РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе были изучены природные материалы из месторождений Украины: пирофиллиты Al2[Si4O10](OH)2 двух типов и щелочные полевые шпаты (ортоклаз K(Na)AlSi3O8 и альбит Na(Ca)AlSi3O8); синтетические материалы: пирофиллит Al2[Si4O10](OH)2, синтезированный в институте Геологии и геохимии АН УССР, и монокристаллы арсенида галлия GaAs, марки АГЧП, выращенные по методу Чохральского на заводе чистых металлов (г.Светловодск).
2.1. Методы обработки материалов
Высокотемпературные отжиги исследуемых объектов производились на воздухе в трубчатых электрических печах сопротивления типа СУОЛ с силитовым нагревателем. Измерение температуры проводилось с помощью хромель-алюмелевых и платино-родиевых термопар (до 1800°С), с точностью ± 10°С. Выдержка при отжиге составляла 3... 6 часов. Нагревание производилось постепенно, вместе с печью, как и охлаждение образцов.
Облучение электронами образцов пирофиллитов и полевых шпатов производилось на линейном ускорителе электронов (ЛУЭ-40), с энергиями
5 и 10 МэВ и плотностью тока J = 1,41·102 мкА/см2, с принудительным охлаждением образцов сжатым воздухом (интервал температур 100... 220°С, дозы 1·1016... 1,4·1019 см-2).
Облучение электронами образцов GaAs производилось на линейном ускорителе электронов (ЛУЭ-40) с энергией Е = 6 МэВ и плотностью тока
J = 0,1... 1,2 мкА/см2, D = 1013... 1015 см-2 при комнатной температуре.
2.2. Обоснование выбора типа и энергии бомбардирующих частиц
Как было указано в предыдущих разделах, исследованные в диссертации материалы могут быть использованы в качестве компонентов матричных композиций для иммобилизации радиоактивных отходов, в виде защитных и изоляционных элементов в ядерной энергетике, а также в космических аппаратах в качестве датчиков излучения. Основными видами излучения, которым будут подвергаться материалы в данных конструкциях, являются высокоэнергетичные электроны и ? - кванты.
При прохождении электронов через вещество большая часть их энергии непосредственно расходуется на ионизацию атомов и меньшая - на смещение. Причем минимальная энергия, которую необходимо передать атому для его смещения, не зависит от вида налетающей частицы и для металлов и полупроводников находится в интервале Еd = 20... 40 эВ [28].
При взаимодействии ? - квантов с веществом основным механизмом, приводящим к смешению атомов из узлов решетки, является осуществление двухстадийного процесса. На начальном этапе происходит выбивание электронов, которые в дальнейшем создают повреждения и ионизируют электронную подсистему.
Для расчетов минимальной энергии Emin, которой должны обладать электроны, чтобы создавать смещения атомов в твердом теле, необходимо учитывать, что интересующий нас интервал энергий находится в МэВ-ной области. В этом случае для расчета минимальной энергии необходимо использовать релятивистскую механику и пользоваться соответствующей формулой [28]:
Еd = 2Emin[Emin + mec2]/ Mc2 (2.1)
где me - масса электрона, М - масса атома вещества, с - скорость света.
Расчеты, выполненные с использованием формулы (2.1), показывают, что для пирофиллитов и полевых шпатов минимальная энергия электронов, необходимая для смешения атомов кислорода и водорода (Еd = 25 эВ) - наиболее "дефектоуязвимых" компонентов данных материалов, будет равна 160 кэВ и 11 кэВ, соответственно.
Минимальная энергия ? - квантов определяется из условия, что фотон, полностью поглощенный электроном, сообщает ему энергию, равную Emin. Поэтому минимальная энергия ? - квантов, необходимая для смещения атомов, будет практически совпадать с минимальной энергией электронов. Таким образом, можно с достаточной степенью надежности утверждать, что результаты по дефектообразованию в твердых телах, облученных высокоэнергетичными электронами, будут весьма близки к полученным с использованием высокоэнергетичных ? - квантов.
Стандартные толщины исследованных объектов равны ~ 1 мм. Расчеты глубины проникновения электронов с энергией Е ? 5 МэВ, выполненные на основе программы STRIM [77], показывают, что в таких материалах, как пирофиллит, полевые шпаты и арсенид галлия вся толщина образцов будет подвержена дефектообразованию.
Максимальная энергия, которую получат первично смещенные атомы кислорода и водорода, будет равна 5,6 кэВ и 179,2 кэВ, соответственно. Атомы с такими энергиями в процессе потери энергии на последующие столкновения будут создавать каскады смещений.
Для расчета числа смещений на атом (сна), создаваемых такими атомами, была использована формула Кинчина-Пиза [78]:
N = 0,52 E/Ed (2.2)
При дозе электронного облучения 1018 см-2 уровень смещений по кислороду в полевых шпатах будет равен 1·10-4 сна, а по водороду в пирофиллите - 1·10-5 сна. Полученные значения достаточны для создания нарушений в данных объектах.
В бинарных полупроводниках типа GaAs существуют два значения пороговой энергии смещения. Каждая из них связана с процессом удаления из узлов решетки одного из двух компонентов соединения.
В работе [79] приведены данные о порогах дефектообразования в GaAs. Минимальная энергия Ed для атомов Ga ? 9 эВ, а для As ? 9,4 эВ, что намного меньше, чем у металлов. При этом энергия электронов должна быть не ниже 230 кэВ для того, чтобы при лобовом столкновении первичных электронов с атомами Ga последние приобрели минимально необходимую энергию для своего смещения ? 9 эВ. Для смещения атомов As энергия электронов составляет 260 кэВ.
Возможен и другой механизм образования радиационных дефектов в полупроводниках. При облучении GaAs можно предположить существование значительного влияния ионного характера межатомных связей на процесс дефектообразования.
В полупроводниковой решетке могут реализовываться условия передачи энергии, когда радиационные дефекты появляются при энергиях, не достигающих пороговой эн