7.4. Радиационные эффекты и повреждения радиотехнических материалов
7.4.1. Радиационная стойкость радиотехнических материалов
Эксплуатация радиотехнических материалов в полях ИИ может существенно изменить их свойства и параметры, чувствительные к воздействию этих излучений. Радиационный эффект — это обобщающий термин, охватывающий различные виды последствий но воздействия ИИ и отражающий изменения параметров, характеристик и свойств изделий в результате этих воздействий. Свойство изделия выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ и после его снятия называют радиационной стойкостью (PC) изделия. PC изделий контролируют, измеряя значения их радиационно-чувствительные параметры (РЧП), для каждого из которых установлены граничные значения. В пределах этих значений допустимы изменения РЧП при воздействии ИИ. Например, оговариваются значения флюэнса или поглощенной дозы, при которых характеристики материалов ухудшаются не более чем на 25 % (концентрация свободных носителей полупроводников, прочность металлов и органических диэлектриков, упругие свойства резины, изоляционные свойства слюды и керамики).
Максимальный уровень ИИ, воздействующего на изделие, при котором сохраняется его работоспособность, является показателем радиационной стойкости (ПРС) этого изделия. Разные виды ИИ вызывают разные радиационные эффекты, что обусловливает необходимость задания ПРС изделия для каждого вида этих излучений по каждому из возможных радиационных эффектов. Различают ионизационные и дозовые радиационные эффекты.
Ионизационные эффекты связаны с обратимыми изменениями РЧП и зависят от мощности дозы γ-излучения и плотности φ потока протонного и нейтронного излучений. Ионизационные эффекты проявляются в ионизации атомов, увеличении концентрации носителей заряда и испускании квантов вследствие характеристического или тормозного их излучения. Это приводит:
-к снижению электрического сопротивления изоляционных материалов,
-увеличению токов через обратносмещенные p-n-переходы транзисторов и обратных токов диодов,
-уменьшению сопротивлений резисторов,
-увеличению токов утечки конденсаторов
и другим нежелательным последствиям.
Дозовые эффекты возникают в результате длительного и непрерывного воздействия ИИ на изделия и материалы, вызывают необратимые изменениями их РЧП и зависят от поглощенной дозы D ионизирующего излучения. После прекращения действия ИИ дозовые эффекты проявляются в виде радиационных дефектов, связанных с повреждением структуры кристаллической решетки и изменением строения молекул материала. PC изделий в этом случае оценивают по предельным значениям дозы γ-излучения Dγ
Радиационные повреждения кристаллической решетки существенны для веществ с ковалентной, ионной и смешанной связями.
Рис. 7.7. Дефекты кристаллической решетки:
a - внедрение «чужого» атома;
б — замещение узла «чужим» атомом;
в — смещение атома с образованием вакансии;
г — удаление атома с образованием вакансии;
д — смещение плоскостей решетки
В объеме вещества эти повреждения проявляются в виде точечных дефектов (рис. 7.7, а...г): внедрения «чужих» атомов, замещения «чужим» атомом узла кристаллической решетки, перемещения атома в межузелье с образованием вакансии в узлах решетки (дефект Френкеля), удаления атома с образованием вакансии и узлах решетки (дефект Шоттки).
При упругих соударениях возможно образование кластеров дефектов — пиков смещения, концентрация которых Nd =1,6 1013Dvp/E, где D — поглощенная доза; v — среднее число смещений атомов от одной частицы. Под действием эффектов смещения в запрещенной зоне полупроводников и диэлектриков возникает широкий спектр энергетических уровней, которые могут являться центрами рекомбинации, рассеяния или захвата носителей заряда, изменяя их концентрацию, подвижность и время жизни. Концентрация точечных дефектов смещения в разупорядоченной области, снижающая ее проводимость, может достигать значений порядка 1019 1/см3.
Под действием ИИ возможно также появление термических пиков — кратковременных (≈ 10-10 с) локальных перегревов (до 103 К) малых объемов (≈10-171/см3) вещества. Для возникновения этого дефекта достаточно передать атому энергию порядка 25 эВ. Структурные дефекты могут появиться и в относительно больших объемах вещества в виде линейной или винтовой дислокации либо в виде смещения плоскостей кристаллической решетки (рис. 7.7, д).
Радиационные изменения строения молекул и их свойств характерны для веществ с ковалентной связью — газов, жидкостей и органических веществ, в том числе полимерных диэлектриков (стеклопластиков, термопластов и прессматериалов). Эти изменения могут происходить вследствие: деструкции макромолекул с образованием молекул меньшей длины и выделением газов (в оргстекле, фторопласте, целлюлозе); сшивания молекул, т.е. укрупнения молекул вещества, в результате чего повышаются его плотность, механическая, электрическая прочность и химическая стойкость (в полистироле, каучуке); реакций окисления, происходящих при облучении в активных средах в присутствии кислорода.
Процесс радиолиза полимерных материалов сопровождается выделением газов (Н2, СО2, С12, О2, F2 и др.), вызывающим деформацию изделий, коррозию прилегающих деталей, вспучивание стеклотекстолита и разрыв фольги, приклеенной на их поверхность.
По уровню устойчивости к возникновению ионизационных и дозовых эффектов различают радиотехнические материалы с низкой, средней и высокой PC. Каждый уровень PC характеризуют некоторыми допустимыми значениями флюэнса нейтронного излучения и Фn поглощенной дозы γ-излучения Dγ при которых РЧП ухудшаются не более чем на 25%. Материалы с низкой PC — это полупроводники и органические диэлектрики, со средней - неорганические диэлектрики, с высокой — металлы, керамика, ферриты, кварц, слюда.