СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления

Разработана методика облучения конструкционных материалов осколками деления в растворных импульсных ядерных реакторах. С помощью метода сканирующей туннельной микроскопии проведены исследования структуры поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), подвергнутого импульсному обл...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2000
Hauptverfasser:	Козодаев, М.А., Макеев, О.Н., Бабаев, В.П., Суворов, А.Л., Хохряков, В.Ф., Осадчук, Л.А., Леваков, Б.Г., Залужный, А.Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2000
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78141
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления / М.А. Козодаев, О.Н. Макеев, В.П. Бабаев, А.Л. Суворов, В.Ф. Хохряков, Л.А. Осадчук, Б.Г. Леваков, А.Г. Залужный // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 31-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-78141
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-781412015-03-13T03:02:25Z СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления Козодаев, М.А. Макеев, О.Н. Бабаев, В.П. Суворов, А.Л. Хохряков, В.Ф. Осадчук, Л.А. Леваков, Б.Г. Залужный, А.Г. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Разработана методика облучения конструкционных материалов осколками деления в растворных импульсных ядерных реакторах. С помощью метода сканирующей туннельной микроскопии проведены исследования структуры поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), подвергнутого импульсному облучению осколками деления. Флюенсы облучения варьировались в пределах от 5×10¹⁰ до 5×10¹² осколков/см². Определен спектр поверхностных дефектов, шероховатость формируемой поверхности облучения. Розроблено методику опромінення конструкційних матеріалів осколками розподілу в розчинних імпульсних ядерних реакторах. За допомогою методу скануючої тунельної мікроскопії проведено дослідження структури поверхні високоорієнтованих пиролитического графіту (ВОПГ), підданого імпульсному опроміненню осколками розподілу. Флюєнси опромінення варіювалися в межах від 5×10¹⁰ до 5×10¹² осколків / см². Визначено спектр поверхневих дефектів, шорсткість формованої поверхні опромінення. The technique of irradiation of structural materials by fission fragments in mortar pulsed nuclear reactors. Using the method of scanning tunneling microscopy studied the surface structure of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), subjected to pulsed irradiation with fission fragments. Irradiation fluence varied in the range from 5×10¹⁰ to 5×10¹² fragments / cm². The spectrum of surface defects, the surface roughness is formed by irradiation. 2000 Article СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления / М.А. Козодаев, О.Н. Макеев, В.П. Бабаев, А.Л. Суворов, В.Ф. Хохряков, Л.А. Осадчук, Б.Г. Леваков, А.Г. Залужный // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 31-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78141 661.666:539.12.04 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
spellingShingle	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Козодаев, М.А. Макеев, О.Н. Бабаев, В.П. Суворов, А.Л. Хохряков, В.Ф. Осадчук, Л.А. Леваков, Б.Г. Залужный, А.Г. СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления Вопросы атомной науки и техники
description	Разработана методика облучения конструкционных материалов осколками деления в растворных импульсных ядерных реакторах. С помощью метода сканирующей туннельной микроскопии проведены исследования структуры поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), подвергнутого импульсному облучению осколками деления. Флюенсы облучения варьировались в пределах от 5×10¹⁰ до 5×10¹² осколков/см². Определен спектр поверхностных дефектов, шероховатость формируемой поверхности облучения.
format	Article
author	Козодаев, М.А. Макеев, О.Н. Бабаев, В.П. Суворов, А.Л. Хохряков, В.Ф. Осадчук, Л.А. Леваков, Б.Г. Залужный, А.Г.
author_facet	Козодаев, М.А. Макеев, О.Н. Бабаев, В.П. Суворов, А.Л. Хохряков, В.Ф. Осадчук, Л.А. Леваков, Б.Г. Залужный, А.Г.
author_sort	Козодаев, М.А.
title	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления
title_short	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления
title_full	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления
title_fullStr	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления
title_full_unstemmed	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления
title_sort	стм-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2000
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78141
citation_txt	СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления / М.А. Козодаев, О.Н. Макеев, В.П. Бабаев, А.Л. Суворов, В.Ф. Хохряков, Л.А. Осадчук, Б.Г. Леваков, А.Г. Залужный // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 31-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT kozodaevma stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT makeevon stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT babaevvp stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT suvoroval stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT hohrâkovvf stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT osadčukla stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT levakovbg stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ AT zalužnyjag stmanalizypoverhnostnojstrukturygrafitapodvergnutogoimpulʹsnomuoblučeniûoskolkamideleniâ
first_indexed	2025-07-06T02:18:07Z
last_indexed	2025-07-06T02:18:07Z
_version_	1836862183997177856
fulltext	УДК 661.666:539.12.04 СТМ-АНАЛИЗЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ ГРАФИТА, ПОДВЕРГНУТОГО ИМПУЛЬСНОМУ ОБЛУЧЕНИЮ ОСКОЛКАМИ ДЕЛЕНИЯ М.А.Козодаев1, О.Н.Макеев1, В.Ф.Хохряков2, Л.А.Осадчук2, Б.Г. Леваков2, В.П.Бабаев1, А.Л.Суворов1, А. Г. Залужный3 1ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия; 2РФЯЦ Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики, Снежинск, Россия; 3Московский инженерно-физическийтехнический университет, Москва, Россия Разработана методика облучения конструкционных материалов осколками деления в растворных импульсных ядерных реакторах. С помощью метода сканирующей туннельной микроскопии проведены исследования структуры поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), подвергнутого импульсному облучению осколками деления. Флюенсы облучения варьировались в пределах от 5⋅ 1010 до 5⋅ 1012 осколков/см2. Определен спектр поверхностных дефектов, шероховатость формируемой поверхности облучения. 1. ВВЕДЕНИЕ Исследования влияния нейтронного облучения на материалы, связанные с разработкой и созданием современных ядерно-физических установок (реакторов на быстрых нейтронах, термоядерных реакторов), требуют разработки новых, более экономичных методов моделирования воздействия на материалы высоких потоков нейтронов (1022...1024 нейтр./см2), так как непосредственное облучение материалов в реакторе такими флюенсами очень длительный и дорогой процесс. В настоящее время имитация воздействия таких потоков осуществляется, как правило, облучением заряженными частицами с использованием различных типов ускорителей. В настоящей работе развита и реализована достаточно простая и относительно недорогая методика облучения конструкционных материалов осколками деления. Данный метод имеет как ряд недостатков (облучение приповерхностных слоев и др.), так и существенные достоинства; основным из них является возможность быстрого набора больших значений количества смещений на атом (СНА). Несомненно, что исследование влияния облучения осколками деления на состояние поверхности и свойства материалов само по себе представляет большой научный интерес. Сообщаются результаты проводимых авторами исследований влияния облучения осколками деления ядер на структуру поверхности углеродных материалов методом сканирующей туннельной микроскопии. Философия и методика таких исследований подробно изложены в [1-3]. Некоторые предварительные результаты были опубликованы авторами в [4]. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Облучение образцов. Для облучения образцов был разработан и создан на базе растворного импульсного реактора РФЯЦ ВНИИТФ ИГРИК [5] источник осколков деления. Его принципиальная схема приведена на рис. 1. Конвертор нейтронов в осколки деления (КНОД) является устройством, в котором на тепловых нейтронах идет деление ядер U235, в результате чего на каждый акт деления образуются, как правило, два осколка с энергией 99,8 и 68,4 МэВ, массой 96,08 и 139,92 а.е.м. и наиболее вероятным зарядом Zp=40 и Zp=56 для легкого и тяжелого осколков соответственно. КНОД должен обладать высокой механической, термической, радиационной стойкостью, особенно в импульсном режиме работы. Различные способы изготовления КНОД описаны в [6]. Материалом активного слоя служила окись урана U3O8 , обогащенная по урану 235U на 90 %. В процессе облучения образцов измерялись флюенсы осколков, количество ядер распыленного урана, температура мишени и образцов. Для измерения флюенса осколков и количества ядер распыленного урана устанавливали алюминиевую фольгу, а сами измерения проводили методом гамма-спектроскопии. Температура мишени и образцов измерялась при помощи хромель- копелевой термопары. В импульсном режиме облучения при энерговыделении в активной зоне реактора 57 МДж и длительности импульса 2,4 мс, флюенс осколков на поверхности образца достигал ~ 1012 осколков/см2, тогда как интенсивность потока осколков составляла ~ 4·1014 осколков/(см2⋅ с). Температура поверхности КНОД во время облучения ≥ 250оС. Эксперименты, проведенные ранее на реакторе ИГРИК [4], выявили ряд недостатков первой конструкции источника: слои из U3O8 обладали существенной разнотолщинностью, что не обеспечивало равномерного облучения образца; сами слои U3O8 были рыхлыми и не отвечали требованию по воспроизводимости выхода осколков 31 от импульса к импульсу; слои не были устойчивы к импульсному облучению; источник имел большой выход атомов урана на поверхность облучаемого объекта. Рис.1. Принципиальная схема источника осколков деления ИОД-1. 1 - активная зона; 2 - экспериментальный канал; 3– конвертор быстрых нейтронов в тепловые; 4 - экспериментальная ампула; 5 – исследуемый образец; 6 – конвертор нейтронов в осколки деления; 7 - корпус реактора; 8 - биологическая защита; 9 – электрический разъем для вывода сигналов датчиков сопровождения С целью устранения выявленных недостатков была разработана новая конструкция КНОД, позволяющая проводить облучение образцов в диапазоне температур от – 180 до 100 °С (охлаждение осуществляется парами жидкого азота). Устройство снабжено вентильным узлом для его вакуумирования или заполнения при необходимости той или иной газовой атмосферой. В усовершенствованном КНОД слой делящегося вещества (толщина слоя 3,4 мкм, масса ∼ 20 мг) снаружи защищен тонким слоем алюминия (0,5 мкм), что на два порядка снижает выход атомов урана на облучаемую поверхность образца. 2.2 Исследование поверхности образцов с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Эталонный и облученные образцы исследовались с помощью работающего на воздухе сканирующего туннельного микроскопа оригинальной конструкции. Каждый образец был исследован в 25 точках. Необходимо отметить, что в связи с радиационной активностью образцов исследование было осложнено. Активность образцов составляла ~ 850 мкР/ч на расстоянии в 1 см от поверхности образца. Этим объяснялись и особые режимы сканирования, которые выбирались для минимизации влияния радиации на иглу сканера. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ В результате анализа полученных изображений поверхности графита был сделан вывод о том, что облучение образцов осколками деления до флюенса 5·1011 осколков/см2 и выше не позволяет наблюдать результаты единичных воздействий осколков на поверхность образца из-за их перекрытия. Это следует также из проведенных оценок: указанные флюенсы соответствуют попаданию в среднем одного осколка деления на площадь ∼ 15×15 нм и менее. Наблюдаемый результат воздействия на поверхность графита осколков деления при флюенсе 5·1012 осколков/см2 – относительно равномерная «изрытость» рельефа с отдельными участками, на которых видны единичные «бугры» (рис.2,3). Рис.2. Типичное СТМ -изображение поверхности ВОПГ, облученного осколками деления с флюенсом 5•10'* иске/см. Стрелкой 1 указана область, подвергнутая существенной деградации, стрелкой 2 - область, на которую осколки деления не попали (демонстрация неравномерности облучения). Размер скана 0,59 х 0,57 мкм, размах высот 40 нм Рис.3. СТМ-изображение поверхности ВОПГ, облученного осколками деления с флюенсом 5•10' осколков/см. Образование отдельных «бугров» связано, по-видимому, с перекрытием дефектных областей от попадания нескольких осколков деления. Размер скана 2,5 х 2,5 мкм, размах высот 332 нм Как уже указывалось выше, для каждого образца было получено несколько десятков изображений. Для количественной оценки степени шероховатости (развитости) поверхности по каждому изображению были рассчитаны фрактальные размерности [7]. Ранее [8] авторами настоящей работы были проведены подобные СТМ-исследования влияния ионного облучения (облучение протонами разных энергий и под разными углами, а также облучение ионами лазерной плазмы) на рельеф поверхности ВОПГ. 32 Таблица Тип образца D1 D2 Эталонный образец (без облучения) 1,0003 ± 0,0001 2,0003 ± 0,0001 Образец, облученный протонами с энергией 3,0 МэВ нормально к поверхности 1,0013 ± 0,0001 2,0012 ± 0,0001 Образец, облученный протонами с энергией 90,0 кэВ под углом 45° к поверхности 1,0038 ± 0,0010 1,0023 ± 0,0009 Образец, облученный протонами с энергией 90,0 кэВ нормально к поверхности 1,0265 ± 0,0149 2,0176 ± 0,0009 ОБРАЗЕЦ, ОБЛУЧЕННЫЙ ИОНАМИ ЦЕЗИЯ С ЭНЕРГИЕЙ 25 КЭВ 1,0071 ± 0,0019 2,0059 ± 0,0017 Образец, облученный лазерной плазмой SiO2 1,0079 ± 0,0010 2,0072 ± 0,0009 ОБРАЗЕЦ, ОБЛУЧЕННЫЙ ОСКОЛКАМИ ДЕЛЕНИЯ 1,0054 ± 0,0012 2,0058 ± 0,0014 Результаты воздействия различного типа облучения на рельеф поверхности путем сопоставления величин фрактальных размерностей представлены в таблице (где D1 - фрактальная размерность, рассчитанная по профилю, D2 - фрактальная размерность, рассчитанная по поверхности).Данные показывают, что значения величин фрактальной размерности лежат в широких интервалах даже для одного образца. Большой разброс можно объяснить тем, что сканы снимались на разных участках поверхности образца, захватывая различные структурные ячейки (зерна) с возможной различной ориентацией, а также возможной неравномерностью облучения. Графически результаты таблицы наглядно иллюстрирует рис.4. Рис.4. Графическая иллюстрация степени развитости поверхности образцов ВОПГ, подвергнутых различным радиационным воздействиям В дальнейшем с целью устранения возможного перекрытия воздействия отдельных осколков деления с поверхностью исследуемого материала проводили облучение более низкими флюенсами осколков деления - 5⋅ 1010 осколков/см2. На рис. 5 представлено СТМ-изображение поверхности облученного монокристалла графита (кристалло- графическая ориентация облучаемой поверхности ВОПГ - [0001]). На поверхности облученных материалов было отмечено появление «бугров». Плотность бугров составила 2,5⋅ 108 см-2, что на порядок меньше флюенса осколков деления. Диаметр бугров около 400 нм, высота около 10 нм. Отмечается наличие некоторого порядка в их распределении. Известно, что по мере прохождения через вещество, энергия и заряд осколков деления непрерывно уменьшаются и, начиная с энергии около 1 МэВ, потеря энергии происходит путем упругих и неупругих столкновений с атомами решетки. При этом возникает так называемый пик смещения, когда в объеме с малым размером (сфера радиусом порядка 10 нм) на каждый атом выделяется энергия, превышающая энергию смещения. Средний пробег осколков деления зависит от тормозящего вещества и для двуокиси урана составляет 6 и 9 мкм, а для алюминия 9 и 13 мкм (для тяжелого и легкого осколков соответственно). В результате этого процесса в приповерхностных областях образуется большое число радиационных дефектов, а также происходит их радиационное легирование продуктами ядерных реакций, в том числе и инертными газами. Рис.5. СТМ - изображение поверхности ВОПГ, облученного осколками деления с флюенсом 5•10'" осколков/см. Плотность бугров составила 2,5• 1(]см'. Размер скана ЗхЗ мкм, размах высот 27 нм Можно предположить достаточно большое количество механизмов, которые в той или иной мере могут привести к образованию бугров на 33 поверхности исследуемого материала, облученного осколками деления. Это и возможное образование аморфной фазы, и образование междоузельных комплексов в приповерхностных слоях образца, и накапливание в приповерхностном слое облученного материала газообразных продуктов ядерных реакций (гелий, ксенон, криптон). Возможно также это результат распыления поверхности и переосаждения распыленного материала или осаждение делящегося материала и др. Есть факты подтверждающие возможность реализации одного из механизмов, но одновременно имеются факты и опровергающие это. Например, известно множество работ, говорящих о возможной аморфизации кристаллической фазы при облучении. Но в тоже время образование дополнительных бугров на поверхности облученного осколками деления кремния после его высокотемпературной выдержки опровергает этот механизм. По этим причинам в настоящий момент авторы не могут однозначно объяснить наблюдаемую эволюцию поверхности исследуемых материалов при их облучении осколками деления. Несомненно, полученные результаты представляют определенный научный интерес и требуют дополнительного тщательного изучения. ЛИТЕРАТУРА 1. S.N.Magonov, M.-H.Whangbo. Surface Analysis with STM and AFM. Experimental and Theoretical Aspects of Image Analysis. West Sussex, WILLEY- VCH, 1995. 2. А.Л. Суворов. Автоионная микроскопия радиационных дефектов в металлах. Москва: "Энергоиздат", 1982. 3. А.Л. Суворов, Ю.Н. Чеблуков, Н.Е. Лазарев, А.Ф. Бобков, М.О. Попов, В.П. Бабаев. Исследование поверхностных и объемных дефектов в углероде и кремнии методами автоионной и сканирующей туннельной микроскопии. //Журнал технической физики. 2000, т. 70, вып. 3, с. 56. 4. М.А. Козодаев, О.Н. Макеев, В.Ф. Хохряков, Л.А. Осадчук, Б.Г. Леваков, А.Г. Залужный, В.П. Бабаев, А.Л. Суворов. Анализы с помощью сканирующего туннельного микроскопа поверхностной стуктуры графита, подвергнутому импульсному облучению осколками деления. //Письма в ЖТФ, 2000, т. 26, вып. 10, с. 1. 5. В.С. Дьянков, В.П. Королев, А.И. Кормилитцин и др. Обзор ARSRITP экспериментальных устройств для радиационных исследований. //Физика металлов и металловедение. 1996, т. 81, ч. 2, с. 245. 6. В.Т. Казазян, Б.А. Литвиненко, Л.П. Рогинетс, И.А. Савушкин. Физические основы использования кинетической энергии осколков деления в радиационной химии. Минск: "Наука и техника", 1972. 7. S. Talibuddin, J.P. Runt. Reliability test of popular fractal techniques applied to small two-dimensional self-affine data sets. //J.Appl.Phys. 1994, v.76, N 9, p.5070. 1. Козодаев, Б.А. Логинов, А.Л. Суворов, А.М. Козодаев. Радиационная модификация поверхности пиролитического графита: анализ с помощью сканирующей туннельной микроскопии. //Современные проблемы ядерной физики, физики и химии конденсированнных сред (Труды Первой Московской Международной школы физики ИТЭФ/ (под ред. Ю.Г.Абова, А.Л.Суворова, В.Г.Фирсова). М.: Редакция журнала «Успехи Физических Наук», 1999, с. 241 34 СТМ-АНАЛИЗЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ ГРАФИТА, ПОДВЕРГНУТОГО ИМПУЛЬСНОМУ ОБЛУЧЕНИЮ ОСКОЛКАМИ ДЕЛЕНИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Образец, облученный ионами цезия с энергией 25 кэВ Образец, облученный осколками деления ЛИТЕРАТУРА

СТМ-анализы поверхностной структуры графита, подвергнутого импульсному облучению осколками деления

Institution

Ähnliche Einträge