Некоторые аспекты влияния нейтронного облучения на диэлектрические и оптические свойства керамических материалов в видимой, УФ и ИК - областях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

о

Со о.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО g ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ^ АНТОШ! ГОСЗЛАРСТВЕННМ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи Ш 621.3.095.1

ЩЕРБАКОВА ЕЛЕНА ВЩИНЙРОВНА

НЕКОТОРОЕ АСПЕКТ« ВЛИЯНИЯ НЕЙТРОННОГО ОБЛИЧЕНИЯ Hfl ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ.СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ШЕРКАЯОВ 8 ВИДИМОЙ, 8Ф И ИК - ОБЛАСТЯХ

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени . кандидата физико-натекатических наук

Елаговеценск 1997

Работа выполнена в Амурском государственном университете

Надчннй руководитель: чл.-корр.АТН РФ. доктор технических наук, профессор Н.С.Коствксв.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Строганов 8.Й.; кандидат физико-математических наук, Ванина Е.А.

Ведущая организация: Институт материаловедения ДВО РАН. г.Хабаровск.

Защита состоится " " декабря 1997 г. в у^-^часов на заседании Специализированного совета Л 200.20.01 при Амурском комплексном научно - исследовательском институте по адресу: 675000, г.Благовещенск, пер.Релочный, N1. Амурский комплексный научно-исследовательский институт ЯВО РАН.

С диссертацией шшо ознакомиться в библиотеке АыурКШ ¿¡80 РАН. •

Автореферат разослан "/О" -// 199? г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических наук

Астапова Е.С,

ОБВД ХАРАКТЕРИСТИКА РЙБОТН Актуальность темы.

Настоящая работа проводилась по плановой теие ДВО РАН и по заказу института атомной энергии им. Курчатова применительно к выбору материалов для термоядерного реактора " ТйКОИАК " и для разработки изделий для контроля активной зоны атомного реактора.

При использовании деталей из керамических диэлектриков, ра -ботаюцих в полях радиации необходимо учитывать изменение диэлектрических и оптических характеристик керамических материалов, облученных болькнии флвенсами нейтронов в атомных реакторах в процессе эксплуатации.

Взаимодействие нейтронов с ядрами атомов иогно' разбить на •

две основные.группы: упругое взаимодействие и неупругое. Первое,

характерное для быстрых и промежуточных нейтронов, сопровождается

передачей значительной энергии ядру атома й образованием значи -

тельного (до нескольких тысяч) количества атомов, смененных со

своих регулярных мест в структуре твердого тела, й результате, 21 2

уяе при флюе.чсах до 10 нейтрон/см все атомы твердого тела оказываются смещенными со своих регулярных -мест, а структура вещества претерпевает существенные изменения. В ряде случаев исходная структура может быть восстановлена отаигом. Радиационное материаловедение обычно посвявдно изучению данных процессов дефектообра-зования, отмга и связанных с зтим изменением свойств материалов.

Второе, неупругое, взаимодействие связано с захватом нейтронов, переходом ядра атома в нестабильное, радиоактивное состояние и образованием, в результате, новых стабильных или радиоактивкнх атомов. Так мак каждое неупругое взаимодействие сопровоадается образованием единичных нарушений о форме образования дочерних элементов (трансмутантов), то скорость их накопления на несколько

порядков ниве, чей в первом случае и, обычно, при «алых флазенсах

их влияние на изменение свойств твердого тела не учитывается. Од-

22 2

нако, при больвих флвенсах С>10 нейтрон/си ) картина изменяется. Концентрация дочерних элементов нояет достигать древня химической примеси и не отвигается. Влияние этих процессов на свойства ке -рамических диэлектриков не изучалось, и настоящая работа является попыткой теоретически оценить возможный вклад трансмутантов в изменение диэлектрических свойств ряда промышленных керамических материалов.

Цель исследований.

Целью данной работы является теоретическое исследование влияния трансмутантов на диэлектричесике и оптические свойства кера -нических диэлектриков.

Для достигениа поставленной цели потребовалось реаение следующих конкретных задач:

1. Разработать негодику расчета диэлектрических и оптических характеристик керамики без учета и с учетом поля Лсрентца по химическому составу вещества с использованием значений поляразуемое-тей элементов.

2. По известному выходу дочерних, элементов при'облучении в реакторе рассчитать диэлектрические и оптические характеристики ос -новных промынленных марок .керамики.

3. Выявить влияние трансмутантов на диэлектрические и оптические характеристики керамических диэлектриков при облучении бсльзими Флкенсами нейтронов зирокого спектра энергий.

4. Расчитать диэлектрический и оптический спектр микролита в области НО и ЙК частот до и после облучения.

3. Дать анализ сравнения теоретически рассчитанных значений диэлектрической проницаемости и показателя преломления со значения-

ии, полученныии экспериментально методами петрографии з видимой области спектра и на частоте 1 МГц.

Объекты исследований. .

Для исследований были выбраны образцы керамики, широко ис -

пользуемые в промышленности : высокоглиноземистая керамика ГБ-7,

микролит. НГ-2, удалит, ультрафарсшр УФ-46, электротехнический

фарфор И-23, стеатитовая керамика СК-1, СНЦ, СНБ, СПН-2, кордие-

ритовая - Л-24. Данные образцы изучались до и после облучения

нейтронами иирокого спектра энергий в двух облучательшгх сборках

21 -2

реактора Б0Р-60: в канале ВЭК-8 пр флюенсе 3,? 10 см и в канале ВО-? при флкенсе 2,3 10 см .

Научная новизна. .

1. Впервые проверен 'теоретический анализ влияния трансмутантов на диэлектрические и <,птгческке характеристики керамических диэлек -триков в области 8Ф, бкеиных и ИК - частот.

2. Впервые проведен расчет диэлектрического спектра керамических материалов на основе й1203 в исходном и облученном состоянии и показано, что в катериалгх, не иневчих в своем сотаве элементов с большим сечениеа.захвата нейтронов, не происходит заметных изменений диэлектрической проницаемости. Упругие виды поляризации в УФ к видимой области дзет значения , близкие к экспериментальный значения*, полученный по петрографический данным.

3. Определены новые полосы поглощения в У®-области, возникакпте в результате образования новых химических элементов при взаиио -действии исходных элементов с нейтронаыи.

4. Впервые рлсчитан диэлектрический спектр микролита в УФ, видимой и ИИ-области, удовлетворительно'согласующийся с экспериментальными результатами в видимой области спектра при учете нор -

: Л- 5 -г.'.' . V. мальной дисперсии и с результатами, полученными на частоте 1 МГц.

Практическая ценность. ^ /

Расчитанц минимальные радиационные изменения диэлектрических .и оптических характеристик после облуче.ния^керамических дизлек -тркков йольмии флаенсаии дейтронов .( > -10 нейтрон / см ). Получен диэлектрическиЯ спектр керамических диэлектриков в . . области упругих1 видов поляризации, из 'которого следует, что диэ- .

лектрическая проницаемость, определяемая.упругими видами ползри-»

зации. значительно/превосходит значение, используеиое в технике, полученное экспериментально.'по петрографическим данный.'

'Разработана методика, позв-лягеая оценитьсвойства кераки -ческих диэлектриков по химическому составу и структуре.

;у-Яа зааиту выносятся полозения;.

.... 1? 1 Ь. С.

1. Нейтронное облучение флвенсои Ф > 10 нейтрон/сы даете иате-

. риалах, имеюгих в своем ' составе элементы с бользим сечением вза-■ . ' 10 . имодействия с нейтронами (например, й в образцах МГ-2.ГБ-7.СК-1).

изменение диэлектрической проницаемости в УФ - области порядка;

? - 11%. В других- промышленных,керамических диэлектриках в данной

области частот не происходит значительных изменений характеристик

за счет влияния трансмутантов.

2. Диэлектрический"'.спектр нйкролита. расчитанный по разработанной методике для области УФ, видимых .и йК-частот. В УФ-области частот теоретически рассчитанная величина диэлектрической проницаемости равна 4» г 3,41, а "с учетом нормальной дисперсии в видимой области: <£«. -. 3.13. что соответствует значениям, определенным экспг -римектально методом петрографии (<£=3.1); с учетом всех упругих видов поляризации;' независимых от температура. величина киэлектри-

ческой проницаемости равна В^- 7,18. что имеет принципиальное значение для электротехнических и радиотехнических расчетов.

..Апробация,

Основное полоЕения.диссертационной, работы обсундались и докладывались на:

региональна научно-технических конференциях (Благовещенск, йкГЧ, 1995. 1395, 1997 ); ..

научно-технической конференции "Материалы и конструкции а иаииностроении, строительстве, сельской хозяйстве"'(Вологда, 1996 ); ■' • ■

региональной научно-методической конференции ( Благовещенск, БВТККУ, 1997): : .

XX2X научно-технической конференции "Экология, инженерные системы, сооружения и технологии".(Пенза, 1997);

Uli Межотраслевом совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 139?);

семинаре йнурКНИИ ДВО РйН "Физика полупроводников и диэлек -триков" (Благовещенск, 1997V,

1U Российско-китайском синпозиуие "Актуальные проблемы сов -репейного материаловедения" (Пекин, 1397);

, Объем и структура диссетрационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заклочения, что . составляет 181 страницу, в той числе 27 рисунков, 21 таблицу и список литературы, включавший 157 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во.введении дана обкая характеристика работи. обоснована актуальность; тени, сформулирована цель, отраяены-научная новизна и практичесая значимость полученных результатов.

В первой главе приведен литературный обзор, посвященный изу -чению изменении свойств, керамических .диэлектриков под действием реакторного излучения. Яано описание различных структурных дефек -тов. образующихся в результате воздействия .облучения на основные компоненты керамики: .кристалла- и стеклофазы. Рассмотрены типы взаимодействий нейтронов с.ядраки атомов. Показано., что нейтроны в сравнении с / - квантами и ззряяенными частицами вызывают на 2 г 3

. - х.'

порядка.бользе смещений структурных единиц, что приводит изменению различных .Физических с,войств. Воздействие нейтронного излучения приводит такзе к образованию дочерних элементов - трансмутактов. которые при малых флвенсах нейтронов, составляют тысячную часть от общего количества вознонннх радиационных структурных наруиений.

Далее приведен обзор работ, посвященных радиционному изменению различных свойств керамических диэлектриков: механических, электрофизических, дилатометрических. Показана зависимость изменения свойств керамических материалов от флвенса нейтронов. Приведено описание компенсационного эффекта.'

Во втрой главе рассмотрена связь упругих видов поляризации с диэлектрически»« и оптичекимй свойствами кераиичеких мтеризлов и дана кетодика расчета диэлектрических и оптических характеристик керамических диэлектриков без учета и фчетом поля Лорентца с ис -пользованием значений поляризуеиостей элементов.

Исходя из известного соотношения: £ - п y с учетом того, что в области резонансных частот диэлектрическая проницаемость и показатель преломления имеют комплексный характер можно определить зна-

чения показателя преломления (п), коэффициента поглощения (х) и. соответственно, линейного показателя поглощения См), коэффициента отражения при однократном отражении (г), коэффициентов поглощения (й), отражения СЙ) и пропускания (Т) через значения диэлектрической проницаемости ( £'> и коэффициента диэлектрических потерь (<£"). Оценки возможных значений с? ' и ¿"' в области частот, при которых релаксационные виды поляризации не дают вклада в величину диэлектрической проницаемости можно проводить без учета поля Лорентца:

У ;> а ~ -—' 11

£ -- п ■■ = 1 + — (1)

Со

и с учетом поля Лорентца по известной формуле Клйзиуса-Мкготти;

Е

п /

£ - 1 А— 1 1 ■

----- (2)

£ + 2 3(5 о.

где X - электронная поляризуемость 1-того иона, п -их концентрация.

1 1 ■■ ■

Полученные расчетным путей по известному химическому составу значения диэлектрической проницаемости основных промышленных марок керамик оказались близки к.значениям, полученным экспериментально по петрографичеким данным в видимой .области спектра. Расчет проводился по шести различным значениям поляризуеиостей, определенных разними* авторами. В таблице 1 приведена значения диэлектрической проницаемости, полученные расчетным путем:без учета и с учетом поля

Лорентца с использованием значений поляризуемостей по Сканави и для

- * 2 ■■■■■

сравнения приведены значения с^- п , полученные экспериментально

по петрографическим дашшм в видимой области спектра.

Результата, полученные с учетом поля Лорентца дают •эавн»еннае

результат. Очевидно это связано с тем, что действуаиее на заряген-

4(1 _ 1

нуя частицу поле Е лок = Е ср + ---- <?, на основе которого было

•3<£л

получено уравнение Клдаиуса-Мгссотти, имеющее силу для симметричных

Таблица 1. Значения диэлектрической проницаемостиполученные расчетным путем

2

без учета и с учетом поля Лорентца и экспериментальные значения п . полученные по петрографическим данным в видимой области спектра.

значения МГ-2 Уралит! УФ-4В ! ГБ-7 ! МК « 1 1 М-23 ! СК-1 СНЦ СПК-2 /1-24 СНБ !

без поля Лорентца 3,0001 t * 1 3,1272; 2.9б4?;3,385?;3.4197 2.539412.7035 2,7255 2,7452 2,7968 2,5386!

с учетом поля Лорентца 7.0008 • I » 8,3121| 6,6930|12,650I13.509 4,1617:4.9418 5,0615 5.1727 5,4801 4,1585!

3,045 1 1 1 2,863 ! 2,832 ¡3,100 ! 3.10 - 2,335 ¡2.650 2,618 2,571 2.753 :

- fi - ■■..

(кубических) структур, не правомерно для керамических материалов, являющихся поликристаллическими многофазными образованиями, часто с большим содеряанием стеклофазы.

В третьей главе рассмотрена роль трансмутантов в поляризационных процессах в керамических диэлектриках в УО-области при и « но. Были получены значения б, п иг с учетом нового химического состава после облучения исследуемых образцов керамик в двух облуча -тельных сборках реактора Б0Р-60 (в каналах ВЗК-8 и ВО-? ). В таб -лице 2 приведены значения.£ , рассчитанные с учетом трансмутантов по формулам 1 и 2.

Из сравнения значений £ по таблицам 1 и 2 можно сделать заключение, что большинство исследуемых марок керамик не меняют значения диииэлектрической проницаемости с точностью до четвертого знака после запятой. В материалах, имеющих в своем составе элементы с большим

10

сечением взаимодействия с нейтронами (например, В в образцах МГ-2, ГБ-7 и СК-1) происходит заметное изменение значений диэлектрической проницаемости (во втором знаке после запятой) в УФ - области частот после облучения. •

В четвертой главе рассмотрены поляризационные процессы в твер -дых телах в области резонансных УФ-частот (и = ыо). Для всех элементов исследуемых образцов керамик были рассчитаны резонансные частоты ( ио ). максимальные (/'иах) и минимальные («¿"sin) значения действительной и мнимой W'max) частей' поляризуемостей.. По данным значениям был проведен рассчет диэлектрического ( рис.1-3 ) и оптического спектра образцов высокоглиноземистой керамики ГБ-7 и МК. Выявлены новые полосы поглощения в УФ - области, образующиеся в результате появления новых химических элементов - трансмутантов после реакторного облучения.

Таблица 2. Значения диэлектрической проницаемости ■ <£ после облучения в каналах В2К-8 и ВО-7

а) без учета поля /¡орентца

значения £ ! МГ-2 ¡Уралит .УФ-46 ГБ-7 «К М-23 ! СК-1 СНЦ СПК-2 Л-24 СНБ ;

• • 1 после ВЭК-8:3,0005!3,1274 2,9847 3,3859 3,4197 1 2,5473¡2,7308 2,7307 2,7452 2.7968 2,5386:

' •1 после ВО-7 ¡3,0121¡3,1273 ■ 1 1 2.9647 3,4069 3,4197 2,547312,7307 2,7254 2.7452 2,7368 2,53861

б) учето» ( поля . ¡орентца

после ВЭК-8 7.0044 8,3139 6,6931 12,656 13,509. 4,1955 5,0908 1 5.0305|5,1727 5,4801 4.1586!

после ВО-7 7,1101 8,3130 6,6930 13,174 13.509 4,1955 5,0908 5,0613:5.1727 " 5,4801 4.1586!

Рис.! Диэлектрический спектр микролита в исходном состоянии в УФ-лбласти.

ф и").

10 10Б]

ioN ^

«И

4

5

г d о -i -2 -Ь

-А -ю

-ios!

-id

ïfe>

о

!í ¡I

i,60 i,1» i

Ca

Но

В,ьС>

Mg

ffl

tc -i

( »10 с )

Рис..4/Диэлектрический' микролита в ИК-ооласти, /¡¿'£" I О мЧ .■.■■:•

<0-

5СН 20-¿0-

-ю-

а

1,г

1,5

14

НЛ

1,5

I

н

>-"Л )

. IV -( * 10 с

-го-

-30-

- 17 - .

В пятой главе рассмотрена поляризация упругого ионного смешения. Проведен рассчет. диэлектрического ( рис.7) и оптического ( рис.8 ) спектра микролите, в области резонансных ИК-частот. Определено влияние трансмутантов на значение диэлектрической проницаемости микролита в ПК-области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .

Основные теоретически полученные результаты работа мозко сформулировать в следующих выводах:

{.Разработана методика расчета, позволяющая связать в-единой системе уравнений значения иакросвойств керамических диэлектриков: диэлектрическую проницаемость (£'), коэффициент диэлектричес- . ких потерь <£"). показатель преломления (п). коэффициент поглощения (зе>.- коэффициент отражения при однократном отражении (г), по- ' казатель поглощения коэффициенты отражения (В),поглощения (А) и пропускания (Т) с никросвойствами через поляризуемости элеиен - . тов я упругих связей химических соединений и, таким образом, по ~ лучигь функциональную зависимость макросвойств со структурой и химическим составом.

2. При сравнении вычисленных по известным величина» электронных поляризуеностей ионов и атомов значений диэлектрической проницаемости керамических диэлектриков с учетом и без учета поляЛорен-тца со значениями., определенными экспериментально по показателю преломления в видимой области показано, что формулы, не учитыва -вщие поле Лорентца, дают для керамических диэлектриков более близкое приближение. Теоретический расчет без учета поля Лорентца позволяет получить с достаточной точностью значения диэлектрической проницаемости и показателя преломления. ^

3. Выяснено, что облучение в реакторе до флюенса 2,3 10 си не изменяет диэлектрические и оптические характеристики у болыиинст-

- 18 . ва исследуемых образцов керамики в УФ-области частот. Исключение составляют керамики НГ-2, ГБ-7. СК-1, характеристики которых увеличиваются с ростом флвенса нейтронов в связи с присутствием В203. Появление трансиутантов в керамических диэлектриках после облучения ведет к появлению новых дополнительных областей дисперсии.

4. Разработанная методика расчета параметров неорганических (керамических) диэлектриков ( ', п, х, г, а, И, Я, Т) позво -ляет с достаточно высокой точностью провести расчет диэлектрического спектра микролита в УФ и видимой областях, - Получено, что в УФ-области значение диэлектрической проницаемости . = 3,41. а с учетом нормальной дисперсии в видимой области : - 3,13, что близко соответствует экспериментальным значениям, полученным петрографическими методами ( = 3,1!. . .

5. Проведенный расчет показывает, что после облучения микролита е результате структурных изменений диэлектрическая проницаемость увеличивается на 19 У..

6.В результате проведенных расчетов для микролита в УФ, видимой и ИК-сбластях было получено значение диэлектрической проницаемос-тис учетов всех упругих видов поляризации, независимых от температуры: ::'-?,19, которое существенно выве диэлектрической прони-цаеиости; определяемой петрографическими методами в бидимой облас-ш сп6ктра>8 ииевнее принципиальное значение для электротехнических и. радиотехнических, расчетов. Полученные значения не противоречат эксперикентальниы ■ результатам, полученным /для микролита на частоте" 1: ¡(Гц. "

7-. В результате полученных вычислений для УФ, видимой и ИК областей построен диэлектрический спектр микролита, удовлетворительно согяасуЕ?ийса.с экспериментальными результатами в видимой облает;: .спектра при.учете нормальной дисперсии и результатами, полученными кз"частоте !ЙГц.

Основные результаты исследований опубликованы в.следувщих работах: . ..

1. З^рбакова Е.В.. Костюков Н.С.. йирсв fi.А. Связь изменений оптических свойств с химическим составом керамических диэлектриков // -Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве ( тез.дока.научно-техн.конф), Москва.-"1998.

С. 1 Г) - 201. ■ ' V ;

2. Щербакова Е.З., Костиков Н.С. Роль трансмутантов в поляризационных процессах в УФ-области.// Экология, инзенерные.: системы, соорузения и технологии (материалы XXIX научно-технической кон -Фвретш '. Пенза. 193?. С. i ! ?. 1 -

3. Костюков Й.С., Щербакова Е.й. Изменение свойств кераиических диэлектриков в УО-области'при облучении до большого флвенса ней- '/ тронов // йтомная энергия. 1937. Т.82. Вып.4. С.325-320. : :

4. Костсков Н.С,, Щербакова Е.З., fttpaa С.К. Некоторые аспекта елияния нейтронного облучения на оптические и диэлектрические свойства керамических материалов э видимой, УФ и ИК - областях. Препринт. Благовещенск: 133?. 85 с.

.5..Костиков Н.С.. Шербакова Е.В. Влияние трансмутантоз на диэ лектрические и оптические свойства керамических материалов // Радиационная физика твердого тела (тез.докладов Uli Цежотрас-левого совещания). Севастополь. 1997. С.235-237.

5.'Костиков Н.С., Щербакова Е.В. Влияние трансмутантов на диэлектрические и оптические сзойства кераиических диэлектриков // Вестник ймурШИ. Благовещенск. ¡997. C.i2i~i38 ,

?.. Костиков Н.С., Щербакова Е.В. Влияние трансмутантов на, свойства керамических диэлектриков // Актуальные проблемы современного материаловедения (тез. докл.IÜ Российско-китайского симпозиума). Пекин. 193?. С.78..

£»:••-re гш. 2 ч.п. 1,1

•г.:рат: ICO аекаг :..

IIílí "с;;.-:', К'..:::.:■:::::£., И