Расчет оптических и диэлектрических свойств фарфора после облучения нейтронами в области ультрафиолетовых, видимых, инфракрасных и технических частот Колпащикова, Жанна Викторовна

Введение к работе

Актуальность работы.

Развитие науки, создание термоядерных реакторов обуславливает необходимость выбора композиционных материалов с особыми свойствами: минимальным температурным коэффициентом линейного расширения, высокой теплопроводностью, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой радиационной стойкостью В современной атомной и термоядерной энергетике достаточно широко используются керамические материалы. Нас наиболее интересует ядерная энергетика, в которой керамика используется в качестве деталей конструкций.

В работе рассматривается проблема использования керамических материалов в ядерной энергетике в качестве изоляторов в атомных и термоядерных реакторах

Фарфоровая керамика является одной из самых радиационно устойчивых материалов Ее используют в качестве электроизоляции в атомной энергетике Применение фарфора электротехнического назначения в качестве изолирующего материала объясняется сравнительно высокими диэлектрическими характеристиками

Влияние излучений высоких энергий на керамические материалы, как многокомпонентные системы, сопровождается процессами ионизации и деструкции, вследствие которых изменяются макрохарактеристики вещества При облучении образцов керамики флюенсом нейтронов >10 ²⁰ нейт./см.² и более происходит заметное изменение химического состава. Изменяется не только концентрация основных элементов, но и наблюдается появление новых дочерних элементов с существенной концен грацией, более 10 ^|8ядер/м³.

Исследование влияния изменения химического состава на макросвойства керамики остается актуальной проблемой.

Цель исследований.

Цель данной работы заключается в определении зависимости физических свойств керамических материалов электротехнического назначения от их химического состава В частности, определяется изменение диэлектрических параметров исследуемых образцов после изменения химического состава вследствие облучения в широкой области частот

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач'

1. На основе теории гармонических колебаний рассчитать диэлектрический и
оптический спектр У-46 и М-23 в области УФ, видимых, ИК и технических частот

1. Сравнить теоретически рассчитанные значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления со значениями, полученными экспериментально методами петрографии п видимой области спектра и на частоте 1 МГц.

2. По известному выходу дочерних элементов при облучении в реакторе определить влияние трансмутантов на оптические и диэлектрические характеристики керамических материалов в широкой области частот

4. Дать анализ зависимости характера процесса вынужденных упругих и
релаксационных колебаний от величины области колебаний заряженной частицы в
диэлектрике.

Объекты исследования.

Для исследования были выбраны образцы керамики, широко используемые в промышленности: ультрафарфор УФ-46 и электротехнический фарор М-23 Данные образцы изучались до и после облучения нейтронами широкого спектра энергий в двух облучательных сборках реактора БОР-60' в канале ВЭК-8 при флюспсе 3,7 10"' см"* и и в канале ВО-7 при флюенсе 2,3 !0²²см"²

Научная новизна.

I На основе icopini ырмоничсскич колеСіїїіиіі впервые рііссчпіан диэлекфический и оптический спекір керамических материалов УФ-46 и М-23 в.широкой области частот Результату расчетов удовлетворительно согласуются со значениями, полученными -экспериментальными методами.

2. Определено влияние трансмутантов, образованных вследствие облучения, на изменение диэлектрических и оптических параметров исследуемых образцов керамики. Результат теоретических исследований показывают, что изменение значений диэлектрической проницаемости после облучения в канале ВО-7 более заметные, чем после облучения в канале ВЭК-8, что объясняется большим по значению групповым флюенсом нейтронов в канале ВО-7.

3 Определенны дополнительные области нелинейной дисперсии в керамических диэлектриках после облучения, что сказывается на поведение є, є в области резонансных частот.

Практическая пенное и».

Рассчитаны минимальные радиационные изменения диэлектрических характеристик после облучения керамических материалов УФ-46 и М-23 большими флюенсами нейтронов (>!0²² нейтрон /см²), что дает возможность прогнозировать срок службы данных образцов в условиях реакторного облучения.

Получен диэлектрический спектр исследуемых образцов в области упругих и релаксационных видов поляризации, который необходимо учитывать в электротехнической промышленности.

Па заїциіу выносятся положения:

1. Расчетные значения диэлектрических и оптических характеристик керамических
материалов, полученные с помощью теории гармонических колебаний, хорошо согласуется
с экспериментальными результатами. Учет вклада электронной поляризации в область УФ
- частот дает значение диэлектрической проницаемости є для УФ-46 є = 2,37, для М-23 є
= 2,5386 близкие к экспериментальным значениям на оптических частотах. С учетом
упругой ионной поляризации в ИК - области для УФ-46 значение равно є = 5,232, для
фарфор М-23 є = 6,176, что расположено между экспериментальными значениями,
полученными методом петрографии на частотах видимого спектра и на частоте у=1МГц.

3. После облучения в УФ-области частот диэлектрическая проницаемость изменяется на уровне четвертого знака после запятой, но появляются дополнительные области дисперсии на трансмутантах. В ИК - области частот в УФ-46 появляются новые области дисперсии, связанные с перестройкой структуры кристаллических фаз, а в М-23 наблюдается уменьшение количества резонансных частот, вследствие частичной аморфизации кварца. Значения диэлектрической проницаемости для ультрафарфора УФ-46 увеличивается на 5,82%, для М-23 на 3,41%.

4. Теоретические исследования показывают, что используемая колебательная модель релаксационной поляризации дает достаточно хорошее количественное совпадение при описании спектров диэлектрической проницаемости на технических частотах.

4 В зависимости от величины области колебаний заряженной частицы в диэлектрике они будут носить упругий или релаксационный характер. При значениях области релаксации менее пяти межатомных расстояний, значение Р<ш₀ , что соответствует области упругих колебаний, при значениях области релаксации равной пяти и более межатомных расстояний, значение Р>Шо. что соответствует области релаксационных колебаний Апробация работы.

Основные положения докладывались и обсуждались

50-оП паучпо-пракіичсской конференции преподана і елей и с і улет он (ПГПУ,

1999); 51-ой научно практической конференции преподавателей и студентов (БГПУ.2000);

2-ая межвузовская научно пракгическая конференция «Молодежь XXI века шаг

в будущее» (Благовещенск, 2001),

региональная научная конференция сіуденіон, аспирантов и молодых ученых «Будущее амурской науки» (АмурКІІИИ ЛмурПЦ ДВО РАН, 2001); 3-ая межвузовская научно практическая конференция «Молодежь XXI века: шаг

в будущее» (Благовещенск, 2002).

Публикации

1. По теме диссертации опубликовано 15 работ

Структура и объем работы.