Влияние трансмутантов на диэлектрические характеристики электрокерамических материалов при облучении большим флюенсом нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

амугскнп государственный университет

На правах рукописи УДК 621.315.67.

Каныгшт Ирина Владимировна

Влияние трансмутантов на диэлектрические характеристики электрокерамических материалов при облучении большим флюенсом нейтронов.

01.04.10 - физика полупроводников н дизяехзркков.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физпко-матсматнческих наук.

со

гч сг

Благовещенск - 1997.

Работа выполнена в Амурском Государственном Университете

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Костюков Н.С.

Официальные оппоненты: доктор тудцшчсгких наук Левицкий ю.т.

кандидат химических наук Аблесимов Н.Е.

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ НИИ атомных реакторов

Защита состоится « 22 » декабря [997 г. в_часов на заседании Спе-

циализированного совета^ 200.20.fll в Амурском комплексном научно-исследовательском институте ДВО РАН по адресу; 675006, г.Благовещенск, переулок Релочный, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АмурКНИИ ДВО РАН Отзывы н замечания просим отправлять в адрес совета

2/ //

Автореферат разослан «_» " 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат физико-математических наук _Е.С. Астапова

Актуальность темы. Уже первые исследования показали, что наиболее ра-диацнонно стойкими среди всех электроизоляционных материалов являются керамические материалы, широко применяемые в различных системах ядерного реактора.

Предыдущими исследователями частично изучена радиационная стойкость электрокерамик. Исследования в основном касались изучения воздействия различных видов радиации на макроскопические характеристики диэлектриков.

В частности, в настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал о действии облучения нейтронами, которые влияют на электрофизические параметры посредством структурных изменений в результате упругого взаимодействия.

Такие виды взаимодействия характерны для быстрых и промежуточных нейтронов, которые сопровождаются передачей значительной энергии ядру атома с образованием большого количества точечных дефектов. Уже при флюенсе до 10:| неГггр/см2 все атомы твердого тела оказываются смещенными, а структура вещества претерпевает существенные изменения.

В ряде случаев такие радиационные дефекты могут быть восстановлены отжигом. При этом радиационное материаловедение обычно поезящено изучению этих процессов дефектообразовгщщ, отжига и связанных с этим изменением свойств материалов.

При облучении нейтронами широким энергетическим спектром происходят чрезвычайно сложные комплексные процессы.

Большое значение может иметь химический состав облучаемого материала. Тепловые нейтроны при взаимодействии с веществом участвуют глазным образом в реакции радиационного захвата ядром. Для них хсргктерс.ч иеупрупш вид взаимодействия с образованием новых стабильных или радиоактивных атомов. Так как такой вид взаимодействия сопровождается единичными нарушениями в форме образования дочерних элементоз (трансмутпнтоя), то скорость их накопления на несколько порядков нпнее, чем в первом случае,н обычно при малых флюенсах их влияние на изменение свойств твердого тела не учитывается.

Однако при больших флгаенсах нейтронов порядка 10!1-10:2 см г, концентрация новообразованных атомов может достигать уровня химической примеси

и привести к изменениям химического состава облучаемого материала, а также существенно повлиять на его электрофизические свойства.

Такие радиационные эффекты носят устойчивый характер и не могут быть устранены высокотемпературным отжигом.

Влияния этих процессов на свойства керамических диэлектриков не изучались. В настоящей работе впервые проводится попытка теоретически оценить возможный вклад трансмутантов в изменение диэлектрических свойств ряда промышленных керамических материалов.

Целью диссертационной работы является - определение влияния трансмутантов на диэлектрические характеристики неорганических (керамических) диэлектриков в области радиотехнических и электротехнических частот после облучения их нейтронами флюенСом порядка Ю-'-Ю-см-2. Для этого необходимо решение следующих задач:

1. Оценить вклад трансмутантов в изменении диэлектрических свойств (Р. е, Ч£5) керамических материалов в зависимости от температуры, частоты электрического поля и энергии активации в области релаксационных поляризационных процессов.

2. Определить область наиболее существенного влияния трансмутантов на диэлектрические характеристики электрокерамических материалов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые теоретически показано, что при облучении неорганических (керамических) диэлектриков потоками нейтронов флюенсом Ю-'-Ю" см-1 накопление трансмутантов может существенно изменить диэлектрические характеристики в области релаксационных поляризационных процессов.

2. Дана теоретическая оценка влияния трансмутантов на диэлектрические характеристики керамических материалов в зависимости от температуры, частоты электрического поля и энергии активации в области релаксационных частот. Без учета структурных дефектов показано существенное влияние трансмутантов в низкотемпературной области 300-373 °К при энергии активации от 0,3 до 0,6 эВ.

3. Накопление трансмутантов вызывает увеличение диэлектрической проницаемости в области релаксационных частот, которое не зависит от частоты и температуры.

4. Существенное влияние трансмутантов на величину tgö возможно в низкотемпературной области 300-373°К при 0,3-0,5 эВ только на сравнительно высоких частотах 103-Ю7 Гц и при 0,5-0,63 эВ во всем диапазоне частот 50-Ю7 Гц.

Практическая ценность :

В работе впервые проведены определения влияния трансмутантов на диэлектрические свойства керамических материалов и их связь с химическим составом на примере двух облучений в реакторе БОР-бО.

Проведение исследований с целью выяснения этих вопросов позволит прогнозировать поведение электрокерамических материалов в полях радиации, создавать новые керамические материалы с заранее заданной чувствительностью и необходимой радиационной стойкостью. Данные исследования помогут инженерам - конструкторам аппаратуры, работающей в условиях радиации, в правильном выборе электроизоляционных материалов.

На защиту выносятся положения:

1. После облучения электрокерамических материалов флюенсом более 1022 нейт/см2 трансмутанты изменяют диэлектрические свойства облученной керамики, гак как при определенных условиях влияние их на диэлектрические характеристики (Р, е, tg6) становятся существенными.

2. Областью существенного влияния трансмутантов на диэлектрические характеристики этих материалов является низкотемпературная область 300-373°К при энергии активации 0,3-0,5 эВ на частотах Ю3-Ю7 Гц и при значениях энергии активации 0,5-0,63 эВ во всем диапазоне частот 50-107 Гц.

3. Накопление трансмутаитов вызывает увеличение диэлектрической проницаемости в области релаксационных частот, которые не зависят от частоты и температуры.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научно-методическом семинаре учреждений высшего профессионального образования Дальневосточного региона (Благовещенск, БВТКУ, 1996), на научно-технических конференциях (Благовещенск: ДальГЛУ; АмГУ, 1996), на 5-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению (Димитровград. 1997), на семинаре АмурКНИИ ДВО РАН «Физика полупроводников и диэлек-

трихов».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах.

Структура и объем диссертации, Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и приложения. Изложена на 227 страницах машинописного текста, включая 25 рисунка, 40 таблиц и список цитируемой литературы, содержащей 131 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, где обоснованы актуальность темы, выбор объекта и методов исследования, сформулированы цели, основные задачи и выносимые на защиту положения, отражены научная новизна и практическая ценность подученных результатов.

1. Действие ядерных излучений на неорганические электроизоляционные материалы

Первая глава содержит обзор имеющихся в литературе данных о действии ядерных излучений на неорганические электроизоляционные материалы.

Уже первые исследования показали, что наиболее радиационностойкие диэлектрики - это керамика н стекла, занимающие второе место после металлов и первое место среди всея электроизоляционных материалов.

Большое внимание уделяется определению радиационной стойкости электрофизических характеристик диэлектриков. При это показано, что при определении радиационной стойкости диэлектриков решающими часто оказываются изменения не электрических параметров, а других технических характеристик, например, механической прочность-, структуры и др. Мноте полимеры и материалы на их основе при облучении значительной дозой ионизирующей радиации имеют достаточно высокие электрические характеристики, но полностью разрушаются при незначительных механических нагрузках. Этому вопросу по-

священ ряд работ. в которых получены результаты изменений механических свойств диэлектриков в зависимости от дозы облучения.

В настоящее время существует много работ, посвященных электропроводности облученных диэлектриков. В частности, при объяснении электропроводности облученных полимерных диэлектриков широко применяется модель Роуза-Фаулера, основанная на представлениях фотопроводимости полупроводников, в которой использован вариант с экспоненциальным распределением ловушек по глубине.

Многие экспериментально наблюдаемые явления удовлетворительно объясняются одно^товушечиои зоной моделью диэлектрика, развитой и кругами исследователями для случая облучения у-квантами.

При исследовании влияния флюеиса бомбардируемых частиц высоких энергий (протонов, нейтронов, электронов и др.) на радиационную стойкость диэлектрических параметров необходимо в первую очередь учитывать образование и накопление точечных и пространственных структурных дефектов и их влияние на диэлектрические характеристики исследуемых материалов.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал о действии облучения нейтронами, которые влияют на электрофизические параметры посредством структурных изменений в результате упругого взаимодействия характерного для быстрых и промежуточных нейтронов.

Так, например, при исследовании влияний бомбардирующих частиц высоких энергий на радиационную стойкость диэлектрических параметров учитывается образование и накопление точечных и пространственных структурных даф-фектов и их влияния на диэлектрические характеристики исследуемых материалов. .'■'■'.•

Однако доя тепловых нейтронов, обладающих энергией 0,025 эВ, наибольшее значение имеют ядерные превращения в результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами облучаемого вещества. Для захвата весьма характерны реакции (п,у), т.е. поглощение нейтрона и испускание гамма-квантов с образованием стабильных или радиоактивных (обычно р-активных) изотопов. Эти изотопы представляют собой примеси в кристаллической решетке облученного вещества и могут привести к заметным изменениям электрических и ди-

электрических свойств вещества.

Таким образом, при больших интегральных потоках нейтронов, наибольшее значение будут нметь ядерные превращения, которые могут привести к изменению химического состава облучаемого материала.

2. Методика расчета влияния трансмутантов на диэлектрические характеристика

Во второй главе изложены методы исследований и характеристики изучаемых объектов. В качестве объектов исследований в данной работе были выбраны образцы керамических диэлектриков, широко используемые в поле ядерных излучений: МГ-2, ГБ-7, уралит, УФ-46, корундовой керамики микролита, электротехнического фарфора М-23, стеатитовой керамики С К-!, СПК-2, СН1Д и кор-диеритовой керамики Л-24. Особое внимание уделяется анализу керамик, содержащих элементы с большим сечением взаимодействия с нейтронами.

В работе был использован расчет трансмутацнонных процессов, проведенный для двух облученных сборок с образцами керамик 11 марок, обладающих сложным химическим составом.

Облучение производилось в реакторе БОР-60 в каналах ВЭК-8 флюенсом нейтронов 3,7*Ю:1 см2 и ВО-7 флюенсом 2,3*10^ см-;.

Количество трансмутантов, приходящихся на единицу объема исследуемой керамики, рассчитывалось с учетом массового баланса для каждого химического элемента, входящего в состав облученной керамики н ее плотности. Образование трансмутантов обычно связано с изменением валентности элементов (например В|0-»1лт) и разрывом химических связей с основной кристаллической решеткой.

Пологая, в первый момент нестабильной ситуации, кислород слабосвязанным ионом, не успевшим вступить в химические связи с другими ионами, в расчетах учитывалось активное участие кислорода в релаксационных процессах, а также влияние его на диэлектрические характеристики облученной керамики.

С точки зрения физики диэлектриков трансмутгшты можно рассматривать как слабосвязанные ноны, участвующие в тепловой ионной поляризации.

Удельные диэлектрические потери рассчитывались без учета сквозной проводимости в зависимости от количества образовавшихся атомов примесей согласно формуле:

где -/-к, - сквозная проводимость электрического тока, ш - частота спешного электрического поля, 9 - постоянная времени процессе установления поляризации, 5 - начальное значение абсорбционного тока, - эффективное значение напряженности электрического поля.

При эхом начальное значение абсорбционного тока зыражается формулой:

* = (2)

° МкТв 4 '

где По - концентрация слабо связанных ионов (транскутантоз), д - заряд нона, 5 - расстояние между двумя устсйчисыми состояниями релаксирующего иона.

Постоянная процесса устэкозленця поляризации определяется в соответствии с формулой для гремели релаксации:

ехр(С//ЛГ) ГЗ)

гг

где 17 - энергия активации релаксирующих нопов, кТ - энергия теплового движения, V - частота собственных колебаний кона 0 равновесном положении.

Диэлектрические потери в материалах принято характеризовать тангенсом угла диэлектрических потерь:

= Р„г ' ©

сос„е-¡^.,ф1р -

где е - диэлектрическая проницаемость облученной керамики, со диэлектрическая постоянная (ео=8,854*!0-|2Ф/м).

Влияние трансмутантов на удельные диэлектрические потери и тангенс угла диэлектрических потерь рассчитывалось при различных значениях частоты внешнего электрического поля, температуры и энергии активации.

Мерой поляризации является величина диэлектрической проницаемости, по изменению которой в процессе какого-либо воздействия на диэлектрик судят о наблюдаемых з нем поляризационных явлениях.

Для расчета е" после облучения использовалось уравнение Клаузиуса-

Мосоттм в виде:

±«ж

-1 £-1 у,

е + 2 с + 2 3 е&ькТ где е - диэлектрическая проницаемость керамических материалов до облучения, полученная экспериментально на частоте I МГц; г' - диэлектрическая проницаемость керамики после облучения с учетом выхода трансмутантов, участвующих в тепловой ионной поляризации; л) - число трансмутантов в единице объема .¡-го химического соединения; к - число химических соединений в исследуемом топе керамики.

Диэлектрическая проницаемость е* рассчитывалась с помощью уравнения, в котором принято действующее поле за среднее макроскопическое:

+—!—Ул'о~;г, (7)

ШТе, ^ ' >н' ■

Оценка влияния новообразованных атомов на изменение диэлектрических свойств облученной керамики большим флюснсом нейтронов в процентном содержании дается в сравнении с экспериментальными значениями диэлектрических характеристик.

Программа расчетов на ЭВМ дается в приложении.

.4. Влияние химических превращений на удельные диэлектрические потери керамических материалов

В третьей главе большое внимание уделяется исследованию теоретической зависимости удельных диэлектрических потерь от частоты, температуры и энергии активации в диэлектрике с явно выраженными релаксационными процессами, без учета сквозной проводимости при номинальных значениях напряженности электрического поля (Е = Ю3 в/см).

Получена расчетная зависимость удельных диэлектрических потерь от частоты электрического поля при различных значениях температуры в интервале 300-373°К н энергия активации от 0,1 до 1,3 эВ. В области радиотехнических и электротехнические частот 50ч-107 Гц с увеличением частоты удельные диэлектрические потери за счет трансмутантов увеличиваются при сов«I почти

прямо пропорционально®1 и не зависят от частоты при соО>\.

При энергии активации 0,1 эВ на всем рассматриваемом интервале температур 300-1000°К в диапазоне частот 5Эн-103Гц трансмутанты вносят несущественный вклад в диэлектрические потери исследуемой керамики. При этих условиях влиянием химических превращений можно пренебречь. Заметное влияние наблюдается только на сравнительно высоких частотах ЮЧЮ'Гц: МГ-2 ~(0,04 -0,5 )%; ГБ-7 ~(0,1-0,5)% , микролит - (0,1 - 1,2)%.

При эиерпш активации 0,3 эВ и температуре 300°К в диапазоне частот 50+103Гц вклад траисмутантов составляет. МГ-2 -(0,01-0,4 )%;-микролит ~(0,02-1,5)%; ГБ-7 -(0,04-0,7 )%. На частотах 105Гц наблюдается существенное их влияние: МГ-2 - 87,7%, микролит - более 100%, ГБ-7 ~ потерн в 3 раза превосходят экспериментальные значения. На частотах 106Гц потери мощности з этих типах керамик возрастут на один порядок после облучения. Трансмутанты с энергией активации 0,5 эВ могут оказать заметное влияние на величину Р на частоте 50 Гц при температуре 300 «К (ркс.1).

Так, например, результаты Еычислекий дай микролита показывают, что вклад в диэлектрические потери слабо связанных ионов магния и алюминия ничтожно малый н определяющим является вклад ионов кремния ¡1 кислорода. При1 облучении твердых диэлектриков кислород будет способствовать увеличению диэлектрических потерь. После облучения в канале ВЭК-8 тахой вклад составит для микролита ~ 48%. Значительный вклад ка частоте 50 Гц знесут ионы лития и кислорода для керамики ГБ-7 -98%, МГ-2 -30%.' \ * •

Определенный вклад в диэлектрические потери внесут полы кремния, фосфора, магния: УФ-46 -2%, М-23 -0,12%, СПК-2 -0,24%, СК-1 -3,8%. .

С увеличением температуры процесс поляризации устанавливается быстрее. В связи с этим показано, что существенное влияние трансмутантов создается в низкотемпературной области 300-473сК;особетю при максимальных условиях.

В частности, при энергии активации 0,6 эВ и частоте 50 Гц удельные диэлектрические потери будут максимальными при температуре Ти~285 °К. При 300 <'К потери энергии МГ-2, ГБ-7, микролит за счет трансмутантов превосходят экспериментальные значения удельных диэлектрических потерь необлученной керамики на один порядок.Для М-23 вклад составит -5,3%, СПК-2 -11%, УФ-46

а

-92,3%, СК-1 ~ более 100%. При дальнейшем увеличении температу ры в интервале 300-1373 °К влияние трансмутантов уменьшается и при 373' К составит для УФ-46 -0,9%, ГБ-7 -42,2%, МГ-2 -12,8%, микролит -20,7%, М-23 -0,05%. СПК-2 -0,1%, СК-1 -1,6%. ■

Частотная зависимость удельных диэлектрических потерь при Е = 10' в/см керамики ГБ-7 и микролит после облучения в канале ВЭК-8 при и=0,5 эВ и температуре 300"К: 1 -ГБ-7; 2-мнкролит

С увеличением частоты максимум диэлектрических потерь сместптся вправо вдоль оси температур. При энергии активации 0,6 эВ и частоте (О3 Гц удельные диэлектрические потери примут максимачьные значения при Ти=325 "К {рис. 2). При 300 °К потери энергии с учетом химических превращений на один и два порядка превосходят потери необлученной керамики.

Установлено, что результаты расчета зависят от возможных значении энергии активации трансмутантов. Функциональная зависимость Р=Г(И) характеризуется максимумом удельных диэлектрических потерь.

Теоретические исследования этой зависимости позволили выделить об-

ластъ значении энергии активации 0,4-0,63 эВ при 300-373°К и частоте 50 Гц существенного влияния трансмутантов на диэлектрические потери, особенно при условиях максимума. При 0,43 эВ и 300°К вклад составит для ГБ-7 ~ 9,2%; МГ-2 ~ 2,8%; микролит ~ 4,5%. С увеличением энергии активации до 0,63 эВ потерн энергии увеличиваются за счет радиационных превращений на два порядка в ГБ-7 и МГ-2, на один порядок в микролите. При 373°К и 0.6 эВ вклад остается существенным дчя ГБ-7 - 42,2%; МГ-2 — 12,8 %, микролит ~ 20,7%.

Температурная зависимость удельных диэлектрических потерь при энергии активации 0,6 эВ при Е=!03 В/см после облучения в канале ВЭК-8 керамики ГБ-7 и микролит: 1 - на частоте 103 Гц; 2 - на частоте 50 Гц

Рис. 2.

В области сравнительно высоких частот Ю3*107 Гц влияние становится еще более ощутимым. На частоте Ю3 Гц при 300°К и 0,6 эВ потери энергии резко возрастут (у ГБ-7, МГ-2 на два порядка, микролита - на один).

Среди всех типов исследуемой керамики наибольшие потери за счет трансмутантов возникают в высокоглиноземистой керамике ГБ-7 и микролит, а также в муллито-хорундовой МГ-2.

Таким образом, в результате нейтронного облучения флюенсом порядка 10-Ч0"см'2 накопление трансмутантов при определенных условиях существенно влияет на диэлектрические потери и его следует учитывать при экспериментальных исследованиях керамических диэлектриков.

4. Расчет влияния трансмутантов н.ч диэлектрическую проницаемость облученной керамики

Проведена оценка влияния накопления трансмутантов на диэлектрическую проницаемость элсктрокерамических материалов, способных работать в условиях высокой радиашш с учетом не только флюенса нейтронов, но и спектра излучений в месте облучения.

Влияние трансмутантов на диэлектрическую проницаемость керамических материалов после облучения их большим флюенсом определялось с помощью уравнения, в котором в первом приближении принято действующее поле эа среднее макроскопическое.

Только за счет выхода трансмутантов и кислорода в свободном состоянии диэлектрическая проницаемость микролита после облучения в канале ВЭК-8 при температуре 300 °К увеличится на 0,25. Вклад трансмутантов по сравнению с диэлектрической проницаемостью е необлучениой керамики составит »2,4%.

Диэлектрическая проницаемость с учетом выхода трансмутантов для всех типов исследуемой керамики после облучения в каналах ВЭК-8 и ВО-7 рассчитывалась при различных значениях температуры от 300 СК до 1373°К.

Значение е\ зависит от температуры постольку, поскольку с изменением температуры меняется поляризуемость примесных ионоз а', причем с увеличением температуры диэлектрическая проницаемость с учетом трансмутантов будет уменьшаться. Но основной задачей исследования является показать влияние примесных, слабо связанных ионоз, на диэлектрическую проницаемость исследуемой керамики в зависимости от их концентрации, которая не зависит от температуры и не может быть изменена методом отжига. Следовательно, характер температурной зависимости диэлектрической проницаемости с учетом выхода трансмутантов будет вырая-сен слабо и в первом приближении эту зависимость можно не учитывать. Это позволило определить влияние трансмутантов на ди-

электрическую проницаемость облученной керамики относительно экспериментальных значений диэлектрической проницаемости измеренных на частоте 1МГц и температуре 20 °С.

Например, при температуре 310 °К и частоте 103 Гц после облучения керамики М-23 в канале ВЭК-8 е*~б,28 (с=6,25) влияние трансмутантоз составит к 0,48%. При температуре 323 °К е*=6,47 (е=6,45) влияние трансмутантов будет составлять а 0,31%. При температуре 373 °К е*=7,22 (60=7,2) влияние уменьшится до » 0,27%. Такой анализ показывает, что с увеличением температуры вклад накопления трансмутантов уменьшается и практически становится независимым от температуры.

Согласно расчетам наибольшее влияние трансмутанты оказывают на значение диэлектрической проницаемости облученной керамики при температуре 300 °К. Например, после облучения в канале ВЗК-З диэлектрическая проницаемость £* керамики ГБ-7 равна 10,46: МГ-2 - 8,43; Уралит - 8,33; Микролит -10,25; М-23 - 7,03; СПК-2 - 7,21; СНБ - 7,32; СНЦ - 6,83; Л-24 - 5,84. После облучения в каналах ВО-7 значения е", несмотря на больший флаоенс нейтронов (2,3*10г:см-2), незначительно уменьшилось по сравнение) с облучением в канале ВЭК-8: ГБ-7 - 10,17; МГ-2 - 8,07; Уралит-8,18; Мккролнт- 10,06 и т.д. Для стеатитовой керамики СНЦ характерно увеличение е* до 7,81. При этом влияние накопления траисмутантоо на значение е* после облучения в канале ВЭК-8 составит керамики ГБ-7 * 5,7% <е=9,9), МГ-2 « 9,5% >=7,7), Уралит « 4,5% (с=3,0), Микролит * 3,5% (£=9,9), М-23 * 0,4% (8=7,0), СПК-2 « 0,13% (е=7,5>,- СНБ « 0,3% (с=7,8), СНЦ = 0;4% (с=6,8), Л-24 » 0,7% (е=5,8). Наибольшее влияние на диэлектрическую проницаемость трансмутанты оказывают на такие типы керамик кгке ГБ-7, МГ-2, Микролит. С увеличением -температуры при неизменной коицетгра-цнн примесных ионсз, диэлектрическая проницаемость е* исследуемой керамики уменьшается незначительно, а в интервале температур ¡000-1373 °К остается неизменной, в частности, керамики УФ-46, Микролит, М-23. СНЦ, СПК-2, Л-24, СПБ. Таким образом, диэлектрическая проницаемость г* с учетом выхода зранс-мутантов будет зависеть только от их концентрации, а температурной зависимостью с* можно пренебречь.

На рисунке 3 показана температурная зависимость е' керамики ГБ-7, МГ-2 и микролита после облучения в канале ВЭК-8 (с учетом кислорода), на котором видно, что вклад трансмутантов на величину е* практически не зависит от температуры.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости с учетом выхода трансмугантов МГ-2, ГБ-7, микролит после облучения в канале ВЭК-8

10,00

-*-иг-г

-»-гб-7

зв 523 «а ваз кто юзз шз 1зтэ

Рис. 3.

Расчет е" с учетом выхода трансмутантов и поля Лорентца показал, что значения е" для исследуемых керамик, в частности ГБ-7, МГ-2, микролита и СНЦ при 300 "К сильно отличаются от экспериментальных значений керамики и являются нереальными. По-видимому, необходимость учета поля Лорентца характерна для симметричных структур. Для сложных структур, таких как керамические диэлектрики, учет поля Лорентца искажает результат, что говорит о необходимости вести расчет в первом приближении, приняв действующее поле за среднее макроскопическое (Е=Еср).

Согласно расчетам диэлектрической проницаемости электрокерамических

материалов (без учета поля Лорентца) после облучения и выдержки в канале ВЭК-8 наибольшее увеличение е* вызывают ионы 51, 1л, Ог в высокоглиноземн-стой керамики МГ-2 *9,5%; ГБ-7 *5,7%; Уралит *4,75%.

За счет большого удельного содержания АЬОз в микролите существенное влияние окажут ионы Б) и Оз после его облучения «2,5%.

Незначительный вклад накопления трансмутантов характерен для стеатитовой керамики СК-1 =0,5%; СНЦ -0,4%; СПК-2 =0,1%; СНБ -0,3% и кордиери-товой Л-24 *0,7%.

Таким образом, наибольший вклад накопления трансмутантов на величину диэлектрической проницаемости после облучения большим флюенсом нейтронов (10;,-10"СМ-:) наблюдается в образцах таких типов керамики как МГ-2, ГБ-7, уралит, микролит. Таким влиянием новообразованных примесей пренебрегать уже недопустимо, т.к. они существенно могут повлиять на диэлектрические характеристики этих материалов.

5. Влияние химических превращений на тангенс угла диэлектрических потерь керамических материалов

В данной главе оценен вклад трансмутантов в зависимости от температуры, частоты электрического поля и энергии активации на тангенс угла диэлектрических потерь в области релаксационных поляризационных процессов.

Результаты расчетной зависимости tg8 от частоты электрического поля с учетом выхода трансмутантов получены в диапазоне частот 50-Ю7 Гц при температурах от 300-1000°К и энергии активации от 0,1 до 1,3 эВ.

Согласно теории тепловой ионной поляризации функция 1§5=Р(со) характеризуется максимумом тангенса угла диэлектрических потерь при ©»-1/0, т.е., когда период приложенного напряжения сравним с временем релаксации.

Исследования расчетной зависимости показали, что влияние трансмутантов на величину 1ео в области ш9<1 растет с увеличением частоты почти прямо пропорционально, так как влияние трансмутаитов не приводит к значительному изменению диэлектрической проницаемости на всем диапазоне частот от 50 до 107 Гц. Это определяет специфическую особенность влияния химических превращений на зависимость tg5 от частоты электрического поля.

В частности, при температуре 300°К и энергии активации 0,1 эВ влияние трансмутантов на величину ¡£5 достигает максимального значения на частоте порядка 1010 Гц. При этом на всем диапазоне частот 50-Ю7 Гц наблюдается увеличение tgS для всех исследуемых керамик.

Например, после облучения флюексом нейтронов 3,7*1021 см-2 с увеличением частоты от 50 до 107 Гц растет, от 6,82*10-" до 1,28* Ю-5, в случае МГ-2 от 1,01*10»» до 2,06*104

Для всех типов исследуемой керамики характерно незначительное влияние трансмутантов на изменение тангенса угла диэлектрических потерь во всем исследуемом диапазоне частот. Только на сравнительно высоких частотах порядка 105 Гц вклад трансмутантов в величину 1£й составляет для ГБ-7 ~0,7%, МГ-2 -0,4%, микролита ~ 1,2%.

Получены зависимости влияния траисмутантов на от частоты электрического поля при более высоких значениях энергии актизации, соответствующих энергии активации примесных ионов.

При 0,3 эВ и 300°К трансмутанты внесут существенный вклад на частотах порядка 10М07 Гц. Например, на частоте 105 Гц он будет составлять для керамики МГ-2 ~84%, в 3 раза превышать исходные значения для ГБ-7, в 1,5 раза - для микролита. На частоте порядка 105 Гц величина с учетом траисмутантов на .один порядок выше 1£5 необлученной керамики.

Уже на частоте 50 Гц и температуре 300°К при энергии активации 0,5 эВ вклад траисмутантов будет значительным и составит для МГ-2 ~30%, микролита ~51%, ГБ-7 ~ более 100% и на частоте !03 Гц увеличит значение необлученной керамики на один порядок.

Согласно расчетам существенное влияние имеет место при 0,6 эВ. На частоте !03 Гц тангенс угла диэлектрических потерь с учетом траисмутантов возрастет у керамики МГ-2 и микролита на два порядка и ГБ-7 - на три порядка.

Характер частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь выражен на рисунке 2 для микролита после облучения в канале ВЭК-З при 300';К и энергиях активации: 0,3 эВ, 0,5 эВ, 1 эВ.

Без учета сквозной проводимости ígб, имеющий чисто релаксационный-характер, имеет максимум в температурном ходе при (<»0)м~1.

Причем температура, при которой имеет место максимум зависит от частоты.

В частности, при энерлш активации 0,6 эВ и частоте 300 Гц значение tg5 с учетом трансмутантов будет максимальным при температуре 300°К.

В области температур 300-373°К эти значения (;'5 для микролита будут превосходить 1ц5 необлученной керамики на два порядха и при 423°К влияние уменьшится - до 11%.

С увеличением частоты температурный максимум сдвигается вправо по оси абсцисс.

При частоте 10' Гц и энергии активации 0,6 эВ максимальным значениям гей облученной керамики будет соответствовать температур,* ТМ~325СК.

Вклад трансмутантов при температуре 300°К на даа порядка увеличит значения необлученной керамики МГ-2, ГБ-7, микролит.

Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь при частоте 103 Гц и энергии активации 0,6 эВ после облучения в канале ВЭК-8 для керамики ГБ-7, микролит и Л-24 приведена на рисунке 4.

Исследовалось влияние радиационных превращений в зависимости 1£5 от энергин активации трансмутантов.

В работе показано влнянне внешних параметров, таких как температура, частота электрического поля, на характер изменения от энергии активации. Функция tg8=F(u) имеет экстремальные значения при условии ш0~1.

Результаты расчетной зависимости показали, что на частоте 50 Гц при температуре 300"К вклад трансмутантов в значения будет незначительным при 0,35 зВ я составит для ГБ-7, МГ-2 и микролит менее 1%. В условиях максимума, при им=0,63 эВ, вклад существенно возрастет, увеличивая значения этих керамик до облучения на один порядок. Замегное влияние наблюдается и для таких типов керамик кзк М-23 -9,5%; УФ-46 -60%; СПК-2 -6,9%; СК-1 -более 100%.

Показано, что с увеличением частоты электрического поля потерн энергии быстрее достигают максимальных значений, при этом максимум функции tgЗ=F(u) сместится влево вдоль оси энергни активации.

Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь при частоте 105 Гц и энергии активации 0,6 эВ после облучения в канале ВЭК-8: 1 - при ГБ-7; 2-микролит; 3 -Л-24

Рис. 4.

На частоте 101 Гц при температуре 300°К tgS с учетом трансмутантов достигает максимального значения при 0,55 эВ.

Заметный вклад радиационных превращений в величину tgS наблюдается при 0,37 эВ и составляет для ГБ-7 —23%, микролита -12%, МГ-2 -5,6%, М-23 -2,3%, УФ-46 -0,5%.

Трансмутанты с энергией активации 0,56 эВ на два порядка увеличат tg5 кеоблученной керамики ГБ-7, МГ-2 и на один порядок -- микролита.

Зависимость tgS от энергии активации после облучения керамики МГ-2 и микролита, в канале ВЭК-S при температуре 300"К па.частотах 50 Г» и ЮЧ'ц показана на рисунке 5.

Областью существенного влняния, согласно расчешч, я пляс гея низкотемпературная область на частоте I03 Гц при энергии активации 0,4-0,6 эВ и на час-

тоте 50 Гц при энергии активации 0,5-0,63 эВ.

Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от энергии активации после облучения керамики МГ-2 и микролита в канале ВЭК-8: 1 - при о>= I О3 Гц и Т=300°К; 2 - при «=50 Гц и Т=300»К

Рис. 5.

Таким образом, анализ расчетной зависимости диэлектрических потерь, тангенса угла диэлектрических потерь от частоты электрического поля температуры и энергии активации показал, что выход дочерних элементов при больших флюенсах нейтронов порядка 10:1-10" см 2 может существенно повлиять на диэлектрические свойства электрокерамических материалов. Такое влияние необходимо учитывать в низкотемпературной области на сравнительно высоких частотах 10-'-107 Гц, особенно в критических условиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате теоретической оценки возможного вклада трансмугантов в изменение диэлектрических характеристик керамических материалов на примере двух облучений в реакторе БОР-бО:

1. Показано, что при облучении неорганических (керамических) диэлектриков потоками нейтронов флюенсом 10:,-10г2см-2 накопление трансмутантов существенно изменяет их диэлектрические характеристики в области релаксационных поляризационных процессах.

2. Т.к. концентрация слабо связанных ионов в этом случае не зависит от температуры, то это вызывает специфические зависимости диэлектрических характеристик от частоты электрического поля, температуры и энергии активации трансмутантов.

3. Показано, что в области релаксационных частот, в зависимости от времени релаксации, удельные диэлектрические потери могут возрастать за счет трансмутантов, без учета структурных радиационных дефектов, и достигают существенных значений в низкотемпературной области (300-373°К) при Энергии активации 0,35-0,63 эВ.

Например, на частоте 50 Гц и напряженности поля Е= 10^ в/см при температуре 300 °К и энергии активации 0,5 эВ вклад трансмутантов в удельные диэлектрические потери составит для ГБ-7 -98%, МГ-2 -30%, микролита -48% от исходных. На частоте !03 Гц удельные диэлектрические потерн ГБ-7, МГ-2 и микролита с учетом трансмутантов выше экспериментальных на один порядок.

4. Накопление трансмутантов вызывает увеличение диэлектрической проницаемости в области релаксационных частот, которое не зависит от частоты . и температуры.

Увеличение диэлектрической проницаемости после облучения флюенсом 2,3* Ю-1 составит для МГ-2 -9,5%, уралита -4,8%, ГБ-7 -5,7%, микролита -3,5%.

5. В области релаксационных частот влияние трансмутантов на 1ео растет с увеличением частоты, температуры и энергии активации почти прямо пропорционально в области ю0<<1 при постоянной концентрации трансмутантов и неизменной диэлектрической пронинасмосш.

6. Теоретические исследовании показали, что существенное возрастание тцб в основном происходит в температурной области 300-373"К при энергии активации 0,3-0,47эВ только на сравнительно высоких частотах Ю-'-Ю7 Гц, а при 0,5-0,63 эВ - во всем исследуемом диапазоне частот 50-Ю7 Гц;

Например, при 0,5 эВ и 300 °К на частоте 50 Гц вклад трансмутантов в ве-

личину составитдоя МГ-2 -29,6%, микролита -51%, ГБ-7 -более 100%. На частоте 103Гц увеличится на один порядок, а при 0,6 эВ на два порядка по сравнению с экспериментальными значениями до облучения.

7. Показано влияние энергетического спектра на выход дочерних элементов и соответственно на свойства диэлектрика.

8. Среди исследуемых электрокерамическнх материалов наибольшее влияние радиационных превращений испытывает высокоглиноземистая керамика ГБ-7, микролит и муллито-корундовая МГ-2.

9. Таким образом, показано, что после облучения исследуемых керамических материалов большим флюенсом нейтронов трансмутанты изменяют диэлектрические свойства облученной керамики, т.к. при определенных условиях влияние их на диэлектрические характеристики (Р, е, tg5) становятся существенными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Каиыгииа И.В. Особенности радиационного преобразования при больших флюенсах в керамических диэлектриках // Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве. Вып. 2. Благовещенск: ДальГАУ, 1996. С.70.

2. Каныгнна И.В. Влияние нейтронного облучения на диэлектрические свойства керамики большим флюенсом нейтронов // Тез. докладов международной научно-технической конференции «Новые неорганические материалы (получение, свойства и применение)». Ташкент, 1996. С.58.

3. Кзньггина' И.В. Влияние трансмутантов на диэлектрические свойства керамики при облучении ее большим флюенсом нейтронов // Тез. докладов научно-технической конференции «Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве». Вологда, 1997. С. 202.

4. Каныгнна И.В. Влияние радиационных превращений на тангенс угла диэлектрических потерь после облучения керамики большим флюенсом нейтронов // Тез. докладов научно-методического семинара учреждений высшего профессионального образования Дальневосточного региона. Благовещенск, 1997.

С. 168.

5. Каныгина И.В. Влияние трансмутантов на диэлектрическую проницаемость электроизоляционной керамики после облучения ее большим флюенсом нейтронов П Тез. докладов XXIX научно-технической конференции. Пенза, 1997. С.105.

6. Каныгина И.В. Влияние трансмутационных переходов на диэлектрические потери облученной керамики большим флюенсом нейтронов /У Тр. межнационального совещания, посвященного радиационной физике тгвердого тела. Севастополь, 1997.

7. Каныгина И.В., Костюков Н.С. Влияние радиационных превращений на диэлектрические свойства электроизоляционной керамики при облучении большим флюенсом нейтронов // Атомная энергия. 1997. Т.82. Вып.5. С.400.

8. Каныгина И.В. Влияние радиационных эффектов на диэлектрические параметры керамики МК и ГБ-7. // Вестник АмГУ. Вып. 1. Благозсзденск, 1997. С.41.

9. Костюков Н.С., Щербакова Е.В., Каныгина И.В. Влияние трансыутак-тов на свойства керамических диэлектриков // Сб. тез. докл. IV Российско-китайского симпозиума «Актуальные проблемы современного материаловедения». Пекин, 1997. С.78.

10. Костюков Н.С., Каныгина И.В. Влияние облучения большим флюенсом нейтронов на диэлектрические свойства керамики. // Вестник Амурского науч. центра ДВО РАН. АЬ). Блгозещенск, 1997. С.140-145.

11. Костюков Н.С., Каныгина И.В., Маркина Н.В. Радиационные эффекты при облучении керамических материалов большим флюенсом нейтронов (препринт). Благовещенск, 1997. 91с.