В книге делается попытка выделить вклад продуктов ядерных реакций при взаимодействии с нейтронами в результате облучения в ядерном реакторе в изменения характеристик диэлектриков после облучения. Взаимодействие с нейтронами вызывает изменение диэлектрических характеристик в результате накопления структурных дефектов и продуктов ядерных реакций, которые экспериментально не разделяются. На основе особенностей трансмутантов, рассматривая их как простую химическую присадку и используя формулы физики диэлектриков, проверенные на материалах до облучения, рассчитывается вклад в диэлектрические характеристики (ε и tgδ), вносимый трансмутантами. Показано, что в области УФ, видимых и ИК частот изменения, вызываемые накоплением продуктов ядерных реакций, мало сказываются на характеристиках диэлектриков. В области релаксационных видов поляризации (ω < 10¹² Гц), при определённых условиях, диэлектрические потери могут многократно превышать исходные (до облучения) значения.

Для специалистов, работающих в области радиационного материаловедения и разработки изделий для атомной и термоядерной техники.

С точки зрения физики твёрдого тела при взаимодействии нейтронов с веществом можно отметить три вида процессов, влияющих на их свойства: упругие взаимодействия с ядрами атомов, в результате которых происходит их смещение с регулярных положений в кристаллической решётке и образование различного рода структурных дефектов; неупругие взаимодействия, сопровождаемые захватом нейтрона и образованием новых химических элементов (трансмутантов); распад самого нейтрона по реакции n → p + e^- + ν^- периодом полураспада τ ≈ 898 с, в результате чего идет насыщение материала ядрами водорода.

Обычно наиболее интенсивно идёт первый процесс, так как одно взаимодействие нейтрона с ядром атома сопровождается образованием целого каскада — до нескольких тысяч точечных дефектов. Всё радиационное материаловедение построено на изучении закономерностей поведения этих дефектов и их влияния на свойства материалов. Концентрация трансмутантов намного порядков меньше концентрации этих дефектов. Причём первые, если не произошли необратимые структурные изменения, могут быть уничтожены отжигом, тогда как трансмутанты не отжигаются, и их накопление зависит только от флюенса и энергетического спектра нейтронов. При малых флюенсах (< 10²⁰ нейтр./см²) относительная концентрация трансмутантов незначительна и их влиянием на свойства материалов можно пренебречь. Однако когда флюенсы превышают 10²² нейтр./см² влияние трансмутантов может стать заметным.

В настоящей работе ставилась задача проанализировать возможное влияние трансмутантов на диэлектрические параметры ряда оксидных керамических диэлектриков, имеющих широкое распространение в промышленности. Основными характеристиками диэлектриков являются диэлектрические потери, характеризуемые обычно тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ), и диэлектрическая проницаемость ε. Эти величины определяются поляризационными процессами различного уровня, которые связаны не только с химическим составом, но и со структурой вещества, температурой, давлением и др. Действие излучения приводит к изменению всей совокупности процессов, влияющих на диэлектрические характеристики. Наблюдаемые результаты экспериментально не дают возможности выделить составляющую, обусловленную изменением химического состава в результате ядерных реакций (накопления трансмутантов).

Первая глава посвящена структурным изменениям в материалах, вызываемым облучением, и служит дополнением и развитием соответствующих разделов книги 3 настоящей серии.

Во второй главе приводится выполненный в НИИАР расчёт выхода трансмутантов как результата облучения представительной партии технических керамических диэлектриков при достаточно больших флюенсах, позволяющих ожидать заметных изменений химического состава.

Для определения вклада трансмутантов в изменения параметров диэлектриков использовались теоретические модели, с помощью которых проводился расчёт характеристик диэлектриков до облучения и, если он давал удовлетворительное приближение к результатам экспериментальных определений, по этой же методике проводился расчёт с учётом трансмутантов. В этом случае не учитывалось влияние ионизационных процессов за счёт наведённой активности радиоактивных мутантов, что может дать вклад в изменение диэлектрических характеристик пористых материалов. Однако даже такие вычисления показывают, что при определенных условиях уже при флюенсах порядка 10²² нейтр./см² диэлектрические характеристики, особенно диэлектрические потери, могут существенно изменяться под влиянием вклада трансмутантов.

В третьей главе даётся обоснование методики расчёта диэлектрического спектра в ИК, видимой и УФ областях электромагнитного спектра с использованием кибернетической модели. Достигнутая высокая точность совпадения с экспериментальными результатами на необлучённых диэлектриках послужила основанием для применения программы расчёта для этих материалов после облучения с учётом появления трансмутантов. Аналогичные расчёты для этой области частот, выполненные по формулам классической физики, дали близкие результаты и отражены в четвёртой главе.

Пятая глава посвящена анализу влияния трансмутантов на диэлектрические характеристики в области релаксационных колебаний (при частотах до 10¹² Гц). Как и ожидалось, в этой области частот при определённых условиях вклад трансмутантов может быть значительным и превышать на порядки суммарный вклад остальных поляризационных процессов.

Методически иная — шестая глава. В ней по известному влиянию на диэлектрические характеристики малых химических добавок в материал высокой чистоты (Al₂O₃) находилась связь с этими характеристиками трансмутантов, полученных при соответствующих флюенсах.

Традиционно для издания «Диэлектрики и радиация» все вспомогательные материалы вынесены в Приложения.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Диэлектрические материалы: Радиационные процессы и радиационная стойкость, Шварц К. К., Экманис Ю. А., 1989
2. Диэлектрики и радиация: Кн. 5: Диэлектрические свойства полимеров в полях ионизирующих излучений, Тютнев А. П., Саенко B. C., Пожидаев Е. Д., Костюков Н. С., 2005
3. Диэлектрики и радиация: Кн. 1: Радиационная электропроводность, Костюков Н. С., Муминов М. И., Атраш С. М., Мухамеджанов М. А., Васильев Н. В., 2001
4. Диэлектрики и радиация: Кн. 3: Механическая и электрическая прочность и изменение структуры при облучении, Костюков Н. С., Астапова Е. С., Пивченко Е. Б., Ванина Е. А., Балабеков А. И., Муминов М. И., 2003
5. Диэлектрики и радиация: Кн. 2: ε и tgδ при облучении, Костюков Н. С., Лукичев А. А., Муминов М. И., Атраш С. М., Скрипников Ю. С., 2002
6. Модифицирование полупроводников пучками протонов, Козловский В. В., 2003
7. Статистическое взаимодействие электронов и дефектов в полупроводниках, Винецкий В. Л., Холодарь Г. А., 1969
8. Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твёрдых телах, Лущик Ч. Б., Лущик А. Ч., 1989
9. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твёрдого тела, Экштайн В., 1995
10. Кинетика и термодинамика быстрых частиц в твёрдых телах, Кашлев Ю. А., 2010
11. Квантовая теория твёрдых тел, Пайерлс Р., 1956
12. Калибровочная теория дислокаций и дисклинаций, Кадич А., Эделен Д., 1987