3.2.4. Радиационные дефекты

Точечные дефекты, возникающие при облучении кристалла быстрыми частицами, называются радиационными. Основное отличие этого вида точечных дефектов от рассмотренных выше тепловых состоит в том, что они термодинамически неравновесны, т. е. после прекращения бомбардировки быстрыми частицами состояние кристалла не стационарно. Основные процессы, приводящие к появлению радиационных дефектов, следующие:

1.      Упругие столкновения быстрых частиц с ядрами атомов кристалла.

2.      Возбуждение электронных оболочек атомов и их ионизация.

3.      Ядерные превращения – переход части атомов в кристалле в радиоактивное состояние и превращение их после распада в примесные центры.

В зависимости от природы излучения, энергии быстрых частиц и свойств самого кристалла одни процессы могут преобладать над другими.

Для возникновения радиационных точечных дефектов наибольшее значение имеет первый из перечисленных процессов. Быстрая частица, испытав столкновение с атомом твердого тела, передает ему некоторую кинетическую энергию. Если эта энергия превышает некоторое пороговое значение , то атом, выбитый из узла решетки, движется через кристалл. В результате на его месте возникает вакансия. Если же энергия, полученная атомом при столкновении, меньше  , то возникают лишь упругие волны небольших смещений, передающиеся от атома к атому, энергия которых затем переходит в энергию теплового движения атомов.

Для кристаллов, энергия связи в которых составляет приблизительно 10 эВ, значение пороговой энергии . Если значение энергии выбитого в междоузлие атома значительно превышает пороговое, то эти атомы сами могут выбить следующие атомы с их мест. Такие атомы называются атомами отдачи. Первичные атомы отдачи могут вызвать появление вторичных, третичных и т. д., до тех пор, пока энергия следующего выбитого атома не станет меньше значения  для данного материала.

Радиационные точечные дефекты, в отличие от тепловых, всегда парные (по Френкелю). Итог облучения твердого тела быстрыми частицами может состоять в том, что на пути движущейся в кристалле быстрой частицы образуется сильно разоупорядоченная область (рис. 3.6), размеры и форма которой зависят от энергии, массы и природы быстрой частицы, массы атомов кристалла, его температуры и структуры. Образуется каскад смещений.

 

Рис. 3.6. Схема образования разупорядоченной области в кристалле (выделена пунктиром) за счет каскада смещений атомов (сплошные линии) [74]

 

Этот процесс происходит за очень короткое время .  После этого наступает длительный процесс релаксации, по окончании которого тело приходит в термодинамическое равновесие.

В некоторых твердых телах даже в условиях комнатных или более низких температур первичные радиационные дефекты могут перемещаться по кристаллу, встречаясь с другими дефектами. При этом вероятны как процессы аннигиляции вакансий и межузельных атомов так и их объединение в более устойчивые вторичные дефекты. Окончательное распределение дефектов определяется числом и распределением первоначально смещенных атомов и природой кристалла.

Некоторая критическая концентрация радиационных дефектов может приводить к нарушению устойчивости кристаллического состояния, его переходу в аморфное состояние, что негативно отражается на механических и других свойствах материала. Поэтому при выборе конструкционных материалов для реакторов большой мощности необходимо учитывать изменение свойств материала под действием излучения.