Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вопросы атомной науки и техники
Date:	2000
Main Authors:	Приходько, К.Е., Гурович, Б.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2000
Subjects:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78139
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите / К.Е. Приходько, Б.А. Гурович // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 34-37. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78139
record_format	dspace
spelling	Приходько, К.Е. Гурович, Б.А. 2015-03-12T07:30:22Z 2015-03-12T07:30:22Z 2000 Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите / К.Е. Приходько, Б.А. Гурович // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 34-37. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78139 661.666:539.12.04 ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите Температурна залежність порогової енергії зміщення атомів вуглецю в графіті The temperature dependence of the threshold displacement energy of carbon atoms in graphite Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите
spellingShingle	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите Приходько, К.Е. Гурович, Б.А. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
title_short	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите
title_full	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите
title_fullStr	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите
title_full_unstemmed	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите
title_sort	температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите
author	Приходько, К.Е. Гурович, Б.А.
author_facet	Приходько, К.Е. Гурович, Б.А.
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
publishDate	2000
language	Russian
container_title	Вопросы атомной науки и техники
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format	Article
title_alt	Температурна залежність порогової енергії зміщення атомів вуглецю в графіті The temperature dependence of the threshold displacement energy of carbon atoms in graphite
issn	1562-6016
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78139
citation_txt	Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите / К.Е. Приходько, Б.А. Гурович // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 34-37. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT prihodʹkoke temperaturnaâzavisimostʹporogovoiénergiismeŝeniâatomovuglerodavgrafite AT gurovičba temperaturnaâzavisimostʹporogovoiénergiismeŝeniâatomovuglerodavgrafite AT prihodʹkoke temperaturnazaležnístʹporogovoíenergíízmíŝennâatomívvuglecûvgrafítí AT gurovičba temperaturnazaležnístʹporogovoíenergíízmíŝennâatomívvuglecûvgrafítí AT prihodʹkoke thetemperaturedependenceofthethresholddisplacementenergyofcarbonatomsingraphite AT gurovičba thetemperaturedependenceofthethresholddisplacementenergyofcarbonatomsingraphite
first_indexed	2025-11-25T20:34:25Z
last_indexed	2025-11-25T20:34:25Z
_version_	1850523160512823296
fulltext	УДК 661.666:539.12.04 ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОЙ ЭНЕРГИИ СМЕЩЕ- НИЯ АТОМОВ УГЛЕРОДА В ГРАФИТЕ К.Е. Приходько., Б.А Гурович. Российский Научный Центр "Курчатовский Институт", г. Москва 1.ВВЕДЕНИЕ Пороговая энергия смещения атомов из узлов кри- сталлической решетки Ed является важной величиной, определяющей скорость радиационной повреждаемо- сти кристаллов, и в литературе содержится большое количество экспериментальных данных и теоретиче- ских расчетов по определению Ed в различных матери- алах [1,2]. Как правило, экспериментальное определе- ние величины Ed проводят с использованием монохро- матических электронных пучков, в частности, путем облучения материалов в электронных микроскопах [1]. Для углеродных материалов пороговая энергия определялась как в алмазе, так и графите. Значения пороговой энергии, полученные для кубического ал- маза в работе [3], составили: для направления [100] (37.5±1.2 )эВ; для направления [111] (45.0±1.3) эВ и для направления [110] (47.6±1.3) эВ. Эти результаты свидетельствуют об анизотропии Ed атомов углерода в монокристаллическом алмазе. По данным исследова- ний пороговой энергии в пирографите [4] значение Ed составляет: 27 эВ при 20oC и 28 эВ при 100oC. Изуче- ние процессов структурных изменений в пирографите в результате воздействия электронного облучения, вы- полненное в работе [5] с применением методики спек- троскопии энергетических потерь электронов, показа- ло значение Ed=30 эВ при ориентации пучка электро- нов как вдоль, так и перпендикулярно оси ‘c’. Как показывает анализ литературных данных, не было проведено систематических исследований зави- симости пороговой энергии от температуры облуче- ния в алмазе и графите, в то время как для многих кристаллических материалов экспериментально обна- ружено уменьшение Ed с ростом температуры [6,7]. В данной работе проведено определение величины пороговой энергии смещения атомов углерода в кри- сталлическом графите вдоль базисных плоскостей в диапазоне температур от -190 до 950oC. 2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ В качестве объекта исследования использовался поликристаллический реакторный графит ASR-1RS. Для облучения выбирались кристаллиты, ориентиро- ванные осью ‘c’ перпендикулярно электронному пуч- ку, т.е. атомные смещения производились в основном вдоль базисных плоскостей графита. Размер облучае- мой монокристаллической области графита составлял 2 мкм. Диаметр области, от которой получалась ди- фракционная картина для контроля структурного со- стояния облучаемого графита, был в несколько раз меньше размеров облучаемого участка и составлял ~0.8 мкм. Определение пороговой энергии смещения атомов углерода в графите проводилось при температурах об- лучения -190, 20, 500, 600 и 950oC. Температура образ- цов контролировалась при помощи специализирован- ных держателей для нагрева и охлаждения, обеспечи- вающих точность термостатирования ±10oC. Тонкие образцы для исследований и облучения в трансмиссионном режиме были приготовлены по стандартной методике с использованием двухсто- роннего травления поверхности образца ионами Ar+ с энергией 4 кэВ. Облучение моноэнергетическими электронами проводилось непосредственно в колонне электронных микроскопов TEMSCAN-200СХ и TEMSCAN-100СХ. Особенностью использованного метода является воз- можность контроля изменений параметров элементар- ной ячейки непосредственно в ходе электронного об- лучения. Плотность потока электронов пучка в стан- дартном режиме составляла 8.1⋅ 1019эл(см2 с). Диапа- зон использованных энергий электронов ограничивал- ся набором ускоряющих напряжений использованных электронных микроскопов: 40, 60, 80, 100, 120, 160 и 200кВ. В связи с тем, что имелась возможность изме- нять ускоряющие напряжения дискретным образом, при каждой температуре облучения определялись лишь энергетические интервалы, внутри которых со- держится пороговая энергия. Методика определения энергетического интервала, содержащего Ed, состояла в следующем. Графит облу- чался электронами различных энергий, и путем анали- за дозных зависимостей относительного изменения параметра решетки ∆c/c определялось, вызывает ли данное облучение образование радиационных дефек- тов в материале. Образование радиационных дефектов в графите фиксировалось по увеличению размеров элементарной ячейки вдоль оси ‘c’, что выражается в росте межплоскостного расстояния (002) кристалла. Если радиационные дефекты образуются, то мак- симальная передаваемая энергия Tmax больше порого- вой энергии смещения Ed, в противном случае Tmax меньше Ed. Tmax для максимальной энергии электро- нов, не повреждающих кристаллический графит, зада- ет нижнюю границу интервала, содержащего Ed. Tmax для минимальной энергии электронов, повреждающих 34 кристаллический графит, задает верхнюю границу ин- тервала, содержащего Ed. Расчет максимальной энер- гии Tmax, которую может передать электрон с энергией Ekin атому углерода, проводился по формуле: Tmax=(2Ekin/Mc2)⋅ (Ekin+2mec2), (1) где M- масса атома углерода; c- скорость света; me- масса электрона. 3.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Типичные дозные зависимости относительного из- менения параметра решетки ∆c/c в процессе облуче- ния графита при 20oC для двух значений энергий элек- тронов представлен на рис.1. Верхняя дозная зависи- мость (а) соответствует энергии электронов 120 кэВ, а нижняя (б) - 100 кэВ. Были выявлены характерные особенности дозных зависимостей ∆c/c, зафиксиро- ванные при всех температурах облучения, которые со- стоят в следующем. 1.Облучение графита электронами больших энер- гий сопровождается увеличением параметра решетки ‘c’, что отражает образование радиационных дефектов в кристалле в результате передачи атомам углерода энергий, превышающих пороговую энергию Ed. 2.По мере уменьшения энергии электронов умень- шается скорость генерации дефектов, что сопровожда- ется замедлением роста параметра решетки ‘c’ в зави- симости от времени облучения. Скорость генерации дефектов уменьшается в связи с приближением макси- мальной передаваемой энергии к пороговой энергии Ed и соответствующим падением надпорогового сече- ния процесса выбивания атомов из узлов кристалличе- ской решетки 3.Дальнейшее снижение энергии электронов при- водит к тому, что начиная с некоторой энергии, дозная зависимость относительного изменения пара- метра решетки с становится отрицательной, т.е. происходит уменьшение параметра решетки в ходе облучения исходного монокристалла. Несмотря на то, что этот эффект не очень велик (максимальное умень- шение параметра решетки не превышает 0.1...0.3%), он все же является значимым по сравнению с ошибка- ми измерений и проявляется практически всегда при низких значениях энергии электронов. Возможность уменьшения параметра решетки при подпороговом облучении графита обусловлена пониженным значе- нием Ed в приповерхностном слое тонкого участка об- разца. Выбивание атомов в нижнем приповерхност- ном слое графита сопровождается частичным выхо- дом выбитых атомов за границу кристалла, соответ- ствующим накоплением в нем вакансий и падением параметра решетки ‘c’. Характерная толщина данного приповерхностного слоя должна по порядку величины соответствовать средней длине цепочек сфокусиро- ванных столкновений атомов углерода вдоль базисной плоскости графита. Подобные дозные зависимости, когда увеличение параметра решетки при граничном надпороговом об- лучении составляет величину до 1%, а при граничном подпороговом до -0.3%, были получены при всех ис- следованных температурах облучения. Исключение составляет лишь температура жидкого азота, когда об- лучение графита электронами с энергией 160 кэВ ини- циирует аморфизацию облучаемого участка образца. Аморфизация сопровождается значительным ростом параметра решетки ‘c’ (до 20%), исчезновением точеч- ных брэгговских рефлексов, большим радиационным ростом графита в направлении оси ‘c’ и другими ха- рактерными эффектами [8,9]. Так как потеря дальнего порядка в графите обусловлена накоплением выбитых атомов, наличие аморфизации однозначно указывает на то, что энергия электронов 160 кэВ при -190oC яв- ляется надпороговой. Рис.1 Дозные зависимости относительного измене- ния параметра решетки ‘c’ кристаллического графи- та в процессе облучения при температуре 20oC элек- тронами с энергиями: (а)120кэВ и (б)100кэВ. На основании пересчета граничных значений энергий над- и подпороговых электронов в макси- мальные передаваемые энергии по формуле (1), были получены границы энергетических интервалов, содер- жащих пороговую энергию смещения атома углерода в кристаллическом графите вдоль базисной плоскости при различных температурах облучения. Результаты представлены в таблице. Погрешности определения Ed обусловлены дис- кретным набором ускоряющих напряжений использо- ванных электронных микроскопов. По данным таблицы построена температурная за- висимость пороговой энергии смещения Ed, представ- ленная на рис.2. Как видно, наблюдается уменьшение величины пороговой энергии с ростом температуры облучения от ~29 эВ при -190oC до ~9 эВ при 950oC. Из общей зависимости выпадает точка при Т=500oC, поскольку при данной температуре значение порого- вой энергии, измеренное в рамках погрешности ис- пользованной методики, совпадает со значением Ed при Т=20oC и составляет (23±3) эВ. 35 Пороговая энергия смещения атомов углерода в кристаллическом графите при различной темпера- туре облучения Tобл., oC Ed, эВ -190 29 ± 5 20 23 ± 3 500 23 ± 3 600 14 ± 3 950 9 ± 2 Рассмотрим, какие физические механизмы вносят свой вклад в пороговую энергию смещения атома из узла кристаллической решетки. Как известно [2], при образовании устойчивой пары Френкеля переданная энергия затрачивается, во-первых, на разрыв связей между атомами ближайшего окружения, а во-вторых, на удаление выбитого атома от вакансии за пределы объема спонтанной рекомбинации. Большая часть энергии расходуется именно в ходе разнесения вакан- сии и межузельного атома, поскольку во время движе- ния выбитого атома в процессе обмена энергией участвует значительное число атомов решетки. Экс- периментально обнаруженная анизотропия величины пороговой энергии смещения атомов в монокристал- лах обусловлена отличающимися условиями при дви- жении выбитого атома вдоль различных кристалло- графических направлений в решетке [2]. Известно так- же, что минимальное значение пороговой энергии Ed связано, как правило, с наиболее плотным кристалло- графическим направлением упаковки атомов в струк- туре материала [2]. По этой причине для графита сле- дует ожидать минимального значения величины поро- говой энергии при смещении атомов углерода вдоль плоскостей базиса. Развитые теоретические представления не позволя- ют точно предсказать результирующее поведение по- роговой энергии с увеличением температуры облуче- ния в связи с протеканием различных конкурирующих процессов, одни из которых вызывают увеличение Ed ,а другие - ее уменьшение. Во-первых, с ростом температуры уменьшается энергия связи атома в решетке со своими ближайши- ми соседями. Это выражается в уменьшении энергии сублимации атома с поверхности материала с увели- чением температуры, которая примерно равна полови- не энергии связи атома в кристалле. Следовательно, вклад энергии связи в пороговую энергию смещения уменьшается с ростом температуры. Во-вторых, с увеличением температуры возрастает объем спонтанной рекомбинации, что должно приво- дить к увеличению энергии смещения атома, посколь- ку для образования устойчивой пары Френкеля необ- ходимо разнести вакансию и выбитый атом на большее расстояние [2]. В-третьих, в связи с увеличением среднего рассто- яния между атомами при более высокой температуре, при движении сквозь решетку выбитый атом слабее взаимодействует с окружающими атомами, и поэтому ему необходимо меньше энергии для выхода за преде- лы объема рекомбинации, что вызывает уменьшение пороговой энергии. Рис.2 Зависимость пороговой энергии смещения ато- ма углерода в графите в базисной плоскости от тем- пературы облучения Теоретическая оценка температурной зависимости пороговой энергии требует детального анализа изме- нения вклада указанных механизмов в величину Ed при различных температурах. В данной работе экспе- риментально показано уменьшение эффективной ре- зультирующей пороговой энергии смещения атома уг- лерода из узла кристаллической решетки графита вдоль базисной плоскости с увеличением температуры облучения от -190 до 950oC. Характерной чертой по- лученной температурной зависимости является нерав- номерное уменьшение величины Ed с ростом темпера- туры облучения, что, скорее всего, связано с особен- ностями поведения графита под действием облучения при температурах 450..500оС. Как хорошо известно, в данном интервале температур наблюдаются мини- мальные значения радиационного формоизменения и модуля радиационной ползучести графита [10,11]. Очевидно, что обнаруженное в данной работе большое значение пороговой энергии смещения ато- мов из узлов кристаллической решетки при темпера- туре 500оС оказывает существенное влияние на ско- рость генерации дефектов под действием облучения и этим, по-видимому, наряду с другими возможными механизмами, обусловлены особенности радиаци- онного формоизменения и ползучести графита при данной температуре облучения. Экспериментально полученная температурная за- висимость пороговой энергии Ed должна учитываться при анализе и расчетах повреждаемости графита при повышенных температурах облучения, поскольку с уменьшением Ed возрастает сечение надпороговых процессов взаимодействия излучения с атомами угле- рода, что приводит к росту скорости образования ра- диационных дефектов в графите. 36 ЛИТЕРАТУРА 1. T.E Mitchell et. al. Fundamental aspects of radiation damage in metals. Tennessee: 1975, p.73-79. 2. К. Лейман /Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов. М.: «Энергоатомиздат». 1979. с.296. 3. J. Koike, D.M Parkin. //Appl.Phys.Let. v.60. N.12, pp.1450-1452. 1992. 4. H.Abe, H Naromoto //Proc.Mater.Res.Soc., v.373, pp.383-388. 1995. 5. J. Kioke et al. //Beam. Proc. of Adv. Mater. 1993, pp.519-536. 6. W. Zag, K Urban //Phys.Stat.Solidi.A.1983, v.76, N.1, pp.285-295. 7. Дж Грен. /Основы аналитической электронной ми- кроскопии, М.: «Металлургия», 1990. 8. Б.А. Гурович, К.Е. Приходько //Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационных по- вреждений и радиационное материаловедение". 1997, вып.1(65)-2(66), с.156-164. 9. К.Е. Приходько, Б.А Гурович //Вопросы атомной науки и техники . Серия "Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение". 1999, вып.1(73)-2(74), с.143-156. 10. П.А Платонов. Конструкционные материалы ядерных реакторов. М.: «Энергоатомиздат». 1995, с.704. 11. Ya.I. Shtrombakh, B.A.Gurovich, P.A.Platonov, 12. V.M. Alekseev //J.Nucl.Mat.,1995, v.225, p.273. 13. 14. 37 ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОЙ ЭНЕРГИИ СМЕЩЕНИЯ АТОМОВ УГЛЕРОДА В ГРАФИТЕ 1.Введение 2.Экспериментальная часть 3.Результаты и обсуждение Литература

Температурная зависимость пороговой энергии смещения атомов углерода в графите

Institution

Similar Items