Влияние гамма-излучения на ионную электропроводность и ионную тепловую поляризацию в керамических диэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

дальневосточное отделение академии наук российской федерации амурскими комплексный научно-иссадоватиьский институт

^ Г В Од на правах рукописи

скрипников олег юрьевич

УДК 537.311.32:538.97.>101)

влияние гамма-излучений на ионную элктропроводность и ионную тепловую поляризацию в керамических диэлектриках

01.04.10 - физика полунроводниов и диэлектриков

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

БЛАГОВЕЩЕНСК- 19У4

Работа выполнена в

Научные руководители:

Официальные оппонента:

Ведущая организация:

Институте ядерной физики АН РУз и Амурском комплексном научно-исследовательском институте ДВО РФ

член-корр. ИТА РФ, доктор технических наук, профессор КОСТЮКОВ Н.С. доктор физико-математических наук, профессор ГАСАНОВ Э.М.

доктор физико-математических наук, ОКСЕНГНЩЛЕР Б.Л.

кандидат физико-математических наук, дидчук б.а.

Институт материаловедения АН Республики Узбекистан, Ташкент

Защита состоится ".

1994 г. в

часов на

заседании специализированного совета Д 002.06.11 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Амурском комплексном научно-исследовательском институте ДВО АН Р* по адресу: 675000, Благовещенск АмурскоЛ обл., пер. Релочинй, д.1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Амдекого коют-лексного научно-исследовательского института ДБО АН №.

Автореферат разослан

1994 г.

Ученый секреторь снециялюированного совета. кгшдилвт фнз.-мат. тук

САШИНА О.В.

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОТН

С развитием ядерной энергетики в последнее время предъявляя ген все более высокие требования к материалом, применяемым в даннной ой-ласти. Особенно это относится к электроизоляционным материалам, широко применяемых в ядерных реакторах. Необходимость в создании веществ с малой электропроводностью, высокой механической и жаропрочностью и при этом обладающих хорошей радиационной стойкостью - одна из основных задач радиационного материаловедения. Но область применения неорганических диэлектриков не ограничивается только ядерно."; энергетикой - сюда входит и бурно развивающаяся космическая технология, где Щ)ед1являются высокие требования к применяемым изделиям.

Одншл из наиболее широко используемых классов неорганических диэлектриков являются керамические материала, что обуславливается их технологичностью, доступностью сирьеиой базы для производства, хорошими электроизоляционными параметрами, в том числе в условиях воздействия радиации и высоких температур. Однако эти материалы отличаются очень слоюшм составом, что обуславливает большие трудности " определении вклада различных компонент в электрофизический параметры и, следовательно, при создании материалов с заданными свойствами.

Неоднородность структуры керамических диэлектриков приводит к большому многообразию протекающих процессов. Наличие границ раздела фаз и кристаллитов обуславливает одновременное влияние объемных и поверхностных процессов на свойства этих материалов. Кроме того, наличие значительного количества дефектов приводит к их влиянию на параметры диэлектриков, особенно при воздействии радиации.

-Цщщ^щмаашаниД

Целью данной работы является выявление роли дефектности структуры ¡1 границ раздела фаз в процессах ионной объемной и поверхностной" олектропроводностей и ионной тепловой поляризации керамических диэлектриков при воздействии ионизирующего излучения.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих конкретных задач:

1. Разработать методику дистанционных измерений поверхностной электропроводности и диэлектрических характеристик в процессе воздействия гамма-излучения мощности доз до 45 Гр/с в диапазоне температур ЗОН41000К.

2. Исследовать удельную ооммнуи электропроводнность керамик о раа личным количеством границ раздела 1$аз и пространственных д-Ф

структуры без облучения и под действием ионизирующего излучения.

3. Исследовать удельную поверхностную шюктропроводность керамик и стекол с различным уровнем дефектности поверхности без облучения и под действием ионизирующего излучения.

4. Провести исследования диэлектрических параметров керамик и стекол в диапазоне частот Ю2+Ю10 Гц и температур 300+1000 К.

5. Исследовать влияние ионизирующего излучения на приповерхностную ионную тепловую поляризацию керамических диэлектриков.

Лаушшалоаиана.

1. Показанно, что поверхностная ионная электропроводность возрастает при увеличении дефектности поверхности, что связано, в-основном, с уменьшением энергии активации этого процесса..

2. Установленно, что объемная и поверхностная электропроводности возрастают при увеличении мощности дозы ионизирующего излучения, что обуславливается уменьшением энергии активации процессов.

3. Установлено, что воздействие ионизирующего излучения приводит к расширению пика диэлектрических потерь тепловых ионных, поляризационных процессов в приповерхностном слое и его смещение в сторону более низких температур.

4. Показанно, что уменьшение наиболее вероятной энергии активации поверхностных тепловых поляризационных процессов и средней энергии активации объемной и поверхностной лонной электропроводностей при возрастании мощности дозы ионизирующего излучения имеет степенной закон с показателем степени, зависящим от дефектности структуры.

5. Разработана модель, согласно которой изменение заряда пространственных дефектов структуры, происходящее при воздействии радиащл, приводит вследствие кулоновского взаимодействия с атомами вещества к изменению функции распределения ионов по потенциальным барьерам и, соответственно, по временам релаксации.

Лрястчвдкзя значимость

Результаты, полученные при выполнении данной работы расширяют представления о процесса, протекающих в неупорядоченных структурах, чго поможет специалистам, занимающиеся исследованиями и практическим применением этих материалов. Кроме того эти результаты могут быть :: .'Нользочшш при садаш пошх. мгдарлгиов с заданшд.'л свойствами, . i.'.меняемых в ядерной га^тике и космическом щя* -¡»стрстпвк, я . •, -;-.ц р яругах О0.ТО0ТЧХ науки и техник/, гд» керакиччскио даож'ктри-нан-дт? широкое прюч'-ипчле.

- <г-

1. Наблюдаемое уменьшение энерги активация поверхностной и объемной ионной электропроводностей с увеличением дефектности материалов связанное с возрастанием количества локально-нескомпенсировашшх дефектов структуры, зарядовое состояшш которых и обуславливает уменьшение средней энергии потенциальных барьеров атомов.

2. Обнаруженный степенной закон уменьшения наиболее вероятной энер гии активации поверхностных тепловых поляризационных процессов к средней энергии активации объемной и поверхностной ионной электропроводностей при возрастании мощности дозы ионизирующего излучения, показатель степени которого, зависит от дефектности структуры.

3. Наблюдаемое расширение пика диэлектрических потерь тепловых ион -них поляризационных процессов в приповерхностном слое материалов при воздействии ионизирующего излучения связаное с модификцией функции распределения ионов по временам релаксации.

4. Предложенный механизм уменьшения наиболее вероятной и средней энерпш активации ионов и изменения функции распределения ионов по потенциальным барьерам в процессе воздействия ионизирующего излучения, обусловленные изменением зарядов пространственных дефектов структуры вследствие завата на ловушках генерированных излучением электронов или дырок.

5. Разработанная модель, в которой используется предлкенный механизм и экспоненциальное распределение ловушек по энергиям в запрещенной зоне неупорядоченного диэлектрика, дающая степенную зависимость изменения плотности радиационно-стимулированных зарядов пространственных дефектов структуры от мощности дозы излученияи и аналогичную зависимость для энергии активации ионых процессов.

Луйшаций-

Матеряалы диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях и 17 тезисах докладов. Лиройшш-райссш.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Республиканской конференции молодых ученных "Актуальные вопросы прикладной физики" (Ташкент, 1985);

2 Республиканской конференции по физике твердого тела (Ош, 1989); 2 Республиканской конференции "Физика твердого тала и новые области ее применения" (Караганда, ,1990);

Т Всесоюзной научно-тех1шчт;коЙ конференции "Мегоцн и средства ись

мзрений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ" (Новосибирск, 1991);

1 региональной конференции по радиационной физике твердого тела (Самарканд, 1991);

3 Международнойшколе-снмпозиум "Физика и химия твердого тела" (Благовещенск, 1991);

Международной конференции "Радиационное эффекты в диэлектриках" Ш-6 (Германия, 1991);

Симпозиуме "Стройпрогресс 2000" (Белгород, 1991); Международной школе-симпозиуме по физике материалов с применением ядерных методов ( Польша, 1993);

8 конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1993).

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и содержит 130 страниц, в том числе 30 рисунков, 5 таблиц и списка литературы, включающем 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Вларшй-Ишпа.приведен литературный обзор работ, посвящении* изучению 1Ю1ШОЙ электропроводности твердых тел, в частности керамик и стекол. Показано, что в этих материалах при повышошшх температурах электропроводность носит, в основном, ионный характер, обусловленный переносом ионов щелочных металлов, содержащихся в стекло и стеклофазе. Границы раздела фаз и дефекты структуры приводят к изменив удельной объемной ионной электропроводности и понижению ее внер-. гии активащм. Описаны также работы, изучающие ионную тепловую поляризацию в керамиках и стеклах в широком диапазоне частот, включая область СВЧ. Данные, приведенные в этих работах, показывают, что за ионную тепловую поляризацию в изучаемых материалах ответственны, в основном, ионы щелочных металлов, содержащихся в стекле. Рассмотрены основные модели, приводящие к распределении» функции времен релаксации ионов. В этой главе рассматриваются работы, посвященные эффектам, проиоходшдам под действием радиации, в частности, ее влияние да электропроводность и тепловые ионные поляризационные процессы. Рассмотрены та1ака основные модели радиационной электропроводности, использующиеся в ытой области.

описаны методики, использущиеся при исследованиях, применяемых в данной работе. Описаны схема и работа вакуумного

стенда, применяемого практически при всех исследованиях, а также подгоготовка ячейки и образцов к эксперименту. Представлена разработанная методика дистанционных измерения объемной и поверхностной электропроводностей, позволяющая проводить измерения при мощностях доз гемма■-излучения до 45 Гр/с и температур 300+1000 К. ив постоянном и переменном токах. Эта методика позволяет также измерять пригсо-верхяостныо и объемные диэлектрические параметры образцов в диапазоне частот 3*10 -3*10 Гц. Описан дистанционный метод "волноводно-ди-влектрических резонансов", позволяющий проводить измерение диэлектрических характеристик образцов в диапазоне частот 109+1010 Гц и температур 300+1000 К. Исследовались образцы внсокоглиноземистых керамик ЦМ-332, ГБ-7, ультрафарфора УФ-46, электротехнического фарфора М-23, а также стекла, по химическому составу подобные стеклофазе керамик ГБ-7 и УФ-46, и стекла, схожие со стеклофазой керамики УФ-46 о небольшими вариациями в химическом составе.

ВлдаьеОшгшо. приведены экспериментальные результаты по исследованиям объемной и поверхностной электропроводностей керамик и стекол без облучения и под действием 7-излучешш.

Для сопоставления физических процессов на поверхности диэлектрика и в его объеме из экспериментальных данных: возникла необходимость в определении толщины приповерхностного слоя материала, в котором осуществляется поверхностная проводимость. Поскольку для исследуемых материалов трудно определить толпдау слоя экспериментально и очень сложно вычислить аналитически, были проведены численные расчеты на ЭВМ. Использовался метод "релаксации" при решении уравнения Лапласа с граничными условиями, соответствующими реальным условиям эксперимента. Это позволило определить потенциал внутри исследуемой области и рассчитать объемные и поверхностные токи, токи утечки и их величины. Из зависимости полного интегрального тока от толщины слоя, в котором он протекает, получено, что ток (755 от полной величины) протекает в слое порядка 35 мкм. Это сравнимо с размерами несднород-ностей на поверхности, поэтому можно сделать вывод о том, что поверхностная электропроводность в сильной степегм молот зависить от структурной неоднородности поверхности.

Для выяснения природы проводимости в приповерхностном слое били проводенн измерения удельной объемной электропроводности для керамик ЦМ-332, ГБ-7, УФ-46 и их стеклсф». Исследования зависимости объемной электропроводное™ для кормит ПМ-332 от температуры при различных мооностях доги гякма-кглучршм показали, что при т<?ш:?ра?урах

-д-

до 300°С излучение приводит к увеличению электропроводности за счет появления радиавдонно-стимулированной компоненты электропроводности, вызванной появлением большого количества неравновесных носителей зарядов. При повышении температуры зависимость электропроводности описывается законом ехр(-Е/йГ), с энергией активации, характерной для ионной электропроводности. При увеличении мощности дозы 7-излу-чения изменяется наклон прямой 1по(1/Г), что означает уменьшение анергии активации этого процесса. Для аналогичных зависимостей объемной электропроводностей керамики ГЕ-7 наблюдается схожая картина. Для. керамики УФ-46 и стеклофаз керамик УФ-46 и ГБ-7 не происходит уменьшения энергии активации ионной электропроводности под действием излучения. В таб.1 показаны значения энергий активации процесса обтрмной электропроводности различных керамик (в оВ).

Таблица 1

Материал Moi 0 ПЮСТЬ ДОЗЫ 7-1 1? 1злучения, Гр/ Р7 'с 42

ЦМ-332 ГБ-7 УФ-46 1.38 1.13 t.1 1.14 1.06 1.1 1.0 1.01 1.08 0.81 0.94 1.06

Исследована температурная' зависимость поверхностной электропроводности os керамики ЦМ-332 со шлифованной поверхностью при воздействии различных мощностей доз 7-излучения. Во всем температурном интервале от 100 °С до 600 °С зависимость 1по5(1/Т) представляет собой прямую. На рис.1 показана температурная зависимость поверхностной электропроводности этой керамики под действием гаммо-излучения различных мощностей доз Р. Влияние радиации приводит к довольно сильному изменению энергии активации, поскольку, как видно из рисунка наклон зависимостей при воздействии т-излучения сильно меняется.

Так же была исследована поверхностная электропроводность керамики УФ-46. Зависимость энергии активации процесса поверхностной электропроводности (в эВ) для керамики УФ-46 и ее сгеклофазн для образцов со шлифованной и полированной поверхностью приведена в табл.2 Энергия активации для шлифованных образцов значительно меньше, чем для полированных, что объясняется большой дефектностью поверхности (исследования поверхности образцов иод микрооконсч поковали, размер неоднородностей вишфлвшшой керамики в среднем бил - 20 мкм, по

сравнению о 3 мкм у псмировпико!!)-

Р^ультата v.c.c.vw,.:>mtt тем^ратуриой и urn--ней зависимости т*"тягп уль-гг^.'лчп уф-46 я в npoivw- 1 облучат пиеа-,;,,;.«, -U-0 0*МКМ1 I' ir^pTIieCTIIWI WMKTronpObU -: '«'. иоряютюм

б 3 , Ом

1 О 1.5 2.0 2.5 103/Т,К Рис.1 Зависимость поверхност!юй электропроводности керамики ЦМ-332 от температуры при различных мощностях дозы гамма-излучения; 1 -ОГр/с, 2-5.7Гр/с, 3-15Гр/с, 4-20Гр/с, 5-47Гр/с.

1в<Г

10

10

50 100 150 200 250 Т, С

Рис.2 Зависимость 1§сГ от температуры стеклофазы УФ-46 от 'Г при воздействии гамма-излучения мощностью дозы; 1 -0Гр/с, 2-2Гр/с, 3-7Гр/с, 4-17Гр/с.

•гоко состоят из двух частей: члена, связанного со сквозной проводимостью, не зависящей от частоты, и члена, обусловленного диэлектрическими процессами, прямо пропорциональными частоте и значительно меньше зависящего от температуры.

Таблица 2

Материалы 0 кщность 0.12 дозы У-1 0.53 :зл^чеши г, Гр/с 17.5 37.5

УФ-46, шлифованная УФ-46, полированная стекло.шлифованное стекло.полированное 0.68 0.99 1.84 1.96 0.61 0.89 1.78 1.85 0.52 0.84 1.61 1.74 0.47 0.71 1.34 1.63 0.32 0.59 1.28 1.59 0.23 0.50 1.24 1.51

Четвертая глава посвящена исследованиям диэлектрических процессов, протекающих в керамических диэлектриках в широком диапазоне частот.

Для изучения тепловых ионных процессов на поверхности керамических диэлектриков и сравнения их с объемными были проведены исследования зависимости et и tgs от температуры в приповерхностном слое керамики УФ-46 и с.а стеклофазы. Зависимости поверхностных диэлектрических параметров образцов керамики УФ-46 мало отличаются от объемных и характерны для тепловых ионных поляризационных процессов. То ке можно сказать и о поведении е, для образцов стеклофазы керамики УФ-46. Температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь отличаются от объемных. При температурах больших 180 °С тангенс угла диэлектрических потерь проходит через максимум. Наибольшие значения tgS для всех частот слабо изменяются по величине, но с повышением частоты смещаются в сторону более высоких температур, что является характерным для ионных поляризационных процессов. Ионизирующее излучение мощностью доз до 17 Гр/с практически не оказывает влияния на диэлектрическр проницаемость, однако сильно сказываются на поведении тангенса угла диэлектрических потерь. На рис.2 показана температурная зависимость tgs на частоте 1 кГц при различных мощностях доз 7-излучения. Видно, что воздействие гамма-излучения приводит к сильному расширению пика диэлектрических потерь. Так ке происходит смещение максимума в сторону более низких температур. Это говорит.об уменьшении энергии активации теплового ионного поляризационного процесса под действием излучения. В табл.3 представлены величины энергии активации поляризационного процесса стеклофазы кьрамики УФ-46 для'различных мощностей доз гамма-излучения. .

Исследования зависимости коэффициентов диэлектрической 'прошщо-

-и-

Таблица 3

0 Мощность до: ? зы ^-излучения, Т Гр/с 17

Е, эВ 0.89 0.85 0.82 0.79

2 10

диэлектрических потерь е2 в диапазоне частот 10 + 10 Гц при температуре ЗООК керамик ЦМ-332, ГБ-7, УФ-46 и М-23 показали, что увеличение частоты приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости, а увеличение содержания корунда приводит ее увеличению во всей области частот. Величина диэлектрических потерь уменьшается с увеличением^содержания корунда. Во всех исследуемых материалах при частотах 105+ 10 Гц наблюдается максимум диэлектрических потерь, который связан с поляризацией гидратированной вода. В области частот 10% 101оГц наблюдается резкое повышение диэлектрических потерь, которое связано с началом области ионных резонансных потерь.

Температурная зависимость коэффициента диэлектрических потерь для керамик ГБ-7, М-23, УФ-46 и монокристалла А1203 показала, что минимальное значение е2 имет монокристалл сапфира. С повышением температуры для всех материалов наблюдается экспоненциальный рост коэффициента диэлектрических потерь, причем, чем меньшее количество кристаллофазн содержится в материале, тем сильнее рост е2 при увеличении температуры. Это можно объяснить влиянием теплових ионных релаксационных процессов в стеклофазе. При комнатных температурах для этих материалов максимум тепловых ионных потерь лежит в области ин-Франизких частот, но с повышением температуры смещается в сторону болзе высоких частот, что может обусловить наблюдаемое возрастание е2. Этим также объясняется роль стеклофазы в более сильном увеличении диэлектрических потерь с возрастанием температуры, поскольку энергия активации ионов в стеклофазе значительно меньше, чем в корунде, что обуславливает более сильное смещение максимума тепловых

ионннх поляризационных процессов.

Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты при различных температурах для керамики УФ-46 показывает, что на начало пика резонансных потерь, достаточно слабо зависящего от температуры, постепенно накладывается высокочастотный "хвост" пика теплового ионного поляризационного процесса, смещающийся из области более низких

частот при повышении температуры.

Влияние химического состава на диэлектрические характеристики можно пртонетрировлть срчвяоии>?м модельных стекол с различии« хя-

мическим составом. Эксперименты показывают, что чем большее количество щелочных ионов содержится в материале, тем сильнее зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. Это явление хорошо объясняется влиянием слабосвязанных ионов в решетке, приводящих к ослаблению связи некоторых участков сетки стекла и усилению деформационных потерь в материале. Кроме того, ослабление связи сетки стекла уменьшает энергию активации ионов, вследствие чего начинает более сильно сказываться влияние тепловых поляризационных процессов в этой области частот.

Для исследования влияния стекло- и кристаллофазы на диэлектрические параметры неупорядоченных диэлектриков были проведены исследования модификации стеклофазы керамики УФ-46, которая термомодифи-цировалась в течении от 2 до 60 часов. При этом образовывались кристаллы пирита размером 270+300 А. При увеличении времени отжига пропорционально увеличивалось удельное объемное содержание кристаллитов. Эксперименты показали, что в области СВЧ процесс кристаллизации приводит к пропорциональному уменьшению е1 и уменьшению е2 во всем температурном диапазоне. Это может быть связано с несколькими процессами. При упорядочении кристаллической решетки этого материала может происходит сужение пика деформационных или резонансных потерь, что неизбежно вызовет уменьшение е2 и увеличение е1 при этих частотах. Так ке, вследствие перехода слабосвязанных ионов из стеклофазы в кристеллофазу может изменяться энергия активации тепловых ионных поляризационных процессов, что приводит к сдвигу пика потерь в область более низких температур и изменению диэлетрических параметров.

Проведение исследования влияния Т-излучения на диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери керамик ПОЛИКОР, ЦМ-332, ГБ-7, УФ-46, М-23, СК-1, СНЦ, Л-24, монокристаллического А120з и стек-лофаз керамик УФ-46 и ГБ-Т в области СВЧ показали, что воздействие излучения мощостыо дозы до 45 Гр/с не приводит к изменению е1 и в2.

В пятой главе полученные экспериментальные результаты интерпретируются на основе модели неупорядоченного диэлектрика с локольно-нескомпенсированныш (ЛН) дефектами.

В работе Лифшица, Гегузинн (ФТТ,1965,7,1) рассмогрена задача о распределении анионных и кятионних вакансий различных поверхностей в исняом кристалле. В тонком поверхностном слое, толщина которого несколько микатсшых ряг^геяний, ¡шортая пзаимол^'-ися и свободная энергия иная, чем в г/уг^«» крчгталлм. Э~о прига;: " тфяюуявсто-н-

ному скоплению вакансий и, соответственно заряда, какого-либо знака вблизи поверхности.

Заряд, накапливающийся вблизи таких поверхностей, вызывает изменение потенцииалыгего рельефа близлежащих атомов вследствие куло-новского взаимодействия. Среднее изменение энергии активации ионов в диэлектрике, содержащем ансамбль микропор, размер которых меньше, чем радиус ионного экранирования (Костюков и др. Электронная техника,сер.б, 1933,в.Т) равно:

<йЕ> в (1)

где ^-концентрация ЛН-дефектов, а-парамегр решетки, е-диэлектричес-кэя постояшая, е-заряд электрона, 2-величина_среднего заряда дефектов (выраженная в еденицах е). При ^=1019см-2, е=5, 2=5, п=5- Ю~8см величина <йб> равна 0.23 эв. Таким образом дефектность структуры кокет существенным образом изменить энергию активации ионных процессов

Образовавшееся распределение по энергиям потенциальных барьеров атомов обуславливает следующий вид функции распределения ионов по временам релаксации т в рассматриваемой модели (Костюков и др. Электронная техника, сер.6, 1981, вып.8)

=1М71п(ТоА)) ехр{~(гШ(т0/г)] } (2)

где т0=т<юф(Я0/И'), /МзхрЫА'у3'2), р1гТ/52/г, г= Щ() ■ Максимум этого распределения приходится на наиболее вероятное время релаксации, которое определяет наиболее вероятную энергию активации теплового ионного поляризационного процесса для структурно-неупорядоченного диэлектрика

= «Ь - - 0.702/3 (3)

Изменение энергии активации объемной электропроводности в керамике по сравнении со стеклофязой наблюдается во всех материалах. Это связано о тем, что большое количество микропор, трещин, границ раздела фаз, т.е. структурных неоднородностей, приводит к снижению средней энергии активации ионов в соответствии с выражением (1).

Влияние пространственных дефектов еще больее сильно проявляется при исследованиях поверхностно!! электропроводности. Различие в количестве и размерах дефектов в Ш!'|0П1Ш1Х и полированных образцах прир.одит к сметному ОТГ.ПЙЮ В энергиях ПКТКР.оигд ионной

лс^Ч'-и.:::>•••.!' .•да.снлир'.Ч'олпг'ии кик лля керчкяга УФ-46, так и для

га,Ч'Г. ■••-:>. > , 470 ?!РрГ>!Я ПКЛПВРЦИИ 1:'Л-!.'11-:С';но!>

- м-

влоктропроводности полированшс образцов приближается к Е объемной, но значительно меньше Ев в шлифованных образцах. Это связано с тем, что средние размеры дефектов на шлифованной поверхности значительно больше, чем полированных и сравнимы с толщиной слоя, в котором осуществляется поверхностная электропроводность.

Как уже указывалось ранее, при воздействии ионизирующего излучения наблюдается изменение энергии активации ионных процессов в некоторых материалах. На рис.3 приведены зависимости 1п(Е(0)-Е(Р)) от 1пР для поверхностной электропроводности керамик ЦМ-332, УФ-46 и ее стеклофазы, объемной электропроводности керамики ВД-332, тепловых поляризационных потерь в приповерхностном слое стеклофазы керамики УФ-46. Из рисунка можно сделать вывод, что энергия активации перечисленных процессов имеет степенную зависимость от мощности дозы ионизируицэго излучения

Е = Е0-ЪР? (4)

Дне Е0-энергия активации ионного процесса без облучения, Ь и р-коэф-фициенты, зависящие от химического состава и структуры материала. Тангенс угла наклона етих прямых, равняй р, зависит также от типа ионного процесса. Так, для ионной объемной электропроводности керамики ЦМ-332 он равен 0.22, для ионной поверхностной электропроводности керамик ВД-332, УФ-46 и ее стеклофазы со шлифованной и полиро-■ вачной поверхностью он лежит в пределах 0.25+0.29, для ионной тепловой поляризации стеклофазы керамики УФ-46 составляет 0.38. Такое поведение энергии активации можно понять, если рассмотреть накопление электронов или дырок на пространственных дефектах структуры при воздействии ионизирующего излучения.

Вблизи пространственных дефектов, внутренних и внешних поверхностей, пор имеется большое количество уровней прилипания. Воздействие ионизирующего излучения приводит к генерации большого количества электронов и дырок, часть которых будет захватываться на ловушках. Таким образом, вблизи дефектов, поверхностей и других неоднороднос-тей будет накапливаться заряд. Плотность зарядов, захваченных ловушками, зависит от мощности ионизирующего излучения. Этот процесс модифицирует средний заряд I ЛН-дефектов и обуславливав!' механизм изменения средней энергии активации ионов АЕ под действием ионизирую-цаго излучения в соответствии с выражением (1).

При'использовании модели радиационной электропроводности Фауле-рч-Горп, где предполагается экспоненциальное распр .иданнэ количес-

е(0)-е(р), ов

10 10 0 10 1 Р, Гр/с

Рис.3 Зависимость энергии активации объемной (6) и поверхностной (1-5) электропроводностей и поляризации (7) в приповерхностном слое от мощности дозы излучения; 1-керамика УФ-46, полированная, 2-шлифованная, 3-стеклофаза УФ-46, полированная, 4,7-шлифованная, 5,6-керамкка ЦМ-332,шлифованная

Рис.4 Зависимость от 1пО'£'о при различных значениях коэффициента Ь \ 1-Ю"4 , 2-Ю-3 , З-Ю"2, 4-10 , 5-10°

тва ловушек по глубине анергий, можно получить концентрацию захваченных на ловушках электронов (Костюков и др. Радиационная стойкость диэлектриков)

где л = ¿-скорость генерации электронно-дырочных пар, К-

концентрация ловушек, »С=2(2«И/Л2)3/2, «-масса электрона, й-посто-янная Планка, е-коэффициент рекомбинации электронов и дырок, -параметр распре деления в еденицах температуры, являющийся собственной характеристикой материала. Поскольку # прямо пропорционален мощности дозы ионизирующего излучения Р, получается и ~ Ра. Так как ЗЧУ,, то 0<л<0.5.

Учитывая то, что концентрация захваченных на уровнях прилипания электронов определяет плотность зарядов на поверхности различных дефектов, получаем степенную зависимость плотности зарядов от мощности дозы излучения. Следовательно оредний заряд I ЛН-двфекктов и, соответственно, среднее изменение энергии ативации ионов <ДЕ> будет иметь степенную зависимость типа (4) от мощности дозы ионизирующего излучения, причем коэффициент р лежит в пределах от 0 до 0.5 в зависимости от концентрации и глубины ловушек.

Изменение наиболее вероятной энергии активации ионного поляризационного процесса, определяемое из выражения (3) также будет иметь степенную зависимость от мощности дозы 7-излучения. Однако, значение показателя степени Р (0.38 по сравнению с 0.29) в этом случае несколько больше. Это обуславливается тем, что в энергию активации электропвреноса включается член, связанный с миграционными барьерами при движении ионов^и усредняется по всему спектру потенциальных барьеров, в отличии от ионного теплового поляризационного процесса. Предполагаемая модель изменения ЬЕ качественно коррелирует с результатами экспериментов для исследуемых матералов (0=0.22+0.38).

Если известна функция распределения ионов по временам релаксации 7(1), то составляющие комплексной диэлектрической проницаемости е1 и % можно иычнслить следующих» образом (Фрелих; Теория диэлектриков) т * Е1(Ш) I ИТ е2(Ш) Т (ЛЖ

-Фс-ртл ■ -^-ртл- 161

оо ®

Для тепловых ионных поляризационных процессов в структурно-неупорядоченных диэлектриках У'Л) определяется выражением (2). Эти интегра-

- а-

лн трудно вычислить в аналитической форме, поэтому для расчета диэлектрических коэффициентов применялось численное интегрирование.

Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от 1погг0 при различных значениях коэффициента 0, означающих различную концентрацию ЛН-деф»ктов и их зарядовое состояние приведена на рис.4, который показывает,что при 0 « ш °эВ 2/о зависимость е2 приближаются к де-баевокой, но с увеличением б начинают наблюдаются отличия. Это сказывается в уширешш пика потерь и смещении его максисимума в сторону более высоких частот. Одновременно происходит увеличение коэффициента диэлектрических потерь в области высоких частот (<о » )/т0), которое тем больше, чем большая степень неупорядоченности материала. Зависимость коэффициента диэлектрической проницаемости также начинает отличаться от дебаевской при увеличении 0, что сказывается в более размытом спаде е,, и более высоким значениям в области высоких частот

Это хорошо подтверждается экспериментальными результатами зависимостей £](/) и е2(Л в троком диапазоне частот для различных керамик, которые показывают, что увеличение дефектности керамики (ЦМ-332, ГВ-7, УФ-46, М-23) приводит к более высоким значениям е2 во всем частотном диапазоне и более пологому спаду е1.

Расчетныо зависимости е2 от температуры па различных частотах показывают, что при температурах стиле комнатной наблюдается максимум диэлектрических потерь, который расширяется при увеличении коэффициента С. Это подтверждается в экспериментах по исследованиям приповерхностных диэлектрических процессов стеклофазы керамики УФ-46 (£•10.2), поскольку накопление зарядов на дефектах структуры, вследствие воздайстрия излучения, приводит к увеличению 3.

Расчетные температурные зависимости ё! (а) и £2 ^ ПРИ различных частотах показывают что в области СВЧ тепловые ионные поляризационные процессы могут внести существенный вклад в увеличение диэлектрических коэффициентов с ростом температуры. Кроме того характер этих зависимостей схож: практически линейная зависимость от температур!! для коэффициента диэлектрической проницаемости и близкая к экпоншшиальной зависимость для коэффициента диэлектрических потерь.

Лнаногглиоч кпртииа гп^дчртся и для термсмолифщируемого стекла. Упорядочение 1фястпл.пич?оссЯ репптки при от:яге стекла привело к у»»Ш-11ИШП ?ол;!ч"!лв!) до|">КГ>? в мптершо. Это соотв^тственно, ..у'.;...: чу "х по-г'- и'.сшых процессов и понизило пяч.'ю-

основные вывода

1. Разработано дистанционная методика, позволяющая проводить измерения электропроводности и диэлектрических параметров поверхностного слоя электроизоляционных материалов в процессе воздействия мощного ионизирующего излучения и высоких температур.

2. На основе моделирования электропроводности на ЭВМ показано, что для исследованных образцов толщиной 1 мм слой, в котором осуществляется поверхностная электропроводность, имеет величину ~ 35 мкм, что сравнимо с размерами неоднородностей на поверхности материала.

3. Исследования объемной и поверхностной ионных электропроводностой показали, что эти параметры возрастают при увеличении количества границ раздела фаз и пространственных дефектов структуры, особенно при воздействии ионизирующего излучения.

4. На основании исследований поверхностной ионной электропроводности можно сделать вывод, что энергия активации этого процесса уменьшается при увеличении дефектности поверхности вследствие большего количества локально-нескомпенсированных дефектов структуры, заряд которых и обуславливает уменьшение средней энергии потенциальных барьеров атомов.

5. Установлено, что энергия активации ионной поверхностной и объемной элвктропроводностей уменьшается при увеличении мощности дозы ионизирующего излучения, вследствие накопления генерированных излучением .зарядов на локально-нескомпенсированных дефектах структуры, которые вызывают уменьшение средней энергии активации атомов.

6. Полученно, что воздействие ионизирующего излучения приводит к расширению пика диэлектрических потерь тепловых ионных поляризационных процессов в приповерхностном слое, что связано с расширением функции распределения ионов по временам релаксации вследствие изменения распределения атомов по потенциальным барьерам.

Т. Показано, что наблюдаемое смещение пика тепловых ионных поляризационных процессов в сторону более низких температур под воздействием ионизирующего излучения объясняется перезарядкой локально-нескомпенсированных дефектов структуры вследствие воздействия радиации, что вызывает уменьшение наиболее вероятной энергии активации атомов.

8. Установлено, что уменьшение наиболее вероятной энергии активации поверхностных тешгоыи поляризационных процессов и средней энергии активации объемной и поверхностной ионной элпктропгородностей при

возрастают мощности дозы нштрударо пзл'чэшы имеет отагешк-Я; закон о показателем степени, ааьиилщим. (<т дофоктности структур».

9. Предложен механизм, в котором изменение зарядов пространственных дефектов структуры, обусловленное захватом на ловушках электронов или дырок, генерировании ионизируицим излучением, приводит к уменьшению наиболее вероятной и средней энергии активации ионов и измене-шш функции распределения ионов на нотенциалышм барьерам.

10. РюргиЗотаьа модель, в которой используется предложенный механизм и экспоненциальное распредолениа ловушек по энергиям в запрещенной зоне неупорядоченного диэлектрика из модели Фаулера-Роуза, давдая степенную зависимость изменения плотности' раднвщкшо-стимулнроъан-них зарядов пространственных дефектов структура от мощности дози иошзиррщого излучения и аналогичную зависимость для энергии активации нотис процессов.

11. Исследования диэлектрических параметров корьшчеких диэлектриков и их расчетные зависимости, полученные из Функции распределения ионов по временам релаксации показали, что кроме резонансных процессов в области СБЧ сказывается влияние тепловых иошшх поляризационных процессов, обусловленных расшрышйм функции распределения ионов и-., временам релаксации вследствие влияния неупорядоченности структуры.

12. Исследования температурной и частотной зависимостей поверхностной и объемной олектропроьодноотоА на переменном токе показали, что вклад о эти величины вносят: екзознняя электропроводность, обуслов-лшшйя ионными процессами, и не зависящая от частоты, а также член, связанный о диэлектрическими процессами, прямо пропорциональный частоте и слабо зависящий от температуры.

^аауици^ргйишх;

1. окришшкоп О.ю., Ну [матов X. Расширенно и движении пор в отек-лоподооннх материалах пр действии градиента температуры. Тезисы докладов Республиканской конференции молодых ученных "Актуальные вопросы прикладной физики", Ташкент, 1985, о.38.

2. Окришшкоп о.У., Тюгай Б.К. Состав оксидных слоов при нагроы; лазерным излучением. Тезисы докладов Республиканской конференция молодых ученных "Актуальные вопроси прикладной физики", Тшктт, 1985, с.ЗУ.

3. Гшгай в.К., Скрипншсоа О.Ю. Стохиометричеокий состав оксидов при нигропе непрерывным лазерным излучением. Сборник статей "Дейот-иш пдорних получений на мьТорнгшГ, Ташкент, 1987, о,54-БО.

4. Гасанов Э.М., Кирин А.Г., Скрилников О.Ю. Влияний рентгеновского излучения на электропроводность высокоглююземистых керамик. Сборник научных трудов "Керамические и композиционные материалы и их свойства", Благовещенск: ДВО АН СССР, 1989, с. 5S-53.

5. Гасанов Э.М., Кирин А.Г., Скршшиков О.Ю. Блияниа энергии излучения на электропроводность керамических материалов. Тезисы докладов 2 Республиканской конференции по физике твердого тела, Ош, сентябрь 1989, с.200.

6. Гасанов Э.Ы., Кирин А.Г., Сандалоы В.Н., Скршшиков Ю.С., Скрилников О.Ю. Поверхностная электропроводность корундовой электро-корамики. Тезисы докладов 2 Республиканской конференции "Физика твердого тела и новые области ее применения", Караганда, 1990, с.205

7. Скришшков О.Ю., Скршшиков Ю.С. Диэлектрические характеристики электрокерьмик в широком диапазоне частот. Тезисы докладов 7 Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ", Новосибирск, май 1991, с.64.

8. Колесник В.Г., Скршшиков О.Ю., Скршшиков Ю.С. Исследование возможности использования корундовых керамик в СВЧ технологических камерах. Тезисы докладов 7 Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ", Новосибирск, май 1991, с.153.

9. Гасанов Э.М., Скршшиков О.Ю. Ренгеностимулированная электропроводность- высокоглиноземистых керамик. Тезисы докладов 1 регио- • нальной конференции по радиационной физике твердого тела, Самарканд, 1991, с.

10. Гасанов Э.М., Кирин А.Г., Сандалов В.Н., Скришшков Ю.С., Скрилников О.Ю.. Действие реакторного облучения на корундовую электрокерамику и ее стеклофазу. Тезисы докладов 1 региональной конференции по радиационной физике твердого тела, Самарканд, 1991, с.

11. Кирин А.Г., Сандалов В.Н., Скришшков О.Ю., Скрилников Ю.С. Исследование поверхностной электропроводности элактрокерамики в процессе гамма-облучения. Тезисы докладов 3 Международной школы-симпозиума "Физика w химия твердого тела", Благовещенск, июль 1991, с.1§1

12. Костюков Н.С., Кирш А.Г., Сандалов В.Н., Скрилников О.Ю.,' Скршшиков Ю.С.. Радиационные изменения диэлектрических характеристик термамодифицироваююй стеклофази электрокерамики УФ-46. Тезисы докладов 3 Международной школы-симпозиум "Физика и химия твердого тела", Благовещенск, Идль 1991, с.241.

-Zi-

13. Srlpnlkov Yu.S., Skrlpnlkov O.Yu., Klrln A.G., Sand'Uov V.N. Radiation stimulated surface .electroconductlvity of on in electroce-ramlcg. International Conference "Radiation effects in dlelectrlcg", REI-6, Germany, June 1991.

14. Srlpnlkov Yu.S., Skrlpnlkov O.Yu., Sandalov V.N. Thermostlmu-lated surface electroconductivlty of electroceramlcs. 12th Europen Conference on Surface Scince (ECOSS 12), Stockholm, Sweden, September 1991.

15. Клртг A.F., Колесник В.Г., Павлий К.В., Скрэтпшков B.C., Скрипников О.Ю. Связь микроструктура твердых неупорядочетшх диэлектриков с коэффициентом поглощения СВЧ электромагнитного поля. Тезиси докладов симпозиума "Стройпрогресс 2000", Белгород, 1991, с.4.

16. Скрипников Ю.С., Сандалов В.Н., Скрипников О.Ю., "Радаодион-но-стимулиролаяная поверхностная электропроводность элоктрокерамик", Узбекский физический журнал, » 3, 1993, с.84-88.

17. Y.S.Skrlpnlkov, E.M.Gasanov, V.N.Sandalov, O.Yu.Skrlpnllcov Influence of j-radlatlon upon surface electric conductivity of ceramics and Its glns3 phases. Symposium on sintering and microntruc-ture development, 95-th Annual meeting of American ceramic society, April 1993, Cincinnati, OH, USA, Ceramic bulletin, April 1993.

18. Yu.S.Skrlpnlkov, V.V.Sandalov, O.Yu.Skrlpnlkov. Dielectric processes on glass surface urder ionlalng irradiation. Abstracts book of m torn. '"''nf. "R'uii'ii.-lL-n cifoctB in lnsulatura-7", September 1997!, Nugnyu, Japan.

19. Yu.S.Skrlpnlkov. V.V.Sandalov, O.Yu.Skrlpnlkov. The model for radJatlon-otlmulatod Ion conductivity in disordered dielectrics. Abstract book of the International School and Symposium on Physics in Material Science using Nuclear and CoaipleaK>ntaiy Methods, September 1993, Jasswviec, Poland, SC II.3.

20. Гаганов Э.М., Скркггаикоп Ю.С., Сандолов В.Н., Скрипников О.Ю. Влияние i-излучения на новерхнпютк!» ito.4ifi.ro процессн в неупорядоченных диэлектриках". Тг-зисн докладов 8 конференции но радиационной Физике и хш ироргянкчвсюис материалов, ноябрь 1993, Томск, с. 102.

2!. скритшкон ПЛ., Гпсанов Э.М., Сандалов В.Н., Скрипников 0.0. Еяшш? шяшрутого излучения на иочич» процессы в неупорядоченном диэлектрике. Узг^кпккЛ «гжнггсок«! КУ{ Д 3, 19)4, с.

EFFECT OP GAMMA-RADIATION ON THE IONIC ELECTRÜCONDUCTIVITY

A1ÍD THE IONIC THERMAL POLARIZATION IN CERAMIC DIELECTRICS

SKRIPNIKOV OLEG YURYEVICH SUMMARY

Tula thesis concerns to study the Ionic electroeonductlvlty In a bulk and on a surface of highly alumina ceramics and lta glasa-phaaes also the thermal Ionic polarization processes under Influence of "°co gaiiKwadlatlon at a power rate till 45 Gy/s.

Investigation of the bulk electroconductlvlty at a direct current hao shown that Its activation energy depends on an amount of phase boundaries and defects in the material. The result of Investigation of the surface electroconductlvlty la the conclutlon that Its activation energy decreases as an amount of the defects created on the surface increases. This can be explained by influence of the charges created on the surface of the bulk structure defects, which lower an Ion barrier average energy owing to coulomb Interaction.

It has beun shown the Influence of Ionizing radiation on ceramic dielectrics lends to widening of the peak of ionic thermal polarization proseases in subsurface layer and to lta shifting to the low temperature side. This is Indicative of the widening of dltrlbu-tlon function over an Ionic relaxation time and the changing of an activation energy of this process resulting from the changing In a spectrum of atomic potential barriers.

This work shows the lowering of the most probable activation energy for the aiuface thennal polarization processes and that of a mean activation energy for the bulk and surface Ionic electroconduc-tlvlty obeys to the power law as a doso rate of Ionizing radiation, «vhlth the lower factor to depend cn structure defectuosa. The mechanism has been proposed for clianglng of Ion distribution function over potential barriers and relaxation times which results from alteration of charge density of bulk structure defects caused by radiation effect

*

Learning the dielectric processes allows to conclude.about the structure defectness (Imperfections) to lead to a widening of Ion distribution function over relaxation times that might be caused by an effect of thermal ionic polarization procesaos till the super high frequencies region, that is In accordance with calculation" of. dielectric ferair.eters. -