Радиационные нарушения

Кларк [39,40] изучал оптические характеристикиMgO, подвергнутой действию различных видов излучения. Кристаллы MgO облучали ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами и нейтронами. Им было проанализирована схема образования полос поглощения, а также их светового и термического восстановления, предложена модель активации под действием ультрафиолетовых лучей и сделана попытка объяснить некоторые результаты рентгеновского и нейтронного облучения. Он исследовал роль примесей в MgO и сделал вывод, что радиационные изменения оптических свойств не зависят непосредственно от примесей. По степени эффективности в образовании полос поглощения виды излучения располагаются в следующем порядке: нейтроны, электроны, рентгеновские лучи. Вопрос о влиянии облучения на оптические свойства MgO обсуждается в работе Биллингтона и Кроуфорда [21 ]. Верц и др. [214, 215] применили технику электронного спинового резонанса для изучения центров окрашивания в MgO и объяснили полосы поглощения на основе химических изменений примесей переходных элементов, содержащихся в MgO.

По определению влияния радиации на стабильность MgO проведено немного работ, однако можно ожидать, что радиационные изменения практически подобны тем, которые происходят в А1203 и ВеО. Возможно, существует одно исключение: А^Оз и особенно ВеО подвергаются анизотропному расширению под облучением, в значительной мере определяющему их нестабильность; возможно, что MgO не будет вести себя подобным образом, так как имеет простую структуру типа NaCl.

На основании ограниченного количества данных можно считать, что ТЮ2 меняет свои свойства, подобно другим обсуждавшимся керамическим материалам. Данные по ТЮ2 приведены в табл. 4.8, из которой следует, что радиационные изменения размеров незначительны, а уменьшение теплопроводности довольно велико. Предположение, что ТЮ2 обладав высокой пороговой энергией для радиационных дефектов, позволяет сделать вывод о его высокой радиационной стабильности. Однако, если дефек* ты все же образуются, тетрагональная кристаллическая структура TiO< может оказаться неустойчивой к облучению (наиболее устойчивой к облучению структурой обычно считается кубическая).

Рис. 4.31. Радиационные изменения теплового сопротивления графита (облучение в охлаждаемом канале) [226]:

Цемент и бетон в поле ядерных излучений применяют главным образом для защиты. В зависимости от специфики применения их как защитных материалов представляют интерес радиационные изменения прочности, сопротивления тепловому удару и степени износа.

радиационных нарушений. Радиационные изменения свойств изучают с помощью различных методов: электронной микроскопии, механических испытаний, изучения твердости, оптической микроскопии.

При сравнении объемных и пленочных угольных сопротивлений часто указывалось, что последние более склонны к воздействию излучения. Так как некоторые объемные угольные сопротивления представляют собой пленку на стеклянной подложке, то возникает вопрос о сравнимости таких сопротивлений с пленочными сопротивлениями. С целью выяснения, какое излучение (у-излучение или быстрые нейтроны) вызывает радиационные изменения, в работе [30] был исследован ряд различных сопротивлений. Опытный образец содержал 12 сопротивлений с номиналом 10 ком и мощностью 2 вт, причем среди них были как пленочные, так и объемные.

Радиационные изменения в электроизоляционных материалах и изоляторах носят как переходной, так и остаточный характер, в зависимости от типа материала (органический или неорганический), состава изолятора, вида излучения, мощности дозы, времени облучения и таких условий, как влажность и температура окружающей среды. Все эти факторы связаны друг с другом, и эффект, вызванный их взаимодействием, может быть исключительно сложным.

Было проведено много исследований по изучению влияния излучения на большинство наиболее известных кристаллов. Несколько десятков лет назад для точной регулировки частотных характеристик кристаллов использовали облучение рентгеновскими лучами, так как при этом образовывались квазипостоянные радиационные изменения. В таких случаях .влияние излучения вызывало понижение частотной характеристики до некоторой точки насыщения. Эти изменения имели обратимый характер, что доказывалось восстановлением частоты до первоначальных значений после отжига.

При написании книги авторы, обобщив результаты как отечественных, так и зарубежных исследований по графиту, предложили методы, позволяющие расчетным путем оценивать радиационные изменения некоторых свойств реакторного графита. Большое внимание уделено влиянию пористости и степени совершенства кристаллической структуры графитовых материалов (в основном отечественного производства) на их физико-механические свойства как в исходном состоянии, так и после облучения.

Можно привести длинный перечень методов определения температуры в ядерных реакторах. Однако специфика их использования требует особого рассмотрения. Датчик температуры в активной зоне реактора подвергается влиянию не только механических и химических факторов, но и воздействию интенсивных потоков ионизирующих излучений. Облучение вызывает радиационные изменения свойств материалов и приводит к радиационному «легированию» вследствие ядерных реакций [122].

Надо заметить, что радиационные повреждения силиконов в инертной атмосфере меньше, чем на воздухе. Если каучук во время облучения покрыт смазочными материалами или погружен в жидкое горючее или в гидравлические жидкости, то разрушение его, особенно в отсутствие воздуха в системе, уменьшается. При некоторых деформациях, например при растяжении, закручивании, срезе и распухании, радиационная стойкость понижается. С другой стороны, при сжатии радиационные нарушения могут уменьшаться.

В работе [2] Борзов с сотр. сравнили характеристики mix-6vic(mix-феноксифенокси)бензола* и бис(гшо;-феноксифенил) эфира с эксплуатационными характеристиками машинной смазки MIL-L-9236 на основе сложного эфира, применяемой для газотурбинных двигателей. В этих исследованиях было установлено, что жидкости на основе полифенильных эфиров оказались лучше, чем смазки на основе обычных сложных эфиров, хотя жидкости обоих типов сохраняли в равной мере смазочные свойства вплоть до точки полного разложения. При облучении дозами меньше 1 • 109 эрг/г радиационные нарушения незначительны, и разложение смазки обусловливается термическим и окислительным воздействиями. Однако при облучении дозами выше 1 • 1010 эрг/г преобладают радиационные превращения. Как было показано, полифенильные эфиры с успехом можно использовать в авиационных шестеренчатых передачах и подшипниках. По сравнению с жидкостями на основе обычных сложных эфиров они могут работать при более высоких (на 100°) температурах и, кроме того, имеют десятикратное преимущество в радиационной стойкости.

Восстановление искаженной структуры происходит постепенно во время отжига. При температурах ниже 400° С внедренные атомы диффундируют и образуют атомно-вакансионные промежуточные пары, которые затем аннигилируют. При температурах отжига от 400 до 1000° С радиационные нарушения восстанавливались в результате образования и расформирования групп внедренных атомов. При температуре'отжига выше 1100° С восстановление повреждений, вероятно, происходило при мигра-' ции вакансий.

Изменения различных механических, физических и химических свойств графита, вызванные облучением, могут быть уменьшены за счет отжига при температурах выше температуры облучения. Восстановление радиационных нарушений при термической обработке больше зависит от температуры, чем от продолжительности отжига [266]. Исходное электросопротивление графита, облученного при 35°С и отожженного при 210°С, восстанавливалось на 70% за 25 ч и только на 75% за 700 ч отжига. Графит, облученный при —196°С, восстанавливал радиационные нарушения при температуре ниже —130°С, а изменения тепло- и электропроводности не восстанавливались до температур —70 и —20°С соответственно

что графит, облученный при одной температуре, а затем при другой, более высокой, имеет меньше радиационных нарушений, чем после первого облучения при низкой температуре [226] (рис. 4.47). Графит, облучавшийся только при низкой температуре, должен термически отжигаться при температурах много больших, чем температура второго, высокотемпературного облучения, для того чтобы радиационные нарушения снизить до уровня, соответствующего облучению при низкой и высокой температурах [159]. Разница на порядок величины наблюдалась между свойствами графита, облученного одинаковым потоком при 150 и 30° С [226]. В некоторых случаях требовался термический отжиг при 1300°С, чтобы удалить нарушения, которые могли были быть удалены облучением при 335 °С [159]. Деформация, x10'Jсм/см Явление радиационного отжига

В табл. 5.3 и 5.4 приведены данные по ударной вязкости облученных углеродистых и низколегированных сталей. Из таблиц видно, что температура перехода материала из пластичного состояния в хрупкое при облучении повышается. Это увеличение может достигать 260° С. Привести все представленные данные в соответствие весьма трудно вследствие различий в геометрии образцов и условиях облучения. Однако Хауторн и Стил сообщили [38], что достигнуто хорошее согласие значений ударной вязкости нескольких сталей, полученных на копровых образцах и образцах Шарпи с V-образным надрезом (рис. 5.4). Эти опыты иллюстрируют также тот факт, что многие радиационные нарушения, если они отражаются на изменении ударной вязкости, могут быть уменьшены или устранены высокотемпературным отжигом (см. табл. 5.3).

Механизм радиационного отжига очень сложен и окончательно еще не ясен. В большинстве случаев нельзя даже считать, что в процессе отжига происходит рекомбинация части пар, а остальные пары переходят в более стабильное состояние. В качестве вероятного механизма радиационного отжига рассматривалась также возможность группировки вакансий (кластеры) с образованием больших пустот. Как правило, при повышенных температурах все радиационные нарушения исчезают.

Таким образом, любые радиационные нарушения уменьшают время жизни неосновных носителей и приводят к заметному ухудшению работы полупроводниковых приборов, требующих относительно большого времени жизни, например транзисторов и мощных выпрямителей. Эффективность центров рекомбинации, возникших при облучении, существенно различается в зависимости от материала полупроводника. Например, дефекты в кремнии, облученном нейтронами, оказываются приблизительно в 10 раз эффективнее, чем дефекты в германии, даже с учетом большей скорости образования дефектов в кремнии.

На бассейновом реакторе мощностью 2 Мет (Институт Бэттла) были изучены радиационные нарушения в некоторых типах транзисторов, выпускаемых фирмой «Техас инструменте» [74]. По всей экспериментальной зоне реактора была тщательно промерена карта нейтронных доз, и для каждого опыта с помощью алюминиевых и серных пороговых детекторов определяли интегральный нейтронный поток. Для ослабления потока тепловых нейтронов до 1 % от потока быстрых нейтронов использовали кадмиевые экраны. Интегральная доза облучения соответствовала потоку быстрых нейтронов 1014 нейтрон/см2 и 108 эрг/г по у-излучению. Измерения диэлектрических параметров,проводили до, во время и после облучения. При температуре 25° С до и после облучения измеряли напряжение пробоя коллектор — база VCBOI либо напряжение пробоя эмиттер — база VEBO, либо прямое напряжение эмиттер — база VBE. При температуре

Радиационные нарушения трудно проанализировать без точного знания воздействия излучения на основные элементы электронных систем. Поскольку основная функция сопротивлений сводится к регулированию условий работы и контроля, то любые изменения, вызванные излучением, могут привести к массовому взаимодействию элементов. Для создания схем, способных устойчиво работать в интенсивных радиационных полях, необходим тщательный отбор сопротивлений, стойких к радиационным нарушениям.

Как указывалось выше, эпоксидные смолы становятся хрупкими и науглероживаются. Отмечалось также, что сплавы подвергаются большему воздействию излучения, чем более чистые элементы. Таким образом, возможно, что с повышением содержания чистого углерода в сопротивлениях влияние излучения на них снижается. Изменение относительного положения или прочности сцепления между связкой и углеродом также может давать вклад в радиационные нарушения. Однако экспериментальных! исследований на различных материалах для сопротивлений еще не проведено. Поэтому предложенные гипотезы в настоящее время нельзя ни принять, ни отвергнуть.