Микроскопическая теория радиационно-стимулированных процессов в твердых телах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

/ \

Российский Научный Центр «Курчатовский Институт»

РЯЗАНОВ Александр Иванович

МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

01.04.0? — физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

■ ■д и у ¿.л-... ^ч. >,1:с . 1,

На правах рукописи УДК 539.21, 538.9

присудил ученую степень ДОКТОРА

/

г

V

Работа выполнена в Российском Научном Центре «Курчатовский Институт» Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

Доктор физико-математических наук, профессор

В.Г. Вакс (РНЦ КИ) А.Л. Суворов (ИТЭФ)

Доктор физико-математических наук,

профессор

В.В. Кирсанов (ТУ г. Тверь)

Ведущая организация — Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна)

Защита состоится /с-* 1997 года в

д

¿.6-С

На заседании Специализированного та Д 034.04.02 по ядерной физике и физике твердого тела РНЦ «у • ' 1 институт» по адресу: г. Москва 123182, пл. Курчат- рчатовский Институт».

С диссертацией можно ознак товский Институт»

;ча-

Автореферат разослан <<

Ученый секретарь Специализированного совета С

М.Д. Скорохватов

- г ¡! /ч О I ПО

А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Современные атомные и будущие термоядерные реакторы требуют создания новых радиационно-стойких конструкционных материалов, способных выдерживать достаточно большие потоки быстрых нейтронов в атомных реакторах (до 3 • 1023 н/см2 с энергией Е < 0,1 МеВ), а в термоядерных реакторах существенно воздействие 14 МэВ нейтронов, которые создают более высокие уровни радиационных повреждений. Работоспособность конструкционных материалов существенно ограничивается рядом физических явлений: радиационное распухание, радиационное охрупчивание и ползучесть, которые приводят к существенной деградации физико-механических свойств. Для понимания этих явлений необходимо исследование основных физических механизмов изменения дефектной структуры материалов под облучением.

Подобные исследования базируются на анализе основных микроскопических процессов в материалах, которые ведут к образованию и росту кластеров дефектов под облучением, движению дислокаций, локальному изменению фазового состава в облучаемых материалах и т.д. Ряд явлений при этом имеет общефизический интерес для современной физики твердого тела, которые проявляются только в результате действия облучения.

В первую очередь это относится к образованию сверхструктур из кластеров: решеток вакансионных пор, линейных структур из стенок выделений и т.д.

Подобные метастабильные сверхструктуры приводят к качественно новым физическим свойствам этих материалов. На основе этих явлений существует возможность, например, создавать новые классы перспективных полупроводниковых материалов с принципиально новыми элек-тро-физическими свойствами, а также материалы способные отражать мягкое рентгеновское излучение.

Качественно новые явления возникают при облучении аморфных материалов быстрыми тяжелыми ионами. В первую очередь к ним относится анизотропный рост аморфных сплавов под действием тяжелоионного облучения. Разработка новых термостойких аморфных сплавов бует понимания основных микроскопических процессов кристаллизуй в многокомпонентных аморфных системах. Поэтому как для разотки радиационно-стойких конструкционных материалов для атомах и термоядерных реакторов, так и для создания новых перспективах материалов с новыми физическими свойствами крайне актуально '-•«мание основных микроскопических радиационно-стимулирован-" процессов в твердых телах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является разработка новых теоретических моделей, которые позволяют объяснить процессы, происходящие в твердых телах под облучением. Предметом исследований является фазовые переходы первого рода в многокомпонентных системах. Изучение кинетики эволюции ансамблей кластеров дефектов (вакансионных и газовых пор) в деформированных и недеформирован-ных материалах. Выяснение микроскопических процессов пластической деформации материалов под облучением, а такие образования сверхструктур в виде решеток пор и выделений. Особое внимание обращено на исследование пластического течения аморфных материалов под действием тяжелоионного облучения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1. Разработан новый подход к анализу фазовых переходов первого рода в многокомпонентных системах. На основе разработанного метода исследована кинетика зарождения газовых пор в кристаллических и аморфных материалах, а также изучена термическая стабильность двухкомпонентных аморфных сплавов.

2. Исследована кинетика эволюции ансамбля кластеров дефектов (вакансионных пор, дислокационных петель) в реальных облучаемых материалов при больших временах облучения. Впервые проведено сопоставление результатов теории для кинетики роста пор с результатами экспериментов по облучению стали в высоковольтном электронном микроскопе с энергией Е — 1 МэВ. Проанализировано влияние структурных особенностей поверхности пор на поглощение точечных дефектов и кинетику их коалесценции пор.

3. Разработан новый метод исследования кинетики коагуляции газовых пор в облучаемых материалах. Метод позволяет находить функции распределения сталкивающихся пор в пространстве размеров и во времени как в результате Броуновского, так и направленного движения пор действием внешних сил. На основе этого возможен анализ изменения во времени моментов функции распределения пор (плотности и среднего размеров пор.) в зависимости от условий облучения.

4. Впервые проведен анализ кинетики роста газовых пор в объеме материала, на границах зерен и в тройных стыках в свободных и деформированных материалах. Предложен новый механизм кинетики роста газовых пор на границах зерен и в тройных стыках в деформированных материалах, который основан на выметании газовых пор движущимися дислокациями в процессе зернограничного проскальзывания.

5. Впервые проведен анализ кинетики захвата точечных дефектов движущимися дислокациями с учетом микроскопических процессов, происходящих в ядрах дислокаций.

6. Проведен детальный анализ захвата точечных дефектов прямолинейными дислокациями в кристаллах с учетом анизотропии диффузии точечных дефектов в упругих полях дислокаций для ОЦК и ГЦК материалов.

7. Впервые проведено исследование перерастворения дислокационных петель межузельного типа на стадии переходной ползучести. Впоследствии результаты теории были подтверждены экспериментальными результатами в США и Японии.

8. Получена температурная зависимость для скорости радиационной ползучести на установившейся стадии.

9. Впервые предложено самосогласованное кинетическое уравнение для исследования пространственной эволюции вакансионных пор, на основе которого аналитически сформулирован критерий для образования сверхрешеток пор.

10. Предложенный механизм диффузионного взаимодействия пор позволил объяснить основные закономерности возникновения эффектов самоорганизации кластеров дефектов (решеток пор, и линейчатых структур выделений) в материалах под облучением.

11. Впервые проведен анализ эффектов дифракции рентгеновского излучения в материалах с решетками пор. Показано, что подобные структуры могут использоваться для отражения рентгеновского излучения с длиной волны близкой к периоду решетки пор.

12. Впервые проанализировано переходное излучение релятивистских заряженных частиц на цепочках пор и сверхрешетках вакансионных пор.

13. Впервые предложена модель для объяснения эффекта анизотропного роста аморфных сплавов под действием тяжелоионного облучения. Модель основана на упруговязком течении материала в зоне трека.

14. Предложена новая модель для объяснения возникновения инкубационной дозы в эффекте анизотропного роста аморфных сплавов под действием тяжелоионного облучения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные в диссертации новые теоретические модели по изменению дефектной структуры материалов, находящихся под облучением потокамй быстрых частиц позволяют существенно расширить возможности более глубокого исследования изменений физико-механических свойств облучаемых материалов.

Так на основе разработанной модели термической устойчивости аморфных сплавов представляется возможным, осмысленно варьируя

элементный состав сплавов увеличить температуру их кристаллизации и тем самым повысить их термическую стойкость. На основе предложенной теории коалесдендии кластеров дефектов при больших временах облучения существует возможность, используя результаты электронного облучения и проводя сопоставление теории с экспериментом выявлять особенности поведения точечных дефектов (их взаимодействие и асимметрию их поглощения дислокационами), что является крайне важным для объяснения эффекта радиационного распухания материалов.

Предложенная в диссертации модель роста зернограничных газовых пор и пор в тройных стыках позволяет приблизиться к пониманию механизмов гелиевого охрупчивания материалов, что особенно важно для разработки новых радиационно-стойких материалов для первой стенки будущих термоядерных реакторов.

Полученная аналитически температурная зависимость радиационной ползучести на установившейся стадии позволяет в дальнейшем проводить интерпретацию экспериментальных результатов по радиационной ползучести как на ускорителях заряженных частиц, так и под действием нейтронного облучения с учетом особенностей микроструктуры облучаемых материалов.

Сформулированный критерий для образования упорядоченных структур кластеров дефектов в виде решеток пор и упорядоченных стопок выделений позволяют подойти к созданию новых материалов обладающих принципиально новыми физико-механическими свойствами. Так ионная имплантация полупроводниковых материалов металлическими ионами позволяет создавать слоистые структуры, имеющими принципиально иные электрофизические свойства. Такие работы начаты и ведутся в Германии.

На основе полученных результатов по дифракции рентгеновского излучения в материалах с решетками пор эти материалы предложено использовать в качестве отражающих систем для рентгеновского излучения с длинами волн соизмеримых с периодом решеток пор.

Предложенный механизм анизотропного роста аморфных сплавов под действием тяжелоионного облучения позволяет выйти на новый класс экспериментов по модификации материалов тяжелыми ионами, " где изменение физических свойств материалов, будет обусловлено не только упругими столкновениями тяжелых ионов с атомами, но и возбуждением их электронных подсистем.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались начиная с 1977 г., на ежегодных Всесоюзных конференциях по радиационной физике твердого тела (ХФТИ) Алушта, (Институт физики Грузии) Бакуриани, а также на Всесоюзной конференции «Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов», сентябрь 18—20, 1990, г. Ленинград; — III Международная конференция «Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов», сентябрь 26—28, 1994, г. Санкт—Петербург;

— Второй Международный Уральский Семинар «Радиационная физика

металлов и сплавов», 23 февраля — 1 марта, 1997, г. Снежинск. А также на международных конференциях.

— «Seminar on the use of Research Reactors in Fundamental and Applied

Sciences», Nuclear Research Centre Tajora, Tripoli, Libya, September 16—20, 1984;

— Effects of Radiation on Materials: 14 th International Symposium, Andover, USA, June 27—30, 1988;

— Effects of Radiation on Materials, 15 th Infernational Symposium, Nashville, Tennessea, USA, June 19—21, 1990;

— Fifth International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-5),

Clearwater, FL, USA, November 17— 22, 1991;

— The Second Tapan International SAMPE Symposium: Advanced Materials for Future Industries: Needs and Seeds, Chiba, Japan, December 11—14, 1991.

— Microstructures and Physical Properties, International Meeting, Aussois, France, March 31 — April 9, 1993.

— Sixth International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-6),

Stresa, Italy, September 28 — October 2, 1993.

— The flirrd Japan intenational SAMPE Symposium «Advanced Materials»

— New Processes and Reliability, Chiba, Japan, December 7—10, 1993.

— Miniaturized Specimens for Testing of Irvadiated Materials, IEA International Symposium, Jülich, Germany, September 22—23, 1994.

— Third International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter, Caen, France, May 15—19, 1995.

— International Conference: Computer Simulation in Materials Science (Nano—Meso—Macroscopic), Lie d'Oleron, France, June 6—16,1995.

— Seventh International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-

7), Obninsk, Russia, September 25—29, 1995.

— International Conference on Microstructures and Functions of Materials,

(ICMFM 96), the University of Tokyo, Tokyo, September 9—11, 1996.

— Kiritani Symposium on «Structural defects in advanced materials», Ihuyama, Aichi, Japan, December 18—20, 1996.

— Effect of Irradiation on Materials, Materials Research Society Meeting,

Boston, USA, December 1—6, 1996.

СТЕПЕНЬ ОБОСНОВАННОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ

Научные положения и выводы представленные в диссертации позволяют объяснить основные физические механизмы ряда экспериментально наблюдаемых явлений, проявляющихся в облучаемых материалах, что подтверждает достоверность разработанных теоретических моделей. Ряд результатов и выводов диссертации послужат основой для проведения будущих экспериментальных исследований в области радиационной физики твердого тела.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В разделе 1 разрабатывается микроскопическая теория фазовых переходов первого рода в твердых телах применительно к многокомпонентным системам. В частности исследуется кинетика зарождения газовых пор в кристаллических и аморфных материалах, а также влияние примесей в аморфных сплавах на их термическую стабильность.

В разделе 2 исследуется кинетика эволюции ансамбля кластеров дефектов в виде вакансионных пор и дислокационных петель межузельного типа при больших временах облучения. При этом исследуется совместная коалесценция пор и дислокационных петель. Анализируется поведение ансамбля пор в кристаллах с развитой дислокационной плотностью.

Разработанные теоретические модели эволюции ансамбля пор сопоставляются с результатами изменения дефектной структуры под действием электронного облучения.

В разделе 3 анализируется кинетика роста газовых пор в облученных на циклотроне материалах находящихся в свободном и деформированных состояниях. Особое внимание уделено исследованию кинетики роста газовых пор в ненагруженных материалах в результате их Броуновского движения вдоль границ зерен, в матрице и в тройных стыках, и в пластически деформируемых материалах в результате движения газовых пор под действием приложенных сил.

В разделе 4 исследуются основные механизмы радиационной ползучести материалов. Рассмотрение основано на изучении влияния микроскопических процессов происходящих в ядрах дислокаций, влияния анизотропии диффузии точечных дефектов на захват точечных дефетов дислокациями. Особое внимание обращено на исследование переходной и установившейся стадий радиационной ползучести материалов.

В разделе 5 рассматриваются эффекты самоорганизации в системе кластеров дефектов, приводящие к образованию сверхструктур в виде решеток пор и линейных структур в виде стенок выделений, образующихся под действием ионной имплантации. Здесь же анализируются эффекты дифракции рентгеновского излучения в материалах содержащих решетки пор, а также исследуется переходное излучение в системе вакансионных пор.

В разделе 6 разрабатывается микроскопическая теория анизотропного роста аморфных сплавов под действием тяжелоионного облучения. При этом исследуется анизотропный рост аморфных сплавов в зависимости от изменения температуры облучения и электронных потерь тяжелых ионов.

Особое внимание обращено на анализ возникновения инкубационной дозы .облучения для этого явления в зависимости от изменения электронных потерь тяжелых ионов и температуры облучения.

■д* •'

1. МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПЕРВОГО РОДА В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

1.1. ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Процессы образования кластеров дефектов в условиях облучения в виде вакансионных и газовых пор, дислокационных петель, а также кристаллических зародышей в аморфных материалах относятся к фазовым переходам первого рода и описываются с помощью методов, развитых в работах [1—8].

Для описания кинетики этих процессов вводится двумерная функция распределения зародышей новых фаз по «размерам» /(ха, хь,

где величины ха и хь определяют, например, в случае газовых пор число

атомов газа (ха) и число вакансий (хь) в зародыше газовых пор, а в

случае образования кристаллических зародышей в бинарном аморфном сплаве число атомов одной (ха) и второй (хь) компонент в этом зародыше. При этом величина/(ха> Ъь, {)йхайхь определяет число кластеров новых фаз с «размерами» (ха, х^) в единице объема в момент времени I.

Образование и рост зародышей новых фаз происходит в результате поодиночного отрыва и присоединения атомов каждой компоненты к зародышу новой фазы. Для описания кинетики этого процесса вводятся вероятности присоединения Ра, Рь и отрыва (2а, (¿^ по каждой из компонент (ха, хь), из которых сос�