Реакторные трековые мембраны. Получение, структура и свойства Косарев Станислав Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Способы получения трековых мембран современные представления о формировании и структуре латентных треков тююелых ионов 12

1.1 Способы производства ТМ, и сравнительный анализ основных характеристик получаемых разными способами мембран 12

1.1.1. Сравнительный анализ способов производства ТМ 12

1.1.2. Структурно-селективные свойства ТМ 15

1.1.3. Эксплуатационные свойства 16

1.2 Современные представления о формировании и структуре латентных треков тяжелых ионов 18

1.2.1. Формирование первичного трека 18

1.2.2. Механизмы формирования латентных треков в веществе 23

1.2.3. Общие представления о структуре латентных треков в полимерах 27

Глава 2. Объекты и методы экспериментальных исследований 31

Глава 3. Получение трековых мембран реакторным способом .

3.1. Экспериментальное и расчетное исследование пробегов осколков деления игз5вПЭТФ 42

3.1.1. Экспериментальное исследование распределений осколков деления по толщине пленки 42

3.1.2. Расчет пробегов осколков деления в ПЭТФ с учетом реальных условий облучения 47

3.2.Латентные треки осколков деления в ПЭТФ 58

3.2.1 Деструктирующая способность осколков деления 58

3.2.2 Исследование размеров латентных треков осколков деления в ПЭТФ 63

3.2.3 Распределение пор в реакторных трековых мембранах по размерам 67

3.3.Физико-химическая обработка облученных пленок 70

3.3.1. Изучение скорости химического травления пленок, облученных осколками деления и ускоренными ионами 70

3.3.2. Исследование процесса сенсибилизации треков осколков деления 72

3.3.2.1.Влияние сопутствующего излучения (п, у, Р), температуры на сенсибилизацию треков осколков деления 72

3.3.2.2. Влияние ультрафиолетового света на скорость химического травления латентных треков осколков деления 76

Глава 4. Основные свойства а характеристики реакторных трековых мембран .80

4.1 Особенности пористой структуры реакторных трековых мембран 80

4.2 Расчетное и экспериментальное исследования пористой структуры реакторных трековых мембран 81

4.2.1 Расчетная оценка количества пересекающихся пор в трековой мембране 81

4.2.2 Экспериментальное определение перекрывающихся пор 82

4.3 Радиационно-гигиенические свойства реакторных трековых мембран..87

4.3.1 Состав остаточной активности облученной пленки 87

4.3.2 Временная зависимость полной активности 88

4.3.3 Выход активности при травлении 90

4.3.4 Оценка условий радиационной безопасности реакторных трековых мембран в соответствии с НРБ-99 92

4.4 Производительность реакторных трековых мембран 95

4.4.1 Описание течения газа через цилиндрическую пору 95

4.4.2 Производительность реакторных трековых мембран по воздуху.. 102

4.4.3 Производительность реакторных трековых мембран по воде... 105

4.5 Селективные свойства реакторных трековых мембран 107

4.6 Прочностные характеристики реакторных трековых мембран 114

Глава 5. Обсуждение экспериментальных результатов 122

Заключение 127

Список литературы 131

• Общие представления о структуре латентных треков в полимерах
• Экспериментальное исследование распределений осколков деления по толщине пленки
• Влияние ультрафиолетового света на скорость химического травления латентных треков осколков деления
• Оценка условий радиационной безопасности реакторных трековых мембран в соответствии с НРБ-99

Введение к работе

Актуальность проблемы. В настоящее время в большинстве процессов разделения жидких и газообразных сред широко используется мембранная технология и, следовательно, большое практическое значение имеет разработка методов получения новых мембран, обладающих различными свойствами. После обнаружения в диэлектриках (в том числе и в полимерах), облученных осколками деления урана (при травлении их в соответствующих реагентах), образования сквозных узких каналов, возникла идея использования этого явления для получения нового типа мембран, получивших позднее название трековых мембран. Первоначально эта идея была реализована фирмой «Nuclepore Co.». Трековые мембраны получали на основе поликарбонатных полимерных пленок, облученных осколками деления урана-235.

В 1972 г. в ОИЯИ (г. Дубна) под руководством академика Г.И. Флерова были начаты работы по созданию способа получения трековых мембран, основанного на использовании ускоренных тяжелых ионов. Были разработаны методы по получению трековых мембран на основе полиэти-лентерефталата (ПЭТФ) с пористой структурой, сопоставимой с трековыми мембранами, получаемыми с использованием осколков деления. В результате, к 1974 г. было реализовано два способа получения трековых мембран. В первом способе облучение полимерной пленки осуществляется осколками деления урана-235, во втором способе - многозарядные ионы ускорителя. В литературе существует достаточно большой объем данных по ускорительным трековым мембранам (способы получения, структурные и эксплуатационные свойства) и практически полностью отсутствует информация по реакторному способу и эксплуатационным характеристикам реакторных трековых мембран.

В конце 80-х годов на базе ГНЦ РФ-ФЭИ (г. Обнинск), начаты исследования по разработке технологии реакторного способа получения треко- вых мембран на основе ПЭТФ с использованием реактора БР-10 в качестве облучателя. В середине 90-х начат выпуск опытной партии реакторных трековых мембран, а в конце 90-х - промышленный выпуск трековых мембран. При разработке этой технологии предполагалось, что трековые мембраны, получаемые реакторным способом, будут иметь лучшие показатели по селективности по сравнению с таковыми, при ускорительном способе. Основой такого предположения послужили следующие обстоятельства.

При облучении на ускорителе ионы входят в пленку под одним и тем же углом. Вследствие стохастической природы излучения, образующиеся треки случайным образом распределены друг относительно друга. В результате расстояние между отдельными треками может оказаться настолько малым, что после травления несколько пор могут перекрыться. Вследствие этого образуется сквозной канал большего размера, чем размер отдельной поры. Дисперсия пор по диаметру ухудшает качество мембраны. Поэтому для снижения влияния этого фактора приходится вводить дополнительные устройства, способствующие изменению углов входа ионов в пленку с тем, чтобы исключить перекрытие пор по всей толщине пленки.

При облучении на реакторе введение дополнительных устройств не требуется. В силу природы деления углы вылета осколков деления из источника имеют изотропное распределение. Поэтому осколки деления в пленку входят под разными углами в диапазоне значений, определенных конструкцией коллиматора. Перекрытие пор, сохраняющее по глубине мембраны, становится маловероятным.

При реакторном способе производства достигается значительно более равномерное облучение полотна полимерной пленки, чем в ускорительном способе, где используется узкий сканирующий пучок ионов. К преимуществам реакторного способа можно отнести также простоту устройства для формирования пучка осколков деления.

Вместе с тем реакторный способ не лишен недостатков. Основным недостатком является возможность радиоактивного загрязнения мембраны вследствие торможения ряда осколков в пределах толщины пленки. Кроме того, при реакторном способе облучения полимерная пленка подвергается дополнительному воздействию гамма-излучения, идущего из активной зоны реактора.

При разработке технологии получения трековых мембран реакторным способом потребовалось решить комплекс задач, относящихся к проблеме изучения влияния различных факторов на свойства трековой мембраны.

Цель работы - изучение особенностей реакторного способа получения трековых мембран и их основных свойств.

Научная новизна

С использованием набора пленок разной толщины экспериментально изучено распределение осколков деления урана-235 по толщине лавсановой пленки для 16-ти масс осколков. Определены экспериментальные значения пробегов для среднего осколка легкой группы и среднего осколка тяжелой группы. На основании полученных данных (с учетом диаметров требуемых пор) определена оптимальная толщина исходной пленки, при облучении которой радиоактивное загрязнение не превышает допустимых пределов, определенных нормативными документами.

Разработана полуэмпирическая модель, описывающая распределение осколков деления по пробегам в полимерной пленке в зависимости от условий эксперимента. На основании проведенных расчетов определена доля рассеянных осколков на коллиматоре. Из анализа распределений осколков деления, полученных различными методами (бета- и гамма-спектрометрия, электронный микроскоп), определена усредненная по всему спектру осколков деления функция распределения средней длины трека.

Изучено распределение размеров латентных треков осколков деления по толщине полимерной пленки. Размеры латентных треков состав- лягот ~ 20-30 нм на поверхности пленки. Предположено, что трек имеет цилиндрическую форму.

Исследовано распределение пор по размерам на поверхности реакторных трековых мембран. Показано, что данное распределение описывается функцией Гаусса и имеет дисперсию размеров пор не более 7%. Показано, что профиль пор имеет цилиндрическую форму.

Изучено влияние сопутствующих облучению факторов (гамма- излучение и температура в камере облучения) на сенсибилизацию треков осколков деления. Показано, что гамма-излучение от активной зоны реактора оказывает влияние на сенсибилизацию треков осколков деления (скорость травления треков возрастает до 20-ти раз).

Изучено влияние УФ-излучения на избирательность травления треков. Показано, что для достижения максимальной скорости травления треков осколков деления достаточно 30-ти минутного сенсибилизирующего воздействия УФ-света (при 30-ти и 60-ти минутном воздействии УФ-света скорости травления не отличаются между собой - 0,07 мкм/мин). Показано, что ультрафиолетовый свет является более сильным источником сенсибилизации треков ионов в полимерных пленках, по сравнению с гамма-излучением.

Исследовано число перекрывающихся пор на поверхности трековой мембраны и сохраняющихся по глубине мембраны. Сравнительный анализ числа перекрытых пор, сохраняющихся по всей глубине мембраны, для реакторных и ускорительных трековых мембран, показал, что при реакторном способе производства образование перекрытых пор снижается ~ 1,5 раза.

Систематически исследованы основные характеристики (производительность, селективность, прочность) реакторных трековых мембран. Показано, что селективность реакторных трековых мембран составляет 90-95%. Показано, что селективность реакторных мембран выше ускорительных при значениях пористости менее 3%, а при пористости более

3% селективность реакторных и ускорительных мембран одинакова. По производительности, реакторные трековые мембраны не уступают, а в случае пористости ~ 6% и выше превосходят ускорительные мембраны. По прочности реакторные трековые мембраны при одинаковой толщине исходной полимерной пленки сопоставимы с ускорительными мембранами.

Практическая значимость Результаты проведенного исследования нашли практическое применение при реализации производства трековых мембран реакторным способом. На основе экспериментальной зависимости распределения радиоактивных изотопов по толщине пленки сформулированы условия облучения полимерной пленки (толщина исходной пленки, время облучения). Определены условия, при которых применение трековой мембраны, полученной реакторным способом, предпочтительней, по сравнению с мембраной, полученной ускорительным способом. В частности, в силу более высокой селективности на базе трековых мембран можно разработать новый метод калибровки счетчиков аэрозольных частиц и разработать технические устройства для его реализации. Результаты и основные положения, выносимые на защиту.

Распределение осколков деления урана-235 по толщине ПЭТФ пленки. Значения средних пробегов и их дисперсий для указанных масс осколков деления (средний пробег для средних легкого и тяжелого осколков составляет 15 и 11 мкм соответственно), Результаты компьютерного моделирования распределения пробегов осколков деления ²³⁵U в ПЭТФ пленках с учетом реальной геометрии облучения, используемой для производства трековых мембран реакторным способом, позволившие определить среднюю длину трека осколков деления в лавсане и оптимальную толщину исходной полимерной пленки для производства трековых мембран реакторным способом - 8 мкм.

Размеры латентных треков осколков деления в ПЭТФ: 20-30 нм на стороне входа осколков деления в пленку. Форма профиля трека по глубине пленки - практически цилиндрическая. Распределение пор по размерам на поверхности реакторной трековой мембраны, описываемое функцией Гаусса с дисперсией ~ 6-7%.

Влияние сопутствующих облучению факторов (гамма- излучение и температура облучения) и дополнительного УФ-облучения на сенсибилизацию треков осколков деления. УФ-свет является более сильным источником сенсибилизирующего воздействия в следствии большей поглощенной энергии, чем при воздействии гамма-излучения (1,37 10²⁰ и б 10¹⁹ эВ/г, соответственно).

Структурные свойства реакторных трековых мембран (число муль-типор, находящихся на поверхности трековой мембраны и сохраняющихся по глубине мембраны). Число мультипор на поверхности мембраны (~ 30%) существенно превышает число мультипор, сохраняющихся по глубине (~* 0,5%), для одной и той же мембраны. Число муль- * типор, сохраняющихся по глубине, при реакторном способе производ- ства в 1,5 раза меньше, чем при ускорительном.

Основные характеристики реакторных трековых мембран (селективность, производительность и прочность) и результаты сравнения характеристик реакторных и ускорительных трековых мембран, позволившие определить области преимущества того или иного способа получения трековых мембран.

Установка для определения параметров трековых мембран (размер и плотность пор, производительность) с ультра малыми размерами (менее 0,1 мкм).

Апробация работы Результаты работы были представлены на Международном молодежном конгрессе (Братислава, 2000 г.), на всероссийской научной конференции "Мембраны - 2001" (Москва 2001 г.), на двенадцатом международном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 2002 г.), на 21-ой Международной конференции по ядерным тре- кам в материалах (Дели, 2002 г.), на Международной конференции Scan- * ning Probe Microscopy - 2003 (Нижний Новгород, 2003 г.).

Публикации по материалам диссертации.

По материалам диссертации опубликовано 7 статей и препринтов (см. ссылки в списке литературы: 96, 97, 105, 114, 120, 121, 122) и 6 докладов на различных конференциях (см. ссылки в списке литературы: 94, 103, 104,106,117, 118).

Лично автором

Проведено экспериментальное изучение распределений осколков деления U²³⁵ по толщине полимерной пленки и даны рекомендации по выбору оптимальной толщины исходной пленки с целью обеспечения радиационной безопасности трековых мембран.

Совместно, методами статистического анализа с использованием компьютерного моделирования (метод Монте-Карло) рассчитаны функции распределения пробегов осколков деления U в лавсановых пленках с учетом реальной геометрии облучения, используемой для производства трековых мембран реакторным способом, и получена усредненная по всем осколкам функция распределения средней длины трека.

3. Исследованы, методом атомно-силовой микроскопии, размеры латент- Ф ных треков осколков деления в полимерных пленках.

4. Исследовано влияние сопутствующих облучению факторов (гамма- из лучения реактора и температуры в камере облучения) и УФ-света на сен сибилизацию треков осколков деления.

5. Проведено экспериментальное и расчетное исследование пористой структуры реакторных трековых мембран.

6. Проведено систематическое исследование основных характеристик (производительность, селективность и прочность) реакторных трековых мембран и сравнение их с характеристиками ускорительных трековых мембран.

Разработана экспериментальная установка для определения параметров трековых мембран (плотность и размер пор (от 0,1 мкм и ниже)) газодинамическим методом в молекулярном режиме течения газа.

Предложен новый способ применения трековых мембран. На базе трековых мембран можно разработать новый метод калибровки счетчиков аэрозольных частиц и разработать технические устройства для его реализации.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Первая глава посвящены изучению современного состояния процесса получения трековых мембран.

Во второй главе описаны методы, применявшиеся при изучении характеристик реакторных трековых мембран.

В третьей главе приведены результаты исследования процесса прохождения осколков деления через лавсановые пленки (распределения осколков по пробегам в пленке, размеры латентных треков). Так же приведены данные по влиянию различных факторов на сенсибилизацию треков осколков деления.

В четвертой главе приведены данные по исследованию характеристик реакторных трековых мембран.

В пятой главе проведено обсуждение полученных результатов. щ Глава 1.

Способы получения трековых мембран, и современные представления о формировании и структуре латентных треков тяжелых ионов.

1.1. Способы производства трековых мембран, и сравнительный анализ основных характеристик получаемых разными способами мембран. _т 1.1.1. Сравнительный анализ способов производства трековых мем- бран.

Существуют два способа получения трековых мембран: облучение осколками деления на реакторе и ускоренными ионами на ускорителе. Реакторный способ облучения обсуждался выше.

Рассмотрим ускорительный способ получения трековых мембран. В 1974 году в лаборатории ядерных реакций под руководством академика

, Флерова Г.Н. (ОИЯИ г. Дубна) начали использовать для изготовления тре- ковых мембран ускорители тяжелых ионов [4]. Это были трековые мембраны первого поколения. Пучок ионов, падающих на пленку, был строго параллельным. Соответственно, поры трековой мембраны были перпендикулярны по отношению к поверхности и параллельны по отношению друг к другу. Подобный способ облучения имел существенный недостаток: параллельность пучка ионов приводила к большому количеству наложений * пор на поверхности трековой мембраны, сохранявшихся, в силу своей па- раллельности, по всей глубине полимерной пленки. Этот недостаток оказывает существенное влияние на свойства мембраны и делает ее заметно уступающей мембранам, полученным реакторным способом, имеющим изотропное угловое распределение пор. В связи с этим проводятся различные работы по усовершенствованию способа облучения с целью устранения указанного выше недостатка. Следующим шагом стала разработка мембран второго поколения. Был разработан новый способ облучения пленки ускоренными ионами с использованием валика [60, 61]. В момент облучения пленка проходит по цилиндрическому валику. Соответственно, ионы, входят в пленку под каким-то определенным углом и из-за разницы положения пленки на валике можно получать угловое распределения пор в мембране. Однако угловой разброс пор можно обеспечить только в одной плоскости. И, соответственно, в силу параллельности пучка ионов могут существовать наложения пор на поверхности мембраны, полностью сохраняющиеся по глубине пленки.

Дальнейшим шагом в улучшении способа облучения явилась разработка мембран третьего поколения, в котором была сделана попытка реализовать угловое распределение пор по трехмерному пространству [62]. Существуют различные варианты реализации данного способа облучения: от произвольного изменения положения валика, по которому проходит пленка, в пространстве и до изменения самого вида валика; например создание винтовой нарезки на валике с целью изменения положения пленки в процессе облучения. Эти подходы позволяют получать мембраны с трехмерным угловым распределением пор, что дает возможность сократить число наложений пор по глубине пленки и улучшить ее селективные свойства. Подобный способ облучения дает возможность получать трехмерное распределение пор только под несколькими, четко фиксированными углами, что приближает ускорительные мембраны к реакторным, но не делает их полностью идентичными. Поэтому, на настоящий момент времени ведутся работы по разработке ускорительных мембран четвертого поколения.

В заключении проведем сравнение реакторного и ускорительного способов получения трековых мембран.

Методика облучения ускоренными ионами имеет ряд преимуществ по сравнению с реакторным методом, а именно:

Ускоренные частицы имеют одинаковый атомный номер и начальную энергию, следовательно, производят в полимере разрушения одинаковой интенсивности и протяженности.

Энергия ускоренных ионов достигает 5-10 МЭВ/а.е.м., и поэтому они имеют больший пробег в веществе, чем осколки деления. Таким образом, можно облучать пленки большей толщины, чем на реакторе.

Ядра ускоренных ионов находятся в стабильном состоянии и в отличие от осколков деления не приводят к радиоактивному загрязнению пленки.

Постоянные модификации ускорительного способа облучения позволили создать мембраны нового поколения с варьированием углового распределения ускоренных ионов от 0 до 30, что приближает их к мембранам, получаемым реакторным способом.

Основным недостатком ускорительного способа производства трековых мембран, по сравнению с реакторным, является неоднородность плотности облучения ускоренными ионами, связанная с распределением ионов в пучке. В реакторном способе пленка облучается не узким сканирующим пучком ионов, а осколками деления, вылетающими с большой поверхности урановой мишени. Это различие дает возможность легко избежать указанного выше недостатка для ускорительного метода облучения из-за высокой равномерности распределения пор по площади мембраны.

К достоинствам реакторного способа можно отнести простоту устройства для формирования пучка осколков деления и относительную дешевизну процесса облучения, если иметь в виду готовый источник нейтронов - реактор, который параллельно может выполнять ряд функций. При производстве трековых мембран ускорительным способом, ускоритель работает только на облучение полимерных пленок и не может одновременно использоваться для других целей. ф Основным недостатком реакторного метода производства трековых мембран является вероятность радиоактивного загрязнения облученной пленки. Поэтому необходимо тщательно проводить выбор толщины полимерной пленки при производстве трековых мембран реакторным способом. _т 1.1.2. Структурно-селективные свойства ТМ.

В настоящее время, в литературе практически отсутствует информация о внутренней микроструктуре трековых мембран. Данные по числу наложений пор на поверхности ускорительной трековой мембраны приведены в работе [63]. Экспериментальных данных по числу наложений пор, сохраняющихся по глубине - нет. Так как разработаны ускорительные мембраны нового поколения, в которых специальным образом создается угловой * разброс пор в одной плоскости, а самые последние разработки позволяют создавать угловой разброс в трехмерном пространстве, подобные измерения числа наложений пор по толщине необходимы, поскольку число наложений оказывает существенное влияние на селективные свойства трековых мембран.

По селективным свойствам ускорительных трековых мембран существует много литературных данных, например - [64, 65, 66], полученных при фильтрации латексных частиц и некоторых вирусов. Подобные данные известны и для сетчатых мембран [67]. Экспериментальные данные по селективности трековых мембран к частицам, содержащимся в воздухе, и сравнение с селективными свойствами, по отношению к частицам, сетчатых мембран приведены в работах [68, 69]. Основной вывод этих результатов -трековые мембраны чище фильтруют воздух, чем сетчатые: при размере % пор обоих типов мембран, равном 0,45 мкм, после трековой мембраны от- сутствуют частицы начиная с размера 0,6 мкм и выше, сетчатые мембраны полностью задерживают частицы только с размера 0,8 мкм и выше.

Экспериментальные результаты по форме пор в трековых мембранах говорят о том, что она является практически цилиндрической (при размере пор большем 0,1 мкм) [47]. Причем детальной информации о зависимости размера пор от толщины трековой мембраны нет. В работе [70] предложен способ получения асимметричных трековых мембран (поры конусообразной формы) — использование различных концентраций травящего раствора с разных сторон пленки.

Распределение пор по размерам на поверхности трековой мембраны из различных материалов достаточно слабо изучено. По данному вопросу существует ограниченное число работ [63, 71, 72]. Согласно им, разброс размеров пор составляет 2-15% для мембран из ПЭТФ и 15-25% для мембран из ПВДФ.

1.1.3. Эксплуатационные свойства.

Одной из важных эксплуатационных характеристик трековых мембран является производительность. В работах [19, 63] приведено сравнение производительности трековых мембран (ПЭТФ мембраны толщиной от 8 до 12 мкм и плотностью пор от 10⁵ до 10^ю см"²) и сетчатых мембран (мембраны на основе целлюлозы, политетрафторэтилена и поливинилидентоф-торида) (рисунок 1.1).

Как видно, сетчатые мембраны сравнимы по производительности с трековыми до размера пор - 0,8 мкм. При размерах пор выше 0,8 мкм они существенно уступают трековым мембранам.

Важным свойством мембран является скорость забивания пор и связанное с этим уменьшение производительности. В работе [73] приведены результаты изменения расхода воды через трековую мембрану в зависимости от количества пропускаемой воды. Расход воды

Рис. 1.1. Сравнение производительности трековых и сетчатых мембран, существенно падает (~ 6 раз) через тридцать минут работы мембраны и выходит на постоянное значение. Одним из возможных объяснений подобного явления служит то, что на поверхности поры мембраны, в результате сорбции частиц, содержащихся в воде, образуется слой, который по мере пропускания воды увеличивается [73]. Причем такого же мнения придерживаются авторы работы [74], рассматривавшие зависимость производительности сетчатых мембран от времени работы мембраны, которые так же считают, что уменьшение производительности мембран связанно с адсорбцией фильтруемых частиц на поверхности мембраны и ее пор. В работе [73] предложены два способа уменьшения этого эффекта: тангенциальная подача воды к поверхности мембраны и гидроудар. Как утверждается, в последнем случае, для восстановления пропускной способности мембраны, достаточно на короткое время (10-30 с.) изменить знак разности давлений на мембране [73]. При этом спад производительности уменьшается с шести до двух раз. В литературе отсутствуют данные по сравнению скоростей забивания трековых и сетчатых мембран при одинаковых параметрах. Основываясь на работах [73, 74], можно заключить, что скорость забивания сетчатых мембран несколько меньше таковой для трековых мембран. Следует заметить, что это косвенные, а не прямые, сравнения.

В заключение можно утверждать, что трековые мембраны превосходят сетчатые мембраны по селективным свойствам, сопоставимы по производительности, но уступают им по грязеемкости. Разработанные методы предупреждения эффекта уменьшения производительности позволяют сравнять по этому показателю трековые и сетчатые мембраны.

1.2. Современные представления о формировании и структуре латентных треков тяжелых ионов.

1.2.1. Формирование первичного трека.

Процесс образования треков принято рассматривать состоящим из трех стадий. На первой стадии происходит передача энергии налетающей частицей веществу. Продолжительность первой стадии определяется параметрами налетающей частицы (заряд, масса, начальная энергия) и состав-ляет 10" -10" с [42]. Как было рассмотрено выше, в основном, происходит взаимодействие налетающего иона с электронными оболочками атомов мишени. Следствием этого является возникновение 5-электронов, способных передать свою энергию атомам мишени на некотором расстоянии от траектории частицы. Результатом этого становится дополнительная ионизация и возбуждение атомов мишени, находящихся на некотором расстоянии от траектории движения иона. Продолжительность первой стадии определяется временем торможения 5-электронов до энергий - 6 эВ [42]. В принципе, на этом заканчивается непосредственное воздействие иона на вещество и в результате образуется области радиационных нарушений -первичный трек иона.

Взаимодействие между движущимся ионом и атомами вещества является электромагнитным и разделяется на три процесса [5]:

Взаимодействие ядра иона с электронной оболочкой атомов вещества.

Взаимодействие электронов иона с ядрами атомов вещества.

Взаимодействие ядра иона с атомами вещества.

Вклад этих процессов в потери энергии определяется скоростью ионов. В качестве характерной скорости иона с зарядом Zi рассматривают: V=Vo см/с - скорость электрона на первой орбите атома водорода (первая "боровская" скорость); V=VoZj - скорость электрона на одной из промежуточных орбит атома; V=V₀Z! - скорость электрона на К-оболочке атома.

При V>V₀Zi преобладающими являются электромагнитные взаимодействия первого типа. Энергия иона расходуется на ионизацию и возбуждение атомов вещества. Вычисление удельной тормозной способности ионов в этой области основывается на формуле Бете-Блоха [6,7]: dE_4m.Z_le- _]n^v___ln{l_^__p dx m_eV² где m_e, є - масса и заряд электрона; V, Z; - скорость и заряд налетающего иона; п_е - число электронов в 1 см³ тормозящей среды; /3= V/c, где с - скорость света; / - средний потенциал ионизации атомов тормозящей среды (данные для различных элементов можно найти в работе [8]).

При V-VoZj определяющую роль в потерях энергии играет процесс захвата ионом электронов атомов среды, что приводит к уменьшению заряда иона. Когда заряд иона еще не очень сильно отличается от заряда ядра, выражение для удельной тормозной способности имеет тот же вид, как и при больших энергиях (формула 1.1), только вместо Z_t подставляют Zcf_f (эффективный заряд многозарядного иона - это такой параметр, который позволяет получить правильное значение энергетических потерь энер- гии [9]). Эффективный заряд для тяжелой заряженной частицы, тормозящейся в среде, наиболее часто записывается в виде [9]: Z^ =Z₁(l-Aexp(-5WV₀Z_I^2/3)), (1.2)

Коэффициенты А и В, как правило, близкие к единице, подбираются так, чтобы наилучшим образом описывать экспериментальные данные [9]. Существует две основных формулы для определения эффективного заряда: формула Брауна-Моука [10] и формула Пирса-Бланна [11]. Более детальную информацию о теории Бете-Блоха (вывод зависимости потерь энергии и т.д.) можно найти в работах [7, 12-14]

В области низких энергии происходит изменение заряда иона и электроны иона взаимодействуют с ядрами атомов вещества (при V0Z₁^2/3) , а затем (при V < V₀) начинается взаимодействие ядра иона с атомами вещества [5]. Поведение ионов в области низких энергий (при V < V₀) было описано Линдхардом [15]. Согласно теории Линдхарда, общие потери энергии состоят из двух составляющих: электронной [15] и ядерной [16], и являются их суммой. Вывод электронной составляющей приводится в работе [15]. Выражение для ядерной составляющей было получено авторами работы [16].

В качестве примера вклада электронных и ядерных потерь энергии в полные можно привести расчетные данные, полученные в работе [17] для случая взаимодействия осколков деления урана-235 с поликарбонатом. Согласно им, ядерная составляющая преобладает в области низких энергий (Е<0,01 МэВ/а.е.м.). При энергиях больше 0,1 МэВ/а.е.м. вклад электронной составляющей растет как корень квадратный из Е, достигает максимума и затем падает, подчиняясь зависимости 1/Е.

Принято считать, что область ядерных взаимодействий составляет, примерно, 1 мкм в конце пробега (данные из работы [18]). Энергия, передаваемая налетающим ионом атомам вещества, зависит от массы, заряда и скорости иона. Повреждения, вызываемые в веществе атомными столкновениями, состоят из выбитых атомов и образовавшихся вакансий. Можно сделать вывод, что энергия передается веществу либо путем ионизации атомов самим ионом (первичная ионизация [19]), либо выбитыми налетающим ионом из атомов вещества электронами с большой энергией (5-электроны), производящими ионизацию вещества на различных расстояниях (в зависимости от энергии выбитого электрона) от оси трека (вторичная ионизация [19]). Для неорганических материалов считается, что область латентного трека создается в результате первичной ионизации. Для полимеров - в результате вторичной ионизации [20]. Сами критерии будут рассмотрены ниже.

Зная зависимость тормозной способности данного вещества от энергии частицы, можно записать длину пробега частицы, которая замедлилась отЕо до Еі [б]: « -ІщіїГу ⁽¹³⁾

При расчетах средних пробегов ионов в веществе следует учитывать то, что при прохождении через вещество, направление движения иона может изменяться, т.к. происходит рассеяние на электронах оболочках и ядрах атомов вещества мишени. Для тяжелого иона направление движения при столкновении с одним электроном меняется очень мало, т.к. его масса много больше массы электрона. Однако большое число столкновений может привести к отклонению от прямолинейной траектории. Рассеяние на ядрах атомов вещества происходит в конце пробега (последние несколько микрон), но также может привести к отклонению иона от первоначального направления движения. Все это приводит к угловому разбросу пучка ионов. В некоторых работах сделаны попытки математически описать средний угол отклонения иона от прямолинейной траектории [21, 22], в некоторых — экспериментально определить угловое распределение для раз- gt личных частиц, например [23, 24]. Вполне вероятно, что недостаточная изученность этого сложного процесса также сказывается на точности расчетов средних пробегов ионов в веществе и различии с экспериментальными данными.

В настоящее время разработано большое количество методик расчета потерь энергии ионов в веществе, например [25-27]. Наиболее известными из них являются расчетные программы семейства TRIM [28]. В этих ^ программах для расчета электронных потерь энергии тяжелых ионов в ве- ществе используется теория Брандта-Китагавы [29], а для расчета ядерных потерь энергии используется теория Линдхарда [15].

Расчеты потерь энергии и средних пробегов различных ионов для большого количества материалов мишени, полученные с использованием существующих исходных данных и моделей, приводятся в работах [30-32]. Помимо расчетных данных существует большое количество экспериментальных результатов по измерениям потерь энергии и пробегов ионов в различных веществах (например [33-39]). По пробегам осколков деления в полимерах существуют данные только для двух типов полимеров: поликарбоната [17] и майлара [40]. Причем данные получены для двух наиболее вероятных осколков - среднего легкого и среднего тяжелого из распределения осколков по массам (88 штук) и не дают полной информации о

4 пробегах всего спектра осколков деления в полимерах.

Проводя сравнение расчетных и экспериментальных данных, можно сделать вывод о том, что на настоящий момент времени не разработана модель, позволяющая описать существующие эксперименты для различных ионов и веществ. Авторы работы [41] считают, что формулы Бете и Zerr не могут описать удельные ионизационные потери для тяжелых осколков и нуждаются в структурном изменении. Поэтому, предпочтительно определять зависимость пробег-энергия для каждого материала и иона экспериментальным путем.

1.2.2. Механизмы формирования латентных треков в веществе.

На второй стадии начинается формирование латентного трека. Про-должительность данной стадии составляет 10" -10" с [42]. В течении этого промежутка времени происходит перенос и перераспределение энергии, приводящее к установлению теплового равновесия в области трека [42]. Основными процессами при этом являются: передача энергии в столкновениях продуктов ионизации; накопление энергии в форме потенциальной энергии возбужденных молекул и химически активных свободных радикалов (основной процесс для полимеров) [42]; люминесценция возбужденных атомов (в полимерах этим процессом можно пренебречь) [42].

На третьей стадии происходит ряд физико-химических и химических процессов, совокупность которых приводит к установлению химического равновесия в области латентного трека: взаимодействие радикалов с молекулами и макромолекулами, их рекомбинация и т.д. Преобладание тех или иных процессов зависит от многих факторов, например: физико-химических свойств полимера, состава и состояния среды. Данные процес- сы протекают в течении 10" -1 с [42]. Образовавшийся трек может сохраняться в течение многих лет. Вторичные процессы могут продолжаться дольше секунды, но с меньшей скоростью. Основная зона радиациошю-химических изменений структуры полимера формируется за время порядка секунды. * В зависимости от поглощенной полимером дозы [45, 46] должна из меняться травимость материала трека при удалении от оси трека. Изучение расстояния, на которое распространяется радиационное нарушение по ра диусу латентного трека от его оси, интересно не только с целью изучения механизма разрушения, но и с целью изучения процесса травления пор с малыми диаметрами. Существует большое количество работ на эту тему. Исходя из них, можно сделать вывод, что латентный трек представляет со- * бой цилиндрический канал размером (2-*-9)нм для различных ускоренных ионов [42,47, 48].

Попытки найти основной фактор, определяющий процесс трекообра- зования, привели к рассмотрению некоторых механизмов, которые могут происходить при прохождении ионов через вещество и приводить к его разрушению, называемых, "критериям" (в некоторых литературных источ- ^ никах - модели трекообразования) образования латентного трека ионов.

Основной смысл "критериев" заключается в том, что трек в среде образуется только тогда, когда выбранный параметр превосходит некоторую критическую величину независимо от налетающей частицы. Лучшими с точки зрения согласия с экспериментальными данными оказались критерии первичной ионизации и ограниченных потерь энергии.

1.2.2.1. Критерий первичной ионизации и возбуждения. * Суть данного критерия заключается в том, что образование трави мых треков определяется первичной ионизацией, создаваемой вблизи тра ектории проходящего иона. Трек выявляется лишь в случае, когда линей ная плотность ионизации, произведенной вдоль траектории частицей, пре вышает некоторое критическое значение для данного материала. Основ ным недостатком данного критерия является то, крайне сложно провести экспериментальные измерения величины первичной ионизации для раз личных ионов и материалов мишени. Следовательно, сложно получить универсальные значения констант, входящих в выражение для величины первичной ионизации, для любых видов ионов и материалов. Критерий применим только к неорганическим материалам. Предполагается, что в полимерах основную роль играют процессы разрыва молекул как налетающим ионом, так и образующимися 5-электронами.

Для полимеров лучшим "критерием" трекообразования считается критерий ограниченных потерь энергии.

1.2.1.2. Критерий ограниченных потерь энергии.

Данный критерий был предложен Бентоном [30]. Согласно данному критерию трек образуется при условии, что сумма первичных потерь энергии частицы и потерь энергии созданных ею 5-электронов превышает некоторое критическое для данного вещества значение [42]. Причем, было предложено учитывать только ту часть теряемой энергии, которая связанна с 5-электронами средних энергий. Лучшее совпадение с экспериментальными данными наблюдали при значении энергии порядка 1000 эВ.

Эмпирически этот критерий описывает экспериментальные данные для полимеров так же хорошо, как и критерий первичной ионизации и возбуждения для неорганических веществ. Например, с использованием данного критерия было предсказано, что при определенных условиях травления в поликарбонате (лексан) должны регистрироваться релятивистские ядра с z = 55, Экспериментально зарегистрированы ядра с z = 57±2.

Главным недостатком данного критерия является учет только той энергии, которая выделяется дальше зоны повышенного травления (сердцевины трека) и не принимается во внимание энергия 5-электронов в центре трека, хотя считается, что эти две неточности компенсируют друг друга [49].

1.2.1.3. Модель теплового клина.

Понятие теплового клина было предложено авторами работы [50]. Предполагается, что ион производит значительные повреждения в кри- є сталлической решетке за счет сильного нагрева ограниченной области ре- шетки, происходящего при передаче энергии ионом атомам вещества. Благодаря такому нагреву происходит активизация различных межатомных процессов, что и приводит к повреждениям кристаллической решетки. Данная модель позволяет дать ответ на вопрос: почему травимые треки образуются в диэлектриках и не образуются в металлах. Проведенные расчеты передачи знергии возбуждения электронов атомам кристаллической ' решетки показывают, что в металлах энергия 5-электронов теряется, глав- ным образом, в соударениях электрон - электрон [51]. Следовательно, возбуждение распространяется электронами в электронной подсистеме и ре-лаксирует до того, как заметная энергия будет передана решетке. Поэтому решетка металлов не нагревается до высоких температур. В диэлектриках электроны быстро вступают во взаимодействие с кристаллической решет- _#. кой, вызывая различные виды активации, и поэтому в них образуется уз- кий интенсивный (а не размазанный, как в металлах) тепловой клин, приводящий к локализованным повреждениям, вызывающим формирование травимого трека.

1.2.1.4. Модель ионного взрыва.

Суть рассматриваемого критерия состоит в следующем. При прохождении иона в материале мишени происходит выбивание электронов с * оболочек атомов вещества. В результате, вдоль траектории движения иона, образуется область положительно заряженных ионизированных атомов вещества, которые под действием кулоновских сил, расталкиваются и, входя в "междоузлия" кристаллической решетки вещества, создают зону дефектов вдоль траектории частицы - треки [б].

Кроме указанных выше моделей трекообразования в литературе об-суждается возможная роль ударной волны в процессе образования треков [52-55]. При прохождении иона через вещество (в зоне трека) в результате выделившейся энергии происходит значительный скачок температуры (не-

4 сколько десятков тысяч градусов), В результате наблюдается существен- ный рост давления (до 50000 атм. [53]), что приводит к возникновению ударной волны, которая по мере удаления от центра трека переходит в звуковую волну высокого давления [56]. Все это может привести к увеличению концентрации активных частиц (электронов, радикалов, ионов), которые могут усилить протекание различных химических процессов, а также к изменению решетки за счет сдвиговых деформаций или разрывов цепи '* (для полимеров) [53].

Приведенные критерии трекообразования являются основными, но не единственными. В литературе рассматривается несколько других возможных критериев образования треков [19, 49]. Были предприняты попытки найти величины некоторых факторов, связанных с прохождением частицы через вещество, которые определяли бы эффект последующего выяв-ления треков. Однако, конкретные числовые значения параметров применимы лишь к тем материалам и условиям выявления треков, для которых они были получены.

1.2.3. Общие представления о структура латентных треков в полимерах.

Обычно трек иона разбивается на две основные составные части - * сердцевину и оболочку. Сердцевина формируется за счет первичной иони- зации и треков низкоэнергетичных электронов. Оболочка состоит из неперекрывающихся треков высокоэнергетичных вторичных электронов [47, 56]. Рассмотрим размеры составных частей треков ионов.

1.2.2.1 Сердцевина трека.

В работах [47, 56] приведены экспериментальные значения d_c для треков нескольких ускоренных ионов, определенные при помощи кондук- тометрического метода [57,58]. В этой работе также найдена эмпирическая зависимость dc от линейных потерь энергии для ионов от аргона до урана: d_c-const{bSf'⁵\ (1.4) где: dc = нм; L»- удельные потери энергии, [кэВ/нм].

Из всего массива данных были выбраны экспериментальные точки, для которых значения ЛПЭ наиболее надежны (подтверждены совпадением расчетного и измеренного пробега иона).

По имеющимся данным в работе [47] нетрудно пересчитать const входящую в формулу (1.4). Она равна 4,34. Следовательно, функция (1.4) имеет вид:

4:=4,34(4, Г⁵, ₍₁.₅₎

1.2.2.2 Оболочка трека.

Кондуктометрические исследования скорости травления трека показали, что при радиусе поры несколько нанометров радиальная скорость травления равна скорости травления вдоль трека Vt. С увеличением радиуса поры скорость травления быстро спадает, достигая минимума, после чего медленно растет, стремясь к какому-то постоянному значению [56]. Радиус пор, как функция времени травления, описывается уравнением: -- = К.ехр(я/г), (1.6) где а - параметр, который определяет протяженность зоны с пониженной скоростью травления и имеет размерность [нм].

Существование области с пониженной скоростью травления может быть обусловлено процессом сшивания макромолекул полимера. В этом случае параметр а должен зависеть от атомного номера иона и его энергии, что нашло экспериментальное подтверждение [47]. Экспериментальные значения параметра а, для ионов: Со; Кг; Хе; Au; U, приведены в работе « [47]. Из них видно, что при изменении L» от ~ 5 кэВ/нм к ~ 10 кэВ/нм и да- лее к - 24 кэВ/нм (для треков ионов Со; Хе; U, соответственно) параметр а принимает значения - 7.5 ; ~ 9 и - 15 нм. Таким образом, оболочка трека растет примерно пропорционально корню квадратному из L„ [47].

Через параметр а можно выразить радиус, при котором радиальная скорость травления принимает некоторое фиксированное значение. Например, задаваясь условием, что радиусом оболочки Гоб является расстоя- ние от оси трека, на котором скорость травления достигает 90% от ассим-птотического значения V„ . В этом случае получается следующие соотношение: Гоб= 9.5йг. Отсюда были найдены следующие значения г^ для треков ионов Со; Хе; Au; U, с энергиями, соответствующими максимуму L„ : 71, 86, 121 и 143 нм [47].

Авторы работ [47, 56], обобщая имеющиеся экспериментальные ре- * зультаты, приходит к зависимости: d₀ = constfiZ, (1.7)

Константа, входящая в выражение (1.7), определяется при помощи несложных преобразований. Она равна - 58.6 .

В заключение этого раздела можно сказать, что размеры сердцевины и оболочки трека растут прямо пропорционально потерям энергии ионом. » Исходя из рассмотренного выше, можно сделать вывод, что на дан- ный момент времени не создано единой модели трекообразования для различных веществ (органических и неорганических) и различных типов ионов (ускоренные ионы и осколки деления). Для создания такой модели требуется учет многих факторов, например - состав и структура материала, распределение поглощенной энергии в треке в зависимости от параметров иона, соотношение процессов ионизации и возбуждения и т.д. На дан-ный момент времени существуют отдельные теоретические (например [59]) и экспериментальные данные, не позволяющие создать общую картину формирования треков.

На основании проведенного литературного анализа можно сформулировать основные направления, цели и задачи работы.

Отсутствуют экспериментальные данные по распределению осколков деления по толщине полимерных пленок для широкого диапазона масс осколков. Наличие которых необходимо для выбора оптимальной толщины полимерной пленки с целью обеспечения радиационной безопасности мембран при реакторном способе производства.

Полностью отсутствуют экспериментальные данные по размерам областей повреждения (латентным трекам), создаваемых осколками деления в лавсане. Отсутствуют данные по детальному профилю пор ускоренных ионов и осколков деления по всей толщине мембраны.

В литературе нет данных по числу наложений пор на поверхности трековых мембран и данных о числе наложений пор, сохраняющихся по глубине трековой мембраны как для ускоренных ионов, так и для осколков деления. Изучение данного вопроса важно для разработки и создания высокоселективных трековых мембран.

В литературе имеется большой массив данных по эксплуатационным свойствам (производительность, селективность) ускорительных трековых мембран и практически полностью отсутствуют подобные данные для реакторных трековых мембран. # Глава 2.

Объекты и методы экспериментальных исследований.

2.1 Материалы.

Для проведения экспериментальных исследований использовали полиэтилентерефталатную пленку толщиной - 3, 8, 10 и 12 мкм (производство: Россия (Владимир, Орджоникидзе) и Германия). Облучение проводили различными типами тяжелых ионов: осколками деления урана-

235 - реактор БР-10 (ГНЦ РФ ФЭИ, г.Обнинск), ускоренными тяжелыми ионми: циклотрон У-300 (г.Дубна). Хе (1,1 Мэв/а.е.м.₇ флюенс - 2-Ю⁸ см*²) циклотрон У-120 (г.Санкт-Петербург). Аг (1 Мэв/а.е.м., флюенс -6-Ю¹ см"²)

2.2. Источник излучения при реакторном способе облучения.

Технологический процесс получения трековой мембраны предусматривает три стадии: облучение полимерной пленки высокоэнергетическими заряженными частицами; фотосенсибилизация УФ-излучением и химическое травление. В реакторном способе производства трековых мембран исходная полимерная пленка _ подвергается облучению осколками деления. Схема установки по облучению полимерных пленок осколками деления U²³⁵ на реакторе БР-10 (ГНЦ РФ ФЭИ) представлена на рисунке 2.1. Урановая мишень представляет слой металлического урана толщиной 0,4 мг/см², обогащенная до 90% по урану-235. Слой нанесен методом магнетронного напыления на алюминиевую подложку. Во избежание окисления урана в газовой среде, слой покрыт распыленным алюминием толщиной 0,05 мг/см². Формирование углов вылета осколков деления из урановой мишени и входа в полимерную пленку относительно нормали к ее поверхности в пределах угла от 0 до 30 осуществляется с помощью алюминиевого коллиматора. Скорость перемещения пленки может варьироваться от нескольких мм/с до 1 м/с, что в сочетании с изменением уровня мощности 0,01-8 Мвт) позволяет получать плотность треков от 10⁴ до 10¹⁰ см".

Рис.2.1. Схема установки для облучения пленок осколками деления U-235 на базе реактора БР-10.

1.Активная зона реактора, 2.Тепловая колонна, 3. Вакуумная полость, 4.Урановая мишень, 5.Кадмиевая защита, б.Бобина с необлученной пленкой, 7.Пленка, 8.Кассета с облученной пленкой.

Обобщая технические данные промышленной установки по облучению полимерной пленки осколками деления можно сказать, что полимерная пленка облучается осколками деления урана-235 в пределах угла 30 , в воздушной среде при температуре - 60 С и давлении 10 мм.рт.ст. Более детальную техническую информацию по облучательной установке (ресурс установки, режимы работы и т.д.) можно найти в работах [86, 87].

Поскольку облучение полимерной пленки осуществляется осколками деления, то в связи с этим крайне важно знать их характеристику. Известно, что при захвате медленных нейтронов делящийся элемент (например, C/_Q2) распадается, как правило, на два осколка с массовыми числами А. (осколок легкой группы) и А„(осколок тяжелой группы).

Вероятность симметричного деления (на два одинаковых по массе осколка) мала. Образующиеся при делении осколки распределены по массам, по зарядовому состоянию в широком диапазоне значений. Средние значения масс осколков тяжелой и легкой групп, образующихся при делении Um* составляют А „=139,92 и Aj =96,08 атомных единиц, соответственно [1].

В распределении осколков по ядерным зарядам наблюдается следующая ситуация. Максимумы в распределении соответствуют значениям Zj - 40, Z „ = 56. Наибольшие значения выходов по продуктам деления в легкой группе имеют изотопы ⁹³К ,⁹⁴Г_зд,⁹⁵Г-₉, а в тяжелой - изотопы Ва„,Ва.,}^Ва„- При этом выходы указанных изотопов легкой группы практически одинаковы тогда, как среди указанных изотопов тяжелой группы наибольший выход имеет изотоп ¹⁴⁰йа„.

Ядерный заряд и масса этого изотопа практически отвечают средним значениям указанных параметров осколков тяжелой группы. Следовательно, при исследовании структур треков осколков деления тяжелой группы следует ориентироваться на изотоп Ва,,, В качестве наиболее вероятного осколка легкой группы можно принять средний изотоп из трех наиболее вероятных, а именно, ⁹⁴^₃₉

Выделяющаяся при делении ²³⁵^п₂ энергия распределяется таким образом, что на кинетическую энергию осколков приходится .=168,2 МэВ. Эта энергия распределяется по осколкам обратно пропорционально отношению масс и, следовательно, для Ва составляет Е„ = 66,7 МэВ (0,476 МэВ/а.е.м.), а для ⁹⁴У_зд ^=101,5 МэВ (1,08 МэВ/а.е.м.).

2.3. Экспериментальные методы исследования облученной пленки, 2.3.1. Гамма-спектрометрия.

Метод гамм а-спектрометр ии осколков деления основан на регистрации гамма-квантов, испускаемых осколком деления при переходе из одного энергетического состояния в другое. Детальные сведения и описания всех узлов гамма-спектрометров, их назначение и принцип действия можно найти в работах [75, 76, 77].

В настоящей работе использовался спектром етрометрический комплекс СКС-50 (есть сертификат Госстандарта) на основе Ge-Li * полупроводникового детектора [78]. Детектор закрыт свинцовой защитой. Фон в камере равен 10 Бк, что составляет 0,1% от активности образцов (10 Бк -фон и 10000 Бк - активности измеряемых образцов). Выполнение измерений и обработка результатов проведены с использованием интегрированного пакета прикладных программ спектрального анализа, рекомендованного Государственной системой обеспечения единства измерений "Активность радионуклидов в объёмных образцах. Методика выполнения измерений на гамма-спектрометре"[79]. Подготовка гамма- спектрометра к проведению измерений (калибровка измерительной установки), выполнение измерений (идентификация радионуклидов и определение погрешности измерений количества радиоактивных ядер) проводили согласно нормативному документу [80].

Основные характеристики использованного гамма-спектрометра: щ, - энергетическое разрешение спектрометра - 6 кэВ (требование

ГОСТа < 7 кэВ). интегральная нелинейность — 0,1%, в диапазоне энергий от 122 кэВ до 1333 кэВ (требование ГОСТа - 0,3%). нестабильность градуировочной характеристики - 0,06% (требование ГОСТа-не более 0,1%). погрешность эффективности регистрации для точечкой геометрии - около 3% (требование ГОСТа - не более 10%). погрешность определения активности - не более 25-30% (требование ГОСТа - не более 50%).

2.3.2, Метод атомно-силовой микроскопии.

Метод основан на контактном сканировании поверхности исследуемых образцов. Трехмерные изображения исследуемой поверхности можно получить, используя три различных режима: контактный, боковых сил и резонансный модуляционный. Для регистрации изображений используют кремниевый кантилевер (резонансный модуляционный режим) длиной 90 мкм, резонансной частотой 310-410 КГц и радиусом кривизны острия 100 ангстрем и кантилевер Si₃N₄ (контактный режим и режим боковых сил) длиной 85 мкм, резонансной частотой 120 КГц и радиусом кривизны острия 500 ангстрем [81]. В первом случае, зонд кантиливера представляет собой конус с углом менее 20, высотой 7 мкм с радиусом кривизны менее 100 ангстрем. Во втором - четырехгранная пирамида, высотой 3 мкм, радиус кривизны - 500 ангстрем. Из трехмерного изображения поверхности можно определить геометрические размеры треков или пор после травления.

2.4. Методы физико-химической обработки облученной пленки. 2.4.1. УФ-сенсибилизация.

Сенсибилизация латентных треков - это воздействие физических и химических факторов на облученный материал, которое проводится для увеличения скорости химического травления латентных треков тяжелых ионов. Сенсибилизация треков осколков деления проводилась на штатной машине по обработке УФ-светом облученных полимерных пленок. Лампы ЛЭ-30-1, максимум излучаемой мощности при длине волны 310-320 нм, плотность потока квантов УФ-излучения - 10¹⁶-И0¹⁷ см"² с¹. Время воздействия УФ-света составляло от 5 минут до I часа.

2.4.2. Химическое травление.

Метод избирательного химического травления является наиболее удобным и широко используемым способом визуализации латентных треков. В работе использовали раствор щелочи NaOH с концентрацией от 1 до 5 N и температурой - от 55 до 85 С. Травление проводилось на промышленной линии по химической обработке облученных пленок. 2.5. Методы определения размера пор.

2.5.1. Метод "точки" пузырька [82, 83]. Метод обеспечивает простой способ измерения размера пор. В методе измеряется давление, необходимое для продавливания воздуха через мембрану, поры которой заполнены жидкостью (вода или спирт). При постепенном увеличении давления воздуха, подаваемого на мембраігу, пузырьки воздуха проскакивают через исследуемый образец. Соотношение между давлением и радиусом пор задается уравнением Лапласа: r=i._Cose (2.1) где г - радиус поры, у - поверхностное натяжение на границе жидкость - воздух (например для воды у= 72 мН/м, а для спирта у~ 20.7 мН/м), 9 — угол смачивания.

В качестве жидкости использовали этиловый спирт. Давление воздуха, подаваемое на мембрану составляло от 0,2 до 15 атм, что позволяло проводить измерения размеров пор от 5 до 0,05 мкм.

2.5.2. Газодинамический метод определения размера пор трековых мембран.

Теоретическое описание расхода воздуха через каналы цилиндрической формы можно найти в работе [84]. Через экспериментально измеренную производительность мембран по воздуху можно определить средний диаметр пор. С этой целью используются формулы, связывающие производительность с диметром пор, полученные для различных режимов течения воздуха через каналы, имеющие различную форму. В случае воздуха для измерения производительности применялась экспериментальная установка, состоящая из емкости, содержащей воздух под давлением, ячейки для закрепления и герметизации мембраны и газового счетчика, фиксирующего объемы воздуха, прошедшего через мембрану. манометр _{&:**> <ш-ътш} вентиль ячейка с мембраной

Рис.2.1 Схема установки по измерению производительности трековых мембран по воздуху.

Диаметр пор, также, можно определить из измерений производительности мембраны по воде. Перерасчет размера проводится по формуле Пуазейля. Для измерения производительности по воде использовалась та же схема за исключением газового счетчика (применялась обычная мерная колба с делениями, позволяющая определить объем прошедшей воды) и между мембранной ячейкой и емкостью, содержащей воздух под давлением, находился резервуар с водой. Воздух под необходимым давлением поступал в резервуар с водой и происходило продавливание воды через мембрану. В качестве рабочей жидкости брали деионизованную воду с сопротивлением 0,9 мСм. 2.5.3. Метод электронной микроскопии.

Исследования характеристик трековых мембран (плотность пор, средний размер пор, пористость) проводились с использованием метода ^ сканирующей электронной микроскопии [85]. Для этих целей использовалась сканирующая приставка ASID-4D электронного микроскопа JEM-10OCX в режиме вторичных электронов при ускоряющем напряжении 40 кВ. Перед измерениями образцы пленок покрывались слоем золота толщиной ~ 10 нм с помощью установки ионного распыления JFC-1100. Распыление проводилось при напряжении 1200 В и силе тока 5мА в течении нескольких минут. Для определения характеристик *' трековых мембран использовался анализатор микрочастиц "SM-MPA Microparticle Analyzer". С его помощью были получены гистограммы распределения пор по размерам, плотности пор на разных образцах и пористости мембран. При измерении гистограмм приборная погрешность для величины диаметров треков не превышала 3%. Относительная погрешность при определении плотности пор составляла 10%.

Помимо определения характеристик мембран на анализаторе SM-МРА проводили измерения размеров пор и плотности по электронно-микроскопическому изображению непосредственно с экрана электронно- лучевой трубки. Размер пор измерялся при помощи линейки с миллиметровыми делениями при 100000-кратном увеличении микроскопа, точность таких измерений составляла ±0,01 мкм. Плотность пор определяли подсчетом их числа на площади кадра~ (1^-12)10⁶ см².

Рис. 2.3. Изображение поверхности реакторной трековой мембраны.

Измерения проводили на образцах трековых мембран с диапазоном плотностей - от 10⁶ до 10⁹ и диапазоном размеров пор - от 0,02 мкм до 3,5 мкм. На рис.2.3 и 2.4, в качестве примера, приведены фотографии трековых мембран, полученные с помощью электронной микроскопии.

Рис. 2.4. Скол реакторной трековой мембраны.

2.6. Метод определения селективных свойств трековых мембран. Для определения селективных свойств реакторных трековых мембран по отношению к аэрозольным частицам, содержащимся в воздухе, использовали счетчик аэрозольных частиц "Дельта - 2". Суть метода заключается в измерении количества частиц различных размеров, проходящих через мембрану. Диапазон размеров частиц измеряемых счетчиком составляет от 0,17 до 1,3 мкм и делится на 10 каналов. Диапазон размеров частиц в канале составляет 0,05 мкм для частиц с размерами от

0,17 до 0,58 мкм и 0,1 для остальных размеров, что позволяет более точно исследовать спектр частиц по сравнению с существующими счетчиками аэрозольных частиц (в остальных счетчиках диапазон размеров частиц в канале составляет 1 мкм). На рисунке 2.5. приведен пример распределения частиц по каналам в атмосфере (до мембраны) и после мембраны с

РО ГОСУДАРСТВ Б

ОССИЙСКАЯІ 'ДАРСТВЕННАЯ

КБЛИОТЕКА размером пор - 0,4 мкм. Из измеренного распределения количества частиц по каналам счетчика в воздухе и прошедших через мембрану определяется зависимость селективности ср% от X. Статистика аэрозольных частиц составляла порядка 110.000 частиц, прошедших через каждый исследуемый образец мембраны. Такая статистика позволяет уменьшить ошибку, связанную с тем, что аэрозольные частицы имеют форму отличную от сферической, например эллипсоидную. Следовательно, возможен проскок таких частиц через поры меньшего размера, чем один из размеров частицы, и ее определение счетчиком по большему размеру, что может приводить к искажению экспериментальных результатов. Данный метод также использован для определения числа наложений пор по глубине мембраны. Отличие заключается в том, что проводился учет только тех частиц, прошедших через мембрану, размеры которых больше размера пор мембраны.

-1— el <и у о к о - Число частиц после мембраны. Число частиц до мембраны.

Размер частиц, мкм

Рис. 2.5. Распределение частиц по каналам аэрозольного счетчика в атмосфере и после прохождения мембраны с размером пор - 0,4 мкм.

Общие представления о структуре латентных треков в полимерах

На второй стадии начинается формирование латентного трека. Про-должительность данной стадии составляет 10" -10" с [42]. В течении этого промежутка времени происходит перенос и перераспределение энергии, приводящее к установлению теплового равновесия в области трека [42]. Основными процессами при этом являются: 1. передача энергии в столкновениях продуктов ионизации; 2. накопление энергии в форме потенциальной энергии возбужденных молекул и химически активных свободных радикалов (основной процесс для полимеров) [42]; 3. люминесценция возбужденных атомов (в полимерах этим процессом можно пренебречь) [42]. На третьей стадии происходит ряд физико-химических и химических процессов, совокупность которых приводит к установлению химического равновесия в области латентного трека: взаимодействие радикалов с молекулами и макромолекулами, их рекомбинация и т.д. Преобладание тех или иных процессов зависит от многих факторов, например: физико-химических свойств полимера, состава и состояния среды. Данные процес о сы протекают в течении 10" -1 с [42]. Образовавшийся трек может сохраняться в течение многих лет. Вторичные процессы могут продолжаться дольше секунды, но с меньшей скоростью. Основная зона радиациошю-химических изменений структуры полимера формируется за время порядка секунды. В зависимости от поглощенной полимером дозы [45, 46] должна из меняться травимость материала трека при удалении от оси трека. Изучение расстояния, на которое распространяется радиационное нарушение по ра диусу латентного трека от его оси, интересно не только с целью изучения механизма разрушения, но и с целью изучения процесса травления пор с малыми диаметрами. Существует большое количество работ на эту тему. Исходя из них, можно сделать вывод, что латентный трек представляет со бой цилиндрический канал размером (2- -9)нм для различных ускоренных ионов [42,47, 48]. Попытки найти основной фактор, определяющий процесс трекообра зования, привели к рассмотрению некоторых механизмов, которые могут происходить при прохождении ионов через вещество и приводить к его разрушению, называемых, "критериям" (в некоторых литературных источ никах - модели трекообразования) образования латентного трека ионов. Основной смысл "критериев" заключается в том, что трек в среде образуется только тогда, когда выбранный параметр превосходит некоторую критическую величину независимо от налетающей частицы. Лучшими с точки зрения согласия с экспериментальными данными оказались критерии первичной ионизации и ограниченных потерь энергии. 1.2.2.1. Критерий первичной ионизации и возбуждения. Суть данного критерия заключается в том, что образование трави мых треков определяется первичной ионизацией, создаваемой вблизи тра ектории проходящего иона. Трек выявляется лишь в случае, когда линей ная плотность ионизации, произведенной вдоль траектории частицей, пре вышает некоторое критическое значение для данного материала. Основ ным недостатком данного критерия является то, крайне сложно провести экспериментальные измерения величины первичной ионизации для раз личных ионов и материалов мишени. Следовательно, сложно получить универсальные значения констант, входящих в выражение для величины первичной ионизации, для любых видов ионов и материалов. Критерий применим только к неорганическим материалам. Предполагается, что в полимерах основную роль играют процессы разрыва молекул как налетающим ионом, так и образующимися 5-электронами. Для полимеров лучшим "критерием" трекообразования считается критерий ограниченных потерь энергии. Данный критерий был предложен Бентоном [30]. Согласно данному критерию трек образуется при условии, что сумма первичных потерь энергии частицы и потерь энергии созданных ею 5-электронов превышает некоторое критическое для данного вещества значение [42]. Причем, было предложено учитывать только ту часть теряемой энергии, которая связанна с 5-электронами средних энергий. Лучшее совпадение с экспериментальными данными наблюдали при значении энергии порядка 1000 эВ. Эмпирически этот критерий описывает экспериментальные данные для полимеров так же хорошо, как и критерий первичной ионизации и возбуждения для неорганических веществ. Например, с использованием данного критерия было предсказано, что при определенных условиях травления в поликарбонате (лексан) должны регистрироваться релятивистские ядра с z = 55, Экспериментально зарегистрированы ядра с z = 57±2. Главным недостатком данного критерия является учет только той энергии, которая выделяется дальше зоны повышенного травления (сердцевины трека) и не принимается во внимание энергия 5-электронов в центре трека, хотя считается, что эти две неточности компенсируют друг друга [49]. Понятие теплового клина было предложено авторами работы [50]. Предполагается, что ион производит значительные повреждения в кри- є сталлической решетке за счет сильного нагрева ограниченной области ре шетки, происходящего при передаче энергии ионом атомам вещества. Благодаря такому нагреву происходит активизация различных межатомных процессов, что и приводит к повреждениям кристаллической решетки. Данная модель позволяет дать ответ на вопрос: почему травимые треки образуются в диэлектриках и не образуются в металлах. Проведенные расчеты передачи знергии возбуждения электронов атомам кристаллической

решетки показывают, что в металлах энергия 5-электронов теряется, глав ным образом, в соударениях электрон - электрон [51]. Следовательно, возбуждение распространяется электронами в электронной подсистеме и ре-лаксирует до того, как заметная энергия будет передана решетке. Поэтому решетка металлов не нагревается до высоких температур. В диэлектриках электроны быстро вступают во взаимодействие с кристаллической решет #. кой, вызывая различные виды активации, и поэтому в них образуется уз кий интенсивный (а не размазанный, как в металлах) тепловой клин, приводящий к локализованным повреждениям, вызывающим формирование травимого трека.

Экспериментальное исследование распределений осколков деления по толщине пленки

Технологический процесс получения трековой мембраны предусматривает три стадии: облучение полимерной пленки высокоэнергетическими заряженными частицами; фотосенсибилизация УФ-излучением и химическое травление. В реакторном способе производства трековых мембран исходная полимерная пленка _ подвергается облучению осколками деления. Схема установки по облучению полимерных пленок осколками деления U235 на реакторе БР-10 (ГНЦ РФ ФЭИ) представлена на рисунке 2.1. Урановая мишень представляет слой металлического урана толщиной 0,4 мг/см2, обогащенная до 90% по урану-235. Слой нанесен методом магнетронного напыления на алюминиевую подложку. Во избежание окисления урана в газовой среде, слой покрыт распыленным алюминием толщиной 0,05 мг/см2. Формирование углов вылета осколков деления из урановой мишени и входа в полимерную пленку относительно нормали к ее поверхности в пределах угла от 0 до 30 осуществляется с помощью алюминиевого коллиматора. Скорость перемещения пленки может варьироваться от нескольких мм/с до 1 м/с, что в сочетании с изменением уровня мощности 0,01-8 Мвт) позволяет получать плотность треков от 104 до 1010 см".

Обобщая технические данные промышленной установки по облучению полимерной пленки осколками деления можно сказать, что полимерная пленка облучается осколками деления урана-235 в пределах угла 30 , в воздушной среде при температуре - 60 С и давлении 10 мм.рт.ст. Более детальную техническую информацию по облучательной установке (ресурс установки, режимы работы и т.д.) можно найти в работах [86, 87].

Поскольку облучение полимерной пленки осуществляется осколками деления, то в связи с этим крайне важно знать их характеристику. Известно, что при захвате медленных нейтронов делящийся элемент (например, C/Q2) распадается, как правило, на два осколка с массовыми числами А. (осколок легкой группы) и А„(осколок тяжелой группы). Вероятность симметричного деления (на два одинаковых по массе осколка) мала. Образующиеся при делении осколки распределены по массам, по зарядовому состоянию в широком диапазоне значений. Средние значения масс осколков тяжелой и легкой групп, образующихся при делении UM составляют А „=139,92 и Aj =96,08 атомных единиц, соответственно [1]. В распределении осколков по ядерным зарядам наблюдается следующая ситуация. Максимумы в распределении соответствуют значениям Zj - 40, Z „ = 56. Наибольшие значения выходов по продуктам деления в легкой группе имеют изотопы 93К ,94Гзд,95Г-9, а в тяжелой изотопы Ва„,Ва.,} Ва„- При этом выходы указанных изотопов легкой группы практически одинаковы тогда, как среди указанных изотопов тяжелой группы наибольший выход имеет изотоп 140йа„. Ядерный заряд и масса этого изотопа практически отвечают средним значениям указанных параметров осколков тяжелой группы. Следовательно, при исследовании структур треков осколков деления тяжелой группы следует ориентироваться на изотоп Ва,,, В качестве наиболее вероятного осколка легкой группы можно принять средний изотоп из трех наиболее вероятных, а именно, 94 39 Выделяющаяся при делении 235 п2 энергия распределяется таким образом, что на кинетическую энергию осколков приходится .=168,2 МэВ. Эта энергия распределяется по осколкам обратно пропорционально отношению масс и, следовательно, для Ва составляет Е„ = 66,7 МэВ (0,476 МэВ/а.е.м.), а для 94Узд =101,5 МэВ (1,08 МэВ/а.е.м.). 2.3. Экспериментальные методы исследования облученной пленки, 2.3.1. Гамма-спектрометрия. Метод гамм а-спектрометр ии осколков деления основан на регистрации гамма-квантов, испускаемых осколком деления при переходе из одного энергетического состояния в другое. Детальные сведения и описания всех узлов гамма-спектрометров, их назначение и принцип действия можно найти в работах [75, 76, 77]. В настоящей работе использовался спектром етрометрический комплекс СКС-50 (есть сертификат Госстандарта) на основе Ge-Li полупроводникового детектора [78]. Детектор закрыт свинцовой защитой. Фон в камере равен 10 Бк, что составляет 0,1% от активности образцов (10 Бк -фон и 10000 Бк - активности измеряемых образцов). Выполнение измерений и обработка результатов проведены с использованием интегрированного пакета прикладных программ спектрального анализа, рекомендованного Государственной системой обеспечения единства измерений "Активность радионуклидов в объёмных образцах. Методика выполнения измерений на гамма-спектрометре"[79]. Подготовка гамма спектрометра к проведению измерений (калибровка измерительной установки), выполнение измерений (идентификация радионуклидов и определение погрешности измерений количества радиоактивных ядер) проводили согласно нормативному документу [80].

Влияние ультрафиолетового света на скорость химического травления латентных треков осколков деления

В эксперименте наблюдаемое дифференциальное распределение является суперпозицией распределений для предшествующих измеряемому осколку деления с массой А в цепочке р - распадов. Так для осколка деления с массой А=143, определяемого по /-линии распада 143Се (г12 =33ч), цепочка у?- распадов имеет вид mI- mXe- UiCs- HiBa u:iLa mCe [93], На рис.3.4 показана плотность распределения /(/?) эффективного осколка деления с А=143 по пробегу R, полученная усреднением по заряду осколков результатов моделирования по программе SRIM-2000 пробегов ионов из цепочки распада с энергией 62 МэВ в ПЭТФ. Форма распределения /(я) явно отличается от функции Гаусса, причем как для отдельных ионов, так и для усредненного осколка. Она хорошо описывается сглаженным экспоненциальным распределением (свертка ехр- распределения с гауссовым) с тремя параметрами Ro, an а ( ? = (2a) cr ). Такое распределение легко моделируется, поскольку случайная величина R является суммой двух независимых случайных чисел, подчиняющихся ехр- распределению и гауссову распределению соответственно. Моменты этого распределения равны: Где R - величина среднего пробега, D(R) - дисперсия пробега, уз -коэффициент асимметрии, у4 - эксцесс. Расчеты показали слабую зависимость величины пробега иона данной массы от величины заряда иона, поэтому дополнительного вклада в дисперсию пробега эта зависимость не дает. ф Эти выводы подтверждаются и для осколков с А=95, которые определялись по т -линии распада 9SZr (г,,2=64д), в наблюдаемое распределение пробегов дают вклад нуклиды из цепочки /?— распадов 95Rb- 95Sr- 9SY 95Zr, причем наибольший вклад дает 95Sr. Усредненное по зарядам осколков распределение f{R), рассчитанное по программе SRIM для ионов с энергией 90МэВ, хорошо описывается, как и в случае Л=143 , + функцией (3.5) с параметрами 7 17.04, а=0.310, о=0.252 (рис.3.4). Расчеты показали, что в широком диапазоне начальных энергий ионов параметры тЛ и уъ слабо зависят от энергии. Поэтому в задаче подгонки можно использовать распределение (3.5) с одним свободным параметром R0=rox p(Eo). (3.6) Функция д {Е0) находится степенной аппроксимацией результатов расчетов щ по программе SRIM-2003. Однако полученная асимметрия распределения не позволяет объяснить наблюдаемый вклад коротко - пробежных осколков. Моделирование послойного распределения пробегов ионов в лавсане Заметную асимметрию наблюдаемых распределений можно объяснить наличием в энергетическом спектре осколков, падающих на лавсановый пакет, фонового низкоэнергетического «хвоста», появляющегося за счет многократного рассеяния ионов на стенках коллиматора (амплитуда «хвоста» за счет рассеяния в мишени составляет всего КҐ от основного пика). Ниже описана схема моделирования распределения пробегов ионов, в которой фоновый спектр ионов апроксимируется либо равномерным спектром по энергии, либо ехр-спадающим спектром типа (3.5), Доля фонового спектра является свободным параметром /?. Схема моделирования включает следующие этапы: а) разыгрывается координата рождения осколка в мишени, его энергия и угол вылета из мишени; б) вычисляются средняя потеря энергии иона в мишени и её дисперсия, используя результаты расчетов по программе «SR.IM»; в) по заданной величине /? разыгрывается вероятность появления малых энергий и их спектр; г) разыгрывается энергия вылетающего из мишени осколка в основном пике с учетом дисперсии полной кинетической энергия деления. д) по распределению (3.5) разыгрывается величина проектируемого пробега _ осколка в лавсане R; е) накапливаются события Nk в интервале хк R xk + h и рассчитываются функции N(x); ж) расчетные распределения Nk сравниваются с экспериментальными величинами $к и методом подгонки находятся свободные параметры R0 и Р. т Ниже приведены результаты модельных расчетов для осколка с массой Л = 143. При этом база экспериментальных распределений осколков по толщине была дополнена данными измерений в более толстых слоях лавсана h =8мкм и h =12мкм. Оптимальное описание достигается для случая R f= 12.0 мкм (базовая энергия 0=65МэВ) и р=0.11 - фон низкоэнергетического «хвоста». При этом получены следующие значения характерных величин: л: =11.22мкм, г=0.44мкм, о(х)=\.42мкм. Эквивалентная толщина слоя лавсана равна /=0.48мкм. Величина (R), рассчитанная по программе SRIM-2003 для иона Ва, все равно превышает экспериментальную и равна П.бімкм. Для сравнения распределений осколков по толщине, измеренных для ПЭТФ пленок с разной толщиной h , удобно использовать функцию распределения F(R) Функция РІЙ) И результаты измерений величин Fk с разной толщиной слоя h для осколка деления с Л=143 приведены на рис.3.5. Видно, что учет фона низкоэнергетических ионов (Р =0,1 или 10% от общего числа осколков с массой 143 а.е.м.) при моделировании функций F(R) позволяет согласовать данные (в пределах ошибок) между собой.

Оценка условий радиационной безопасности реакторных трековых мембран в соответствии с НРБ-99

При прохождении ионов через вещество происходит захват электронов, выбиваемых ионом из атомов вещества, что приводит к уменьшению заряда, а, следовательно, и к уменьшению тормозной способности. Для осколков деления наблюдается несколько иная картина, связанная с их возбужденным состоянием. Снятие возбуждения происходит в результате испускания у-квантов или электронов конверсии. Это ведет к дополнительной ионизации осколка, происходит увеличение его заряда, следовательно, увеличивается его тормозная способность. Подобный процесс определяется свойствами возбужденных уровней самого осколка (период полураспада и т.д.) и может отличаться для различных осколков [5]. Другим важным фактором, влияющим на размер латентного трека, является тот факт, что масса осколка деления больше массы стабильных ионов того же элемента [5]. Например: при облучении пленок ускорительным способом может использоваться ксенон с массой 131 а.е.м., в то время как для осколков деления ксенон имеет массу до 140 а.е.м. Автор работы [47] считает, что размеры латентного трека иона в веществе (сердцевина и оболочка) прямо пропорциональны потерям энергии ионом в веществе. Потому, учитывая отличие в зарядах и массах осколков деления и ускоренных ионов можно предположить, что размер области повреждения, создаваемого осколком деления должен быть несколько больше размера области повреждения, создаваемого ускоренным ионом с той же начальной энергией. Экспериментальные отличия в размерах треков осколков деления и ускоренных ионов будут представлены ниже.

С использованием данных зависимостей проведены расчеты размеров латентных треков осколков деления в ПЭТФ (рисунки 3.8 и 3.9). Согласно расчетным данным разницы в размерах латентных треков осколков деления в ПЭТФ для двух групп осколков деления нет (порядка 1 им). Автор работы [59] утверждает, что радиационное воздействие на трек, определяющее его структуру, а, следовательно, и размер, должно определяться радиальным распределением дозы D (рисунки 3.10 и 3.11). Причем зависимость размера сердцевины латентного трека от скорости осколка деления практически прямолинейная.

Расчет, проведенный по моделям [47, 59], показывает уменьшение размера латентного трека с увеличением пройденного осколком деления расстояния в материале мишени (рис.3.8 и 3.13). Необходимо отметить, что представленные модели для расчета размеров латентных треков разработаны для стабильных ускоренных частиц. В то время, как прохождение осколков деления через вещество отличается от прохождения ускоренных ионов с той же массой. Это связано со свойствами самих осколков деления: отличие в зарядах и возбужденное состояние. Таким образом, нельзя точно утверждать, что представленные модели могут описать характер поведения зависимости размера латентных треков осколков деления от остаточного пробега. Так же, в связи с указанными различиями между осколками деления и стабильными ионами, можно ожидать, что экспериментально измеренный размер сердцевины латентного трека осколков деления будет превышать размер сердцевины, рассчитанный по представленным моделям.

Предполагается, что на размер трека может оказать влияние температура облучения. В работе [100,101,102] приводятся данные по зависимости скорости травления полимеров от температуры облучения, где сказано, что скорость травления увеличивается с уменьшением температуры облучения. Как известно, при уменьшении температуры окружающей материал среды происходит уменьшение температуры самого материала. Это приводит к изменению структурных и механических свойств самого материала. Поэтому можно предположить, что температура облучения оказывает влияние только на характеристики облучаемой пленки, что может привести к изменению размеров областей повреждений, создаваемых осколком деления в веществе. На настоящий момент времени точного объяснения обнаруженного эффекта, связанного с влиянием температуры на структуру и Рис. 3.8 Зависимость размера трека осколков деления (сердцевина а) и оболочка б)) от остаточного пробега осколков деления в ПЭТФ.

Исследование поверхности образцов полимерных пленок проводилось на атомно-силовом микроскопе ACM Solver Р-47. В качестве образцов использовался набор пленок, облученных на реакторе БР-10, и применявшихся для измерения распределения осколков деления по толщине лавсановой пленки [103,104,105,106], Использование подобной методики дало возможность определения размеров треков. Методом АСМ были исследованы дефекты на поверхности - 1-го, 3-го и 5-го слоев из набора пленок. В результате, на все исследуемых слоях, наблюдается одинаковый размер областей повреждений, создаваемых осколками деления. Это говорит о том, что трек осколков деления имеет практически цилиндрическую форму. Затем исследуемые образцы были подвергнуты кратковременному химическому травлению в растворе КОН с концентрацией 5N и температурой 70 С. Результаты приведены в таблице 3.2.

Число латентных треков на каждой фотографии составляло 10 штук. Таким образом, общая статистика равняется -100 штук наблюдаемых латентных треков на одном слое. Точно такая информация была получена для субмикронных пор. Число пор на каждом слое соответствует числу латентных треков на этом слое пленки. Полученные экспериментальные данные по латентным трекам и субмикронным порам свидетельствуют о наличии на поверхности первого слоя двух, разделенных по размерам областей повреждений, представляющих собой четко различимые углубления, отличающиеся друг от друга в - 3 - 4 раза, причем это видно только на первом слое. После анализа данных с АСМ было определено, что число треков с размерами 20-30 нм и субмикронных пор с размерами 70-80 нм (более 95%) значительно превышает число латентных треков с размерами 60-80 нм и субмикронных пор с размерами 120-140 нм (меньше 5%). Треки и поры с такими размерами наблюдались на каждой второй фотографии по одной штуке. Можно было бы предположить, что меньшие размеры (20-30 нм и 70-80 нм) принадлежат осколкам, рассеявшимся на коллиматоре и обладающим малой энергией и, соответственно, меньшим размером треков и пор травления. Но число таких осколков составляет 10% от общего количества осколков, а в экспериментальных данных число треков с такими размерами составляет 95%. Возможное предположение о наложениях треков также не подтверждается. При наложении треков дефекты с размерами 60-80 нм должны обнаруживаться на всех исследованных образцах, чего не наблюдается на 3-м и 5-ом слоях. Поэтому можно предположить, что диапазон размеров 60-80 нм и 120-140 нм может относиться к чему-то другому (например к дефекту исходной пленки), а не к размерам латентных треков, создаваемых осколками. Еще одним предположением может служить свойство самого метода измерений. Размер треков определялся на площади кадра - 2,5 10 9 см2, что на три порядка меньше размера кадра электронного микроскопа. Все это приводит к значительно меньшей статистике по числу и размерам треков осколков деления, по сравнению с электронным микроскопом, и, вполне вероятно, дефекты с размерами 60-80 им могли не попасть в кадр АСЫ на остальных слоях, что никак не говорит об их отсутствии на 3-м и 5-ом слоях. К сожалению, пока нет возможности дать точное объяснение подобного явления и для этого требуется проведение специальных исследований. Данная неопределенность ничуть не уменьшает важность полученных результатов. На настоящий момент времени в литературе полностью отсутствуют экспериментальные данные по размерам треков осколков деления в полимерах и полученные результаты являются первыми, и могут быть в дальнейшем уточнены.

Похожие диссертации на Реакторные трековые мембраны. Получение, структура и свойства

Методы получения и свойства пылевых структур в ядерно-возбуждаемой плазмеРыков Кирилл Владимирович

Оптические свойства и электронная структура кристаллов групп AvBviCvii и AvI3Пестерев Евгений Валерьевич

Моделирование оптических свойств и электронной структуры тр#х фаз углерода и пористого кремнияТимонов Александр Петрович

Моделирование оптических свойств и электронной структуры фуллеритовБусыгина Елена Леонидовна

Оптические свойства и электронная структура системы кремний-германийШушков, Сергей Владимирович

Исследование совершенства структуры монокристаллов методом нейтронной дифракции для экспериментов по изучению фундаментальных свойств нейтронаСеменихин, Сергей Юрьевич

Сегнетоэлектрики А2В2О7 со слоистой перовскитоподобной структурой: получение и свойстваЗахаров, Николай Алексеевич

Получение, структура и свойства керамических соединений системы SrTiO3-BiScO3Даньшина, Елена Павловна

Получение, структура и магнитные свойства железосодержащих наночастиц, синтезируемых бактериямиЛадыгина, Валентина Петровна

Получение, структура и электрофизические свойства объемных нанокомпозитов на основе теллурида висмутаСоклакова, Оксана Николаевна