Дегтяренко Свойства дефектов и их ансамблей, радиационная 2011

РАЗДЕЛ P РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ

Радиационную стойкость материалов и закономерности развиJ тия радиационной дефектности в них изучаютI= проводя исследоваJ ния на опытных образцахI=облученных в тепловых и быстрых реакJ торах и на нейтронных генераторахX= образцахI= облученных на ускоJ рителях заряженных частицK==

Такие исследования в области радиационного материаловедеJ ния чрезвычайно важны для создания и прогнозирования работы реJ акторов деления нового поколенияI= для решения проблем создания= термоядерного реактора=EТЯРF= иI= в частностиI= его сверхпроводящей= магнитной системы= EСМСFK= ЕстественноI= наиболее представительJ ные результаты изменения сверхпроводящих материалов и изделий= из них можно получить при испытании их в реальных условиях ТЯРK=

NON=

=

На данный момент не существует достаточно интенсивного= источника нейтронов со спектромI= подобным ТЯР или в области= расположения= CjC= ТЯРK= Низкоэнергетическая часть спектра= нейтронов в области= CjC =может быть грубо смоделирована спекJ тром нейтронов реакторов деленияK= Однако различавшиеся по приJ роде и энергетическому спектру потоки излучений в различных реJ акторах деленияI= сложные условия метрологии облученияI= нестациJ онарность по тепловым и механическим нагрузкамI=другие специфиJ ческие обстоятельства даже в однотипных реакторах затрудняют поJ лучение однозначных результатов исследований радиационного возJ действияK =Кроме тогоI =если для реакторов деления режимы работы= материалов известныI= то для термоядерных реакторов они могут= быть указаны лишь приблизительноI=так как оптимальная конструкJ ция таких реакторов еще только разрабатываетсяK=

=

P.1. Методы создания радиационных дефектов

В таблK= PKN= приведены характеристики некоторых источников= излученийI=используемых для создания радиационных повреждений= в материалахK=

Основным и общим методом исследования структурных измеJ ненийI=вызванных облучениемI=является рентгеновская дифракция и= электронная микроскопияK= Этими методами можно устанавливать= структурно-фазовые изменения в облучаемом материалеI=определять= изменение параметров решеткиI=связанное с развитием дефектности= материалаI=определять распределение элементарных дефектов струкJ турыI= а также дислокационных петельI= выделений и других образоJ ваний в пространстве и по размерамK=Наряду с этими методами для= исследований радиационно-индуцированных дефектов структуры= сверхпроводящих материалов используются автоионная микроскоJ пия и ядерно-физические методыW=аннигиляция позитроновI=малоугJ ловое рассеяние нейтронов и рентгеновских лучейK=

=

=

=

NOO=

=

Таблица=PKN==

Некоторые характеристики источников излученийI= используемых= для создания радиационных повреждений в материалах=

P.1.1. Облучение в реакторе

=

Реакторные эксперименты по программе исследований радиаJ ционной стойкости конструкционныхI= в частностиI= сверхпроводяJ щих материалов проводятсяI=в основномI= с облучением в быстрых= реакторах=EБОРJSMI=БРJNMI=БНJPRMI=БНJSMM=и дрKFK=ЧастичноI=эта проJ грамма выполняется на реакторах с тепловым и смешанным спекJ тром нейтронов= EИТР и дрKF= и с облучением на нейтронных генеJ раторахK= В таблK= PKN= представлены некоторые характеристики услоJ вий облучения в исследовательских каналах реакторовK=

Лишь немногие из перечисленных реакторов оборудованы сиJ стемой охлаждения облучаемых образцов= – гелиевой или азотной= петлейI= что позволяет проводить облучение не только при соответJ

NOP=

=

ствующей температуреI=но и определять ряд характеристик исследуJ емых образцов во время экспериментаK=

С точки зрения экспериментального исследования физических= основ процесса образованияI= развития и кинетики радиационных= дефектов реакторные условия имеют ряд недостатковW=

J==малая скорость генерации точечных дефектов=ENMJT÷NMJV=с.н.аKLсFX=

J= невозможность дифференциального исследования вклада многоJ численных факторовI=влияющих на развитие дефектностиX=

J= сложность проведения облучения в строго контролируемых услоJ вияхX=

J=высокая наведенная активность облученных образцовX= J=неоднородность радиационного и теплового полей в активной зоне= реакторовK=

На рисKPKNK= приведено распределение температуры и нейтронJ ного потока по высоте активной зоны в реакторе БОРJSMK=

Однако результаты реакторных экспериментов являются= наиболее представительными для инженерных разработок активной= зоны ядерных реакторов и оптимизации условий их работыK=

=

=

РисK= PKN. Типичное распределение флюенса= и температуры= для гильзы компенсирующего стержня реактораW=

N=– температура внутренней поверхности гильзыX= O=– температура внешней поверхности гильзыX= P=– флюенс нейтронов=Eb[MKN=МэВFX=

Q – флюенс нейтронов=EЕ[MF=

NOQ=

=

=

P.1.O. Облучение на ускорителях тяжелых ионов

=

В=NVSV=гK=Мазей и Нельсон провели исследование образцов из= стали МPNSI= облученных ионами кислородаI= углерода и железа при= TOMJ8TRКI= и показалиI= что структура ионно-облученных образцов= сходна со структурой образцовI= облученных в реактореK= Этот экспеJ римент положен в основу нового направления радиационного матеJ риаловедения= – имитации реакторного повреждения путем облучеJ ния заряженными частицамиI=имеющими большое сечение столкноJ вения с атомами мишениK=

Эксперименты на ускорителях тяжелых заряженных частиц =с целью имитации реакторных повреждений проводятся во многих= научных центрахK= Подобные эксперименты проводятся и на сверхJ

проводящих материалахK=

Высокие скорости смещения атомов= ENMJQ= ÷= NMJO с.н.аKLсF= при= ионном облучении позволяют набрать большую дозу за относительJ но короткое времяK= Уровень поврежденияI= достигнутый на реакторе= за два годаI=при облучении на ускорителе может быть превзойден за= два часаK=

Экспрессный метод радиационного испытания на ускорителях= тяжелых ионов в настоящее время широко используется при исслеJ довании процессов зарождения и кинетики дефектов и предвариJ тельной оценке радиационной стойкости материаловI= для этого= успешно применяются ускорители ионов с энергией= MKN÷NM= МэВ= (типа Ван-де-ГрааффаI= циклотронаFK= К ускорителям такого типа= предъявляются следующие требованияW=

Nинтенсивность пучка ионов должна обеспечить в течениеJ не скольких часов облучение материала до дозы=NMOO ион/мOI=что по=

уровню повреждений в смещениях на атом эквивалентно облуJ чению нейтронами=NMOT нейтрона/мOX=

Oускоритель следует ориентировать на получение пучков ионов= атомовI= составлявших основу изучаемого материалаI= во избежаJ ние нежелательных структурных изменений в облучаемом объJ ектеX=

Pконструкция ускорителя должна предусматривать возможность= последовательного или одновременного облучения мишеней= ионами газа и металлаX=

NOR=

=

Qэнергия ускоренных частиц должна составлять= MKN÷NMМэВI= что= позволяет исключить влияние поверхности и ионного внедрения= при облучении тонких сверхпроводящих пленокX=

Rлучше использовать ускорители тяжелых ионовI= работающие в= стационарном режимеI= что исключает необходимость учета влиJ яния импульсивности пучков на процесс образования и кинетики= дефектовX=

Sв ускорителях необходимо создание вакуума= = ~= NMJR= ÷NMJS= = ПаI =

причем парциальное давление химически активных газов=EОOI=НOI= С) не должно превышать=NMJ8=÷NMJV ПаI=так как различные физиJ ко-химические процессы= EокислениеI= диффузияFI= протекающие= на поверхности облучаемых образцовI=могут отразиться на качеJ стве получаемой информацииX=

Tускорители тяжелых ионов должны быть снабжены рядом спеJ

блюдения перечисленных условий и возможности облучения выJ соко энергетичными ионамиI= особые требования предъявляются= к мишенному комплексу ускорителейK=

ОбразцыI=облученные на ускорителях заряженных частицI=не= обладают наведенной активностьюK= Использование ускорителей заJ ряженных частиц позволяетW=

·осуществлять строгий контроль дозыI= температуры и других= параметров облученияX=

·проводить эксперименты при циклических и других нестациJ онарных режимах облучения по намеченной программеX=

·предварительно= Eимпульсно или непрерывноF=вводить атомы= других элементов в любом соотношении с числом смещенных атоJ мовX=

·набирать дозыI= не достигаемые в действующих ядерных= установкахX=

NOS=

=

лупроводниковых кристалловK=

Уровень повреждений сложным образом изменяется вдоль= траектории ионов=EрисKPKOI=PKPF=для экспериментального построения= профиля повреждений используются следующие методыW=

·электронно-микроскопическое стерео исследованиеX=

·электронно-микроскопическое исследование поперечного сечеJ ния облученных образцовX=

·послойное электронно-микроскопическое исследование и исслеJ дование пакетов тонких пленокK=

=

NOT=

=

=

РисKPKOK=Расчетное число смещений на одну падающую чаJ стицу в=kbPpn=от глубины проникновенияW==

N=– ионы=T~HP=EbMZTKRМэВFX=O=– ионы=kiHO=EbMZRKMМэВFX=P=– ионы=CHO= EbMZOMKMМэВFX=Q=– ионы=eHN=EbMZNKPМэВFX==

R=– нейтроны=EbMZNQМэВFX=S=– нейтроны=EbMZN=МэВF=

=

=

РисKPKPK=Экспериментальные профили повреждений и расJ пределения имплантированных частиц при облучении=kb=мишени=

ионами=kb=EbMZPМэВX=jZ=NMON=NLмOF=

NO8=

=

=

Метод послойного электронно-микроскопического исследоваJ ния заключается в исследовании тонких слоевI= представляющих соJ бой продольные сечения образцов по глубине поврежденного сдояK= Одна из методических задачI =которую следует решитьI – выход в= слой на заданную глубинуK=Для этой цели вначале с облученной поJ верхности удаляют слой заданной толщиныI= а затем утоняют обраJ зец с противоположной поверхности до толщиныI= пригодной для электронно-микроскопических исследованийK=

Применение пакетов тонких пленок для исследования распреJ деления радиационных дефектов вдоль пробега частицI= в мишени= имеет ряд преимуществ методического характераK= Во-первыхI= тонJ кие пленки сразу после облучения можно исследовать в электронном= микроскопеI =в то время как во всех предыдущих методах облученJ ные образцы должны проходить через кропотливую стадию пригоJ товления электронно-микроскопических объектовK= Во-вторыхI= поJ скольку толщины пленок известны достаточно точноI= отпадает= необходимость в определении толщин просматриваемых в электронJ ном микроскопе объектовK=Для определения распределения радиациJ онных дефектов по глубине набираетсяI= облучается и исследуется= пакет пленок с общей толщинойI= сравнимой с величиной проективJ ного пробега ионов в материалеK=

=

P.1.P. Облучение в высоковольтном электронном микроскопе

=

Электроны с энергией=N÷NM=МэВ вызывают смешение атомов и= создают в металлах дефекты в виде отдельных пар ФренкеляK=В свяJ зи с чем высоковольтный электронный микроскоп=EВВЭМF=с пучкаJ ми электронов энергией= N= МэВ и выше широко используется =не только как высокоразрешающий исследовательский инструментI= но= и как ускоритель электроновK= В современных электронных микроJ скопах плотность электронного потока достигает=OK×NMOQ=NLEмO×сFI=при= этом скорость повреждения в металлах составляет=NMJQ=÷NMJO с.н.аKLсI= что на=PJQ=порядка выше скорости поврежденияI=реализуемой в реакJ торных условияхK= Преимуществом ВВЗМ является возможность обJ лучения относительно толстых=Eдо=P= мкмF=мишеней и исследование= процесса развития радиационно-индуцированных дефектов структуJ

NOV=

=

ры в динамикеK=Это имеет особое значение при изучении механизмов= радиационно-индуцированного разупорядочения и фазовых перехоJ дов структурыK=

=

P.1.4. Основные преимущества и недостатки экспрессивных методов радиационного испытания

Основными преимуществами экспериментов с облучением обJ разцов на ускорителях заряженных частиц являютсяW=

·увеличение скорости повреждения =доNMJQ÷NMJO с.н.аKLс по= сравнению с=NMJT=÷NMJS с.н.аKLс в условиях реакторного облученияX=

·возможность дифференциального исследования многочисJ ленных факторовI==управляющих формированием дефектовX=

·возможность избирательного введения примесей в исследуеJ мые объектыX=

·возможность непосредственного исследования эволюции деJ фектной структуры при облученииX=

·отсутствие наведенной активностиX=относительно низкая стоJ имость экспериментаK=

Однако наряду с перечисленными достоинствами в имитациJ онных экспериментах имеются существенные недостатки и сложноJ стиK= Во-первыхI= при облучении материала заряженными частицами= необходимо знать и воспроизводить структуру первичных радиациJ онных поврежденийI= соответствующую имитируемойK= Во-вторыхI= для выполнения условий равенства отношения скорости генерации= точечных дефектов и скорости их преобразования или исчезновения= на стокахI= подобия прохождения сопутствующих диффузионных=

процессовK= При больших скоростях генерации точечных дефектов= это требование может приводить к необходимости повышать темпеJ ратуру облучения= Eтемпературный сдвигFI= т.еK= в имитационных эксJ периментах не всегда воспроизводятся характерные для натурного= эксперимента условияK= Кроме тогоI= для ускоренного воспроизводJ ства каждого из диффузионныхпроцессов требуется свой темпераJ турный сдвигI=что дополнительно усложняет установление корреляJ ции развития этих процессовK=Учет данного обстоятельства особенно= важен для сложных сплавовI= в которых указанный температурный= сдвиг может вызвать изменения в структурно-фазовых превращениJ

NPM=

=