Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

5.14 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 124 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

2,66 А

Р и с . 3. Схема атомных столкновении в решетке цинка. Направление неплотной упаковки N—N;

плотной упаковки Лі—М.

ложения равновесия и движется в направление удара до соприкосновения со сферой второго атома. В момент соп рикосновения шаров направление импульса резко изменяется, причем новое направление задается прямой, соединяющей точку касания шаров с центром еще не возбужденного ато ма. Дальнейшее распространение импульса зависит уже ис ключительно от свойств самой цепочки (например, от энер гетической выгодности и емкости направления). При боль шом межатомном расстоянии вдоль ряда N— N передача быстро расстраивается, поскольку последовательные столк

новения происходят			под	все	более возрастающим углом
(vx < v a < v 3 < . . . ) .		При	малом		же	межатомном	расстоянии
М — М угол	направления			удара		непрерывно	уменьшается
( v 1 > v 2 > v 3 >	...)	и в	пределе		стремится к нулю.

Таким образом, несмотря на то, что углы первичного удара могут лежать в известном интервале значений (при мерно v = 0 -г- 30° от кристаллографического направления) в случае плотной упаковки процесс заканчивается линей-

ным распространением импульса вдоль цепочки атомов. Сле довательно, происходит фокусировка импульса вдоль опре деленного кристаллографического направления.

Теперь, когда стало понятным происхождение экзо тического слова «фокусом», уместно задать вопрос, реа

лен	ли этот феномен			или он		является		плодом		нашей
фантазии?
	В формировании фокусоиов					принимают			участие		де
сятки и сотни атомов. Можно было бы									надеяться		на
прямое их наблюдение, подобно тому как									наблюдаются
дислокации в кристаллах. Однако на пути									такого	экспе
римента		стоит	преграда — фокусоны,				о	которых			идет
речь, не		стационарны		и обладают весьма					малыми		вре
менами		жизни,	порядка		1 0 _ п — Ю - 1 0		сек.		Следователь
но, искать фокусоны необходимо в кинетических										явле
ниях, например,			при	диффузии		и упорядочении сплавов,
в	актах	пластической			деформации		кристаллов,				при

внутреннем трении, при распылении, растворении твер дых тел и т. д.

Впервые Венер, распыляя монокристаллы Pt, Ag, W, Mo и a — Fe ионами ртути, наблюдал на коллекторе вблизи распыляемого образца осадки в виде симметричных пятен, соответствующих плотным направлениям кристаллической решетки.

Оказалось, что возмущение, вызванное ионной бом бардировкой, более эффективно передается вдоль плотноупакованных направлений, т. е. за счет фокусонов. В результате наибольшие импульсы получают поверхност ные атомы в плотных рядах и именно они формируют пятна Венера.

Рассмотрим, как фокусирующиеся столкновения мо гут конкурировать с каскадным процессом. Если в не которых из соударений атомов в ходе каскада направ ления удара приходятся вдоль плотного направлениярешетки, то по этому направлению начнется предпочти тельная передача импульса и энергия из «пика смеще ния» частично будет потеряна. Если учесть еще то обстоятельство, что плотных направлений в кристалличес кой решетке довольно много, а форма «пика смещения» шарообразная или овальная, то таких ручейков, исто щающих основной резервуар энергии, будет много. В результате энергия, выделившаяся первоначально в чрезвычайно узкой области решетки, неизбежно расте-

•чется на более далекие расстояния, чем могло бы быть в аморфном твердом теле, где атомы расположены хао тично. Очевидно, в этом случае происходит сокращение масштабов катастрофы в твердом теле, вызванной на летевшей энергичной частицей или процессом деления •ядра.

Кто часто бывал в горах, вероятно, видел, как рас пространяется снежная лавина или камнепад. Встреча ющиеся отдельные уступы и скалы могут расчленить и

ослабить лавину, могут		д а ж е	привести к остановке		дви
ж е н и я массы. Если на		склоне	горы поставить	достаточ
но прочные высокие	ребра,		тянущиеся в направлении
.движения лавин, то	это	устройство, казалось		бы	долж

но облегчить движение лавин. Однако в действительно сти оно приведет к противоположному эффекту — пога шению скорости лавины. Так и в случае решетки атомов фокусировка столкновений в плотнейших направлениях истощает энергию хаотических соударений в области

«пика смещения» и	сокращает	размеры	катастрофы
в кристаллической	решетке, вызванные		действием об
лучения.
Любопытно, что	фокусировка	столкновений может

происходить только при относительно небольших энер


гиях	смещенных		атомов,	порядка	100	эв,	при больших
ж е	энергиях удары моментально					расфокусируются.
Иными словами, ручейки энергии, которые							представляют
•собой		фокусирующиеся		столкновения		не	очень-то энер
гоемки. Энергия,			которая	может	протекать по			одному
т а к о м у		ручейку,	примерно в тысячу			раз	меньше энер
гии «пика смешения». Поэтому только							одновременное
действие многих.десятков таких					ручейков		может	замет

но убавить энергию в основном резервуаре. Поскольку время жизни «пика смещения» равно примерно 100 атомным колебаниям, а время старта одного фокуси рующего соударения должно совпадать со временем од ного колебания (протяженность одного фокусона здесь не принимается во внимание, поскольку, выпустив из

горячей	зоны порцию энергии, нам безразлично, как
д а л е к о	она уйдет, если рассматривается только истоще

ние зоны), за время одного «пика смещения» только в одном плотном направлении может в принципе старто вать 100 фокусонов. В действительности, в построенную схему истощения зоны смещения надо включить е щ е в е -

роятность возникновения фокусонов в том или ином плотном направлении, которая в атомном масштабе, при вязываясь к одному колебанию атома, много меньше единицы. Тем не менее фокусирующие столкновения ре ально истощают зоны «пиков смещения» и делают вли


яние		облучения	более	объемным.
	Из	предыдущего ясно,			что	фокусирование				атомных-
столкновений в			решетке — весьма				тонкое явление, хотя
оно	играет существенную				роль	в	механизме		радиацион
ных повреждений. В свою					очередь дефекты,				возникшие
в результате облучения,				т а к ж е		влияют		на	распростра
нение		фокусирующихся			столкновений.			Предположим,
что	в	цепочке	атомов,	расположенных				вдоль		плотной

упаковки граиецентрированноп кубической решетки, от сутствует один атом, выбитый незадолго до этого нале тевшей частицей. На рис. 4 пустое место показано свет-

Ри с . 4. Распространение фокусона Е цепочке А—At может

быть оставлено в связи с отсутствием атома в центре

грани решетки.

лым кружком . В этом случае, если направление фоку

сирующихся	столкновений	идет от	А к А ь то атом А
прежде чем	столкнуться с	атомом	At д о л ж е н пройти

сквозь три «линзы» атомов, показанные на рисунке заштрихованными площадями . Теоретические расчеты показывают, что ячейка с тремя такими атомными «линзами» обладает настолько-большим фокусным рас

стоянием,	что	после ее	прохождения полностью		нару
шаются	условия фокусировки			столкновений.	Если
т а к а я ячейка		находится	в начале	цепочки атомов, то фо-

кусировка столкновений наблюдаться не будет. Если ж е она расположена внутри цепочки, то в этом месте оста

новится пробег

фокусона.

Таким

образом,

порядок

в кристаллической

решетке

отвлекает часть энергии бомбардирующих частиц

на

бесполезные,

точки

зрения

выбивания атомов,

процес

сы фокусирования

ударов вдоль плотных

направлении.

Д о л я

этой

бесполезной

работы

возрастает

идеальных

участках решетки и, напротив, уменьшается

дефект

ных участках решетки, где нет

условий для распростра

нения

фокусирующихся

столкновений

на большие

рас

стояния.

Повышение

температуры

твердого

тела,

так

же

как

и его дефектность, уменьшает длину свободного

пробега

фокусонов. В

этом нет ничего

удивительного. Повышение

температуры,

как

известно,

уменьшает

анизотропные

свойства

кристаллов

приближает

кристаллическое

строение к аморфному. Повышение температуры

приво

дит к увеличению амплитуды колебаний атомов

около

положений

равновесия.

Это

свою

очередь

вызывает

нарушение

последовательности

фиксирующихся

столк

новений.

Влияние

кристаллической

решетки

может

проявить

ся не только в передаче импульса энергии,

что

имеет

место

при

распрострапенни

фокусирующихся

столкно

вений,

но

передаче

массы

вещества.

Можно

себе

представить,

что при

распространении

столкновений

по

решетке каждый атом, получивший импульс энергии, становится на место соседнего в направлении удара, а это и есть перемещение массы. Такое явление в физи ческой литературе получило название «динамический кроудион». Кроудионы, как это следует из их физичес кого содержания, должны распространяться при более высоких энергиях, чем фокусоны, хотя они могут зале гать в одних и тех ж е направлениях. Так ж е как и фо кусоны, динамические кроудионы разрушаются при

встрече с несовершенствами структуры, т.				е. в этом слу
чае	т а к ж е	весьма важно,	чтобы решетка	имела идеаль
ное	строение.
	Однако	вернемся к	фокусирующимся	столкновени

ям. Наиболее в а ж н ы м вопросом при оценке этого явле ния и возможного влияния его на свойства облученного материала, является длина пробега фокусонов. Чем

длиннее пробег фокусонов, тем сильнее должно		сказать
ся влияние кристаллической решетки. Длина		пробега
фокусонов	зависит от целого ряда энергетических	потерь
во время	распространения его на решетке. Это	в пер

вую очередь потери энергии на «трение» об соседние атомные ряды. Только под влиянием этих потерь пробег самых энергичных фокусонов ограничивается 150—200

межатомными		расстояниями.
Как уже указывалось,					тепловые			колебания решетки
т а к ж е мешают				распространению				фокусирующихся
столкновений. В связи с					этим	температура			облучения
кристаллической			решетки		может влиять как на число,
так и на	распределение				дефектов		в каскаде		смещений.
Существует		еще		один	механизм			влияния	кристалли
ческой решетки			на	процесс радиационного					дефектооб-
разования.	В	известной			мере	он	противоположен рас-
столкновений,			которые		наблюдаются в				плотнейших

смотренным механизмам фокусирующихся икроудионных направлениях, и связан с наиболее свободными направ лениями в решетке, каналами «атомной» пустоты. От


сюда и название			этого	эффекта «каналирование».				К а ж
д а я решетка		содержит, наряду с				плотными	направле
ниями,	каналы,		слабо	заполненные		атомами.	Частица
или первично выбитый				атом	могут	оказаться	отражен
ными	внутрь	такого канала			и будут двигаться			в нем,

испытывая направляющее влияние стенок канала . Не которые атомы могут покинуть канал, а затем вновь вернуться в него или в соседний такой ж е канал . Таким образом, каналирование частиц и выбитых атомов должно носить черты стабильного процесса, поскольку


скользящие		столкновения		внутри канала не расстраи
вают	каналирование, а, наоборот, способствуют движе
нию	частицы или		атома	в	определенном направлении.
Атом, попавший в			канал,	может полностью		погасить в
нем	свою	энергию, так и		не приведя к новым смещени
ям.	Следовательно,		эффект		каналирования	уменьшает

дефектообразование при облучении. Таким образом, мы опять сталкиваемся с таким влиянием кристаллической решетки, при котором упорядоченное расположение атомов отвлекает энергию бомбардирующих частиц и первично смещенных атомов на бесполезные с точки зрения выбивания атомов процессы. Только теперь энергия рассеивается не за счет атомных ручейков им-

пульсов энергии вдоль плотных направлений, а за счет захвата частиц и «горячих» атомов в каналы и сдержи вания их там до полной остановки.

Эффект каналирования не в меньшей степени, чем фокусирование влияет на радиационное дефектообразование, а потеря кристалличности или уменьшение иде альности решетки т а к ж е уменьшает этот эффект. Дей ствительно, легко себе представить, что в испорченных участках решетки, при отсутствии порядка в укладке атомов, в хаосе и нагромождении атомных слоев, каналирование не возникнет. В условиях, когда каналы ока зываются загроможденными и искривленными, никако го захвата частиц в каналы не приходится ожидать или этот процесс будет настолько скоротечным, что не отра

зится на	потерях энергии	частицы и	поэтому не сыгра
ет существенной роли в дефектообразовании.				Если ж е
решетка	имеет правильное	строение,	то эффект	канали

рования может уменьшить число выбитых атомов, т. к.

захваченные в каналы атомы выбывают из			игры.
Из сказанного	относительно	эффекта	каналирова
ния ясно, что оно	представляет	собой еще	один меха

низм переноса энергии на сравнительно большие рас

стояния,	не сопровождающиеся образованием			смещен
ных атомов и вакансий. При движении атома				в	канале
он теряет	энергию	на возбуждение	электронов		и на
скользящие соударения об стенки канала .				Наиболее
важным	свойством	каналирования	является	возмож

ность этого эффекта практически при всех энергиях час тиц. Если при фокусирующихся столкновениях эстафет ная передача энергии становилась возможной только при энергиях, меньших 100 эв, то энергия каиалированных атомов может быть практически любой, вплоть до мак

симально возможной энергии,, которая передается					атому
при	первичном		столкновении.
Основной эффект каналирования — это				увеличение
пробега		атомов	после столкновения. Объясняется это
тем,	что	потери	энергии в системе электронов	для	каиа

лированных и неканалированных атомов существенно

различны,	так	как плотность		электронов в к а н а л а х	ни
ж е средней	плотности		электронов по решетке. На процесс
каналирования		могут	влиять	т а к ж е инородные	час

тицы, такие как примеси. При этом эффект каналиро вания будет ослабевать.

§ 5. Простейшие и сложные комплексы дефектов^

образующиеся при облучении

И з предыдущего у ж е стало понятно, что во время облучения кристаллической решетки происходят чрез

вычайно

сложные

процессы, которые

зачастую

конку

рируют

между собой. Исход облучения

зависит от многих

факторов — в первую

очередь

от

типа

кристаллической

решетки,

от

типа

частиц,

от

энергии

и интенсивности

облучения, а т а к ж е

от температуры

опыта. На

второе

место можно

поставить

такие

факторы,

как

направ

ление

облучения

внутри

кристаллической

решетки

степень

ее

дефектности.

Под

действием

облучения

твердом теле возникают самые разнообразные измене


ния, в зависимости			от	действия перечисленных				факто
ров. Могут	д а ж е	не	возникать смещения			атомов		и дело
ограничивается		лишь		возбуждением кристаллической
решетки и	системы		свободных электронов			(в	металлах) .
Это случай	чистого		радиационного		нагрева.		Но	могут
т а к ж е произойти		катастрофические			явления,		близкие к
локальным	расплавлениям кристаллической						решетки,

т а к ж е сопровождающиеся сильным радиационным на гревом. В промежутке между этими крайними случая ми существует целый спектр различных радиационных повреждений —.от одиночных вакансий и внутренних атомов до скоплений радиационных дефектов, приобре тающих новые свойства, характерные для ансамблей то

чечных	дефектов.
Простейшими		радиационными дефектами		являются
вакансия и междоузельные или внедренные				атомы. Во
время	облучения	возникают обычно	внедренные		атомы
и вакансии одновременно, поскольку			выбивание		атома

из положения равновесия в решетке сопряжено с тем, что
в этом	месте решетки возникает пустое место или	ва
кансия.	В силу того, что окружающие атомы имеют	воз

можность релаксировать	и занять	вакантное место,			а
внедренный атом в свою очередь может начать			движе
ние по решетке, итог облучения сразу предсказать				труд
но. В зависимости от температуры		материала	и	типа
кристаллической решетки	часть дефектов может			вооб
ще исчезнуть, аннигилируя на противоположных			по		ти
пу дефектах, сливаясь с дислокациями или выходя					на
поверхность.

и/

Д р у г ая часть дефектов может объединиться в скоп ления, состоящих из однотипных дефектов. Таким обра зом, могут возникнуть скопления вакансии, которые сначала «съедают» часть какой-нибудь плоскости в крис таллической решетке, а затем образуют поры внутри твердого тела. В свою очередь внутренние атомы могут т а к ж е объединиться и образовать участки лишней атом

ной	плоскости. Это искажает решетку, создает					внутрен
ние	напряжения		и затрудняет		пластическую	деформа
цию материала.
	Вместе с	тем	процессы	объединения однотипных де
фектов могут		не	заходить	так	далеко (до образования

пор и внедренных атомных плоскостей), и дело ограни


чивается				скоплением		вакансий	в одних областях				решет
ки и внедренных					атомов в других. Такие процессы						чаще
всего наблюдаются, если в твердом									теле	существует
неравномерное					распределение		внутренних			напряжений.
В	этом		случае		вакансии стремятся			сконцентрироваться
в	сжатых			областях		решетки,	а внедренные атомы — в
растянутых. Причину этого понять								нетрудно — посколь
ку	с	вакансиями			связано появление «пустоты» в решет
ке,	они		стремятся перейти в область,						где имеется		лиш
ний		материал			и	напряжения		сжатия .		Прибытие
вакансий				в эти	области р а з р я ж а е т			обстановку и			стаби

лизирует структуру. По аналогичным причинам внед

ренные	атомы	стремятся в		растянутые области.			Именно
в этих	областях они могут			более	свободно	разместиться
и легко	перемещаться,		поскольку		каждый	внедренный
атом вносит тесноту в решетку и					бесцеремепно		растал
кивает	своих	соседей,	создавая		локальные	перенапря
жения	сжатия.
Теоретики оценили энергию образования и движения
вакансий и внедренных			атомов для плотноупакованных

металлов. Энергия образования вакансии примерно сов

падает	с энергией		активации ее движения и равна
~ 1 эв.	Что	касается	внедренных атомов, то энергия их
образования		составляет		~ 5 зе,	а энергия активации
движения — всего 0,1			эв.	Расчеты	энергии образования

вакансий и внедренных атомов проводились для случая

теплового возникновения этих дефектов. Из				приведен
ных	данных видно, что	внедренные атомы		образуются
в пять раз труднее, а двигаются			в десять раз	легче. От
сюда	вывод — вакансии	должны	встречаться	в решетке


гораздо	чаще, чем		внедренные	атомы. Внедренные		ж е
атомы	с трудом	возникают и быстро исчезают. Во				вре
мя облучения		вероятности возникновения			внедренных
атомов	и вакансии		примерно	одинаковы,	поскольку . в

каждом элементарном акте столкновения частицы с уз

лом решетки	возникает внедренный	атом	и	вакансия.
При этом, как указывалось, затрачивается			энергия при
мерно 25 эв	(в силу динамичности	процесса).		Однако

дальнейшая судьба вакансий и внедренных атомов зави сит от скорости передвижения их по решетке.

Приведенные выше теоретические оценки энергии активации перемещения дефектов остаются в силе. Ва

кансии перемещаются с энергией активации ~		1 эв, а
внедренные	атомы ~ 0,1 эв. Таким образом,	внедрен
ные атомы	при данном уровне теплового возбуждения

решетки получают возможность первыми начать движе

ние и закончить свой путь, объединившись со	своей или
чужой вакансией, либо выйдя на поверхность	образца,
на линию дислокации или в растянутую область		решет
ки. Практически дело выглядит так. Внедренные		атомы
начинают быстро двигаться, лихорадочно искать		место
в решетке, где избыточная энергия, связанная	с	их	су
ществованием, могла бы разрядиться. Вакансии		ж е	в

это время остаются на месте или двигаются очень мед ленно. В результате часть мечущихся внедренных ато мов попадет в свои или чужие вакансии и там успоко ится, но большая часть уйдет от вакансий и вообще по кинет эту область решетки.

Если бы внедренные атомы и вакансии имели одина ковую энергию активации, то результат облучения был бы совсем иной, точнее никакого результата могло бы вообще не быть. Действительно, вообразим себе, что ва кансии и внедренные атомы после окончания облучения начинают одинаково интенсивно метаться по решетке.

Вэтом случае почти со стопроцентной вероятностью


можно было бы ожидать, что				каждый		партнер	найдёт
свой или	чужой	антипод и аннигилирует на нем, т. е.
никакого	остаточного		эффекта	не было		бы. Однако в
действительности		это не происходит,			и	основная	причи
на остаточных явлений			в облученных		материалах зак
лючается	именно	в разных энергиях			активации		движе

ния точечных дефектов. Благодаря этому в облученных материалах при средних и высоких температурах оста-

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 124 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ

#
23.10.20235.78 Mб14Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf
#
29.10.20232.76 Mб7Трикоз Ю.С. Ремонт и налаживание радиоприемников.pdf
#
21.10.202310.18 Mб21Трилор, Л. Введение в науку о полимерах.pdf
#
29.10.20233.77 Mб3Трифонов Д.Н. Прометий - элемент № 61 (опыт биографии химического элемента) пособие для учителей.pdf
#
30.10.202363.87 Mб9Трифонов, Дмитрий Николаевич. Редкоземельные элементы.pdf
#
23.10.20235.14 Mб12Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел.pdf
#
29.10.20231.55 Mб12Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы.pdf
#
23.10.20238.36 Mб7Тронов В.П. Обезвоживание и обессоливание нефти из опыта работы об-ния Татнефть.pdf
#
23.10.20237.31 Mб6Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов.pdf
#
20.10.20238.31 Mб3Трофимов, А. М. Основы аналитической теории развития склонов (на примере осыпных и делювиальных).pdf
#
22.10.202316.53 Mб28Трофимов, В. С. Янтарь.pdf