Введение к работе
Актуальность. Разработка методов исследований радиационно-индуцированных явлений в оптических материалах актуальна в связи с развитием систем оптической диагностики, применяемых в радиационных полях (термоядерные, лазерно-ядерные и электро-ядерные установки). Методы оптической диагностики в радиационных полях являются исключительно информативными и часто оказываются уникальными, поскольку применение других методов, например, электро-физических, оказывается ограниченным. Раскрытие связи между различными радиационно-индуцированными свойствами твердых тел позволяет применять оптические методы для выяснения механизмов радиационно-индуцированных изменений структуры, электрических и механических свойств материалов в процессе облучения, а также для управления процессами формирования новых материалов радиационными методами.
Необходимость развития методологии оптических исследований материалов в процессе облучения была независимо осознана несколькими научными сообществами. Во-первых, в рамках проекта Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) была поставлена задача исследования радиационно-индуцированных динамических оптических явлений в системах диагностики термоядерной плазмы, таких как радиационно-индуцированная люминесценция (РИЛ) и переходное оптическое поглощение, существующее только во время облучения. Во-вторых, идея создания научной школы в этом направлении была высказана при формировании Отделения ядерно-лазерных и термоядерных исследований в ГНЦ РФ - ФЭИ. В рамках проектов ITER и лазеров с ядерной накачкой было достигнуто понимание того, что актуальными являются полученные знания о механизмах радиационно-индуцированных оптических явлений, когда эти знания используются для изучения фундаментальных процессов в твердых телах. Логическим продолжением стало мощное использование оптических методов в целях диагностики процессов формирования оптических наноструктур в процессе ионной имплантации, результаты которого приводятся в настоящей диссертации.
Состояние исследований. В начале 80-х годов наметился перелом в области методологии радиационного материаловедения: наряду с традиционными исследованиями до и после облучения, происходит развитие более актуальных методов исследования материалов - в процессе радиационного воздействия. К началу данной работы в середине 80-х годов, наряду с продолжающимися работами по оптическим дозиметрам и детекторам излучений, уже проводятся радиационные испытания элементов оптической диагностики ядерных установок. Однако выбор методов и их возможности ограничены, в основном, спектроскопией РИЛ
низкого временного разрешения. Имеющиеся экспериментальные результаты довольно разрознены, а теоретические представления о механизмах радиационно-индуцированных оптических явлений сводятся к внутрицентровым моделям электронного возбуждения в однородной среде. В частности, очевидная связь оптических свойств с электрическим заряжением макроскопических и микроскопических областей материалов при облучении не исследована. Таким образом, возникла необходимость систематизации знаний и создания научной основы методологии оптических исследований материалов при облучении. Цели и задачи работы. Целями диссертационной работы были обоснование и разработка экспериментальных методов исследований оптических явлений в твердых телах в процессе радиационного воздействия. Основная задача заключалась в разработке экспериментальных методов исследований микроскопических механизмов изменений оптических свойств диэлектриков, в особенности в процессе ионного, нейтронного и гамма облучения, а также в разработке теоретических подходов и моделей описания физических явлений в оптических материалах, протекающих в процессе облучения. Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана научная основа методологии исследований оптических явлений в твердых телах при радиационных воздействиях. Предложен методологический подход, в рамках которого изменения оптических, электрических и механических свойств твердых тел (монокристаллов, керамик, стекол, нанокомпозитов) в процессе облучения связываются с эволюцией электрического заряда в микроскопических (наноскопических) областях структуры. Разработаны теоретические представления о механизмах динамического радиационно-индуцированного оптического отклика твердых тел.
Разработаны методы исследования влияния локального электрического заряжения диэлектриков на радиационно-индуцированные оптические явления. Разработаны представления о локальном радиационно-индуцированном динамическом электрическом заряжении и его связи с радиационно-индуцированными оптическими явлениями. Обнаружен эффект возврата радиационной окраски кварцевых стекол, раскрыта его связь с локальным электрическим заряжением и термодинамической неустойчивостью систем локализованных носителей заряда.
Исследован новый класс явлений - динамические радиационно-индуцированные нелинейные оптические явления, к которым относится эффект подавления радиационно-индуцированного свечения кварцевых волокон зондирующим светом. Предложены способы
управления динамическим радиационно-индуцированным оптическим откликом на основе нелинейных эффектов.
Решена методическая проблема исследования фазовых превращений, в том числе, эволюции металлических фаз, непосредственно в процессе облучения. Впервые исследована динамика радиационно-индуцированных фазовых превращений и получены неравновесные фазовые диаграммы систем металл-диэлектрик (Си - SiCb, Си - А120з, Си - LiNbCb) при ионной имплантации. В системах металл-диэлектрик обнаружены структуры, динамически устойчивые при ионном облучении, и определены условия их возникновения. Решена методическая проблема создания металло-нанокомпозитов в нелинейно-оптических и полимерных матрицах радиационными методами.
Впервые разработаны расчетно-аналитические методы обработки дозовых и временных зависимостей радиационно-индуцированных оптических свойств для определения вкладов радиационно-индуцированных процессов в изменения свойств материалов. Разработаны оригинальные модели радиационно-индуцированного заряжения и нелинейного радиационно-индуцированного оптического отклика.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработан комплекс экспериментальных методов, основанных на оптической диагностике, позволяющих проводить измерения радиационно-индуцированных свойств материалов в процессе изменения состояний материалов в радиационном поле;
разработаны методы исследований радиационно-индуцированных нелинейно-оптических явлений в кварцевых волокнах при импульсном реакторном облучении, предложен способ подавления радиационно-индуцированного свечения в волоконно-оптических системах;
разработан комплекс методов оптического мониторинга процессов в материалах во время непрерывной и импульсной имплантации тяжелых ионов, включая оптический метод измерения температуры металлических выделений в процессе ионной бомбардировки диэлектриков и метод одновременной регистрации спектров ионно-индуцированного свечения, оптического пропускания и отражения твердых тел.
разработаны акусто-оптические методы исследования корреляций радиационно-индуцированных оптических и механических свойств кварцевых стекол при фотопросветлении и ионном облучении.
разработаны методы получения: (а) нелинейно-оптических элементов фемтосекундного диапазона (насыщающихся оптических поглотителей, оптических ограничителей,
бистабильных оптических элементов, зеркал с обращением волнового фронта) на основе металло-нанокомпозитов, (б) металло-нанокомпозитов при интенсивной имплантации тяжелых ионов в мягкие матрицы, и (в) наноструктур, динамически устойчивых при облучении;
разработан субпикосекундный спектроскопический вариант метода Z-сканирования;
разработан метод неравновесных фазовых диаграмм, получены неравновесные фазовые диаграммы систем металл-диэлектрик при ионной имплантации;
разработаны теоретические модели: локального радиационно-индуцированного динамического электрического заряжения, термодинамической неустойчивости систем локализованных носителей заряда, двух встречных фотонных потоков в нелинейном световоде, модель пространственного заряда в системе сферических наночастиц металла.
Результаты работ использованы для разработки систем диагностики в рамках проекта ITER, а также для развития экспериментальной базы ГНЦ РФ - ФЭИ и Национального института материаловедения (National Institute for Materials Science (NIMS), Япония). Созданы экспериментальные установки оптической диагностики на базе ускорителей легких и тяжелых ионов ЭГП-10М, ЭГП-15, установке NIMS для имплантации и импульсном реакторе на быстрых нейтронах БАРС-6. Созданные установки предназначены для проведения поисковых и прикладных работ в области радиационного материаловедения и нелинейной оптики: по физике динамического радиационно-индуцированного оптического отклика твердых тел, по прогнозированию оптических свойств материалов в процессе эксплуатации в интенсивных полях, по оптической диагностике радиационных полей и радиационно-индуцированных процессов в материалах, по разработке новых оптических материалов радиационными методами.
Достоверность положений и выводов диссертационной работы обеспечена использованием комплекса экспериментальных методов исследования, а также тем, что основные закономерности радиационно-индуцированных явлений в материалах были установлены в процессе облучения и подтверждены пострадиационными исследованиями. В диссертационной работе соблюдаются дополнительные условия: системность исследований, привлечение автоматизированных методов и использование калиброванных измерительных приборов. На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментальные методы и результаты исследования радиационно-индуцированных свойств оптических материалов в процессе облучения:
комплекс методов регистрации спектров и временных зависимостей радиационно-индуцированного свечения, оптического пропускания и отражения при непрерывном и импульсном облучении;
акусто-оптический метод исследования корреляций радиационно-индуцированных оптических и механических свойств при ионном облучении и фотопросветлении;
комплекс методов исследования нелинейных радиационно-индуцированных оптических свойств волоконных световодов при мощном импульсном реакторном облучении, метод подавления радиационно-индуцированного свечения оптических волокон зондирующим светом;
2. Экспериментальные методы исследования процессов формирования оптических
наноструктур при облучении:
комплекс радиационных методов получения металло-нанокомпозитов в оптической матрице;
метод измерения решеточной температуры металлических наночастиц в процессе ионной бомбардировки;
субпикосекундный спектроскопический вариант метода Z-сканирования, включая методику определения концентрации металлической фазы в нанокомпозитах;
3. Теоретические подходы для обоснования методов исследований радиационно-
индуцированных явлений в оптических материалах:
модели и результаты расчетов характеристик локального радиационно-индуцированного электрического заряжения и эффективности радиационно-индуцированной люминесценции диэлектриков и металло-нанокомпозитов;
модели нелинейных радиационно-индуцированных оптических явлений в волоконных световодах;
метод неравновесных фазовых диаграмм систем металл-диэлектрик при ионной имплантации;
Апробация работы. В диссертации представлены результаты работ, проведенных автором начиная с 1984 г. Основное содержание работ изложено в 57 статьях в реферируемых журналах, 8 препринтах ФЭИ, 3 трудах ФЭИ и 16 докладах, опубликованных в трудах международных, всесоюзных и всероссийских конференций. Результаты работ были представлены автором на: международных конференциях, симпозиумах и школах: International Conference on Advanced and Laser Technologies (Москва, 1992), 3-я Международная конференция "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов" (Санкт-Петербург, 1994), 1st International
Symposium on Beam Technologies (Дубна, 1995), International Conference on Fusion Reactor Materials (Обнинск 1995; Sendai, Japan, 1997; Colorado Springs, USA, 1999; Baden-Baden, Germany, 2001; Kyoto, Japan, 2003), Symposium on Fusion Engineering (Champaigh, USA, 1995), 13th International Conference on Laser Interactions and Related Materials (Monterey, USA, 1997), 5th Symposium on Fabrication and Properties of Ceramics for Fusion Energy and Other High Radiation Environments (Cincinnati, USA, 1997), International Symposium on the Effects of Radiation on Materials (Seattle, USA, 1998; Williamsburg, USA, 2000), Международная конференция по электростатическим ускорителям (Обнинск, 1999, 2006), 2 Iі Symposium on Fusion Technology (Madrid, Spain, 2000; Helsinki, Finland, 2002), International Conference on Atomic Collisions in Solids (Paris, France, 2001; Genova, Italy, 2003), White Nights' Summer School on Photosensitivity in Optical Waveguides and Glasses (Санкт-Петербург, 2002), 6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2002), International Conference on Ion Beam Modification of Materials (Kobe, Japan, 2002; Asilomar, USA, 2004), Meeting of the Japan Society of Applied Physics (Niigata, 2002; Yokohama, 2003; Fukuoka, 2003; Hachioji, 2004; Sendai, 2004; Saitama, 2005; Tokushima, 2005), 7th International Conference on Engineering Problems of Thermonuclear Reactors (Санкт-Петербург, 2002), Academic Symposium of Materials Research Society of Japan (Tokyo, 2002, 2004), 13th International Conference on Internal Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids (Bilbao, Spain, 2002), 1st NIMS International Conference on Material Solutions for Photonics (Tsukuba, Japan, 2003), 16th International Conference on Ion Beam Analysis (Albuquerque, USA, 2003), 8th IUMRS International Conference on Advanced Materials (Yokohama, Japan, 2003), 7th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (Nara, Japan, 2003), International Symposium on Advanced Physical Fields (Tsukuba, Japan, 2004, 2005), 12th International Conference on Solid Films and Surfaces (Hamamatsu, Japan, 2004), 8th International Symposium on Ferroic Domains and Micro- to Nanoscopic Structures (Tsukuba, Japan, 2004), 14th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (Asilomar, USA, 2004), International Conference on Organic Photonics and Electronics and 8th International Conference on Organic Nonlinear Optics (Matsushima, Japan, 2005), 13th International Conference on Radiation Effects in Insulators (Santa Fe, USA, 2005), 5th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices (Hawaii, USA, 2005);
всесоюзных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах: VI Всесоюзная конференция по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984), Симпозиум по кинетике, термодинамике и механизму процессов восстановления
(Москва, 1986), VIII Всесоюзная конференция по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), Конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1993, 1996), XXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС (Звенигород, 1997), Межгосударственный семинар "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1997, 1999);
отраслевых конференциях: 2-я Отраслевая международная конференция "Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой" (Арзамас-16, 1994). Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Все результаты, представленные в Главах 3 и 4, получены лично автором. Автором лично разработаны: 1) методы исследования нелинейного радиационно-индуцированного оптического отклика волоконных световодов при мощном импульсном реакторном облучении; 2) акусто-оптические методы исследования корреляций радиационно-индуцированных оптических и механических свойств кварцевых стекол при фотопросветлении и ионном облучении; 3) метод одновременной регистрации спектров ионно-индуцированного свечения, оптического пропускания и отражения твердых тел при непрерывной и импульсной имплантации тяжелых ионов; 4) метод измерения температуры металлических наночастиц в процессе ионной бомбардировки; 5) методы получения металло-нанокомпозитов в нелинейной оптической матрице и оптимизации процессов формирования нанокомпозитов; 6) метод динамического ионного перемешивания полимеров; 7) субпикосекундный спектроскопический вариант метода Z-сканирования нелинейно-оптических металло-нанокомпозитов; 8) нелинейно-оптический метод определения концентрации металлической фазы в металло-нанокомпозитах; 9) способ подавления радиационно-индуцированного свечения оптических волокон зондирующим светом. Автором лично экспериментально исследованы радиационно-индуцированные оптические, электрические и механические явления в диэлектриках в процессе радиационного воздействия, а также механизмы формирования металло-нанокомпозитов в процессе ионной имплантации, структура и нелинейно-оптические свойства металло-нанокомпозитов; разработаны теоретические подходы и модели радиационно-индуцированных оптических, электрических и механических явлений; проведен анализ неравновесных фазовых диаграмм систем металл-диэлектрик в условиях имплантации тяжелых ионов.
Похожие диссертации на Методы исследований оптических свойств материалов при радиационном воздействии
