В процессе каскадного упругого выбивания вылетающие атомы претерпевают большое количество столкновений , недостаточных для выбивания, но приводящих к возбуждению колебаний многих атомов. Это приводит к кратковременному локальному перегреву, называемому тепловым пиком. Размер и время жизни тепловых пиков очень малы (соответственно десятки ангстрем и десятые доли наносекунды), но температура обычно превышает температуру плавления. Поэтому в области теплового пика происходит частичный ожег (рекомбинация) точечных дефектов, а также ускоряются процессы диффузии. Особенно велики тепловые пики, вызываемые осколками деления в делящихся материалах.
Другой сопровождающий выбивание эффект состоит в том, что смещающийся атом перед остановкой (когда сечение взаимодействия с другими атомами резко возрастает) может передать свою энергию сразу большому числу атомов. В результате большое количество атомов покидает свои места в решетке. Это явление называется пиком смещения. Возникновение пика смещения с последующей его релаксацией приводит к сильному перемещению атомов. В результате уничтожаются многие точечные дефекты, но возникают более сложные дефекты, например, дислокационные петли.
3. Посмотрим теперь, как влияют изменения решетки под действием облучений на макроскопические, механические и тепловые свойства твердого тела.
Под действием больших доз облучения изменяется плотность кристалла, а при низкой симметрии – решетка и геометрическая форма. Чтобы дать понятие о порядках величин, укажем, что под действием интегрального по времени порядка 1020 реакторных нейтронов на 1 см2 плотность кварца снижается на 15%. В качестве примера сильно и резко анизотропно меняющегося материала можно привести альфа – модификацию урана, имеющую довольно низкую ромбическую симметрию. Монокристалл такого урана под действием облучения в реакторе сжимается в одних направлениях и расширяется в других, причем размеры могут изменяться больше чем вдвое.
Облучение сильно влияет на механические свойства. Обычно материал упрочняется из-за того, что возникшие под влиянием облучения дефекты тормозят движение дислокаций. Модуль упругости растет, разрушение вместо пластического становится хрупким. Эти изменения иллюстрируются на рисунке 13.3 графиками деформация – напряжение для малоуглеродистой стали при облучении ее различными потоками нейтронов.
Радиационные изменения механических свойств довольно устойчивы. Их можно уничтожить только отжигом при температуре порядка рекристаллизации.
На создание вакансий и атомов в междоузлиях тратится довольно значительная энергия. При больших дозах облучения эта так называемая скрытая энергия становится большой в макроскопическом масштабе. Например, в графите после облучения дозой 3*1021 нейтрон/см2 создается скрытая энергия 620 кал/моль. Эта энергия выделяется при отжиге. В некоторых случаях наблюдается самопроизвольное выделение скрытой энергии, приводящее к саморазогреву материала.
В металлах при облучении возрастает остаточное (т. е. не зависящее от температуры) электрическое сопротивление. Электропроводность диэлектриков после облучения в одних случаях возрастает, в других – падает. Увеличению электропроводности способствует возрастание числа ионных носителей тока. Но если после облучения появляются сложные комплексы (грозди) дефектов, то носители начинают застревать в этих комплексах, что снижает электропроводность. Косвенным подтверждением правильности этих механизмов являются два графика ,
на которых приведены температурные зависимости относительного удельного сопротивления и запасенной скрытой энергии для поваренной соли, облученной дозой 8,9*1015 протонов на 1 см2 довольно высокой энергией 350 МэВ. Увеличение сопротивления при подходе к первому максимуму соответствует образованию гроздей дефектов. Падение сопротивления после первого максимума соответствует распаду гроздей. Возникшие в результате распада дефекты (в частности, вакансии) активно участвуют в электропроводности. Сопротивление падает. В минимуме сопротивления скрытая энергия достигает резкого максимума – в отдельных дефектах энергии больше, чем в грозди. Далее начинается отжиг дефектов. Число носителей падает. Сопротивление растет. Наконец, после прохождения второго максимума начинает падать роль дефектов в общем балансе механизма электропроводности. В результате относительное (не абсолютное) сопротивление начинает приближаться к единице, т. е. спадать. Более сложно разобраться в действии на электропроводность нейтронного облучения. Нейтроны, поглощаясь посредством радиационного захвата (n, γ), создают β-и γ-активные ядра. Радиоактивные ядра, находящиеся на поверхности, ионизируют окружающий воздух, делая его проводником. Возникающая поверхностная проводимость сильно искажает общую картину электропроводности.
В неметаллах после облучения падает теплопроводность за счет рассеяния фононов на дефектах.
4. Появление дефектов в кристаллической решетке неизбежно искажает структуру электронных уровней, что приводит к изменению оптических и электрических свойств кристалла. Эти изменения существенны для диэлектриков и полупроводников, но не для металлов, внутри которых имеется большое число свободных электронов, которые, с одной стороны, практически не подвержены действию точечных дефектов решетки, а, с другой стороны, определяют электрические и оптические свойства кристалла.
Мы уже рассмотрели зависящую непосредственно от решетки электропроводность диэлектриков после облучения. Для работы изоляторов в условиях облучений и для других вопросов важно знать электропроводность диэлектриков во время облучения. Эта радиационная электропроводность детально изучена для действия γ-излучений из радиоактивных источников и реакторов. Оказалось, что при напряжениях, достаточно далеких от пробоя, радиационная электропроводность линейно растет с интенсивностью облучения. Этот результат естествен. Облучение непрерывно создает свободные электроны посредством фотоэффекта и комптон-эффекта, причем число электронов, создаваемых в единицу времени, пропорционально интенсивности облучения.
Особенно сильно влияет облучение на электрические свойства полупроводников материалов. Это и понятно, так как действие вакансий и атомов в междоузлиях во многом сходно с действием примесных атомов, а электропроводность полупроводников, как известно, крайне чувствительна даже к очень малым (сотые доли процента и даже меньше) примесям. Главное и очень вредное для технических приложений действие облучения на полупроводнике состоит в том, что появляющиеся под влиянием облучения дефекты создают новые электронные энергетические уровни в запрещенной зоне. Эти уровни являются ловушками для носителей зарядов. Дефекты – ловушки сильно снижают времена жизни носителей, что приводит к уменьшению электропроводности. Кроме того, в ловушках накапливается пространственный заряд, искажающий электрическое поле внутри проводника и резко ухудшающий его технические характеристики. Большинство дефектов, созданных электронными или γ-облучениями, при отжиге рекомбинирует, после чего полупроводник почти восстанавливает свои первоначальные свойства. Нейтронное облучение создает значительно большое количество дефектов, часть которых необратима. К последним, в частности, относятся примесные атомы, возникающие посредством радиационного захвата нейтронов атомами полупроводника. Этот захват обычно приводит к возникновению в полупроводнике акцепторных или донорных примесей. Механизм возникновения этих примесей можно проследить на примере германия. Германий четырехвалентен. Его кристалл имеет структуру алмаза (каждый атом находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя ближайшими соседями). Германий имеет пять стабильных изотопов 32Ge70 , 32Ge72 , 32Ge73 , 32Ge74, 32Ge76, содержание которых в естественной смеси составляет соответственно 21, 29, 8, 36 и 8%. Основной изотоп 32Ge74 при захвате нейтрона переходит путем электронного распада в изотоп 33As75 пятивалентного мышьяка, являющегося, очевидно, донором, так как на его внешней оболочке имеется лишний для германиевой решетке пятый электрон. С другой стороны, изотоп 32Ge70, проглотив нейтрон, претерпевает позитронный распад, превращаясь в изотоп 31Ga70 , трехвалентного галлия, являющегося типичным акцептором. Акцепторные уровни на радиационных дефектах появляются и при облучении другими частицами, например дейтронами. Это демонстрируется приведенными на рис. 13.5 зависимостями удельной проводимости акцепторного и донорного германия от дозы облучения слегка падает из-за образования дефектов, тормозящих носители тока.
Проводимость донорного образца сначала падает на несколько порядков из-за компенсации донорных и акцепторных носителей. При более сильном облучении проводимость резко растет, но уже является не донорной, а акцепторной. Этот эффект может быть использован как один из методов создания p-n – переходов, необходимых для использования любого полупроводников устройства.