Содержание к диссертации
Введение
1. Взаимодействие гелия с радиационными дефектами в металлах 9
1.1. Процессы дефектообразования в металлах при облучении ионами гелия 9
1.2. Диффузия гелия в металле. Взаимодействие атомов гелия с дефектами вакансионного типа 13
1.3. Зарождение и рост гелиевых пузырьков при тем пературах менее 0,37^ 20
1.4. Накопление и реэмиссия гелия в металлах 25
1.5. Влияние облучения примесными ионами на поведение ионно-имплантированного гелия 29
2. Метод послойного анализа концентрации газов в металле 33
Заключение 56
3. Накопление и реэмиссия гелия в процессе облучения никеля ионами Не+ 58
3.1. Накопление ионно-имплантированного гелия в никеле 59
3.1.1. Кинетика накопления 1,5-9 кэВ Не* в никеле 59
3.1.2. Характерные особенности накопления гелия в никеле 70
3.2. Изотопный обмен при последовательном облучении никеля ионами 79
Выводы 92
4. Влияние облучения ионами водорода на поведение ионно-индуцированного гелия в никеле 93
4.1. Кинетика накопления дейтерия в никеле 95
4.2. Выделение гелия при облучении системы никель-гелий ионами водорода 105
4.2.1. Кинетика выделения гелия при облучении систем никель-гелий ионами водорода 106
4.2.2. Модель реэмиссии гелия 110
4.3. Накопление гелия в никеле в условиях одновременного облучения ионами гелия и водорода 124
Выводы 131
5. Выделение гелия при окислении системы железо-гелий 133
5.1. Выделение ионно-имплантированного гелия в процессе окисления оС -железа 134
5.2. Кинетика окисления системы железо-гелий 139
5.3. Механизм выделения гелия из окисляющихся слоев железа 146
Выводы 148'
Заключение 149
- Диффузия гелия в металле. Взаимодействие атомов гелия с дефектами вакансионного типа
- Влияние облучения примесными ионами на поведение ионно-имплантированного гелия
- Изотопный обмен при последовательном облучении никеля ионами
- Модель реэмиссии гелия
Введение к работе
Взаимодействие инертных газов с дефектами кристаллической решетки является одним из фундаментальных вопросов радиационной физико-химии металлов. Исследование широкого круга различных реакций, протекающих между атомами внедренных инертных газов и точечными радиационными дефектами, позволяет углубить и расширить наши представления об энергетике образования и подвижности дефектов, их способности образовывать сложные скопления, В этой связи особый интерес представляют опыты по изучению поведения ионно-имплантированного гелия, имеющего наименьшие атомные размеры и обладающего наиболее инертной электронной оболочкой.
Прикладным аспектом вопросов взаимодействия инертного газа с дефектами является изучение механизмов накопления гелия в конструкционных материалах, используемых в ядерных и термоядерных установках. Работы по созданию действующих термоядерных установок, интенсивно проводимые в последние годы, во многом сдерживаются из-за отсутствия конструкционных материалов различного назначения, выдерживающих воздействие больших потоков излучений. Особую проблему представляет выбор материалов для первой стенки термоядерного реактора типа "Токамак". В реакциях синтеза около 80% энергии уносится высокоэнергетичными ( «* 14 МэВ) нейтронами, пронизывающими на большую глубину элементы конструкции термоядерного реактора / I / При этом в результате (h,,*) -реакций в материалах может накапливаться большое количество гелия. Присутствие гелия вызывает высокотемпературное гелиевое окруп-чивание, налагающее наиболее жесткие ограничения на выбор материала для первой стенки термоядерного реактора. Значительная
часть (около 20$) энергии реакции синтеза будет выделяться «с -частицами, ионами изотопов водорода и гелия, атомами и молекулами этих и других газов, присутствующих в остаточной атмосфере вакуумной камеры реактора, а также электромагнитным излучением различной энергии в поверхностных слоях первой стенки / I / Это приводит к интенсивной эрозии поверхности.
За последние годы методами машинного моделирования, с помощью микроскопии, термодееорбционной спектроскопии и различных методик послойного анализа достигнут большой прогресс в понимании структуры и поведения элементарных дефектов и их взаимодействия с гелием. Однако, освоение термоядерных источников энергии ставит перед исследователями ряд новых сложных задач фундаментального и прикладного характера. Остановимся на некоторых, еще недостаточно изученных вопросах, которые будут затронуты в настоящей работе.
Под воздействием налетающих ионов Не в кристаллической решетке металла будет возникать большое количество радиационных дефектов, в которых будет накапливаться гелий. Кинетика накопления гелия при высоких дозах облучения еще недостаточно изучена.
Одновременное воздействие на решетку металла ионов гелия и водорода приводит к повышению скорости генерации радиационных дефектов по сравнению с облучением только ионами гелия. Исследование поведения атома гелия в этих условиях, моделирующих также и одновременное нейтронное облучение, представляет огромный интерес для радиационного материаловедения.
Воздействие электромагнитного излучения на материал первой стенки, а также химические реакции с активными примесями, находящимися в вакуумной камере реатора, могут вызвать структурно-
-фазовые или топохимические превращения поверхностных слоев используемых металлов и сплавов. Влияние этих превращений на накопление гелия не изучено.
Целью настоящей работы являлось изучение пространственного распределения, кинетики накопления и реэмиссии гелия в условиях облучения низкоэнергетическими ионами #е+, последовательной и одновременной бомбардировки ионами гелия и водорода, а также при струн турно-фазовых превращениях. В качестве основного исследуемого металла был выбран никель, являющийся модельным материалом для изучения процессов, происходящих в аустенитных сталях. Моделирование структурно-фазового превращения было проведено с помощью топохи-мического перехода «с-железа и никеля в окисел при взаимодействии с газообразным кислородом. Температура окисления была выбрана невысокой для того, чтобы избежать обычных процессов термодесорбции.
Научная новизна данной работы заключается в следующем;
-Впервые проведено систематическое исследование кинетики накопления и пространственного распределения гелия в никеле в широком интервале доз облучения ионами НеҐ с энергией 1,5*9 кэВ. Опыты по изотопному обмену гелия в никеле, содержащем предельное количество инертного газа, позволили конкретизировать механизм реэмиссии гелия, наблюдаемой при больших дозах облучения.
-Впервые исследована кинетика выделения гелия и изменение его пространственного распределения.при бомбардировке систем, никель--гелий /сформированных предварительным облучением металла ионами 9 кэВ//е+до определенной дозы внедрения/ ионами водорода в широком интервале температур мишени, Т = 100-800 К. Объяснено явление реэмиссии гелия при облучении систем никель-гелий ионами водорода. Впервые экспериментально изучены профили распределения и прослежена кинетика накопления гелия в условиях одновременного облучения металла ионами гелия и водорода.
-Впервые установлен факт выделения гелия при окислении металла /железо, никель/, содержащего инертный газ.
-Разработана методика послойного измерения концентрации газов по толщине образца с чувствительностью *0,1 атомного % и разрешением по глубине 50-100 $.
В диссертационной работе автор защищает:
- результаты экспериментального исследования пространственного
распределения, кинетики накопления и реэмиссии гелия в условиях
облучения никеля низкоэнергетическими ионами //е* , последователь
ного и одновременного облучения металла ионами гелия и водорода
в широком температурном интервале /Т= 100-800 К/;
- механизм реэмиссии гелия, наблюдаемой при больших дозах облу
чения* ионами Не, предполагающий миграцию атома инертного газа
по подсистеме элементарных гелиево-вакансионных комплексов;
результаты экспериментального изучения пространственного распределения и кинетики накопления атомов дейтерия в никеле после облучения металла ионами 9 кэВ D± /^=100-600 К/;
модель, объясняющую выделение гелия в процессе облучения системы А/;-Не. ионами водорода вследствие вытеснения атома инертного газа из гелиево-вакансионного комплекса собственным междо-узельным атомом металла и, кроме того, при низких температурах атомами водорода.
экспериментальные результаты по изучению влияния окисления «с -железа на выделение предварительно имплантированного в металл гелия.
Настоящая работа выполнена в лаборатории коррозионного материаловедения Института физической химии АН СССР под руководством доктора физико-математических наук Андрея Петровича Захарова и
кандидата физико-математических наук Александра Ефимовича Городецкого по плану научно-исследовательских работ ШХ АН СССР" по теме "Изучение закономерностей взаимодействия легких примесных атомов с радиационными дефектами в металлах" /№ 80066938/ и в соответствии с программой работ Координационного совета по проблеме "Исследование и создание конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза".
Диффузия гелия в металле. Взаимодействие атомов гелия с дефектами вакансионного типа
Математическому моделированию поведения атома гелия в решетке металла посвящено несколько обзорных работ / 32,37-40 /, поэтому мы отметим лишь основные выводы, вытекающие из модельных представлений. 1) Атомы //е имеют малые энергии активации диффузии по междо-узелышм позициям. Эти значения обычно составляют 0,1-0,2 эВ для СЦК металлов и никеля, 0,5-1,7 эВ для ІЦК металлов, указывая на существенную подвижность при комнатных температурах. 2) Энергия, необходимая для размещения атома гелия в междо- р узельных положениях ( Яе ) достаточно велика. .Пдя ІЦК металлов эта величина составляет 1,5-4 эВ, для 0ЦК металлов - 5 эВ. 3) Атомы гелия могут быть вытеснены из вакансии собственными междоузельными атомами» 4) Одна вакансия может связывать до 6-ти атомов гелия, при этом связь п. -го атома обычно слабее, чем ( 1ъ -1)-го. Процесс накопления гелия может сопровождаться испусканием СМА (об этом несколько подробнее будет сказано в 1.3), 5) При исследовании кластеров Н \/т было показано, что для больших т ж п кластер может испустить вакансию или атом гелия в соответствии с малой энергией связи этих дефектов с кластером. Оптимум стабильности достигает при /г «tn . 6) Связь атома Не с чисто краевой дислокацией несколько слабее, чем с вакансией. Энергия активации миграции вдоль дислокационной трубки не сильно отличается от объемного значения. Междоузельная миграция гелия экспериментально была исследована в работах / 41-43 /. Гелий вводился в виде ионов с допорого-выми энергиями при низких температурах (35-100 К) в междаузель-ное положение металла, затем определялась температура, при которой атомы газа начинали мигрировать. Опыты позволили установить, что EZ(W) S »28 ±0»04 эВ» (# )= 0Д4 + 0,04 эВ, 0,3 эВ (/» /) 0,9 эВ. " Изучение выделения гелия из матрицы при ее нагреве с постоянной скоростью позволяет оценить характер размещения гелия в кристаллической решетке / 44,45 /. Наиболее приемлемым методом для исследования процессов захвата атомов гелия точечными дефектами вакансионного типа оказался метод гелиевой термодесорбцион-ной спектроскопии, предложенный Корнельсеном / 46-48 / и широко используемый в настоящее время / 49-55 /. Необходимое условие при применении этого метода - малая концентрация гелия и радиационных дефектов, взаимодействующих с гелием.
Последние должны о размещаться вблизи поверхности на расстоянии не более 100 А от нее, чтобы исключить процессы перезахвата гелия ловушкой. Важной особенностью этого метода является использование пучков ионов гелия с допороговой энергией. При этом дефекты, захватывающие гелий, создаются предварительным облучением металла малыми дозами ионов инертных газов с энергией 1-Ю кэВ. Преимущество такого раздельного введения дефектов и гелия в том, что можно исследовать трансформацию ловушек при захвате значительного количества гелия / 53 / Весьма детальное исследование термодесорбции гелия дало четкое, хотя и не прямое, доказательство существования комплексов типа гелий-вакансия в вольфраме / 47 /, молибдене / 29 / и никеле / 54 /. В серии экспериментов, включающих систематическое изменение параметров облучения (дозы облучения, утла бомбардировки, энергии ионов) было показано, что пики термодесорбции характеризуют объемные дефекты в металлах. В опытах с крайне малыми дозами ионов Не (10 2 I014 см""2) спектры термодесорбции удалось представить набором процессов десорбции первого порядка / 22,47 /, соответствующих дискретным энергиям связи. Скорость выделения гелия описывается выражением: где N - число гелиево-вакансионных комплексов, T(t) _ температура образца в момент времени t , \) - предэкспоненциальный множитель порядка величины частоты колебаний атомов решетки, t - энергия диссоциации комплекса согласно реакции: работ по экспериментальному определению энергий связи атомов гелия с протяженными дефектами - дислокациями, дислокационными петлями, границами зерен. Структура гелиево-вакансионных комплексов в металлах известна, главным образом, из модельных представлений. В работах / 56, 57 / приведены конфигурации комплексов в Си, , Мо и W , содержащих одну вакансию и до шести атомов гелия. Важно отметить, что атомы гелия, входящие в состав кластера He V , /г = 2-6, частично находяться в междоузельном положении. Результаты машинных расчетов подтверждены в экспериментах Пикро и Вука / 58 /. В этой работе были использованы реакция 3Не ( ,р) Не. и обратное резерфордовское рассеяние для определения положения атома гелия в монокристалле вольфрама. Анализ экспериментальных данных с учетом предсказываемого характера каналирования для конфигураций определенного типа / 59 / предполагает существование конфигураций He3V , хотя чувствительность метода не позволяет исключить дефекты типа Hez\/ . Удивительным фактом является отсутствие гелия в виде примеси замещения, хотя на один бомбардирующий ион образуется несколько вакансий. Это не объяснено, но может быть связано с процессами спонтанной рекомбинации пар Френкеля и высокой подвижностью атомов гелия.
Эксперименты по исследованию концентрационных зависимостей изменения периода решетки, дилатации и удельного электросопротивления систем металл-гелий / 60-62 / позволили установить, что при крайне малых концентрациях ( 0,01-0,1 атомных %) ге-лий в металле находится в положении внедрения. С увеличением концентрации гелий занимает положение замещения и образует гелие-во-вакансионные комплексы. Некоторое противоречие вывода работ / 60-62 / о том, что гелий находится в междоузельных положениях с тем фактом, что междоузельный гелий при комнатной температуре легко мигрирует и десорбируется / 26 /, по-видимому, можно объяснить тем, что в дефектах типа He&V и He3V атом гелия частично является междоузельным / 56 /. Приведенные расчетные и экспериментальные данные по взаимодействию гелия с элементарными дефектами являются исходными для дальнейшего анализа механизмов накопления инертного газа в металлах и сплавах. В этой связи желательно совершенствовать экспериментальные методики, позволяющие измерять энергетические и топологические параметры, характеризующие поведение комплексов гелий-радиационный дефект. 1.3. Зарождение и рост гелиевых пузырьков при температурах менее 0.3 Ти,л Облучение металлов значительными дозами ионов гелия приводит к образованию и росту гелиевых пузырьков / 63,64 /. В некоторых случаях рост пузырька вызывает такие поверхностные явления как блистеринг или флекинг / 65 /. Ниже будут рассмотрены лишь механизмы зарождения и роста гелиевых пузырьков в области невысоких (менее 0,3 ТЛл ) температур, при которых вакансии в металле практически неподвижны / 66,67 /. Сравнительно высокая энергия растворения гелия в металле ( //е = 2 6 эВ) и малая энергия активации миграции ( ЕИе - 0,1-0,2 эВ) (табл.1.3) приводят к тому, что в бездефектной решетке инертный газ практически не накапливается. Однако, если в металле имеются предварительно введенные радиационные дефекты, или гелий имплантируется в виде ионов со сверхпороговыми энергиями, то происходит захват атомов газа дефектами вакансионного типа с образованием элементарных гелиево-вакансионных комплексов типа Не У , энергия диссоциации которых зависит от количества захваченного одной вакансией гелия (табл.1 4) и составляет
Влияние облучения примесными ионами на поведение ионно-имплантированного гелия
Одновременная имплантация ионов гелия и ускоренных частиц (нейтронов, ионов водорода и других примесей) приводит к повышенной скорости генерации радиационных дефектов по сравнению с об- лучением только ионами Не . Химически активные примеси при этом могут вызывать структурно-фазовые превращения поверхностных слоев металла / 99 /. Все эти явления будут, по-видимому, влиять на накопление гелия. В настоящее время моделирование указанных выше процессов проводят путем последовательного или одновременного внедрения ионов гелия и ионов других примесей Для детального понимания процессов поведения гелия в условиях повышенной скорости генерации радиационных дефектов необходимо изучение процессов захвата и ре-эмиссии инертного газа при последовательном облучении металла ионами гелия и ионами примеси (например, водорода). Рассмотрение параметров радиационного блистеринга, возникающего в условиях одновременного облучения металла ионами Не и H (D )/ 100, 101 /позволило установить снижение критической дозы блистерооб-разования. Однако выявить влияние внедряющих ионов водорода на скорость накопления гелия в этих опытах не удалось. Накопление дейтерия при 160 К в молибдене, который предварительно был облучен ионами //е , / 102,103 / приводит к замещению инертного газа атомами дейтерия и выделению гелия. Было показано, что при облучении ионами дейтерия металла, содержащего предельное количество гелия, на каждый падающий ион D+ выделяется 0,19 атомов Не , Если содержание гелия в молибдене не достигло предельного значения, то выделение Не начинается лишь после некоторой дозы ионов D+ , причем эта доза в 3 раза превышает дозу ионов Не , недостающую для формирования насыщенной системы молибден-гелий. Таким образом, гелий начинает выделяться лишь после того, как содержание газа в металле (при условии, что три атома дейтерия эквивалентны одному атому гелия) достигнет насыщения. Авторы работ / 102,103 / не рассматривают механизм выделения гелия при облучении системы молибден-гелий ионами дейтерия, В работе / 104 / изучалась кинетика реэмиссии гелия из никеля и бериллия в условиях одновременного облучения металлов при температурах 300-775 К ионами Не с энергией 4 кэВ и Н с энергией 2 кэВ. Отношение потоков ионов водорода и гелия менялось от 0 до 20» Опыты показали, что в случае одновременного облучения бериллия реэмиссия гелия начинается при меньших дозах ионов Не f чем в условиях облучения только ионами инертного газа.
Предельное содержание гелия в Be после одновременного облучения в несколько раз меньше предельного содержания газа после облучения только ионами Не . Одновременное облучение никеля не привело к изменению в кинетике реэмиссии и уменьшению предельного количества инертного газа по сравнению с облучением только ионами В настоящее время рассмотрение поведения гелия в металле под действием облучения ионами водорода или другими частицами ограничивается этими работами. Влияние структурно-фазовых превращений на поведение гелия не изучено, мы не встречали ни одной работы, посвященной этой теме. Постановка задачи На основании обзора литературных данных можно следующим образом сформулировать задачи настоящей работы, необходимые для дальнейшей конкретизации поведения гелия в металле в условиях больших доз облучения ионами гелия и водорода, а также с учетом газовой среды, контактирующей с поверхностью металла. I) Провести систематическое изучение пространственного распределения и кинетики накопления гелия в широком интервале доз облучения ионами //е . 2) Провести изучение механизма реэмиссии гелия, возникающего при больших дозах облучения. 3) Исследовать влияние облучения ионами водорода на поведение гелия в металле. 4) Изучить влияние тоиохимических превращений, происходящих при окислении металла,на процессы накопления и выделения гелия. В качестве основного исследуемого металла был выбран монокристалл никеля Наиболее хорошо изученный типичный представитель ІЦК металлов. Кроме того, поведение радиационных дефектов в никеле во многом подобно поведению дефектов в аустенитных сталях, являщихся наиболее перспективными конструкционными материалами первой стенки термоядерного реактора. Облучение ионами гелия с энергией в интервале 1-9 кэВ позволяло моделировать поведение гелия как в приповерхностных слоях, так и в объеме металла. Диапазон температур составлял 100-800 К. Такой выбор температурного диапазона позволял изучить все необходимые фундаментальные физические закономерности для системы никель-гелий, и кроме того, он перекрывал интервал рабочих температур материалов первой стенки реактора. к Содержание примесей в монокристалле никеля составляло около 2.10 весовых %. В качестве основного метода для исследования кинетики накопления гелия, введенного в металл с помощью пучка ионов, для изучения влияния на накопление гелия последующего, либо одновременного облучения мишени ионами водорода применялся послойный анализ концентращш газа.
Для регистраціш выделяющегося из исследуемого материала гелия при бомбардировке мишени ионами других газов использовался квадрупольный масс-спектрометр. Значительная часть описанных в данной работе опытов была проведена на оверхвысркрвакуумной установке для исследования поверхности, изготовленной по нашей спецификации фирмой "ВГ Сайнтифик", Англия, и в дальнейшем несколько измененной для определения концентрационных профилей газов. Установка состоит из двух камер, соединяющихся между собой, что позволяет перемещать образец из одной камеры в другую без нарушения вакуума. Первая (основная) камера объемом около 30 литров и с давлением остаточных газов 2.10 , тор предназначена для исследования поверхности методами масс-спектрометрии вторичных ионов, Оже-спектроскопии и дифракции быстрых электронов на отражение. Метод масс-спектрометрии вторичных ионов применялся нами для изучения химического состава самого верхнего поверхностного но-нослоя. Чувствительность метода меняется от 10 до 10 атомных % в зависимости от исследуемого материала, химического состава поверхностных слоев, что весьма затрудняет количественный анализ. Метод Оже-спектроскопии позволял проводить полуколичественный о элементный анализ поверхностных слоев толщиной до 20 30 А и контролировать чистоту поверхности образцов до и после облучения. С помощью дифракции быстрых электронов на отражение определя- 0 лась фазовая структура поверхностных слоев толщиной до 20-30 А. Вторая камера с давлением остаточных газов 5.10 тор и объемом около 5 литров использовалась для облучения поверхности металла ионами газов, что позволяло имплантировать гелий и водород в объем исследуемых материалов или распылять поверхность образца ионами аргона для проведения послойного анализа. Для этих целей во второй камере были смонтированы две ионные пушки АО--2, позволяющие получать пучки ионов с энергией 1,2 10 кэВ и энергетическим разбросом менее Ъ%, Специальная масс-сепарация в пушках не предусмотрена, но, как показали эксперименты по измерению пробегов, присутствие в пучке ионов /// одноатомных ионов водорода составляло менее 10$. Опыты по определению скорости распыления поверхности металла ионами водорода (см. 4.2) и анализ масс-спектров вторичных ионов с поверхностей монокристаллов молибдена и никеля, очищенных с помощью длительной бомбардировки ионами аргона и облученных большими дозами ионов /7/ , спектров ЕСХА, полученных с очищенной и облученной ионами Не поверхности поликристаллического железа, Оже-спектров с очищенной и облученной ионами 2э поверхности монокристалла молибдена показали, что в пучке ионов легких газов присутствует около I атомного % ионов алюминия.
Изотопный обмен при последовательном облучении никеля ионами
В предыдущем параграфе экспериментально показано, что облучение грани (III) никеля ионами 1,5-9 кэВ #е дозами внедрения большими, чем 1.10, см , приводит к образованию в поверхностном слое квазистационарной системы никель-гелия ( Ni -Не ), содержащей гелиевые пузырьки. Было установлено, что при дальнейшем облучении системы №-Не , находящейся при комнатной температуре, rt»QX то22 концентрация гелия в ней не превышает значения L - 4,5.10 см"4;, а поток выделяющегося гелия равен потоку падающих ионов гелия //е . Эти особенности поведения системы /V/-//e под облуче- ниєм привели к постановке исследований механизма реэмиссии гелия из слоев металла с предельной концентрацией инертного газа. Для решения поставленной задачи нами проведены эксперименты по изучеюш кинетики накопления изотопа гелий-3 в насыщенной системе никелъ-гелий-4. Методика проведения экспериментов была следующая: в систему Ni- Hu вводили 3//е с помощью пучка ионов, имеющих энергию 9 кэВ, и измеряли профили распределения концентрации по толщине образца как 3Не , так и //е , Для создания в о поверхностном слое толщиной 700-800 А квазистационарной насыщенной системы никель-гелий поверхность (III) монокристалла никеля облучали ионами 9 кэВ //е до дозы внедрения 1,5.10 см "2. Температура образца при облучении ионами v/e и при последующем об-лучении 9 кэВ не была комнатной (300 К). Экспериментально полученные профили распределения 9 кэВ3//е и 9 кэВ Не практически полностью совпадают один с другим. Это дает возможность сравнивать кинетику накопления Не. в системе Ni- He. с данными по накоплению #е в предварительно не облученном (бездефектном) никеле. Облучение системы И//- #е ионами 9 кэВ"3/ малыми дозами внедрения ,Фt приводит к полному захвату внедряемых частиц. Но при ТА о увеличении дозы внедрения выше 2.10 см коэффициент захвата атомов 3//е , , начинает уменьшаться (рис.3.12).
В никеле, не имеющем радиационных дефектов, уменьшение коэффициента захвата атомов гелия происходит при большей на порядок дозе ф . После малых доз внедрения, т.е. при = 1,0, профили распределения концентрации в системе Ni- He. и в бездефектном никеле совпадают (рис.3.13). При увеличении дозы внедрения и уменьшении величины і полуширина профиля распределения 3//е в /V/- //e не изменяется (рис.3.14). После доз внедрения ионов 3Ие. t больших 2Л0 / см , распределение гелия-3 не имеет плато, как в бездефектном никеле (рис.3,15). При накоплении в системе Mi- He. определенного количества 3Ue содержание атомов //е уменьшается. Однако, общее количество гелия (Jffe и Не ) в образце остается неизменным. Профиль суммы концентраций изотопов гелия совпадает со стационарным профилем 9 кэВ //е при больших дозах внедрения (рис.3.16). Кинетика выделения атомов Ме при облучении системы /V/- //е ионами гелия-3 показана на рис.3.17 в виде зависимости коэффициента ре эмиссии Рще от дозы внедрения ионов 3//е . Величина Р //е равна отношению величины потока выделяющегося гелия-4 Q( Me) к величине потока внедряющихся ионов гелия-3 Q(3He )i Р и = /зі/ ) еРед облучением насыщенной системы никель-гелий-4 поверхностный максимум концентрации гелия-4 в слое толщиной 30- о .. ... 40 А стравливали ионами аргона. В опытах этой серии величина потока ионов 3//е составляла .10 см .с"" . Следует отметить важную особенность выделения гелия-4: при выключении пучка ионов 3Ме+ выделение 4//е практически мгновенно прекращалось, а при включении - вновь возобновлялось с прерванной величины потока (рис.3.17). Этот результат указывает на радиационно-стимулированныи характер реэмиссии гелия. Данные по относительному объему гелиевых пузырьков, имеющихся в насыщенной системе Л//-//е (0,1 от объема металла / 94,95 /), - - - О о плотности гелия в пузырьках (0,2 А / 84,87 /), тормозной спо- -1 собности ионов А/е в никеле и в гелии (соответственно 13,0 эВ.А и 5,3 эВ.А х / 4 /) позволили сделать вывод о том, что 90-95% от внедренных атомов 3Ие после потери кинетической энергии и полной остановки оказываются в решетке металла в междоузельном положении. Термолизованный атом 3//е захватывается ловушкой. скольку показано, что суммарная концентрация изотопов гелия остается неизменной, то следует предположить следующие возможные варианты поведения гелия, который находился в локальной области полной остановки атома 3Ие : I) атом //е жт3Не. из этой области выдавливается каким-либо образом на поверхность и десорбирует-ся, 2) атом гелия перемещается на незначительное расстояние и вновь захватывается соседней ловушкой, в свою очередь, вытесняя следующий атом гелия.
Второй механизм так называемого "эстафетного перемещения" гелия подразумевает, что десорбироваться в вакуум будет лишь атом гелия, который находится в ближайшей к поверхности ловушке. В этом механизме происходит передача концентрационного возмущения поверхностным атомам гелия, но перемещение каждого конкретного атома гелия происходит на расстояние одного скачка при внедрении одного иона 3//е+ . В пользу "эстафетного" механизма миграции гелия свидетельствует отсутствие уширения профиля распределения 9 кэВ 3Ие+ при малых дозах внедрения ( Ф 2.10 сиг) в насыщенной просачивающейся системе по сравнению с профилем распределения в бездефектном никеле (рис.3.13). Можно построить математическую модель,, описывающую накопление 9 кэВ 3//е+ в насыщенной системе /V/- АИе , основываясь на предположении, что замещение гелия (3//е или Не ) на атомы 3//е о, происходит статистическим образом. Вероятность замещения на произвольной глубине (или вероятность ухода с этой глубины) атома 3Ие при внедрении одного атома 3//е в любую точку насыщенной системы равна где Cafofat ) и 2 соответственно концентрации атомов 3Ие на глубине X и общая концентрация гелия, участвующего в процессе замещения. Предполагается, что в общем случае С может быть меньше максимальной концентрации гелия #е , измеряемой в опытах, но пропорциональна ей. Экспериментально определено, что величина С/уе в насыщенной системе /V/-//e постоянна и не меняется с увеличением дозы внедрения Ф . Поэтому можно считать, что С% не зависит от координаты JC и дозы внедрения ионов гелия-3. Изменение концентрации оССз е(х) при внедрении дозы оСф определяется как dCjHe(oc) = Р(х)оСф - \//(х,Ф).Г(х). ОІФ т (3.19) где f(x) - вероятность распределения по глубине внедряемого 9 кэВ 3Не , нормированная следующим образом: jF(x)dx = і В предложенной модели предполагается, что кривая, описывающая функцию F(ac) , есть нормированный профиль распределения 9 кэВ 3Hef в бездефектном никеле при малых дозах внедрения. На рис, 3.10 показана полученная из экспериментальных данных функция f(x) , которая будет использована в дальнейших расчетах. Необходимо подчеркнуть, что уравнение (3.19) написано для случая малых доз внедрения ионов гелия-3: где L - количество гелия в насыщенной системе Ni-He . Ре- шение дифференциального уравнения (3.19) с учетом выражения (3.18) и начального условия СзИй(х,о) = 0 представляет собой следующее выражение:
Модель реэмиссии гелия
Анализ проведенных экспериментов по изотопному обмену гелия в насыщенной системе /V/-//e дал основание считать, что эта сие- тема при комнатной и более низких температурах содержит кроме гелиевых пузырьков совокупность элементарных гелиево-вакансионных комплексов HeKV $ h,= I» :2 , в которых находится около 40% от всего имеющегося в металле гелия. Введенный посредством ионной бомбардировки дополнительный атом гелия с вероятностью 0,9 ос танавливается в междоузельной позиции решетки металла. Затем он захватывается гелиево-вакансионным комплексом, вытесняя из последнего один атом гелия в соседний комплекс, находящийся в 3-4 о координационной сфере (на расстоянии - 5 А), обеспечивая, в конечном счете, реэмиссию в вакуум одного атома гелия. Такой механизм перемещения гелия по подсистеме комплексов HenV был назван "эстафетным", а сама подсистема - просачивающейся для гелия. Существующие в насыщенной системе гелиевые пузыри практически не участвуют в процессе захвата междоузельного гелия и его реэмиссии. Упругое поле напряжений, создаваемое пузырьками, препятствует вытеснению атомами гелия собственного междоузельного атома (СМА.) из комплекса HeHV , тем самым подавляет процесс зарождения новых пузырьков. В ненасыщенных системах, образованных при температурах мишени 100 и 300 К, процесс роста гелиевых пузырьков может продолжаться, концентрация гелиево-вакансионных комплексов недостаточна для формирования просачивающейся системы, В рамках рассмотренных представлений о структуре систем Ni-He сформированных при комнатной и более низкой температурах, можно предложить следующую модель механизма иоішо-индуцированной реэмиссии гелия. Ускоренный до энергии 4,5 кэВ ион водорода создает в системе /V/-//e около 5 смещений / 3 /. Содержащиеся в пучке ионов водорода примеси создают не более 0,3 смещений в расчете на один па- дающий ион водорода. По этой причине вкладом примесей в процесс ионно-индуцированного выделения гелия можно пренебречь. Значительная часть образовавшихся пар вакансия - СМ аннигилирует, а оставшие свободные СМА ( I ) могут вытеснить гелий из гелиево--вакансионных комплексов в междоузельное положение / 29,70 / / +//елК- ht/еі, . (4.1) Гелий, находящийся в ловушке, может перейти в междоузельное положение и за счет прямой передачи энергии от внедряющегося иона / 134 /. В этом случае гелий высвобождается как из гелиево-вакан-сионных комплексов, так и из гелиевых пузырьков.
Однако, ионно--индуцированная реэмиссия из насыщенной системы Ni-Ие , сформированной при Т = 800 К и содержащей гелиевые пузырьки с их суммарным объемом не меньшим, чем в системе при Т = 300 К, не наблюдается. Кроме того, математический анализ показал, что в случае прямого высвобождения гелия из ловушек ре эмиссионный поток должен уменьшаться с меньшей скоростью, чем это наблюдается на опыте. Приведенные рассуждения дали основание считать, что основным каналом перевода гелия в междоузельное положение является реакция вытеснения (4.1), хотя реакцию выбивания полностью исключать не следует. Ниже будет обсуждаться только реакция (4.1). Реэмиссия гелия в условиях высокой диффузионной подвижности водорода. В насыщенной системе /V/-//e , сформированной при комнатной температуре, вытесненный атом гелия может попасть в просачивающуюся подсистему гелиево-вакансионных комплексов и вызвать выделение инертного газа. В то же время часть гелия может захватиться свободными вакансиями, образовавшимися при внедрении атома водорода, что приведет к уменьшению реэмиссионного потока. Зависимость коэффициента ионно-индуцированной реэмиссии гелия из насыщенной системы Nf-Hc от дозы Фн ( Т = 300 К) можно опи-сать простым математическим выражением. Количество участвующих в реакции вытеснения (4.1) собственных междоузельных атомов, создаваемых при внедрении дозы &ФН ионов водорода, равно cH(i-y) H » где - число смещений, приходящихся на один внедренный ион // , У - вероятность атермической аннигиляции пары вакансия - СМА. Вероятность протекания реакции (4.1) по мере увеличения дозы Фн падает, так как количество гелиево-вакансионных комплексов уменьшается. Определим эту вероятность как Экспериментально полученная зависимость коэффициента ионно--индуцированной реэмиссии гелия из насыщенной системы, сформированной при комнатной температуре, от дозы Фи (рис.4.14, кривая I с вычетом кривой 3) в пределах точности эксперимента описывается следущими аналитическими выражениями: Фи (4.10) либо С (1,1±0,І)І0І&І 7 в которых размерностью Фи является см . Из сравнения выражении (4.8) и (4.10), а также (4.9) и (4.II) следует, что формула - 119 - (4.8) хорошо описывает экспериментальную зависимость коэффициента Pf при следующем условии: А-х(і- )-2.іь- ц,(о)/2. (о) = 0,14 0, и ZfbA/f,(o) =(1,о±о,3 )-10 см 2 , а формула (4.9) при уело- вии, что 2h.Nh(0) = (1,( ±0,5) /0 7см-г. к. Величина c[tvA/h(0) определяет количество гелия, участвуще- го в реакции вытеснения (4.1), В насыщенной системе /l//-#e , сформированной облучением ионами //е с энергией 9 кэВ при комнатной температуре, в гелиево-вакансионных комплексах содержит- Т7 —9 ся количество гелия, равное 2.10 см . Следовательно, в реакции вытеснения (4.1) участвуют практически все гелиево-ваканси-онные комплексы.
Полагая, что каждый комплекс Не у в насыщенной системе (Т = 300 К) содержит два атома гелия ( Л, = 2), число смещений атомов решетки, приходящихся на один внедряющийся ион водорода, 92 - 5 7 / 3 /, вероятность термической аннигиляции у = 0,7 0,9 /10 /, вероятность десорбции вытесненного атома гелия ока-зывается равной А sr 10 . В ненасыщенной системе /V/-//e ( Т = 300 К) вероятность де-сорбции вытесненного по реакции (4.1) и мигрирующего по междоуз-лиям гелия значительно меньше ( А я 10 ), поскольку ловушками для него являются как вакансии, так и ненасыщенные гелиевые пузырьки. Отсутствие ионно-индуцированной реэмиссии гелия из систем /V/-//e при Т = 800 К, вероятно, объясняется тем, что при высокой температуре металл не содержит подсистему гелиево-вакансионных комплексов. Реэмиссия гелия в условиях крайне малой диффузионной подвижности водорода. Особого рассмотрения заслуживают результаты опы- тов по реэмиссии гелия при Т = 100 К. В процессе ионного внедрения при температурах меньших 200 К водород накапливается, главным образом, в междоузлиях решетки вследствие крайне малой дифг-фузионной подвижности. Электронографический анализ приповерхностных слоев монокристалла никеля, облученного ионами Ъ% с энер-гией 3 9 кэВ дозамиФ . 5.10 см , показал, что при Т = 100 К образуется структура, идентифицированная как дейтерид никеля. Облучение ионами дейтерия В с энергией 10 кэВ поверх-то JO ности никелевой мишени при 35 К до дозы 4.10 см приводит к появлению водородных блистеров / 135 /. По нашему мнению, рост газонаполненных пор в металле по мере накопления водорода можно объяснить следующим образом: после заполнения атома водорода всех разрешенных в металле междоузельных позиций (для чего требуется доза Ф0 ) и образования гидрида металла, введенный дополнительный атом водорода имеет повышенную энергию растворения / 136 /. С увеличением дозы Фц наступает момент, когда в локальный объем внедрится А дополнительных (сверхстехиометриче-ских) атомов газа. Это приводит к вытеснению атома никеля из узла металлической подрешетки гидрида и, следовательно, к зарождению и росту водородных пузырьков.
