Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ БЫСТШХ ЭЛЕКТРОНОВ НА 03 В ДИЭЛЕКТРИКАХ НА ОСНОВЕ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЙ 9 МОДЕЛИ И ИЗМЕНЕНИЯ КП И КОР ЭЛЕКТРОНОВ ПОЛЕМ 03.
1.1. Прохождение быстрых электронов в диэлектриках. II
1.2. Расчет функций чувствительности коэффициентов прохождения и обратного рассеяния электронов. 18
1.3. Феноменологическая модель формирования 03
в диэлектриках при воздействии быстрыми электронами 25
1.4. Воздействие быстрых электронов на 03 в диэлектриках при равномерном облучении 29
1.5. Воздействие быстрых электронов на 03 при неравномерном облучении диэлектриков 35
1.6. Влияние параметров лучка быстрых электронов на накопление 03 в диэлектриках 43
1.7. Влияние 03 в диэлектриках на КП и КОР быстрых электронов 48
ВЫВОДЫ 52
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 3-6 МэВ НА 03 В ДИЭЛЕКТРИКАХ 54
2.1. Методы исследования. Измерение эффекта поля в КП бета-частиц 56
2.2. Техника экспериментов по измерению эффекта поля 03 в КП бета-частиц при воздействии на диэ Стр. лектрики электронами с энергией от 3 до 6 МэВ. , 63
2.3. Исследование изменения эффекта поля 03 в КП бета-частиц при равномерном облучении диэлектриков электронами с энергией 4-6 МэВ , 69
2.4. Анализ результатов экспериментов по равномерному заряжению диэлектриков электронами с энергией 4-6 МэВ 78
2.5. Эффект поля 03 в КП бета-частиц при неравномерном облучении диэлектриков электронами с энергией 3 - 3,5 МэВ 85
2.6. Электрическое поле в объеме диэлектрика и эффект поля 03 при неравномерном облучении электронами с энергией 3-6 МэВ SO
2.7. Изменение КП и КОР электронов под действием поля 03 в диэлектриках при воздействии электронами с энергией 3-6 МэВ 96
ВЫВОДЫ 101
ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМШТАЛШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ СРЕЩНИХ ЭНЕРГИЙ НА 03 В ДИЭЛЕКТРИКАХ ЮЗ
3.1. Измерение эффекта поля 03 в КОР бета-частиц. °4
3.2. Техника экспериментов по измерению эффекта поля 03 в диэлектриках, облучаемых электронами. но
3.3. Эксперименты по равномерному воздействию электронов средних энергий на диэлектрики ИЗ
3.4. Анализ результатов экспериментов по равномерному воздействию электронов средних энергий на диэлектрики 118
3.5. Эффект поля 03 в КОР бета-частиц при неравномерном облучении диэлектриков 120
3.6. Распределение поля в объеме мишени, воздействие поля на КОР и ШІ электронов и бета-частиц при неравномерном облучении диэлектриков 124
3.7. Влияние 03 на КП и КОР электронов средних энергий при облучении диэлектриков 129
ВЫВОДЫ 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 140
ЛИТЕРАТУРА 142
СОДЕРЖАНИЕ 153
Введение к работе
При воздействии быстрыми электронами (от 10 кэВ до 10 МэВ) на диэлектрики в объеме образуется заряд. Быстрые электроны влияют на объемный заряд (03) в диэлектриках посредством процессов электронов и генерации пар зарядов в результате ионизации вещества. Поле объемного заряда, в свою очередь, воздействует на поток быстрых электронов: сокращается пробег электронов по сравнению с обычным [і» 2] , изменяются распределения электронов и потерянной энергии по глубине мишени [з], коэффициенты прохождения и обратного рассеяния [4] и другие функционалы потока электронов. Процессы воздействия быстрых электронов на 03 и влияния поля 03 на прохождение электронов являются взаимосвязанными.
Данная работа посвящена исследованию воздействия быстрых электронов на объемный заряд в диэлектриках и изучению изменения коэффициентов прохождения (ШІ) и обратного рассеяния (КОР) электронов, обусловленного полем объемного заряда.
Существует ряд научно-технических проблем, для решения которых необходимы указанные исследования. В последнее время возникла проблема радиационного заряжения космических аппаратов, особенно, на геостационарных орбитах [?, 8], Электрические разряды, вызванные заряжением конструкционных диэлектрических материалов, приводят к отказам в работе систем космического аппарата [9, ю]. Большая часть спектра электронного излучения на геостационарных орбитах заключена в области средних энергий (10 250 кэВ) [її]. В связи с этим интенсивно исследуют воздействие электронов средних энергий на 03 в диэлектриках Гі2 - І5І и электрические разряды, возникающие в результате заряжения [іб] . Изучение изменения Ktl и КОР электронов представляет интерес при решении проблемы активной защиты космических аппаратов от ионизирующих излучений [l9, 20], при постановке радиационно-физических и радиационно-химических исследовании, для целей дозиметрии, при реализации радиационно-технологических процессов, например, при обработке диэлектрических материалов электронным пучком [2l] . Эффекты объемного заряжения играют определяющую роль в работе детекторов прямой зарядки (для регистрации интенсивных потоков гамма и нейтронного излучения [22, 23] ), комптоновских диодов [24], атомных батарей зарядового типа [25]. Их необходимо учитывать при исследовании радиационно-стимулированных явлений в диэлектриках, таких как, _.- . радиационная электропроводность [2б] , люминесценция, вторичная электронная эмиссия (в частности, при разработке вторично-эмиссионных детекторов заряженных частиц [27] , при создании приборов твердотельной электроники, предназначенных для работы в поле электронного излучения [28, 29]. Известно, что поле объемного заряда существенно влияет на протекание физико-химических процессов [зо]. Накопление объемного заряда в диэлектриках при воздействии электронами используют для создания, для изучения электрофизических свойств диэлектриков и механизмов электропереноса [32І.
Последовательный подход в исследовании взаимодействия быстрых электронов с 03 в диэлектриках предполагает изучение прохождения электронов в диэлектрике при наличии электрического поля (без образования 03), изучение закономерностей формирования 03 в облучаемом электронами диэлектрике ( когда влиянием поля 03 на перенос электронов можно пренебречь), и, наконец, решение самосогласованной задачи взаимного влияния электронов и объемного заряда Гзз!. Влияние электрического поля на перенос быстрых электронов в диэлектриках (без образования 03) исследовано в работах О.Б.Евдокимова и Б.А.Кононова , с сотрудниками [34 38] , В.Ф.Баранова с сотрудниками [39], Смита [40J и др. (см.библиографию в [33, 34] ). Изучено воздействие поля на угловые и энергетические распределения электронов, на распределения термализованных электронов и потерянной энергии [4і], на пробег электронов [4l] , коэффициенты прохождения и обратного рассеяния электронов и бета-частиц [35, Зб] и другие функционалы переноса [43, 44]. Полную информацию о влиянии поля на данный функционал переноса быстрых электронов содержит функция чувствительности [34]. функции чувствительности КП и КОР моноэнергетических электронов измерены и рассчитаны в легких (Z =6,13) веществах для энергии электронов 0,4-1 МэВ [34] , для КОР имеются данные для 50 100 кэВ [4 ]. Воздействие быстрых электронов на объемный заряд в диэлектриках исследовали Гросс [47 - 50] , Монтейз [5l] , О.Б.Евдокимов [52 - 54], Зурута [55], В.В.Громов [57, 58] (при внутреннем облучении в бета активных диэлектриках), А.И.Акишин [59, 60]и др. [бі - 65] (см.библиографию в [33, 52, 57]). Экспериментальные исследования проводили, главным обрат зом, малоинформативным (в отношение 03) методом нестационарных токов [48] , который не позволяет судить о распределении 03. Наиболее полно накопление 03 исследовано для случая равномерного облучения (источник термализованных электронов и мощность поглощенной энергии постоянны по объему образца) методами радиационной диагностики электрических потенциалов [бб, 67] . Для случая неравномерного облучения мишени (источник электронов и мощность поглощенной энергии являются функциями координаты) данные по пространственному распределению 03 практически отсутствуют вследствие трудностей, связанных с измерением 03 в процессе облучения. Измерения распределения 03, проведенные более совершенными, чем токовый методами на стадии релаксации, после облучения диэлектриков электронами, обнаружили эффекты, связанные с расслоением 03, физическая природа которых является нетривиальной [60, 68, 69І. Имеющиеся данные по формированию 03 при неравномерном облучении получены при =: 293 К. Теоретическое описание формирования 03 в диэлектриках при воздействии быстрыми электронами рассмотрено в работах [49, 58, 61, 62, 70, 71] с позиции радиационной электропроводности; в работах Ґ5І, 72] на основе учета микропроцессов (захват, освобождение, рекомбинация и др.); в работах [52, 53, 67, 73, 74J в рамках подхода, который выгодно отличается от предыдущих оптимальным количеством физических параметров модели. Взаимное влияние быстрых электронов и 03 в диэлектриках изучали экспериментально путем измерения сокращения пробега электронов, обусловленного полем 03 [і, 2, 75] , измерения профиля поглощенной энергии [з] и изменения КОР электронов с энергией 50 -75 кэБ при облучении диэлектриков Ш. В теоретическом плане рассмотрена динамика пробега электронов в диэлектриках [54] . Интерпретация экспериментальных данных по КОР, или оценки изменения КП и КОР электронов при облучении диэлектриков отсутствовали, главным образом, в связи, с трудностями в определении распределения поля 03 в мишени при неравномерном воздействии электронами.
Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое исследование воздействия быстрых электронов на 03 при
неравномерном облучении диэлектриков в условиях различных температур и изучение закономерностей изменения КП и КОР электронов, вызванных 03.
Основными методами исследования являются: в экспериментальной части - методы экспериментальной ядерной физики (измеряли относительное изменение КП и КОР бета-частиц в диэлектриках, облучаемых электронами); в теоретической - при исследовании переноса быстрых электронов и носителей заряда в диэлектриках использован метод кинетических уравнений , а также метод и результаты теории возмущений функционалов переноса быстрых электронов.
Полученные ниже результаты в качественном отношении применимы для электронов с энергией от 10 кэВ до 10 МэВ. Однако в связи с- отличиями во взаимодействии электронов, с веществом при энергиях десятки-сотни кэВ и свыше 2 МэВ (тормозная способность резко уменьшается с повышением энергии в первом случае и практически постоянна, несколько возрастает, - во втором) имеют место особенности формирования 03 при облучении электронами указанных энергий. Поэтому количественные результаты получены для двух диапазонов энергии: 100-250 кэВ и 3-6 МэВ. Основные закономерности, исследованные в работе, применимы к любым высокоумным материалам с неупорядоченной структурой (полимеры, стекла, керамика), эксперименты и расчеты проведены для полимерных диэлектрико (ПММА), полистирола (ПС), полиэтилена (ПЭ), доли (ПКА.), (ПЭТ©). Выбор материалов обусловлен широким использованием их в ускорительной, атомной и космической технике, а также возможностью применения методов исследования, в частности, внедрением нуклида в образец. Все исследования проведены нами для мишеней облучаемых в условиях короткозамкнутой цепи (поверхности образца покрыты электродами и заземлены).
Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию воздействия электронов на 03 в диэлектриках и изучению эффекта поля 03 в КП и КОР электронов. Рассмотрены особенности взаимодействия электронов средних энергий с веществом, определяющие объемное заряжение. Исследовано влияние электрического поля на КП и КОР моноэнергетических электронов с энергией от 100 до 250 кэВ и от 3 до 6 МэВ (рассчитаны функции чувствительности). Воздействие быстрых электронов на 03 в диэлектриках при неравномерном облучении и различной температуре исследовано при помощи феноменологической модели, основу которой составляет модель,развитая в работах [76, 77, 52, 78J. В отличие от работы [78 нами рассмотрено неравномерное заряжение, в отличие от [77]- исследовано относительное влияние параметров пучка и температуры мишени на формирование 03. С учетом функций чувствительности и пространственного распределения поля 03 исследованы закономерности изменения КП и КОР электронов.
Во второй главе путем измерения эффекта поля 03 в КП бета— частиц в диэлектриках исследованы закономерности формирования 03 и изменения КП и КОР электронов в зависимости от параметров излучения и температуры (в диапазоне 180 293 К) для энергии электронов от 3 до 6 МэВ.
В третьей главе путем измерения эффекта поля 03 в КОР бета-частиц в диэлектриках исследовано изменение КП и КОР электронов и формирование 03 в зависимости от параметров пучка и геометрии облучения для энергии электронов от 80 до 150 кэВ.
К защите представлены:
1. Рассчитанные функции чувствительности КП и КОР моноэнергетических электронов с энергией 100-250 кэВ и 3-6 МэВ.
2. Феноменологическая модель формирования 03 в диэлектриках при неравномерном облучении их электронами в условиях различных температур мишени. Метод определения пространственного распределения поля в диэлектриках при неравномерном воздействии электронами, а именно: определение феноменологических параметров модели при равномерном облучении и расчеты поля с использованием этих параметров для случая неравномерного облучения.
3. Экспериментальные результаты по влиянию параметров пучка,геометрии облучения, температуры на эффект поля 03 в ЮІ и КОР бета-частиц и электронов и на формирование 03 в диэлектриках при воздействии электронами с энергией 80 - 150 кэВ и 3 - 6 МэВ.
4. Результаты расчетов пространственных распределений поля 03 и эффектов поля 03 в Ml и КОР бета-частиц и электронов в мишени при воздействии электронами с энергией 100-250 кэВ и 3 -.6 МэВ.
