Проводимость щелочно-галоидных кристаллов и азидов тяжелых металлов при импульсном возбуждении тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

БЕЛОКУРОВ Геннадий Михайлович

ПРОВОДИМОСТЬ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ И АЗИДОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ

(Специальность 02.00.04 - физическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Кемерово 1998

Работа выполнена в Кемеровском государственном университете на кафедре физической химии.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор

Алукер Эдуард Давидович

кандидат физико-математических наук, доцент Адуев Борис Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Лисицын Виктор Михайлович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Ханефт Александр Вилльевич

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный технологический институт (технический университет )

Защита состоится «15» мая 1998 г. в «Ю00» часов на заседании Совета по защите диссертаций Д 064.17.01 в Кемеровском государственном университете (650043, г. Кемерово, ул. Красная, 6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кемеровского государственного университета.

Автореферат разослан «_» апреля 1998 г.

Ученый секретарь Совета Д 064.17.01 Кандидат химических наук, доцент

Б.А. Сечкарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метод импульсного радиолиза является одним из наиболее перспективных и информативных методов исследования, используемых уже на протяжении многих дет в физике и химии твердого тела. Во всяком случае, в радиационной физике и химии твердого тела на протяжении последних 15 + 20 лет наиболее серьезный прогресс связан с использованием именно этого метода. В подавляющем большинстве исследований быстро-протекающих радиационно-стимулированных процессов в качестве источников возбуждения используются сильноточные импульсные электронные ускорители с длительностью импульса порядка единиц наносекунд. Регистрируемыми характеристиками изучаемых процессов при этом является релаксация спектров оптического поглощения и люминесценции короткоживущих состояний, возникающих в образце в результате воздействий импульса устсо-

В значительно меньшем числе работ регистрируются также импульсы радиационно-стимулировагаюй проводимости, что значительно дополняет исследуемую картину и резко снижает поле для недостаточно обоснованных спекуляций.

В середине 80-х годов, после разработки обострителей в практике исследований некоторых лабораторий появились установки импульсного радиолиза пикосекундного диапазона.

Существующая техника регистрации оптических сигналов позволила использовать этот методический прорыв и регистрировать спектрально-кинетические характеристики оптического поглощения и люминесценции с необходимым временным разрешением, однако, к началу наших исследований предельное временное разрешение методик измерения импульсной проводимости диэлектриков не превосходило 1 не.

Эта ситуация делала весьма актуальной решение весьма трудоемкой задачи: разработку методики измерений импульсной проводимости диэлектриков с временным разрешением пикосекундного диапазона.

Других! аспектом, обуславливающим необходимость развития работ в области методики измерения импульсной проводимости, является перспективность использования методического подхода импульсного радиолиза в исследованиях инициирующих взрывчатых веществ (ИВВ). Уже первые по-

пытки использовать такой подход с применением техники регистрации оптических сигналов дачи очень интересные и обнадеживающие результаты. Это обстоятельство обусловило необходимость разработки методики исследования импульсной проводимости взрывающихся образцов.

Изложенные выше соображения служат, на наш взгляд, достаточным обоснованием актуальности методической задачи нашей работы: разработка методики исследования импульсной проводимости диэлектриков с временным разрешением пикосекундного диапазона и методики исследования импульсной проводимости взрывающихся образцов (ИВВ).

Любой, достаточно серьезный шаг в методике исследований приводит обычно к появлению новых и интересных физических результатов, характер и значение которых заранее, как правило, предсказать невозможно. Актуальность же физических задач данной работы, постановка которых связана, в первую очередь, с логикой исследований нашей лаборатории, определялось следующим.

1. Одним из основных модельных объектов в физике твердого тела являются щелочно-галоидные кристаллы (ЩГК). На основании исследования именно этих систем сформированы основные представления, лежащие в основе современной физики и химии ионных кристаллов. Однако, как это ни парадоксально, до настоящего времени отсутствуют прямые экспериментальные данные о такой важнейшей характеристике, как время жизни электронов в зоне проводимости т. Можно лишь утверждать, что при плотностях возбуждения, характерных для техники импульсного радиолиза, время жизни зонных электронов меньше 1 не. Поэтому прямое экспериментальное измерение этой величины по спаду импульса проводимости или хотя бы ужесточение оценки верхней границы г, если длительность спада импульса проводимости окажется меньше временного разрешения методики, представляется весьма актуальным. Прикладной аспект этой задачи определяется тем, что г определяет предельное временное разрешение различных быстродействующих устройств на базе ЩГК, используемых для регистрации ионизирующих излучений.

2. Азиды тяжелых металлов (ATM) на протяжении многих лет являются основным модельным объектом в исследовании ИВВ. Однако, до настоящего времени дискуссионным оставался основной вопрос, какой механизм

взрыва реализуется в ATM: цепной или тепловой? Представляется, что исследование проводимости в процессе взрывного разложения ATM могло бы пролить некоторый свет иа эту принципиальную проблему. Прикладной аспект которой связан с техническими применениями ATM.

Цель и задачи исследования

1. Развитие методики измерения импульсной проводимости, позволяющее расширить возможности этого метода для исследования диэлектрических материалов с малым временем жизни зонных носителей заряда и взрывающихся образцов.

2. Исследование импульсной проводимости ЩГК с субнаносекундным временным разрешением и поиск проводимости ATM в процессе взрывного разложения.

Достижение поставленных целей обусловило необходимое tb решения следующих коЕШретных задач.

1. Разработка методики исследования радиационно-стимулированной импульсной проводимости диэлектриков с субнаносекундным временным разрешением

2. Разработка методики исследования проводимости взрывающихся образцов в процессе взрывного разложения. Разработка методики синхронного измерения электрического и акустического сигналов в процессе взрывного разложения.

3. Исследование импульсной проводимости ряда ЩГК при возбуждении 50 пс импульсами электронного ускорителя с временным разрешением порядка 100 пс.

4. Поиск проводимости AgN;, в процессе взрывного разложения. В случае ее обнаружения, синхронизация импульса проводимости с акустическим сигналом.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработана методика измерения радиационно-стимулированной импульсной проводимости диэлектриков с временным разрешением ~100 пс.

2. Впервые разработана методика синхронного измерения электрического и акустического сигналов взрывающихся образцов в процессе их взрывного разложения.

3. Впервые измерена импульсная радиационно-стимулированная проводимость ряда ЩГК с временным разрешением -100 пс,

4. Обнаружено новое явление - предвзрывная проводимость AgNз. Величина предвзрывной проводимости доказывает цепной характер взрывного разложения АдЫз.

Практическая значимость работы определяется следующими обстоятельствами:

1. Возможностью использования разработанных методик в исследованиях по импульсному радиолизу диэлектрических материалов и в исследованиях взрывного разложения ИВВ.

2. Возможностью использования полученных данных по временам жизни зонных электронов в ЩГК для оценки предельных параметров быстродействующих детекторов ионизирующих излучений на базе ЩГК.

3. Возможностью использования надежно установленного факта цепного характера взрывного разложения AgNз в технике ИВВ.

Защищаемые положения:

1. Разработанные методики измерения импульсной проводимости:

- измерения радиационно-стимулированной импульсной проводимости диэлектриков с временным разрешением-100 пс.

- измерения проводимости взрывающихся образцов в процессе их взрывного разложения и синхронного измерения электрического и акустического сигналов в процессе взрывного разложения.

2. Обнаружение нового явления - предвзрывной проводимости А§Ы3 т.е. проводимость образца до его механического разрушения в результате взрывного разложения.

3. Экспериментальное доказательство цепного характера взрывного разложения азида серебра.

4. Экспериментальные данные по сечениям захвата и рекомбинации электронов в ряде ЩГК:

оценка нижней границы сечения рекомбинации е->Ук в КС1, К'аС1, КВг: 5Р > 5-10"13 см2.

оценка величины сечения рекомбинации е-» V* в Се!: 5Р » 2-10"14 см2.

оценка величины сечения захвата е->Ук в Сб1-Т1: Л'р и 5-Ю"16 см2.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI международной конференции «Радиационные гетерогенные процессы», Кемерово, 1995 г.; IV международной конференции «Прочность и пластичность материалов в условиях высоких энергетических воздействий», Новокузнецк, 1995 г.; XI симпозиуме по горению и взрыву, Черноголовка, 1996 г.; Первом Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующих излучений ТТД-97, Екатеринбург, 1997.

Публикации: Результаты диссертации изложены в 11 научных работах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура. Диссертация состоит го введения, четырех глав, выводов, списка литературы и содержит 151 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 4 таблицы. Список литературы содержит 126 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описана методика исследования радиационно-стиму-лированной проводимости диэлектриков с временным разрешением ~0,1 не. Вначале главы дан краткий литературный обзор по методам получения и регистрации субнаносекундных пучков электронов. Далее приведена конструкция субианосекундного формирователя импульсов и экспериментальной ячейки.

Функциональная схема установки представлена на рис. 1. Источником возбуждения является ускоритель электронов ГИН-540 с разряд ником-обострителем (1). В вакуумной камере (2) над выходным окном ускорителя электронов (1) установлен крист&ллодержатель, состоящий из заземленной латунной пластины (3) с отверстием коллиматора, мониторной пластины (4) и заземленной пластины (5). Между собой пластины разделены изолятором (6). Между мониторной пластиной (4) и заземлением подключен конденсатор Ст. В момент импульса ускорителя часть пучка электронов через колиматор

попадает на образец (8), а периферийная часть пучка задерживается Moira-торной пластиной и создает потенциал на конденсаторе Ст, амплитуда которого фиксируется осциллографом (7) и служит для измерения флуктаций плотности пучка. Испытуемый образец (8) находится в электрическом

контакте с пластиной (3) своим нижним напыленным электродом. Верхний потенциальный напыленный электрод (в лунке образца) при помощи шщий-галлиевого сплава (9) соединен с измерительным трактом осциллографа (10) (С7-19). Измерительный тракг состоит из разделительного конденсатора Cr и коаксиальной кабельной линии задержки L. На потенциальный электрод образца через зарядное сопротивление R подается постоянное напряжение U0 от источника постоянного тока (11), которое может регулироваться в пределах от -500 до +500 В. В момент облучения образца импульсом электронов в нем по-ровапной проводимости диэлектриков.

является проводимость, часть коаксиальной кабельной линии L частично разряжается через образец. Импульс падения напряжения передается по той же линии через разделительный конденсатор CR, на вход осциллографа (10). Изображение осциллограмм с обоих осциллографов принимается телевизионным считывающим устройством (ТСУ) (12) и передается в компьютер ЮМ АТ/386 (13), дополненный специальным устройством, запоминающим переданную информацию в виде графического растрового файла в формате PGM. Записанную информацию можно выводить на экран дисплея и проводить последующие необходимые обработки с помощью разработанного нами программного обеспечения. Синхронизация элементов установки осуществляется следующим образом. Блок синхронизации (14) запускает кадровую развертку ТСУ, устройство за-

Рис. 1. Функциональная схема установки по исследованию радиационно-стимули-

поминания цифровой информации в компьютере и ускоритель. Развертки осциллографов запускаются от емкостного делителя ускорителя электронов.

В схеме регистрации применен кабельный шунт из десяти параллельно соединенных коаксиальных кабелей в месте контакта передающей линии и исследуемого образца. Это позволяет снизить постоянную времени регистрирующего тракта г= R C, где R = 5 Ом волновое сопротивление тракта, С - емкость образца. Емкость образца минимизируется путем уменьшения площади электродов до величины 3 мм2. Все элементы конструкции имеют коаксиальное исполнение, минимальные размеры, высококачественные контакты. В результате удается получеть импульсную характеристику измерительного тракта 150 пс. Такое временное разрешение при измерении однократных электрических импульсов является рекордным. Применение статистических методов обработки сигнала позволяет получить временное разрешение <100 пс. Экспериментальная установка имеет следующие параметры. Плотность возбуждения: 102-г 104 А/см2; максимальная энергия электронов ~200 кэВ; временное разрешение измерительной схемы ~100 пс; чувствительность измерения импульсов тока в образце 2-Ю"3 А; диапазон временных измерений Ю~10 -ь Ю-4 с.

Во второй главе приведен анализ возможности определения микроскопических характеристик зонных носителей зарядов методом импульсной проводимости, таких как подвижность ju, время жизни г, сечения рекомбинации захвата S. Показано, что в случае квазистационарного приближения возможно только определение произведения jU-t, а в случае мгновенного возбуждения (4 « г) в определенных условиях возможно раздельное определение /и, г, S. Дан краткий литературный обзор экспериментальных результатов по определеншо /J, г, S. Далее изложены экспериментальные результаты.

Кристаллы с решеткой типа NaCl. На рис. 2 показана совокупность осциллограмм импульсов тока пучка в образцах КС1 при различных напряжениях. Осциллограммы, полученные при исследовании кристаллов NaCl и КВг имеют аналогичный вид. Основной результат состоит в том, что во всех кристаллах импульс тока проводимости безинерционно следует за импульсом тока пучка, т.е. релаксирует с временем меньшим, чем временное разрешение

методики (<100 пс). Инерционных компонентов тока проводимости не наблюдается. Существенно, что при изменении знака приложенного напряжения можно изменить направлешге тока в образце. Следовательно на-

ю J

о

"о

-300 -150 0 150 300

Рис. 2. Осциллограммы импульсов

тока проводимости кристалла КС1 Рис. 3. ВАХ для кристалла КС1

блюдаемый ток не является током первичного пучка электронов. Он не является также емкостным током смещешш, который для ЩГК практически не зависит от внешнего напряжения в области слабых и средних полей. По

максимальным значениям осцилло-ч г рамм типа рис. 2 строятся вольт-

амперные характеристики (ВАХ), которые оказались линейными в полях по крайней мере 5-104 В/см. На рис. 3 показаны ВАХ кристалла КС1 для четырех плотностей возбуждения. Из ВАХ рассчитывалась удельная проводимость ст. Эксперимент проводился в широком диапазоне плотностей возбуждения. На рис. 4 показана зависимость сг от плотности тока пучка jn в логарифмических координатах. Она содержит только один линейный участок с наклоном i = 0,5±0,05. Зависимость cr~j°'} свидетельствует о том, что процессом, ограничивающим время жизни электронов в зоне проводимости является рекомбинация с дырками (скорее всего с авто-

1

0,01

0,1

Рис. 4. Зависимость удельной проводимости кристалла KCI от плотности

локализованными дырками - Ук-центрами). При этом зависимость <т~ свидетельствует о том, что при длительности возбуждения импульса ~100 пс реализуется квазистационарный режим. Это позволяет еще в несколько раз ужесточить верхнюю оценку гс, т.е. утверждать, что гс<< 100 пс. Полученные данные позволяют оценить величину сечеши рекомбинации зонных электронов с \'к-центрами:

(1)

Концентрацию рекомбинирующих партнеров п можно рассчитать из экспериментально измеренного значения проводимости

п = а! е-¡л. (2)

Расчет значения п проводится по минимальным значениям сгрис.З. Подвижность // в КС1 при 300 К принята »10 см/В-с, тепловая скорость электронов зоны проводимости определяется из выражения т'4л/2 := З/2-к-Т. т* =0,45-«?- эффективная масса электрона, откуда У= 1,75-10 см/с. е— 1,6-10'19 К - заряд электрона. Используя эти значения получаем опенку минимального значения сечения е-Ук-рекомбинащш 5 > 5-10"'" см2.

Совершенно иные результаты получены на кристаллах с решеткой типа СбС1. Исследовались кристаллы Сэ! и СбВг. Осциллограммы импульсов тока

проводимости при различных плотностях возбуждения для СбВг представлены на рис. 5. Безинер-ционный компонент импульса тока проводимости отсутствует. По мере увеличения плотности возбуждения длительность импульса тока проводимости сокращается и становится близкой к аппаратной

функции. Таким образом, в С$Вг Рис. 5. Осциллограммы имггтаьсов _

тока проводимости кристаллов С5Вг. реализуется режим возоуждения

близкий к мгновенному, т.е. время жизни зонных носителей заряда несколько превышает длительность импульса возбуждения и значительно превышает таковое по сравнению с кри-

импульс возбуждямя

/'„ ~ 0.7 кА/см" ~ 0,06 кА/(.-м!

сталлами типа ЫаС1. Мы ограничились качественной оценкой для СэВг гс<100 пс.

Более подробно исследован кристалл С$1. Осциллограммы представлены на рис. 6. При плотностях возбуждения ] < 1 кА/см2 и внешних полях

0,5

и.\

4 / 5

Рис. 6. Осциллограммы импульсов тока проводимости кристалла Се!

-500 -250 0 250 500 Рис. 7. ВАХ проводимости кристалла Сб!

Е< 104 В/см наблюдается та же закономерность, что и для СбВг, при чем длительность спада импульса тока проводимости ~1 не достаточна для простой математической обработки, которая позволила установить, что релаксация импульса происходит по кинетике второго порядка. ВАХ для Сй! линейны в полях по крайней мере 5-104 В/см (рис. 7). По наклону ВАХ определялось сопротивление образца и рассчитывалась су. На рис. 8 представлена зависимость оф, которая линейна во всем исследованном диапазоне / Экспериментальные результаты однозначно свидетельствуют, что в СйВг и Св1 наблюдается бимолекулярная рекомбинация носителей заряда, участвующих в токе проводимости: во-первых уменьшение времени жизни носителей заряда с ростом плотности возбуждения; во-вторых релаксация тока

О -1-

у'л'10", А/см'

0 0,4 0,8 1,2

Рис. 8. Зависимость удельной проводимости кристалла Сэ! от плотности тока возбуждающего импульса

проводимости по кинетике второго порядка и линейная зависимость от плотности в случае Се!, в котором достаточно надежно реализуется режим мгновенного возбуждения. Наиболее вероятной моделью, описывающей наблюдаемые закономерности, на наш взгляд, является когерентный перенос электронов зоны проводимости и рекомбинация с Ук-центрами. В рамках этой модели сделана оценка эффективного сечения е-Ук-рекомбинашш. Воспользовавшись формулой (1) и измеренным значением времени полуспада Цц ш осциллограмм рис. 6 определяем величину п из экспериментальных значений сг в максимуме токового сигнала по формуле (2). Подвижность /л для электронов зоны проводимости в Се! неизвестна, однако нет оснований полагать, что она сильно отличается от таковой в других ЩГК. Поэтому для оценки принимается Ц ^ 10 см2/В-с при 300 К. В результате получается оценка 5= 2-10-" см2

Рассмотренная выше модель получила подтверждение в эксперименте, проведенном на кристалле СбУ-Т! с концентрацией Т1+ 8-10!Г см"3. На рис. 9 представлена осциллограмма импульса тока проводимости такого образца,

совмещенная во времени с импульсом возбуждения (/ = 0,64 А/'см2). Время релаксации резко сократилось по сравнению с чистым Сб1 при той же плотности возбуждения. При этом амплитуда импульса уменьнгалась почти на порядок. Следовательно, в данном случае время жизни электронов в зоне проводимости ограничено доминирующей реакцией Т1++ е —» Т1°. Из этого эксперимента можно сделать оценку сечения захвата электрона на Т1+ — центр по формуле (1), используя известное значение N. Оценка времени жизни электронов делается на основании осциллограмм рис. 9 по формуле

(3)

где А г, Агн , Ат1у- длительность импульсов на полувысоте соответственно: наблюдаемого импульса тока проводимости, импульса возбуждения и истин-

/, от и. ед.

Рис. 9. Осциллограмма импульса в тока проводимости кристалла С51.

ного импульса тока проводимости. Из экспериментального значения Дг» те= 120 не получена оценка S = 5-10'16 см2.

В третьей главе описаны методики исследования проводимости в процессе взрывного разложения азидов тяжелых металлов (ATM). В начале главы дана краткая характеристика объектов исследования. Далее описаны установки с лазерным источником инициирования (лазер на YAG:Nd3+, работающий в режиме самосинхронизации мод, длина волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса 30 пс, энергия в импульсе до 30 мДж). Рассмотрена схема измерения проводимости, синхронного измерения проводимости и акустического сигнала взрывающихся образцов.

Функциональная схема установки представлена на рис. 10. Образец (1) индий-галлиевым сплавом (2) крепится к металлическим электродам (3) выполненным «травлением» на фольгированном стеклотекстолите (4), являющимся изолирующей подложкой передающей акустическую волну взрыва образца. Один электрод «заземляется», на второй через зарядное сопротивление Rz подается регулируемое напряжение Uq. Изолирующая подложка находится в механическом контакте с пье-зодетектором (5). В результате взрыва образца (1) в изолирующей подложке (4) возбуждается импульс механического напряжения, который передается на пьезоде-тектор (5). Пьезодетектор преобразует акустический импульс в электрический, регистрируемый на экране запоминающего осциллографа С8-12 (6).

Воздействием лазерного излучения в образце развивается реакция взрывного разложения, сопротивление образца падает и происходит частичная разрядка конденсатора (С) по контуру «конденсатор - образец - заземление - сопротивление нагрузки осциллографа (Яи) - конденсатор». Кинетика

-Дс -'"Ч 13 ! !

i / — ) i 9 г-Ч

' _1_ 1 I — '

i Ч " 2* !

г-': ; (

Г-1 —¡~Т_С ! i

- ! ! !_

... ,п з^ q>-l ь

10 Ь - - - - ->- W !- .1. | ; мхи ; -

-1 l.-'tT'^'^""

•s 1

Рис. 10, Схема эксперимента по измерению проводимости азида серсбра во время взрывного разложения.

изменения тока через образец регистрируется в виде падения напряжения на нагрузке (/?„) запоминающим осциллографом С8-14 (7).

Синхронный запуск элементов схемы осуществляется с помощью многоканального генератора импульсов ГИ-1 (8). Совмещение исследуемых сигналов во времени осуществляется с помощью реперных импульсов. Принцип

точной временной привязки сигналов по ^ реперным импульсам, поступающих по

различным каналам поясняет рис. 11. На место образца устанавливается кремниевый фотодиод, с которого сигнал реакции на излучение лазера (импульс 1 рис. 1!) поступает в канал регистрации проводимости (первый канал двухлучевого ос-щшлографа С8-14 (7)). Одновременно на второй канал этого же осциллографа поступает сигнал с фотоумножителя ФЭУ-97 (И) (импульс 2 рис. 11), регистрирующего рассеянное излучение лазера (9) от подложки в месте расположения образца (1). Так же одновременно по третьему каналу на втором осциллографе регистрируется сигнала механической реакции пьезодетектора (импульс 3 рис. 11) на воздействие лазерного импульса по диэлектрической подложке (4) измерительной ячейки. По этим импульсам фиксируются «нулевые» точки отсчета времени от момента воздействия лазерного импульса на образец.

Далее образец устанавливается на место и при воздействии на него лазерного импульса фиксируются импульсы проводимости (импульс 4 рис. 11), реперный импульс (импульс 2 рис. 11) от рассеянного излучения лазера, ре~ перный импульс механической реакции пьезодетектора (импульс 3 рис. 11) и импульс механической реакции пьезодетектора на взрыв (импульс 5 рис. 11). Совмещение осциллограмм по реперам (2) и (3) дает реальную картину связи акустического сигнала и проводимости во времени.

2-й однолучевой осциллограф

Ь I

в)акустический сигнал

V '

Рис. 11. Схема временной привязки

импульсов тока проводимости и акустического сигнала.

\

Использование реперных импульсов полностью исключает временную нестабильность, связанную с разбросом запуска разверток осциллографа и другими флуктуациями измерительной схемы. Точность временной привязки определяется только отсчетной погрешностью и на применяемых развертках осциллографа составляет величину не хуже ±3 не.

Временное разрешение на всех каналах определяется используемыми осциллографами и составляет величину не хуже 7 не. Приведены конструкции экспериментальных ячеек для измерения проводимости, взрывающихся образцов и акустического сигнала, разработанные в процессе экспериментов. В последнем параграфе описана экспериментальная установка для измерения проводимости взрывающихся образцов, в которой в качестве источника инициирования использован сильноточный наносекундный ускоритель электронов. Схема эксперимента аналогична описанной в главе 1, но учтена специфика исследуемых объектов.

Четвертая глава посвящена исследованию проводимости азида серебра в процессе взрывного разложения. В начале главы дан анализ существующих представлений о механизме взрывного разложения ATM на основании литературных данных. Далее приведены экспериментальные данные полученные с использованием методик, описанных в главе 3. Первая серия экспериментов была проведена на шгтевидных кристаллах AgNS при инициировании взрыва электронным пучком. Анализ полученным при этом данных позволил сделать вывод, что скорее всего взрывная проводимость образца наблюдается только на переднем фронте измеряемого токового импульса, а спад обусловлен проводимостью элементов конструкции ячейки, загрязненными продуктами взрыва, на которые попали рассеянные электроны пучка. В связи с этим использование электронного пучка малоперспективно для надежного обнаружения, а тем более для исследования взрывной проводимости. Поэтому основная часть эксперимента была проведена при инициировании лазерными импульсами. Первые эксперименты проводились на макрокристаллах (типичные размеры 2x2x0,5 mi3). В этих опытах удалось надежно зарегистрировать импульсы взрывной проводимости со следующими типичными параметрами: фронт ~ 200 не, спад ~ 1000 не (рис. 12). Таким образом результаты этой серии экспериментов однозначно доказали наличие взрывной проводимости. Однако для исследования обнаруженного явления такие кристаллы оказались непригодными в виду того, что при взрыве происходило разруше-

-те измерительной ячейки что резко увеличивало ооъем экспериментальной работы. Поэтому дальнейшие эксперименты проведены на нитевидных кристаллах (типичные размеры 5x0,1x0,05 мм3).

На рис. 13 приведены типичные осциллограммы взрывной проводимости для таких кристатлов. Производились две группы экспериментов 1 - между электродами кристаллодер-жателя находился воздух; 2 -между электродами была изолирующая подложка на которой

400

800

1200

Рис. 12. Осциллограммы тока проводимости макрокристаллов AgNг, на электродах с воздушным зазором.

ттржпл кристалл (рис. Ьа>. Для первой группы импульс имеет несколько асимметричную форму с характерными параметрами: фронт 30 -5- 70 не, спад 100-200 не. Форма п амплитуда импульса практически не зависит от энер-гш! инициирующего импульса, а также не меняется при переходе от инициирования первой гармоникой (1060 ни) к игопщирова-шпо второй гармоникой (530 нм). "с Однако время задержки (индук-Рис. 13. Зависимость спада импульса тока ЦИОнный период) т.е. промежуток проводимости кристаллов АкК: от способа

между инициирующим и токо-

крепления.

вым импульсами довольно сильно зависит от энергии возбуждающего импульса и монотонно уменьшается с ее увеличением (рис. 14). Следует отметить, что длительность индукционного периода зависит от чувствительности регистрирующей аппаратуры я уменьшается с увеличением последней (рис. 15а - чувствительность осциллографа 0,5 В/дел., рис. 15б - 0,01 В/дел., энергия инициирования Е = 5 мДж). В этом плане резко выделяется ситуация с минимальными значениями индукционного периода (~ 20 не), достигаемого при энергиях > 20 мДж. В пре-

делах возможностей аппаратуры эти величины не зависят от чувствительности последней. Возможно, что 20 не это некое характерное время, определяемое физикой процесса взрывного разложения.

ВАХ токового сигнала, измеренная в максимуме импульса проводимости имеет линейный характер (рнс. 16). Существенно подчеркнуть, что ВАХ не зависит от энергии и длины волны инициирующего импульса. В экспериментах второй группы наблюдаемые закономерности те же что и в первой группе. Однако, крепление образца на подложке приводит к резкому' удлинению спада импульса (рис. 13б). При этом наличие подложки не влияет на передний фронт импульса. Из этих экспериментов был сделан предварительный вывод, что передний фронт токового импульса,

по-видимому обусловлен проводимостью образца, а в спад может вносить вклад проводимость подложки, обусловленная воздействием продуктов взрывного разложения. Для однозначного решения задачи о природе

_ взрывной проводимости были

0 2<.Ю 400 600 800 1000

проведены эксперименты по

Рис 15 Осциллограммы тока проводимости ^кронному измерению тока

кристаллов -^N3 при различной чувствитсль- пр0В0ДИМ()СТИ и акустического

ности осциллографа (энергия инициирования

г г 4 г сигнала, соответствующего на-

¿1 — 5 мДж).

чалу механического разрушения образца. Типичные осциллограммы представлены на рис. 17(1- импульс тока проводимости, 2 - фронт акустического импульса). Оказалось, что фронт импульса тока проводимости опережает фронт акустического сигнала, соответствующего механическому разрушению образца (взрыву) на 50 н- 70 не. Резкий рост акустического сигнала приблизительно совпадает по времени с

(,, мкс

1

0.8 0.6 0.4 0.2

0

10

15 20

Е, мДж

Рис. 14. Зависимость времени задержки токового сигнала от энергии инициирования.

аксимумом тока проводимости. Этот результат, по нашему мнению, одно-гачно доказывает, что проводимость наблюдаемая до максимума токового А

и. В

Рис. 16. Вольтамперная характеристика окового сигнала предвзрывной проводимости нитевидных кристаллов

600 г не

Рис.17. Осциллограммы импульсов тока проводимости (1) и акустического сигнала (2) нитевидных кристаллов AgNз.

игнала соответствует проводимости не разрушенного образца, т.е. ее можно валифицировать как предвзрывную. Спад токового импульса обусловлен арушением сплошности образца в результате взрывного разложения. Таким бразом, в результате этих экспериментов нами обнаружено новое явление: редвзрывная проводимость А^з. Была проведена оценка величины пред-зрывной проводимости. Сопротивление, рассчитанное из ВАХ, в общем лучае складывается из двух составляющих К = Кк + /?0, где /?к - сопротивление контактов, Я0 - сопро-

К, Ом

I

тивление ооразца:

• Я =

а Б

, где

1/$, мм"1

-!-!-1-1-

200 400 600 800

'ис. 18. Зависимость суммарного сопротивле-[ия образца и контактов от геометрических >азмеров образца.

о— удельная проводимость, / -длина, 5 - поперечное сечение. Для разделения этих составляющих проводился эксперимент на образцах с различными 5" и фиксированной длиной / (рис. 18). Оказалось, что Я я 3.2+0.2 Ом, т.е. не зависит от Я при измене-

ии последней величины в пределах (0.2-Н)-10"~ мм. Отсюда следует вывод,

что Ко по крайней мере, на порядок меньше Я, и максимальное значение тока определяется сопротивлением контактов. С учетом геометрических размеров образцов это позволило получить оценку нижней границы проводимости образца в области максимума токового сигнала сг> ТО3 Ом-1см-1. Приняв для дрейфовой подвижности значения 10 см2/В-с, получаем из о- п-е-{1 (е -заряд электрона, п - концентрация зонных носителей заряда) оценку для яШГ1 > 10^° см-3. Проанализируем полученное значение п с точки зрения теплового .механизма взрыва. При термической ширине запрещенной зоны в Е.: - 1.5 эВ из соотношения пт,д « и0-схр(-£„//сГ) (где п„~ 1022 см°) получаем Т^ 7000 К. Грубость оценки не должна смущать так как попытка учета таких факторов как уменьшебние // с ростом температуры за счет электрон-электронного рассеяния при больших п и т.д. могут привести только к увеличению Т. Полученное такого значения Т совершенно не реально, так как температура плавления А£^т3 не превышает 500 К. Таким образом, полученное значение о в предвзрывном состоянии, однозначно исключает тепловой характер процессов, обуславливающих взрывное разложение А§Ыз. Таким образом, полученные нами данные по предвзрывной проводимости являются прямым экспериментальным доказательством цепного характера реакции взрывного разложения представления о котором на протяжении ряда

лет развиваются В.Г.Кригером с сотрудниками.

Основные результаты и выводы

1. Разработана методика исследования импульсной радиационно-сти мелирован ной проводимости диэлектриков с временным разрешением - 1 ПО пс.

2. Разработана методика исследования проводимости взрывающихся образцов в процессе их взрывного разложения.

3. Разработана методика синхронного измерения электрического и акустического сигналов в процессе взрывного разложения образцов.

4. На основании данных по гомереншо импульсной проводимости получены оценки значений нескольких важных электрофизических характеристик ЩГК:

- сечение рекомбинации электронов с \'к-центрами в КС1 а> 5-10"13см~

- сечение рекомбинации электронов с V„--центрами в кисталлах Csl СГ«2-10'!4 см2

- сечение захвата электрона на 'ГГ-центр в кристалле Csl-Tl <7« 5-Ю"16 см2.

1. Обнаружена и измерена проводимость азида серебра в процессе взрывного разложения. Сделана оценка ее величин <т> 103 Ом"'-см_1.

>. Проведено синхронное измерение импульса тока проводимости и акустического сигналов, сопровождающих взрывное разложение азида серебра, позволившее обнаружить новое явление - предвзрывную проводимость, то есть проводимость, регистрируемую до начата механического разрушения образца при его взрывном разложении. Экспериментально доказан цепной характер взрывного разложения AgN3

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

. Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Швайко В.Н. Релаксация проводимости в ио-диде цезия после возбуждения субнаносекундными импульсами электронов в кн.: Тез. докл. IV международной конф. "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий", Новокузнецк, 1995. С. 64.

I. Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Швайко В.Н. Релаксация проводимости в CsJ после возбуждения субнаносекундными импульсами электронов ФТТ, 1995.Т. 37. № 8. С. 2537-2539.

>. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Предвзрывная проводимость азида серебра // Тез. докл. VI международной конф. "Радиационные гетерогенные процессы", Кемерово, 1995, 4.1. С.53.

1. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Иголинский А.В., Кречетов А.Г. Кинетика проводимости азидов при импульсном воздействии // Тез. докл. IV международной конф. "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий", Новокузнецк.

5. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Предвзрывная проводимость азида серебра // Письма в ЖЭТФ, Т. 62. 8ып. 3, 1995. С.203-204.

3. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Захаров Ю.А., Кречетов А.Г.

Исследование механизма взрывного разложения азида серебра методами спектроскопии с высоким временным разрешением. Изв. ВУЗов. Физика, 1996, №11.1 39. С. 162-175.

7. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Бедокуров Г.М., Захаров Ю.А., Кречетов А.Г. Исследование механизмов взрывного разложения азида серебра (пред-взрывная проводимость и люминесценция) XI симпозиум по горению и взрыву. Тез .докл. G. 56. Черноголовка, 1996,

8. Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Проводимость шггевидных ристаллов азида серебра в процессе взрывного разложения. IX между"народная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов: Тез. докл, С. 5. Томск, 1996.

9. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Кинетика развития взрывного разложения азида серебра при инициировании лазерным импульсом. Химическая физика. Т. 16. № 8. 1997. С. 130-136.

Ю.Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Сечкарев Б.А., Фомченко В.М. Аномальная кинетика импульсной проводимости AgBr. Первый Всероссийский симпозиум по твердотельным детекторам ионизирующих излучений ТТД-97: Тез. докл. Екатеринбург, 1997. С. 15-16.

Н.Б.П. Адуев, Э.Д. Алукер, Г.М. Белокуров, В.Н. Швайко. Нестационарная проводимость широкозонных диэлектриков при импульсном возбуждении. Первый Всероссийский симпозиум по твердотельным детекторам ионизирующих излучений ТТД-97: Тез. докл. Екатеринбург, 1997. С. 7-8.

Подписано к печати '2J4.9S. Формат 60х84'/1б- Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. {¡5. Тираж 100 экз. Заказ №J¡2.

Издательство "Кузбассвузиздат". 650043 Кемерово, ул. Ермака, 7. Тел. 23-34-48.