Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Изучение радиационных явлений в неметаллических материалах является бурно развивающейся областью радиационного материаловедения, поскольку эти материалы представляют большой интерес для микроэлектроники (полупроводники, находящиеся под действием радиации, и т.д.), для ядерной промышленности (ядерное топливо: UO2, конструкционные материалы для высокотемпературных ядерных реакторов: SiC, захоронение ядерных отходов, конструкционные материалы для термоядерного реактора ИТЕР: SiC, AI2O3, MgO, И Т.Д.), для космической промышленности (SiC). Между тем изучение радиационных явлений в неметаллах под действием высокоэнергетического облучения является значительно более сложной задачей по сравнению с металлами и детальное описание кинетики радиационно-индуцированных процессов в них в настоящее время отсутствует. Это связано с тем, что неметаллы обычно являются многокомпонентными системами. Кроме того, некоторые неметаллы (например, графит) являются анизотропными материалами с сильной анизотропной диффузией. И, наконец, дефекты во многих неметаллах могут иметь зарядовые состояния, так что кинетические процессы, происходящие в этих материалах под облучением, определяются наличием как упругих, так и внутренних электрических полей. Хорошо известно, что облучение твердых тел, в частности диэлектриков, высокоэнергетическими частицами приводит к смещению атомов из узловых положений решетки и образованию междоузлий и вакансий, эта пара точечных дефектов получила название пара Френкеля. Например, в случае оксидов известно, что в кислородной подрешетке могут образоваться три типа пар Френкеля: нейтральный междоузель-ный атом кислорода и нейтральная вакансия, вакансии с одним или двумя захваченными электронами (так называемые F+ и F центры) и комплементарные им заряженные междоузельные атомы кислорода 0~ и О2-. Существует множество работ, в которых сообщалось о наличии подобных заряженных точечных дефектов в оксидах: MgO, СаО, ВаО; BeO, ZnO, Alj03, Li20, Zr02, Ti02; LiA102 и AbO^Ng [1, 2, 3]. В работах [1, 2, 3] также приведены данные о наличии заряженных то-
чечных дефектах, не связанных с кислородом, там же можно найти и ссылки на соответствующие экспериментальные и теоретические работы. Одним из ярчайших экспериментальных подтверждений наличия заряженных точечных дефектов в диэлектриках является работа [4], в которой сообщается об экспериментальном наблюдении влияние внешнего электрического поля на зарождение дислокационных петель. Эта замечательная экспериментальная работа является доказательством того факта, что наличие в диэлектриках заряженных точечных дефектов приводит к новым эффектам и явлениям, не имеющим аналогов в металлах. К сожалению, экспериментальное изучение зарядовых состояний в диэлектриках является довольно сложной задачей, по этой причине отсутствуют экспериментальные данные о зарядовых состояниях точечных дефектов во многих диэлектрических материалах. Несмотря на это, существующие экспериментальные и теоретические работы позволяют утверждать, что заряженные точечные дефекты являются довольно распространенным явлением в диэлектриках. Теоретическое исследование кинетики роста кластеров дефектов с учетом зарядовых состояний началось с работ [5, б, 7, 8]. В этих работах изучалось поведение заряженных дефектов (вакансий, вакан-сионных пор и вакансионных дислокационных петель) в условиях термодинамического равновесия и в отсутствии облучения. Между тем с практической точки зрения также интересен вопрос об описании кинетики роста кластеров дефектов в диэлектриках под облучением с учетом зарядовых состояний точечных дефектов. Под облучением образуются как междоузельные атомы, так и вакансии, причем междо-узельные атомы вследствие их большей подвижности участвуют как в зарождении, так и в росте междоузельных дислокационных петель. В то время как вакансии являются лишь стоками для междоузельных атомов из-за их взаимной рекомбинации, однако уже при температурах порядка 400-600 С, в зависимости от величины энергии миграции, вакансии начинают влиять на рост междоузельных дислокационных петель. Наличие электрического заряда у точечных дефектов приводит к тому, что рост дислокационных петель начинает определяться диффузией наиболее медленной компоненты. Учет же упругих сил приводит лишь к соответствующей перенормировке в факторе пред-
почтения. Таким образом, можно утверждать, что наличие зарядовых состояний существенно влияет на радиационно-индуцированные процессы в диэлектриках. Кроме того, наличие электрических зарядов у точечных дефектов может приводить к тому, что внешнее электрическое поле будет влиять на процессы, происходящие в диэлектриках под облучением. В частности, приложенное электрическое поле будет влиять на образование обедненной зоны вблизи границы зерен и поверхности в диэлектриках. Благодаря этому существует возможность экспериментального измерения зарядовых состояний точечных дефектов в диэлектриках.
Одним из наиболее востребованных материалов современной атомной промышленности в нашей стране является графит, который используется в реакторах РБМК как замедлитель нейтронов. Это связано с его специфическими свойствами, такими как малое сечение поглощения нейтронов, хорошая замедляющая способность, сравнительная легкость получения химически чистого материала и достаточная прочность. Знание его радиационных свойств для продления срока службы реакторов РБМК является одной из насущных задач. Интенсивное изучение радиационных свойств графита происходит с пятидесятых годов прошлого столетия и продолжается по сей день: накоплен огромный экспериментальный материал по исследованию влияния нейтронного облучения на его свойства. Между тем теоретических работ несоизмеримо меньше, фактически на данный момент существует несколько полуэмпирических моделей, описывающих размерные изменения графита под облучением [9]. Поэтому исследование физических механизмов накопления в нем радиационных дефектов является важным и актуальным. Одной из отличительных характеристик графита является его сильно анизотропная структура и сильная пористость. Наличие развитой пористости приводит к такому необычному в радиационном материаловедении явлению, как уменьшение и последующее увеличение радиационного распухания при росте дозы облучения. С физической точки зрения это необычное поведение объясняется процессом закрытия пор в графите под облучением с последующим их ростом. Из-за важности графита в промышленности требуется деталь-
ное исследование этих необычных радиационно-индуцированных процессов.
Целью настоящей работы является разработка физических моделей, описывающих радиационно-индуцированные процессы в диэлектриках. Применение этих моделей направлено на объяснение экспериментально наблюдаемых явлений: радиационное распухание карбида кремния и графита, неустойчивость дислокационных петель в диэлектриках под электронным облучением, зависимость плотности дислокационных петель в диэлектриках от приложенного электрического поля и т.д. Кроме того, в работе предложен новый метод экспериментального определения эффективного электрического заряда точечных дефектов в диэлектриках.
Научная новизна и практическая ценность. Впервые систематически изучается влияние электрического зарядового состояния точечных дефектов на радиационно-индуцированные процессы в диэлектриках. Впервые получено выражение для скорости роста междоузель-ной заряженной дислокационное петли с учетом зарядовых состояний точечных дефектов, а также показано, что учет упругих сил приводит лишь к перенормировке факторов предпочтения. На основе полученного выражения для скорости роста заряженной междоузельной дислокационной петли под облучением, впервые предложена и изучена модель радиационного распухания диэлектрика на примере карбида кремния с учетом зарядовых состояний точечных дефектов. Предложена простейшая модель влияния имплантированных атомов гелия на радиационное распухание карбида кремния. Полученные результаты имеют большое значения для изучения радиационно-индуцированных процессов в SiC, MgO, AI2O3, которые предполагается использовать в качестве конструкционных материалов термоядерных реакторов и высокотемпературных атомных реакторов.
Также в диссертации предложена микроскопическая модель радиационного распухания графита, объясняющая экспериментально наблюдаемые изменения размеров реакторного графита (усадку и т.д.) под нейтронным облучением. Получены потоки точечных дефектов на дислокационные петли и эллипсоидальные поры с учетом сильной ани-
зотропии диффузии в графите. Показано, что указанная усадка является следствием зарастания пор в графите из-за повышенной концентрации междоузельных атомов, связанной с малой плотностью дислокационных петель. В диссертации продемонстрировано, что последующий после усадки рост радиационного распухания графита напрямую связан с увеличением размеров и плотности междоузельных дислокационных петель. Вследствие чего поры также начинают расти. Полученные результаты представляют практический интерес, поскольку являются основой для изучения более детальной кинетики накопления дефектов в графите при больших дозах нейтронного облучения.
В диссертации предложена модель накопления заряда междоузель-ной дислокационной петлей в диэлектрике под электронным облучением. Показано, что благодаря ионизационным эффектам в междоузельных атомах, входящих в дислокационные петли, под действием электронного облучения может происходить накопление достаточно больших электрических зарядов на дислокационных петлях. Этот процесс в свою очередь приводит к возникновению больших упругих полей вокруг дислокационной петли и, следовательно, к неустойчивости междоузельных дислокационных петель: начинается пластическая деформация и образование дислокационной сетки вблизи петель. Указанный механизм накопления электрического заряда дислокационной петлей в диэлектриках под электронным облучением может служить объяснением экспериментально наблюдаемой неустойчивости дислокационных петель и размножения дислокационной плотности в оксиде циркония под электронным облучением [10].
Кроме того, в диссертации впервые найдена величина ширины обедненной зоны в диэлектриках с учетом зарядовых состояний точечных дефектов. Найдена также зависимость ширины обедненной зоны от величины приложенного внешнего электрического поля. На основе полученных результатов впервые предложена модель экспериментального определения эффективного электрического заряда точечных дефектов по измерению ширины обедненной зоны с помощью просвечивающей электронной микроскопии при различных значениях напряженности приложенного электрического ПОЛЯ.
Основные положения, выносимые на защиту.
Разработка модели роста заряженной междоузельной дислокационной петли под облучением с учетом упругих сил, в которой показано, что учет упругих сил приводит лишь к перенормировке факторов предпочтения для точечных дефектов.
Разработка и исследование модели радиационного распухания карбида кремния с учетом влияния на этот процесс накопления атомов гелия в зависимости от дозы, температуры, типа и условий облучения.
Модель роста междоузельной дислокационной петли, а также двух типов вакансионных пор в графите в пределе двумерной (сильно анизотропной) диффузии точечных дефектов.
Модель радиационного распухания графита под действием нейтронного облучения, в рамках которой предложено объяснение наблюдаемому на эксперименте возникновению минимума радиационного распухания. Показано, что наблюдаемый минимум связан с закрытием пор в графите под облучением, а последующий рост распухания связан с процессом зарождения и роста междо-узельных дислокационных петель, а также ростом вакансионных пор. Показано, что вакансионные поры сначала уменьшаются в размере, а затем начинают расти при увеличении плотности меж-доузельных дислокационных петель.
Модель накопления заряда на междоузельной дислокационной петле в диэлектрике под действием электронного облучения за счет процессов ионизации и упругого выбивания электронов у междоузельных атомов дислокационной петли. На основе предложенной модели дается объяснение экспериментально наблюдаемой неустойчивости дислокационной петли по отношению к началу пластической деформации и к образованию дислокационной сетки вблизи нее.
Разработка теоретической модели для экспериментального определения зарядовых состояний точечных дефектов в облучаемых
диэлектриках. Метод основан на экспериментальном определении зависимости ширины обедненной зоны от величины приложенного электрического поля в диэлектрике в случае двух и четырех типов заряженных точечных дефектов.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на следующих международных конференциях и совещаниях: 10-ая международная конференция по материалам для термоядерных реакторов (ICFRM-10, Баден-Баден, Германия, октябрь 2001), совещание по перспективным материалам (WAM, Сендай, Япония, июнь 2003), 10-ое международное совещание по углеродным материалам для термоядерной промышленности (IWCMFA-10, Юлих, Германия, сентябрь 2003), 11-ая международная конференция по материалам для термоядерных реакторов (ICFRM-11, Киото, Япония, декабрь 2003).
Публикации. По результатам диссертации в 2002-2004 гг. опубликовано б статей в реферируемых международных научных журналах, а также 1 статья отправлена в печать.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Она содержит 31 рисунок, одно приложение, список цитируемой литературы из 74 наименований. Полный объем диссертации 88 страниц.
