Электромагнитные эффекты в радиодиапазоне, связанные с динамикой радиационных дефектов в диэлектриках

Ч-/1 ДАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5
ГЛАВА 1. Литературный обзор
1.1. Электрические и электромагнитные эффекты
в диэлектрических материалах............................. 13
1.2. Электрические эффекты при разрушении твердых тел 19
1.3. Электрические и электромагнитные эффекты
при пластической деформации ионных кристаллов............26
1.4. Радиационное дсфсктообразованис и отжиг радиационных дефектов в ионных кристаллах..........................36
1.4.1. Центры окраски в кристаллах 1лГ...................43
1.4.2. Радиационные дефекты и центры окраски в кристаллах окиси магния..........................................49
1.4.3. Особенност и образования и отжига радиационных дефектов в кристаллах кварца......................... 53
ГЛАВА 2 . Методика исследований.................................59
2.1. Отбор и приготовление образцов для исследования.......60
2.1.1. Облучение кристаллов.............................. 64
2. 1.2. Расчет поглощенной дозы при облучении электронами .. '65 2.1.3 Влияние мощности дозы облучения на эволюцию радиационных дефектов в щелочногалоидных кристаллах .... 69
2.2. Методика исследования термолюминесценции в диэлектриках..........................................75
2.3. Методика измерения гермостимулированной проводимости..........................................79
2.4. Аппаратура и методика исследования электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне............................. 86
2.4.1. Выбор датчиков.................................... 87
3
2.4.2. Согласование электрического датчика с измерительной схемой.................................. 92
2.4.3. Блок - схема регистрации сигналов
термостимулированной электромагнитной эмиссии............. 100
2.4.4. Исследование характеристик термостимулированной
9
электромагнитной эмиссии................................... 106
ГЛАВА 3. Электромагнитные эффекты в радиодиапазоне,
обусловленные электронными и ионными процессами при нагревании ионных кристаллов......................... 117
3.1. Термостимулированная электромагнитная эмиссия при релаксации радиоэлектретного состояния в
кристаллах фтористого лития............................... 118
3.2. Взаимосвязь эффекта I енерирования электромагнитной эмиссии с термостимулированной люминесценцией в щелочногалоидных кристаллах...........................122
3.3. Термостимулированная электромагнитная эмиссия в кристаллах окиси магния.............................. 131
3.4. Эффект радиационной памяти в ионных кристаллах 139
ГЛАВА 4. Электромагнитные эффекты в радиодиапазоне.
связанные с термоактивированным движением дислокаций в ионных кристаллах......................................... 151
4.1. Генерирование электромагнитной эмиссии при термоактивированном движении дислокаций в щелочногалоидных кристаллах................................. 152
4.2. Радиочастотная электромагнитная эмиссия в ионных кристаллах при термомеханической акт ивации.....174
ГЛАВА 5. Электромагнитные эффекты в стеклообразных
диэлектриках................................................... 181
5.1. Результаты амплитудно-частотного анализа
электромагнитного излучения при нагревании
образцов технического стекла........................... 182
5.2 . Влияние облучения на электромагнитные эффекты
в стеклах...............................................199
ГЛАВА 6. Термостимулированная электромагнитная эмиссия
в ионно - ковалентных кристаллах........................205
6.1. Генерирование радиочастотной электромагнитной эмиссии при электронно - дырочных рекомбинационных процессах в кварце..................................205
6.2. Термостимулированные люминесценция и электромагнитная эмиссия в кристаллах топаза........213
ГЛАВА 7.Электромагнитные эффекты в радиодиапазоне,
связанные с электронно-дырочными процессами ............228
7.1. Регистрация термостимулированной электромагнитной эмиссии щелочногалоидных кристаллов, облученных при температуре жидкого азота...........................228
7.2. Фотостимулированная электромагнитная эмиссия
в аддитивно окрашенных кристаллах.......................231
7.3. Особенности генерации электромагнитной эмиссии в ионных кристаллах при радиационном стимулировании 234
7.4. Механизмы генерирования электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне при электронно - дырочных рекомбинационных процессах в диэлектриках...........239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................246
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................254
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Исследования электромагнитных эффектов в радиодиапазоне, наблюдающихся при механическом разрушении различных диэлектриков, проводятся, начиная с 60-х годов, с целью поиска электромагнитных предвестников разрушения и разработки методов неразрушающего контроля качества материалов. Образование свежих заряженных поверхностей при отслаивании полиморфных пленок от диэлектрических подложек (Л.А.Тюрикова ) при раскалывании кристаллов (Л.М.Беляев, В.В.Набатов. Ю.Н.Мартышев, В.М.Финкель, Ю.И.Головин, Н.Г.Хатиашвили ) или разрушении их лазерным лучом (К.П.Арефьев, С.А.Воробьев, А .Д. Погребняк) сопровождаются радиоизлучением в результате газоразрядных процессов. За последнее десятилетие достигнуты значительные успехи в исследовании радиочастотной электромагнитной эмиссии при пластической деформации ионных кристаллов, связанной с динамикой заряженных дислокаций ( Головин Ю.И.), при полиморфных и фазовых превращениях в гетерогенных кристаллических диэлектриках (В.Н.Сальников, П.Ф.Зильберман) и жидких кристаллах (Е.Г.Аксельрод, В.А.Добрии), при структурной релаксации в стеклообразных диэлектриках ( М.Д.Бальмаков).
Воробьевым A.A., Завадовской Е.К., Сальниковым В.Н. впервые было экспериментально обнаружено, что радиоизлучение возникает при нагревании минералов и горных пород в определенных температурных ннзервалах протекания физико-химических процессов: выделения
слабосвязанной и конституционной воды (дегидратация), разрушения минерала вследствие взрыва газово-жидких включений (декрепитация), окислительно - восстановительных реакций. полиморфных
превращений в кварце и кварцсодержащих породах. Несмотря на
6
очевидную связь генерации радиоизлучения и процессов разрушения минералов и горных пород при нагревании и механическом воздействии, также отмечалось, что на отдельных минералах ( флюорите, кварце, пирите) наблюдается совпадение максимумов изменения электропроводности, термолюминесценции и интенсивности счета электромагнитных импульсов в области температур выделения запасенной энергии. Такие результаты не могут быть однозначно связаны только с адгезионно - когезионными явлениями при расщеплении, раскалывании или декрепитации твердых тел и предполагают участие электронных и ионных процессов при нагревании минералов без их разрушения. Последнее явление связано непосредственно с отжигом точечных дефектов в минералах и горных породах, но поскольку какие-либо теоретические и экспериментальные сведения о возможности генерирования радиоизлучения при этом процессе отсутствуют как в отечественной, так и в зарубежной научной литературе, то сам факт существования термостимулированного радиоизлучения ставился под сомнение. Изучение электромагнитных эффектов в радиодиапазоне, не связанных с процессами разрушения материала, и определение основных закономерностей их возникновения в этом случае необходимо проводить с использованием достаточно хорошо изученных кристаллов с ионным и ионно-ковалентным типом связи, в которых моделируются дефекты структуры с помощью радиационного воздействия. Эти диэлектрики могут служить модельными объектами при изучении новых физических явлений и закономерностей, свойственных не только этим типам кристаллов, но и присущих большому классу диэлектрических материалов имеющих широкое практическое применение, например, в качестве дозимстров, оптических лазерных сред, конструкционных материалов, работающих в полях ионизирующей радиации.
7
Исследование электромагнитных эффектов в радиодиапазоне при различных воздействиях на кристаллические диэлектрики позволяет не только расширить область изучаемых физических свойств, но и логически завершить весь спектр наблюдаемых электромагнитных явлений в твердых телах. Эти работы представляют собой новое перспективное направление в физике диэлектрических структур -радиочастотно-эмиссионную спектроскопию кристаллических диэлектриков.
Цель работы : исследование явления генерации электромагнитной эмиссии при тепловом, оптическом и радиационном воздействии на кристаллические диэлектрики путем детального изучения качественных закономерностей возникновения в радиочастотном диапазоне сигналов электромагнитной эмиссии вследствие преобразования и отжига радиационных дефектов в кристаллических и стеклообразных диэлектриках, определения характеристик электромагнитной эмиссии, условий и процессов, приводящих к ее генерированию, а также поиск оптимальной методики регистрации наблюдаемых электромагнитных эффектов и определения возможностей метода электромагнитной эмиссии для исследования физико - химических свойств диэлектрических материалов.
Научная новизна. Установлено, что генерирование
электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне при тепловом, оптическом и радиационном воздействии на неорганические диэлектрики является их фундаментальным свойством.
Экспериментально показано, что генерирование различной по характеристикам сигналов электромагнитной эмиссии, возникающей в диэлектриках, обусловлено эволюцией, отжигом и взаимодействиями между1 собой объемных, линейных и точечных заряженных дефектов и
8
отражает динамику релаксационных процессов во временном интервале 20 нсек - 20 мсек.
Впервые экспериментально обнаружено генерирование фотостимулированной электромагнитной эмиссии в радиационно и аддитивно окрашенных щелочногалоидных кристаллах и термостимулированной электромагнитной эмиссии в ЦЦГК, облученных при температуре жидкого азота; возникновение электромагнитной эмиссии связывается непосредственно с электронно-дырочными рекомбинационными процессами и носит квантовый характер.
Экспериментально установлено, что термоактивированное движение дислокаций в ионных кристаллах сопровождается электромагнитным излучением в радиодиапазонс, параметры которого определяются динамикой дислокаций.
Обнаружен эффект радиационной "памяти", заключающийся в проявлении остаточной дефектности после отжига радиационных центров окраски, в природных и синтетических кристаллических диэлектриках.
Разработана высокочувствительная методика регистрации сигналов электромагнитной эмиссии по электрической составляющей в радиодиапазоне частот до 50 МГц, позволяющая обнаруживать сигналы с амтщитудой от 350 мкВ в широком интервале температур. Показано, что определяющее значение имеет согласование электрической антенны-датчика с измерительной схемой регистрации электромагнитных сигналов.
Практическая ценность работы определяется новыми экспериментальными данными о процессах электрической релаксации в диэлектриках, которые определяются динамикой заряженных дефектов. Метод термостимулированной электромагнитной эмиссии применен для неразрушающего контроль качества диэлектрических материалов и
9
изделий с целью выявления макроскопических неоднородностей (пор, трещин, и т.д.), а также остаточной дефектности кристаллов, подвергавшихся ранее воздействию ионизирующей радиации, что следует учитывать, в частности, при восстановлении дозиметрических свойств детекторов ионизирующего излучения и оптических запоминающих сред на основе ионных кристаллов. Предложено использовать температурные зависимости генерирования сигналов электромагнитной эмиссии для изучения динамических параметров движения дислокаций в щелочно-галоидных кристаллах при тепловом и тсрмомеханическом воздействии. Разработан способ диагностики и дозиметрии пучка рентгеновского излучения.
Для Института Технического Стекла (г.Москва) разработаны рекомендации по использованию метода тсрмосгимулированного радиоизлучения для контроля качества материалов и изделий из силикатного стекла с целью выявления в них технологических дефектов. На примере расчленения карбонатных пород палеозойского фундамент нефтегазовых месторождений Томской области по их радиационно-оптическим свойствам на основе эффекта радиационной “памяти”, разработаны практические рекомендации для ПГО "Томскнефть”, "Томскнефтегазгеология” и Томского комитета природных ресурсов при проведении поисково-разведочных работ на нефть. Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс для чтения лекций и практических занятий со студентами по курсам "Физика твердого тела" и "Кристаллография".
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 32 работах и обсуждены на 27 научных конференциях, в том числе: на 111 Всесоюзной научно-технической конференции по
термомеханическим методам разрушения горных пород
(Днепропетровск, 1976); на Всесоюзной конференции "Физика
10
диэлектриков и материалы квантовой электроники” (Москва. 1977); на IV и VI Всесоюзных симопзиумах "Оптические и спектральные свойства стекол" (Рига, 1977, 1986 ); на IV, VI. VII Всесоюзных и VII, IX Международных совещаниях "Радиационная физика и химия ионных кристаллов"( Рига, 1978, 1986, 1989; Томск, 1993, 19%); на Всесоюзном совещании "Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах" (Томск, 1982); на научной сессии Всесоюзного минералогического общества "Роль
технологической минералогии в развитии сырьевой базы СССР" (Ленинград. 1983); на IV и V Всесоюзных и VI и VII Международных совещаниях "Радиационные гетерогенные процессы "(Кемерово, 1986, 1990, 1995, 1998); на X Юбилейном и XI Всесоюзных симпозиумах по механоэмиссии и механохимии твердых тел (Ростов-на-Дону, 1986; Чернигов, 1990), на І, II и III Томских Международных междисциплинарных школах - семинарах “Непериодические бысгропротекаюшие явления в окружающей среде” (Томск, 1988, 1990, 1992), на Второй Международной научно - технической конфференции “Актуальные проблемы фундамеїггальньїх наук” (Москва, 1994), на XIII Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995). на Международной конференеции, посвященной столетию со дня открытия явления радиоактивности и столетию Томского политехнического университета “Радиоактивность и радиоактивные элементы в окружающей среде” (Томск, 1996), на Международной конференции “Закономерности эволюции земной коры” (Санкт-Петербург, 1996), на Международной научно - технической конференции “Диэлектрики - 97” (Санкт-Петербург, 1997), на
Международной конференции “Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов” (Казань, 1997), на научной конференции “Актуальные вопросы геологии и географии Сибири”( Томск, 1998), на
II
Международной конференции “KORUS ‘98” ( Томск, 1998). на Международной конференции “Радиационно - термические эффекты и процессы в неорганических материалах” (Томск. 1998).
Кроме того, материалы диссертации обсуждались на научных семинарах в Институте физики ЛН Латвийской ССР (Рига), в Институте физики АН Эстонской ССР (Тарту), в Институте естественных наук Бурятского филиала СО АН СССР (г.Улан-Удэ), в НИИ физики твердого тела при Латвийском госуниверситете, в НИИ прикладной физики при Иркутском госуниверситете, в Московском и Харьковском госунивсрситетах. в НИИ синтеза минерального сырья (г.Александров), а Дальневосточном Институте минерального сырья (г.Хабаровск), в Забайкальском НИИ министерства геологии СССР (г.Чита), Институте физики при Ростовском госуниверситете.
Личный вклад автора. В основу работы положены результаты экспериментальных и аналитических исследований, полученные автором лично или при его участии. Автором лично определено стратегическое направление исследований. В подавляющем большинстве проводимых изысканий автором непосредственно формулировались исходные предпосылки, определялись цель работы и методы ее достижения, обобщались результаты и делались выводы. Автором разработана методика и создана экспериментальная установка для регистрации электромагнитной эмиссии в кристаллических диэлектриках при оптическом, тепловом и радиационном внешнем стимулирующем воздействии.
В работы, написанные в соавторстве, личный вклад автора является определяющим в формулировке исходных предпосылок постановке задачи исследования, экспериментальной части и обсуждения полученных результатов, разработке теоретических моделей и расчетов.
12
При использовании и обсуждении разработок соавторов и других материалов делаются необходимые ссылки в тексте диссертации.
Объем и стуктура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 173 страницах текста, содержит 70 рисунков, 5 таблиц и
библиографию из 541 наименования.
Защищаемые положения.
1.Генерирование электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне является фундаментальным свойством неорганических диэлектриков и связано с образованием, эволюцией и отжигом объемных, линейных и точечных дефектов при их термическом, оптическом и радиационном возбуждении.
2.Тер.моактивированное движение заряженных дислокаций в ионных кристаллах сопровождается генерированием электромагнитной эмиссии, характеристики которой определяются процессами динамики дислокаций.
З.Элсктромагнитныс эффскгы в радиодиапазоне, сопровождающие преобразование и отжиг центров окраски при фото- или гермостимуляции, обусловлены электронно - дырочными рекомбинационными I фоцссса ми.
13
ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Электрические и электромагнитные эффекты п диэлектрических материалах
Мысль о том, что неравномерное движение микрозарядов в диэлектриках при различных условиях должно вызывать вариации электрических величин, характеризующих макросистему, не нова. Согласно идеям Максвелла, переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным полем, в свою очередь переменное магитнос поле всегда связано с порождаемым им электрическим. Из принципа относительности вытекает, что раздельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет лишь относительный смысл. Электромагнитные явления объединены известными уравнениями Максвелла, в которых определены основные условия возникновения электромагнитных эффектов.
Электрические явления, наблюдающиеся при раскалывании, расщеплении пластической деформации твердых тел, неразрывно связаны с электромагнитными эффект ами и должны рассматриваться как единое целое с целью получения наиболее полной и достоверной информации о состоянии и свойствах изучаемого объекта.
Уже Фарадей знал, что некоторые кристаллы электризуются при деформации и расщеплении [1). Электрические явления, указывающие на образование высоких потенциалов, отмечались Обреимовым [2) в опытах по расщеплению слюды по плоскости спайности. Гесс [3], электрически измерявший заряд, получавшийся после разделения двух диэлектриков, определил, что плотность электризации для различных диэлектриков варьирует от ИХ) до 150 абсолютных электростатических единиц и не зависит от величины площади контакта.
14
11о мнению М.Н.Корнфельда [4], наличие собственного заряда свойственно любому твердому диэлектрику, поскольку все твердые тела несовершенны, а неточность стехиомегрического состава, примеси, дислокации и т.п. неизбежно нарушают электрическую нейтральность. В [5] отмечается, что только следующие возможности происхождения заряда не противоречат закону сохранения:
1) заряд возникает вследствие перетекания электронов из кристалла в электрод (или наоборот);
2) заряд электрода, который прижат или приклеен к кристаллу, является индуцированным зарядом, возникающим вследствие появления у кристалла электрического поля.
Во втором случае, в свою очередь, имеется две возможности:
а) электрическое поле появляется вследствие изменения заряда кристалла, например, в результате эмиссии электронов (или ионов) в окружающий воздух;
б) электрическое иоле появляется при поляризации кристалла, то есть в результате упорядоченного искажения ею кристаллической решетки.
В работах [47-49] Б.В. Дерягиным и Н.А. Кротовой показано, что при отрыве полимерных пленок свежеобразованные поверхности оказываются наэлектризованными противоположными зарядами, что может явиться результатом разделения при отрыве обеих обкладок молекулярного двойного слоя.
Избыточные электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку, обнаружены на поверхности скола при раскалывании ионных кристаллов [6,7]. Возникновение зарядов обусловлено заряженными скоплениями вакансий, имеющимися в объеме кристалла [8]. а также перераспределением электронов или ионов между стенками бегущей трещины в процессе раскалывания и вследствие несовершенства кристаллов [5].
15
Авторы (62). изучая кинетику распространения трещин во внешнем электрическом поле, пришли к заключенияю, что плотность поверхностных зарядов в процессе скола может превышать плотность остаточных зарядов. В [63] было проведено измерение плотности зарядов свсжсобразованных поверхностей в процессе скола кристаллов 1ЛР, величина которой измерялась в пределах от 2 до 50 ед.ССЭЕ. На тех же образцах плотносгь остаточных зарядов, определенная через I минуту после разрушения, не превосходила 6 ед.ССБЕ. В связи с непрерывно идущей релаксацией электризации свежеобразованных плоскостей скола приведенные результаты следует рассматривать как эффективные значения плотности, соответствующие усреднению фактической картины распределения поверхностных зарядов.
По мнению авторов работ [ 9, 20 ], электризация поверхности скола может быть вызвана движением заряженных дислокаций из-за появления касательных напряжений вблизи вершины трещины в несимметрично раскалываемом кристалле. Зеркальные заряженные участки сколов кристаллов 1л Р с примесью имеют, как правило, противоположные знаки и обусловлены неоднородным распределением примеси при выращивании кристалла [10].
Г'.И.Дистлером с сотрудниками [11-14] с помощью методов микроскопического декорирования установлена сложная электрическая структура поверхности сколов ионных кристаллов. Активными электрическими местами реальных кристаллов, кроме единичных точечных дефектов, являются сложные активные центры -группировки точечных дефектов [15,16], а также микро- и макроскопления точечных дефефктов [17,18]. Выявляются также включения новой фазы и двойные электрические слои, состоящие из заряженных примесей и вакансий и образующиеся на поверхности кристалла, пор, включений, трещин и других неоднородностей [19,41].
16
Скопления точечных дефектов могут достигать очень больших размеров, порядка соген и тысяч ангстрем, и это показывает, что реальные кристаллы следует рассматривать как сложные, электрически м икрогетерогенные системы, состоящие из областей дефектной структуры. Электрическая гетерогенность возникает в результате локальною скопления вакансий, междоузельных атомов, примесей. Реальные кристаллы обладают, наряду с электрической микрогетерогенностью, также и электрической макрогетерогенностью, которая четко выявляется на стадии роста декорированных кристаллов.
М.С.Мециком выполнен ряд работ [20-24], касающихся электрического состояния свежсобразованной поверхности кристаллов слюды. Прямыми, весьма тонкими экспериментами доказано существование мозаичной картины поверхностей электризации свежих сколов, определены величины поверхностной плотности зарядов при различных скоростях расщепления, а также в различных условиях внешней среды, установлены закономерности рассеяния этих зарядов со временем и другие зависимости.
Общая феноменологическая картина явлений, протекающих на поверхности кристалла слюды, представляется следующим образом. Ионы калия К+ вместе с ионами кислорода О2' (или ОН ) образуют мощную систему диполей (г < 4 А), рс1Л’Лярно распределенных среди ковалентно связанных атомов А1 и пакета [26,27]. Прочность взаимных связей пакетов по плоскостям спайности в основном определяется вандерваальсовыми силами взаимодействия диполей. При расщеплении кристаллов слюды но спайности электрон от одного из атомов кислорода смежного пакета переходит на некоторые ионы калия К*. В этих точках появляется нескомпенсированный положительный заряд А1 или 51. На противоположной стороне возникает отрицательный заряд, связанный с О2- или ОН . При этом переходе ион калия К*
17
нейтрализуется, а на поверхноаи пакета образуется электростатически заряженные площадки.
Вклад в поверхностную электризацию при расщеплении могут давать и некоторые типы дефектов, наблюдаемые в некоторых слюдах: следы от осколков деления тяжелых элементов и дефекты типа дислокаций [28].
Существование на поверхности реальных кристаллов электростатической мозаики было установлено электрометрическими [25] (с помощью зонда) и электрическими [7.29] измерениями, а также методами дифракции медленных электронов [27] и декорирования [11.18.30].
Важным следствием электрического рельефа поверхности кристаллов является возникновение далыюдействующих эффектов, в которых проявляется объемный характер поверхностных явлений. Далыюдсйствующне эффекты проявляются, в частности, в том, что на внешней стороне неупорядоченных граничных слоев, приготовленных на поверхности кристалла, протекает ориентированная кристаллизация [17.31.32]. Аморфные граничные слои не только передают структурную информацию, но и "запоминают" ее после отделения от поверхности кристаллов [33]. Дальнодейсгвующие эффекты объясняются возникновением с граничных слоев внутренней поляризации электрегного типа [18,34].
Необходимо также отметить, что на поверхносги скола ионных кристаллов обнаружены и нити [35], по своим свойствам близкие к описанным в литературе пробоям [36]. Полученные картины декорирования отражают возникающие в процессе скола микропробои, которые связаны с электрической прочноегью обраща. Выявляемые линейные поляризационные мостики возникают между разноименно заряженными точечными дефектами и их скоплениями, поскольку
18
именно в этих местах напряженность электрического поля имеет максимальное значение. Поляризационные линейные структуры часто наблюдались в сложных активных центрах, скоплениях радиационных дефектов, в двойных электрических слоях на границе двух твердых фаз, причем, как правило, они ориентированы по определенным кристаллографическим направлениям. Линейные поляризационные мостики в кристаллах являются своеобразными "проводами", по которым может предпочтительно происходить миграция зарядов и энергии, а также диффузия атомов, ионов и молекул [37]. Возникновение таких поляризационных структур, очевидно, является характерной и общей особенностью реальных кристаллов. Появление непрерывной цепочки поляризационных каналов в объеме кристалла может привести к электрическому пробою [38].
По мнению М.И.Молоцкого [39], группировки точечных дефектов, образующие сложные электрически активные центры, могут появиться в самом процессе скола под действием механоэлектронов, генерируемых на фронте растущей трещины. Однако, линейная плотность заряда заряженных скоплений дефектов и ступеней скола на свежих поверхностях недостаточна для электрического пробоя, поэтому формирование микропробоев, выявляемых декорированием, и распространение разрядов возможно только в виде волны ионизации [40].
Таким образом, совокупность приведенных экспериментальных данных, полученных в последние годы в области электрических эффектов на поверхности твердых тел, дает убедительные основания расматриватъ электрические явления как матричные репликаиионные процессы, запрограммированные в электрически активной (информационной) структуре реальных твердых тел.
19
В настоящем обзоре мы не будем подробно рассматривать вопросы электризации твердых тел при различных внешних воздействиях (электрического ноля, облучения заряженными частицами и так далее), приводящих к образованию электретного состояния [42-46, 92, 93]. Но отметим, что образование и релаксация объемного заряда, термо-, радиоэлектретного и др. состояний могут приводить к появлению переменных электрических полей и к электромагнитным эффектам.
И в первую очередь нас будут интересовать электромагнитные явления в радиодиапазоне частот.
1.2 Электрические эффекты при разрушении твердых тел
Электрические эффекты, сопровождающие сложный процесс разрушения (включающий в себя как стадию и пластическую деформацию) изучены в настоящее время недостаточно хорошо. Причиной этому является большое разнообразие электрических явлений, связанных с процессами аккумуляции и трансформации механической энергии [50]. Среди них следует отмегигь образование избыточных электрических зарядов на плоскостях трещин, генерацию электрических разрядов и электромагнитного излучения в чрезвычайно широком диапазоне (от радиочастот до видимого света), а также эмиссию быстрых электронов.
Наблюдение отрыва полимерных пленок от поверхности кристалла показывает, что при увеличении скорости отрыва последний сопровождается свечением (видимым в темноте) и треском, указывающим, что при этом имеет место собственно разряд, к появлению которого приводят большие разности потенциалов, возникающие на свежеобразованных поверхностях, наэлектризованных противоположными зарядами [47-49,51-53]. (В высоком вакууме
20
образующееся в узком зазоре сильное электрическое ноле вызывает эмиссию электронов 154,55]). Этот эффект связывается с явлением триболюминесценции, причиной которого является электрический разряд в развивающейся микротрещине [51,56,57]. При этом в результате флуктуации заряд неравномерно распределяется на противоположных стенках трещины, что обусловливает возникновение большой разности потенциалов и пробой газового промежутка в начальной стадии разрушения.
Л.А.Тюриковой и соавторами [58] обнаружен эффект генерирования радиоволн при адгезионных явлениях. По их мнению, именно наличие радиоизлучения служит строгим доказательством возникновения газового разряда, так как причиной радиоизлучения является газоразрядный процесс в образующемся зазоре между отрываемыми поверхностями, где возникает своеобразный ускоритель, благодаря существованию полей высокой напряженности. Электроны, ускоряясь полем, набирают достаточную скорость для ударной ионизации встреченных молекул и образования лавин положительных и отрицательных ионов, то есть газоразрядной микроплазмы. Движение частиц в плазме является причиной возникновения колебаний различных частот от акустических до радиочастот с длиной волны порядка дециметра [59]. Радиоизлучение носит импульсный характер. Частотный спектр сигналов, как это и должно быть у импульсных сигналов, относительно широк. Для разных полимеров не только радиодиапазон, но и форма и структура радиоимпульсов оказываются различными, что связано с химической природой отрываемых поверхностей [53,59].
Всплески электрического потенциала, свечение, акустические и электромагнитные импульсы наблюдались в [60] при разрушении кристаллов 1лГ. Появление разнополярных импульсов электромагнитного излучения в диапазоне до 1,5 МГц,
21
сопровождающих световые вспышки (длительностью 10к - К)-7 с
соответствующей времени искрового разряда) и акустические эффекты, связывается с электрическим разрядом, который возникает между разламывающимися частями кристалла [61).
Регистрируемое как по электрической, так и по магнитной составляющей электромагнитное излучение в радиочастотном диапазоне при разрушении кристаллов 1лI ' обусловлено, по мнению авторов [62], возникновением, перемещением и релаксацией зарядов в процессе разрушения. О конкретном же механизме электрических и электромагнитных эффектов при разрушении кристаллов можно будет говорить только при ясном понимании причин, обусловливающих разделение зарядов в вершине движущейся трещины и установлении количественных оценок плотности заряда на поверхности скола [63].
Авторы [64] наблюдали импульсное электромагнитное излучение в широком диапазоне частот при механическом нагружении образцов минералов и торных пород, обусловленное процессами трещи нообразования. Исходя из оценок плотности заряда на поверхности сколов кристаллических тел ( ~ 1(Н Кл/см2 [65]), они считают возможным создание в устье трещины поле напряженностью ~107 В/см, достаточное для развития разряда. В го же время отмечается [64], что процесс трешинообразования в диэлектриках сопровождается по крайней мере тремя электрическими явлениями: эмиссией электронов с бортов трещины, электрическим разрядом в устье трещины, а также нейтрализацией образующегося на бортах трещины заряда посредством поверхностной проводимости. Связь электромагнитных импульсов с образованием микротрещин подтверждена в [66] одновременной регистрацией упругих импульсов, возникающих при зарождении трещин. По утверждению авторов [67], электромагнитные импульсы,
22
возникающие при образовании трещин, обусловлены движением их заряженных берегов и не являются следствием разряда.
В [68. 69] приведены четыре типа генерации электромагнитного излучения (ЭМИ) в радиодиапазоне частот К)4 -Ю9 Гц вследствие возникновения зарядовой мозаики на бортах трещин при трещинообразовании и хрупком разрушении твердых тел, но более подробно рассмотрена возможность генерирования ЭМИ при неравномерном движении зарядовой мозаики в начальной стадии образования и раздвижении берегов микротрещины ( т.е. при флуктуации зарядов) и при сближении заряженных берегов трещины, когда меняется емкость трсшины-конденсатора (т.е. трещина работает как параметрический генератор ЭМИ). Поскольку описанное ЭМИ возбуждается связанными зарядами, его спектр не может быть непрерывным [69].
Авторы ]70] отмечают, что в случае работы только механизма газового пробоя спектр ЭМИ должен иметь вид "белого шума" с возрастанием к I МГц и не должен меняться при разрушении любого твердого тела, если проводить разрушение в одинаковых условиях. На основании изучения спектров радиоизлучения при раскалывании ионных кристаллов они пришли к выводу, что механизм газового пробоя не является единственным и генерирование ЭМИ обусловлено образованием и ускоренным движением заряженных берегов трешин, а интенсивность ЭМИ пропорциональна квадрату длины трещины I - ГА В то же время спектр ЭМИ не зависит от дтины трещины, а характеризует разрушаемый материал, поскольку отмечается ярко
выраженная индивидуальность, как и сходство, спектров ЭМИ кристаллов ир, КаС1, КС!, СаСОз [70].
По нашему мнению, сходство спектров можно объяснить
наложением вынужденной генерации ЭМИ па спонтанное
23
радиоизлучение, возникающее при разрушении кристаллов, если учесть возможность стимулирования ЭМИ акустической волной, указанную в работах [82,831. Воздействие возникающих при трещинообразовании акустических колебаний вызывает возникновение, освобождение и колебание заряженных линейных дислокаций, а при большей их интенсивности - сближение и раздвижение флуктуационно-заряженных берегов микротрещин [83].
Результаты исследований акустической и электромагнитной эмиссии (в радиодиапазоне частот) при деформировании и разрушении горных пород с цслыо поиска предвестников разрушения приведены в работах [71.72]. В [73] подробно описаны полевые и лабораторные эксперименты по регистрации импульсного радиоволнового диапазона электромагнитного излучения (ИРЭМИ), возникающего в полиметаллических рудных телах под действием упругих волн. Предположено, что распространяющаяся в руде волна вызывает появление трещин, сопровождающихся возникновением электрических зарядов и электрическим пробоем в трещинах и на контактах зерен и жилок разного минералогического состава и, как следствие, обусловливающих генерирование ИРЭМИ, которое может быть усилено за счет пьезоэлектрической поляризации, а также в результате генерации квазитранзисторного типа на электрических гетеропереходах с разным типом проводимосги.
Следствием электрического разряда в трещине, по мнению авторов [74], является наблюдаемое ими импульсное радиоизлучение при царапании различных ионных кристаллов и диэлектрических минералов в результате хрупкого разрушения последних.
Появление низкочастотного импульсного радиоизлучения при механическом нагружении льда авторы [75] объясняют возникновением разломов и электризацией вследствие этого бортов трещины.
24
Интересный механизм генерирования высокочастотного
радиоизлучения в диапазоне 0,1-10 МГц при кристаллизации льда предложен авторами [76]. В тонком кристаллизующемся слое, примыкающем к фронту' кристаллизации, возникает значительная разность потенциалов (до 102 -103 В ) при одновременном резком нарастании диэлектрической проницаемости. Вследствие неравномерности (в микромасштабе) процесса кристаллизации в кристаллизирующейся системе возникают периодические разрывы (микротрещины) в твердой фазе. В зоне трещины диэлектрическая проницаемость среды скачком уменьшается до значения, характерного для атмосферного воздуха. Соответственно, в микроконденсаторс, образованном бортами трещины, резко возрастает первоначальная разность потенциалов, вызывая электрический пробой воздушного промежутка, который и является источником широкополосного радиоизлучения.
Необходимо отметить. что обнаружено электромагнитное излучение в радиодиапазонс, сопровождающее коллапс каверны в жидкости, инициированный высоковольтным электрическим разрядом (77-79). Предиолагаегся, что радиоизлучение может быть обусловлено как излучением ускоренных зарядов при схлопывании каверны, так и поляризационными эффектами, возникающими при прохождении ударной волны через плазму [78].
Разрушение кристаллов лазерным пучком приводит к появлению свечения [80] и электромагнитного излучения в радиодиапазоне [81,94]. Элскгромагнитный сигнал наблюдаегся после действия импульса лазера и состоит как преимущественно из высокочастотной составляющей в начале развертки, характерной для малых плотностей мощности излучения, так и добавочной низкочастотной составляющей. Предполагается, что генерирование преимущественно высокочастотной
25
составляющей обусловлено изменением распределения зарядов, образующихся на бортах трещин в подвергаемой воздействию лазерного излучения области материала, а релаксация заряженной в результате выноса части материала из области кратера облучения за счет поверхностной проводимости и проводимости окружающей среды предположительно приводит к генерированию низкочастотной составляющей импульса.
Приведенные выше результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса разрушения твердых тел свидетельствуют, что возникающее при этом электромагнитное излучение в диапазоне радиочастот обусловлено прежде всего появлением свежеобразованных заряженных поверхностей, являющихся неравновесными и возбужденными и поэтому представляющие собой источник ряда быстро!|ротекающих электрических явлений. Возбуждение всей совокупности электрических явлений при механическом раскалывании или раздроблении кристаллов объясняется разрывом межатомных и межионных связей и пространственным разделением противоположных зарядов. Механическая энергия разрушения тратится на разрыв когезионных связей и разделение противоположных зарядов [50. 85-88).
Возросший в последние годы интерес к электромагнитным эффектам в радиочастотном диапазоне вследствие механического воздействия на диэлектрические материалы [89,90] привел к необходимости проведения систематических и всесторонних исследований радиоизлучения, являющегося новым каналом информации о твердых телах, и объединению усилий в этом направлении [91].
26
1.3. Электрические и электромагнитные эффекты при пластической деформации ионных кристаллов
Электрические явления, сопровождающие пластическую деформацию ионных кристаллов, обусловлены движением заряженных дислокаций. За истекшие со времен Фарадея сто пятьдесят лег много раз возвращались к изучению заряжения монокристаллов при их пластической деформации и предлагали разные физические объяснения этому явлению. В 1933 году Л.В.Степанов [126] заметил, что деформация ионных кристаллов сопровождается возникновением разности потенциалов, как в направлении одноосного сжатия кристалла, так и в поперечном направлении и протеканием тока в цепи образца без приложенного внешнего напряжения. Этот эффект получил название "явление Степанова" и был подвергнут дальнейшему изучению [127,128,5].
Эти работы показа™, что электризация в ионных кристаллах возникает при любом виде пластической деформации - сжатии, растяжении, изгибе, ударе индентора и т.п., во всех случаях на металлическом электроде, прижатом или приклеенном к деформированному кристаллу, появляется электрический заряд. Появление электрического сигнала, акустических и электромагнитных импульсов наблюдалось при деформации кристаллов 1л И [ 129]. "всплески" электрического сигнала наблюдались в кристаллах /пБ [130,131] и полевого шпата [132,133].
Пластическая деформация кристаллических тел определяется в основном движением дислокаций [134]. Приложенное механическое напряжение вызывает движение дислокаций и, одновременно, зарождение и размножение значительного числа дислокаций. Наибольшее размножение дислокаций в ионных криааллах происходит
27
за счет процесса многократного поперечного скольжения (135]. Движение дислокаций обусловливает релаксацию механических напряжении, если создаваемая в окружающем объеме деформация сжатия или растяжения превысит величину упругой деформации, характеризующуюся микроскопическим пределом текучести т» . Природа эффектов при напряжениях выше и ниже предела текучести совершенно различна. При больших напряжениях имеет место пластическая деформация: дислокация с вектором Бюргерса (Ъ) равномерно движется со скоростью V через кристалл: при напряжениях ст < Т( происходит упругая деформация - дислокация изгибается относительно положения своею равновесия, но не отрывается от точек закрепления.
Таким образом, основной проблемой физической теории пластичности является проблема подвижности дислокаций [136]. Подвижность дислокаций сложным образом зависит от типа кристалла, структуры дислокации, ориентации и характера движения ее отдельных элементов, внешних условий деформирования, а также от микроструктуры полос напряжений, типа встречающихся на пути дислокаций дефектов решетки, и других характеристик реального строения кристалла. В большинстве реальных кристаллов движение дислокаций в широком интервале скоростей носит скачкообразный характер, вследствие периодических остановок на локальных препятствиях "стопорах" [137.138). Это явление наблюдалось при травлении щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК) [134. 139-141]. При скачкообразном движении каждый дислокационный участок перемещается до тех пор пока не натыкается на какой-либо стопор и не останавливается вблизи от него, затем он освобождается от того стопора с помощью тех или иных внутренних механизмов, ;шигается дальше, останавливается около следующего стопора и так далее [137]. Структура стопоров остается в настоящее время не вполне ясной.
28
Можно предполагать, что стопоры представляют собой ступеньки на дислокациях, возникающие флуктуационным образом в результате поперечного скольжения или восхождения определенных участков дислокационных линий [137]. Возможно, это примесные центры, то есть скопление примесных атомов в виде микрозерен другой фазы [141,142], примесно-вакансионныс и анизотропные комплексы точечных дефектов [143-148]. Эти комплексы термически трудно преодолимы, то есть время стояния дислокаций на них велико, что и определяет скачкообразный характер движения дислокаций.
Существенным образом при изучении пластической деформации является то, что дислокации в ионных кристаллах несут электрический заряд [97, 127,128, 149]. По мнению авторов [150], заряд подвижной дислокации формируется на маленьком участке в области появления подвижной дислокации. Знак заряда подвижной дислокации не зависит от величины приложенной нагрузки и определяется разностью энергий связи с дислокацией вакансий отрицательных и положительных ионов и величиной, являющейся функцией концентрации вакансий, которая в общем случае зависит от температуры. Дислокации, возникающие и движущиеся сквозь кристалл в процессе пластической деформации "заметают" и переносят заряд, создавая неравномерное распределение заряда в объеме кристалла. Со временем дислокации приходят в зарядовое равновесие с точечными дефектами, благодаря диффузии последних к дислокации или от нее [151]. Направленная диффузия наиболее подвижных носителей заряда в ионных кристаллах - катионных вакансий в электрическом поле дислокаций приводят к образованию положительно заряженного облака Дебая-Хюккеля, экранирующего термодинамически неравновесный заряд дислокаций [151]. Радиус облака Дебая-Хюккеля при комнатной температуре для кристаллов 1лР