Введение к работе
Актуальность проблемы. Методы, основанные на дифракции излучения, в частности, нейтронного, относятся к числу неразрушающнх и наиболее распространенных и эффективных при изучении структуры кристаллов, а также различных искажений кристаллической решетки, вызванных наличием дефектов. Известно, что дефекты структуры приводят к изменению интенсивности брЭГ-говского (когерентного) рассеяния. Помимо когерентной компоненты в рассеянном излучении присутствует и нскогерентная (диффузная) составляющая, зависящая от типа, концентрации и ориентации дефектов. Методики, связанные с изучением диффузного рассеяния (ДР) рентгеновских лучей и электронов, широко используются для изучения мпкродефектов в кристаллах: точечных дефектов (атомы замещения, внедрения, вакансии), протяженных дефектов (дислокации, дислокационные петли), трехмерных дефектов (кластеры, включения второй фазы) и др. Существенно в меньшей мере развиты методы, основанные на анализе ДР тепловых нейтронов.
В настоящее время можно считать созданной кинематическую теорию рассеяния [1-2]. Эта теория применима к кристаллам, для которых их характерный размер или размер блоков мозаики много меньше длины экстинкции, а также к сильно нарушенным кристаллам, в которых размеры областей когерентного рассеяния малы по сравнению с длиной экстинкции. В рамках кинематической теории пренебрегастся оттоком части энергии первичного пучка в когерентный дифрагированный пучок и в диффузігую компоненту рассеяния. Кроме того, не учитывается эффект дифракции диффузного излучения в кристалле.
В связи с практическими задачами исследования достаточно толстых почти совершенных полупроводниковых монокристаллов, применяемых во многих современных отраслях промышленности, возникла необходимость развития динамической теории рассеяния, учитывающей выше перечисленные явления. В этой, находящейся в стадии становления, теории применяются подходы, развитые в динамической теории дифракции на кристаллах с идеальной "замороженной" решеткой [3], а также результаты кинематической теории, связанные, например, с расчетами полей смещений атомов, методами усреднения по конфигурации дефектов и т.д. При падении излучения вблизи от угла Брэгга для не очень сильно искаженного кристалла в результате интерференции вторичных волн, рассеянных различными ядрами, результирующая амплитуда рассеянной волны может стать сравнимой с амплитудой падающей. При этом становятся существенными многократное рассеяние излучения, интерференция падающей волны с дифрагированной, постепенная перекачка интенсивности проходящей волны в дифрагировашгую и диффузную волны. В результате в крн-
сталле образуется единое самосогласованное волновое поле, в котором различные парциальные волны играют равноправную роль, И только геометрия эксперимента позволяет выделить рассеянное излучение. Перечисленные выше явления приводят с одной стороны к модификации известных динамических эффектов для когерентной составляющей отраженного пучка, а с другой - к появлению различных динамических (когерентных) явлений в ДР [4].
В настоящее время динамическая дифракция на искаженных кристаллах еще недостаточно изучена экспериментально, что обусловлено рядом методических трудностей, связанных, например, с корректным выделением диффузной составляющей па фоне мощного когерентного излучения. При этом подавляющее большинство исследований выполнено с использованием рентгеновского излучения. Актуальность работы состоит в том, что, во-первых, экспериментальные результаты исследований динамической дифракции, в частности, динамических эффектов в ДР, необходимы для дальнейшего развития теории, которая, как упоминалось выше, находится в стадии разработки. Во-вторых, такие исследования имеют существенное прикладное значение при изучении дефектов в кристаллах, т.к., например, при изучении ДР динамические эффекты могут приводить не только к количественным, но и к качественным изменениям картины рассеяния но сравнению со случаем кинематического рассеяния.
В связи с этим цель работы состояла в поиске и исследовании динамических эффектов в ДР тепловых нейтронов на слабо искаженных малодислокационных кристаллах.
Научная новизна. Предложено использовать метод брэгговской секционной топографии при исследовании-ДР На кристаллах с дефектами. Достоинством метода является возможность пространственного разделения динамической и диффузной составляющих рассеянного излучения. Предложенная методика позволяет проводить прямые измерения таких интегральных характеристик кристаллов с дефектами, как показатель степени статического фактора Дебая-Валлсра и линейный коэффициент ослабления первичного излучения, связанного с диффузным рассеянием.
Проведено исследование ДР нейтронов на малодислокационных кристаллах Gc. Наблюдались динамические эффекты в диффузном рассеянии нейтронов: экстиикция и интерференционное поглощение диффузного рассеяния. Впервые наблюдались интерференционные полосы в пространственном распределении интенсивности диффузного рассеяния. Предложена модель, объясняющая возможный механизм наблюдаемой интерференции.
Практическая значимость работы. Проведенная аттестация способа изготовления монохромагоров тепловых нейтронов позволяет изготавливать высо-
коэффективные монохроматоры с контролируемым значением угловой ширины кривой отражения.
Использованный в работе способ контроля деформаций монокристаллов может быть полезен при исследовании макроскопических деформаций толстых монокристаллов, для которых неприменимы рентгеновские методы.
Предложенный способ исследования ДР на кристаллах с дефектами, основанный на пространственном разделении когерентной и диффузной компонент дифрагированного излучения, открывает новые возможности при исследовании нарушений структуры кристаллов. В частности, с его помощью можно изучать распределение дефектов по объему кристаллов и определять значение статического фактора Дебая-Валлера для различных областей образца.
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Проведен статистический анализ работы универсального нейтронного дифрактомстра. Аттестация прибора показала, что с его помощью можно проводить надежные воспроизводимые измерения с помощью методик, требующих создания многокристальных спектрометрических схем с использованием почти совершенных кристаллов.
-
Проведена аттестация способа изготовления высокоэффективных германиевых монохроматоров.
-
Предложено использовать метод брэгговской секционной топографии при исследовании диффузного рассеяния на кристаллах с дефектами. Эта мето-, дика позволяет проводить прямые измерения таких интегральных характеристик кристаллов, как показатель степени статического фактора Дебая-Валлера и линейный коэффициент ослабления первичного излучения за счет диффузного рассеяния.
-
Наблюдались динамические явления в диффузном рассеянии нейтронов на малодислокационных кристаллах Ge: эффект экстинкции диффузного рассеяния на средней решетке, интерференционное поглощение диффузного рассеяния и динамические аномалии в импульсном распределении интенсивности диффузного рассеяния, в частности, связанные с эффектом экстинкции. Впервые наблюдался такой интересный эффект, как интерференционные полосы в пространственном распределении интенсивности диффузного рассеяния. Предложена модель, объясняющая возникновение интерференционных полос.
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на Совещаниях по использованию нейтронов в физике твердого тела (Юрмала-1985, Екатеринбург-Заречный-1993, Гатчина-1995), на XV Всесоюзном совещании по использованию исследовательских ядерных реакторов (Обнинск-1988), на Уральской Школе по использованию рассеяния нейтронов в физике конденсированного состояния (Свердловск-Зарсчный-1989), на Международной конференции по нейтронной физике (Киев-1987).
5*
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключе--ния и списка литературы. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, вклібчая 29 рисунков, 71 наименование литературы.