вакансиям, и следовательно, к появлению центров окраски.
5. Изучение различных радиационных повреждений и их зависимостей от вида облучения, температуря и т. д. важно как для практических задач, связанных с работой различных приборов и других устройств в условиях облучения, так и для изучения многих вопросов физики твердого тела.
Для направленного искусственного изменения свойств материалов применяется имплантация (т. е. внедрение) в них тяжелых ионов.
Имплантация ионов оказывается чрезвычайно полезной во многих случаях. Например, имплантация ионов бора, фосфора и тантала значительно улучшает свойства кремниевых и германиевых детекторов. Имплантация тяжелых ионов открывает широкие возможности для изготовления и изучения свойств новых сплавов, которые из-за химической несовместимости компонентов невозможно получить другими способами, и т. д.
В некоторых случаях и радиационными повреждениями, наносимых веществу тяжелыми ионами, удается найти полезное практическое применение. Примерами могут служить изготовление ядерных фильтров и датировка событий по трекам продуктов деления урана. При прохождении тяжелых ионов через непроводящие кристаллы и аморфные тела вдоль трека иона из-за большой плотности ионизации (плотность ионизации пропорциональна z2, где z- заряд иона) образуется канал сильного радиационного повреждения. Вещество в пределах канала более чувствительно к химическому воздействию и может быть удалено, например, посредством окисления и последующего травления и промывания. В результате на месте канала получаются пустоты.
Поэтому, если облучить полимерную пленку толщиной в несколько микрон тяжелыми ионами и подвергнуть ее указанной выше химической обработке, то в местах прохождения ионов в пленке образуются сквозные отверстия, так что пленка в целом может служить великолепным фильтром. При этом диаметр отверстий фильтра характеризуется небольшим разбросом и может заранее задан посредством соответствующего подбора условий травления (временем, температурой и т. д.).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
