Механізм утворення радіаційних ефектів під впливом іонізуючого випромінювання

Іонізуюче випромінювання (УФ, рентгенівське, та ін.) приводить до виникнення радіаційних дефектів.

Розглянемо деякі питання теорії зміщення атомів в результаті впливу радіації на кристалічну решітку твердих тіл.

При пружному зіткненні бомбардуючої частинки з атомом, останній в деяких випадках набуває енергію що перевищує деяку енергію, яка називається пороговою енергією зміщення . У такому випадку збуджений атом покидає своє місце в решітці. При цьому він може пройти одну або кілька міжатомних відстаней, поки не зупиниться у міжвузлі. У момент переміщення такої атом втрачає зв'язок з гратами, але надає збудливий вплив на електронні зв'язку атомів оточення. Утворюється пара типу Френкеля: вакансія - міжвузловий атом. для звичайних металів знаходиться в межах 20 - 40 еВ. Якщо , То утворюється одна пара Френкеля; при створюється два, три або цілий каскад дефектів такого ж типу.

Якщо кристалічна гратка опромінюється потоком важких частинок, то енергія, одержувана атомом речовини, досягає великих значень, і поблизу кінця шляху первинно вибитого атома середня відстань між зіткненнями в щільноупакованих кристалічних гратках повинна приблизно дорівнювати середнїй міжатомній відстані. У цьому випадку атом на шляху первинно вибитого атома зміщується зі свого місця і утвориться область сильного спотворення, що інтерпретується як пік зсуву [5].

При опроміненні матеріалів нейтронами спектру реактора або важкими частинками з великою енергією кристалічна гратка відчуває величезне число елементарних ушкоджень.

Незважаючи на відсутність коректної теорії, що враховує колективні процеси і сукупність взаємодій в решітці, усереднене число зміщених атомів можна оцінити досить точно за допомогою дуже простої моделі, заснованої на уявленні про парних зіткненнях.

Однією з характеристик зіткнення є енергія, передана бомбардованому атому. У залежності від геометричних параметрів зіткнення (взаємного направлення руху частки і коливання атома) вона може змінюватися від нуля, при зіткненнях під дуже малим кутом, до максимальної величини , при лобовому зіткненні.

Із законів збереження енергії та імпульсу при пружному зіткненні визначається співвідношенням

(1)

де Е і m - енергія і маса взаємодіє швидкої частинки; М - маса атома речовини.

Для електронів з високою енергією () слід враховувати релятивістські ефекти. У цьому випадку попередній вираз перетворюється в

(2)

У разі зіткнення з важкою часткою високої енергії можна чекати виникнення каскаду зсувів. Середнє число атомних зміщень розраховується у найпростішому випадку за формулою

(3)

де щільність потоку іонізуючого випромінювання; - час опромінення; - число атомів в одиниці об'єму; - перетин зіткнень, що викликають зміщення; - середнє число зсувів на один первинно зміщений атом.

(4)

- середня енергія, що передається атому швидкої часткою. Величина Еd залежить від напрямку зсуву відносно кристалографічних осей кристала, що пов'язано з анізотропією сил зв'язку, а також від природи сил зв'язку атомів в решітці.

Середнє число вторинних зміщень

(5)

де - функція відносного числа електронів, які беруть участь у ковалентного зв'язку, на один атом, - функція відносної концентрації вільних електронів на один атом.

Швидкість виникнення радіаційних дефектів

(6)

де - перетин зсуву.

Крім точкових дефектів і їх конфігурацій, в електронному газі кристалічної решітки металу виникають локальні збудження (наводяться як самими дефектами, так і випромінюванням), які гіпотетично можуть вплинути на термодинамічні контакти системи, або її кількох ділянок. Це, у свою чергу, може призвести до збільшення спостерігається рухливості новостворених радіаційних точкових дефектів і існували до опромінення дефектів кристалічної будови. Цим, частково, можна пояснити утворення асоціацій точкових дефектів у вигляді петель дислокації і кластерів під впливом опромінення навіть в області низьких температур.

Весь спектр дефектів, які спостерігаються в металевих твердих тілах після опромінення за допомогою методів електронної та іонної мікроскопії, утворюється з первинних радіаційних дефектів - пар Френнеля - в результаті їх взаємодії між собою і з існуючими в матеріалі дефектами кристалічної будови, а також під впливом локальних збуджень у електронній підсистемі кристалічної решітки, ініційованих після радіації.

Розглянуті ефекти, що виникають при зміщенні атомів у каскаді зіткнень звичайно називають порушенням зсуву. Зовсім інший тип порушень пов'язаний з домішковими атомами, введеними або в результаті перетворень ядер мішені. Такі дефекти називаються домішковими порушеннями [2-4].

Вперше практичні проблеми домішкового порушення виникли при вивченні матеріалів для ядерних реакторів. Було виявлено, наприклад, що металевий уран, опромінений при температурі, дещо більшою 500 °С, істотно збільшує свій обсяг. Металографічні дослідження виявило в цьому випадку наявність в металі дрібних пор, заповнених інертними газами. Інертні гази у великій кількості утворюються в реакторі при розподілі урану.

Всі ці порушення дуже сильно впливають на властивості матеріалів.