Радіаційно-акустичні ефекти при взаємодії частинок проникаючих випромінювань з твердим тілом

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОФІЗИКИ І РАДІАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Калініченко Олександр Іванович

УДК 538.97--405:539.1.043:534-16

РАДІАЦІЙНО-АКУСТИЧНІ ЕФЕКТИ ПРИ ВЗАЄМОДІЇ

ЧАСТИНОК ПРОНИКАЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

З ТВЕРДИМ ТІЛОМ

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків - 2011

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Національному науковому центрі «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України і в Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна, м. Харків.

Науковий консультант:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Стрельницький Володимир Євгенійович,

Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, начальник лабораторії алмазних і алмазоподібних покриттів відділу іонно-плазмової обробки матеріалів.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Фінкель Віталій Олександрович,

Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, начальник лабораторії фізичного матеріалознавства функціональних керамік відділу чистих металів, металофізики і технології нових матеріалів;

доктор фізико-математичних наук, професор

Ходусов Валерій Дмитрович,

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна,

завідувач кафедри теоретичної ядерної фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор,

Спольник Олександр Іванович,

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка МАП України, завідувач кафедри фізики.

Захист відбудеться «12» грудня 2011р. о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 у Інституті електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61003, м. Харків, вул. Гамарника, 2, корпус У-3, НТУ «ХПІ», ауд. 204.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України за адресою: 61024, м. Харків, вул. Гуданова, 13. Відгук на автореферат дисертації надсилати на адресу: 61002, м. Харків, вул. Чернишевського, 28, а/с 8812.

Автореферат розісланий «02» листопада 2011р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.245.01 Пойда А.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збудження механічних коливань потоками випромінювань є одним з найбільш загальних макроскопічних проявів взаємодії випромінювання з речовиною. Експерименти показали, що взаємодія будь-яких видів випромінювань із твердим тілом завжди супроводжується генерацією акустичних коливань, що несуть інформацію як про фізичні характеристики тіла і його структуру, так і про характеристики пучка випромінювання й виникаючого поля поглиненої енергії. Для використання акустичних ефектів як інформаційного каналу про властивості речовини й випромінювання, як інструмента впливу на тіло, що опромінюється, а також як повноправного учасника процесів, що йдуть в опромінюваній речовині, необхідна теорія, яка спирається на вже накопичений експериментальний матеріал і дає змогу робити якісні й кількісні висновки.

У ранніх роботах збуджувані коливання описувалися лінійними рівняннями термоакустики, що дають можливість розраховувати термоакустичні напруження, виходячи із середніх, як правило, невисоких перегрівів матеріалу мішені. Однак відомо, що енергетичні втрати частинок пучка можуть приводити до великих локальних перегрівів, які викликають зміну параметрів речовини, структурні й хімічні перетворення. Чи можуть указані процеси істотно змінити величину сумарного сигналу? Відповідь на це питання необхідна для обґрунтування використання лінійної термоакустики при описі радіаційно-акустичних ефектів. Дослідження акустичних ефектів одиночних частинок - іонів і нейтронів дає змогу оцінити можливості їх акустичної реєстрації, може дати ключ до розуміння процесів переносу, структуроутворення й руйнування, що йдуть у твердому тілі при радіаційному впливі, і тому є актуальним для радіаційного матеріалознавства. Для контролю напружень, що виникають при сильних імпульсних перегрівах, необхідно модифікувати співвідношення лінійної термоакустики на випадок теплової нелінійності термопружних характеристик. Актуальними є також дослідження спеціальних режимів збудження звуку пучками, що дають змогу підвищити ефективність генерації.

У СРСР і Україні дослідження радіаційно-акустичних ефектів у твердих тілах почалися практично одночасно із закордонними й велися більше широким фронтом. Поряд з піонерськими роботами Г.А. Аскарьяна 1957 і 1959 р., вагомий внесок у ці дослідження внесли вчені Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (І.І. Залюбовський, В.Д. Воловик, В.Т. Лазурик та ін.) і ННЦ «ХФТІ» НАН України (І.О. Гришаєв, В.В. Петренко, С.В. Блажевич та ін.), луганські дослідники під керівництвом П.І. Голубничего, а також російські фізики Л.М. Лямшев, Д.І. Вайсбурд, А.О. Беспалько, Г.І. Герінг та ін. Накопичений матеріал і досвід експериментальних досліджень радіаційно-акустичних ефектів можуть послужити поштовхом до розвитку наукомістких технологій, пов'язаних із застосуванням імпульсних пучків випромінювань, і дасть змогу вийти на світовий ринок технологій. У цьому зв'язку проведення теоретичних досліджень, що створюють передумови до якнайшвидшого використання радіаційно-акустичних ефектів і пристроїв на їх основі в науці й техніці, украй актуально.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з такими програмами і темами:

ННЦ «ХФТІ» НАН України: Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки ННЦ «ХФТІ» НАН України на 2001-2005 рр. № Д.Р. 080901UР0009, тема «Дослідження процесів іонно-плазмового модифікування поверхні провідникових та діелектричних матеріалів при їх опроміненні густими потоками металевої, газової або газометалевої плазми»; Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки ННЦ «ХФТІ» НАН України 2006-2010 рр. № Д.Р. 080906UР0010, тема «Створення процесів синтезу перспективних для атомної енергетики та інших галузей моно- та полікомпонентних мікро- і наноструктурних матеріалів іонно-плазмовими методами та дослідження їх фізико-хімічних властивостей і службових характеристик»; проект УНТЦ №P-201A, 2006-2007 рр. «Оптимізовані процеси осадження захисних шарів на поліакриловий пластмасовий фотоелектричний модульний концентратор»; проект УНТЦ № 4180, 2007-2009 р. «Розробка та дослідження тонкошарового електрохемілюмінесцентного сенсору типу "lab-on-a-chip" з алмазоподібними електродами для виявлення жовчних пігментів в біорідині»;

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна: у відповідності з такими програмами і темами: НДР №11-78 (№ ДР 78053824), 1978-1980 рр. «Розрахунок динамічних напружень у багатошаровій структурі»; НДР №194-91 (№ ДР 01.9.10053676), 1991р. «Радіаційно-акустична діагностика гетерогенних систем»; НДР № 11.13.96 (№ ДР 0197U008113), 1996-1998 р. «Радіаційно-акустичні дослідження фазового стану, термопружних, теплофізичних та термодинамічних характеристик багатофункціональних конструкційних матеріалів при дії на них фізичних полів різної природи»; НДР № 59.13.96 (№ ДР 0197U008114), 1996-1998 р. «Розробка апаратно-програмного комплексу для радіаційно-фізичних експериментів на базі лінійного прискорювача електронів»; НДР № 7-13-97 (№ ДР 0197U016504), 1997-1999 рр. «Дослідження нелінійних радіаційно-акустичних ефектів, супроводжуючих взаємодію іонізуючого випромінювання з матеріалом поблизу структурного фазового перетворення»; проект УНТЦ № 155 1995-1998рр. «Розробка енерго- та ресурсозберiгаючої технології одержання високоміцних та корозійностійких композиційних матеріалів з використанням енергії мікрохвильового й іонізуючого випромінювань»; проект УНТЦ № 957 2000-2003рр. «Розробка технології одержання полімерних композиційних матеріалів для ортопедії».

При виконанні цих робіт автор дисертації брав безпосередню участь у постановці завдань і в проведенні теоретичних досліджень.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей збудження акустичних коливань при взаємодії твердого тіла з пучками проникаючих випромінювань і одиночними частинками - важкими іонами й нейтронами й впливу збуджуваних коливань на процеси структуроутворення, переносу й руйнування у твердому тілі, що опромінюється.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Розробити теоретичну модель генерації пружних хвиль у процесі радіаційно-стимульованої деформації середовища, викликаної пучком частинок або окремою частинкою.

2. Вивчити термоакустичні ефекти щільних пучків випромінювання у твердому тілі з урахуванням теплової нелінійності коефіцієнта генерації й загасання звуку, у тому числі, у випадку рухомої зони взаємодії пучка з мішенню.

3. Теоретично дослідити акустичні ефекти пучків випромінювань у планарних структурах, у тому числі ефект радіаційно-акустичного резонансу.

4. Розробити теоретичну модель енергетичного треку швидкого важкого іона в металах і діелектриках. Застосувати розроблену модель для опису акустичних ефектів, викликаних швидким важким іоном у твердому тілі.

5. Теоретично дослідити термодинамічні умови, що реалізуються поблизу траєкторії важкого низькоенергетичного іона в аморфних і кристалічних тілах. Застосувати узагальнену модель нелокального термопружного піка для опису акустичних ефектів важкого низькоенергетичного іона і їх впливу на процеси руйнування, структуро- і дефектоутворення в опромінюваному матеріалі.

Об'єкт дослідження - тверде тіло й твердотільні об'єкти при взаємодії з пучком частинок або окремих частинок проникаючих випромінювань.

Предмет дослідження _ акустичні ефекти, що виникають у твердому тілі при взаємодії щільних пучків випромінювань і одиночних частинок, їх вплив на процеси переносу, структуроутворення, руйнування у твердому тілі, що опромінюється.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1. Показано, що амплітуда акустичного сигналу від ансамблю мікровипромінювачів, що виникають при взаємодії частинок випромінювання з речовиною є сумою двох компонентів, зв'язаних, відповідно, із тривалою й короткочасною зміною об'єму мікровипромінювача. Показано наявність, нетеплової добавки в акустичному імпульсі, що збуджується при імпульсному радіолізі з рекомбінацією його продуктів, що погоджується з даними експерименту.

2. На прикладі гадолінієвої мішені описана й експериментально підтверджена трансформація форми імпульсу, що збуджується пучком випромінювання, при зміні температури мішені поблизу нуля параметра Грюнайзена.

3. Визначено закони просторового убування амплітуди акустичного імпульсу від точкового і нитковидного теплових джерел для широкого класу функцій частотного загасання b(w), що реалізуються в реальних середовищах.

4. Описано ефект резонансного посилення імпульсу, що збуджується в одномірному звуководі скануючим з постійною швидкістю пучком випромінювання з урахуванням поглинання звуку.

5. Показано, що акустичний імпульс, що збуджується у мішені пучком нерелятивістських іонів, є сумою внесків термопружного, динамічного й деформаційного механізмів генерації, відносні величини яких істотно залежать від сорту й енергії іона.

6. Визначено флюенс імпульсного пучка електронів, що приводить до руйнування конвертерів і вікон виводу пучка прискорювача. Розглянуто ефект радіаційно-акустичного резонансу з урахуванням слабкої асинхронності періодичного радіаційного навантаження й дисипації енергії акустичних коливань.

7. Визначено параметри енергетичного треку швидкого важкого іона в металах і розрахована амплітуда імпульсу напружень на довільній відстані від треку іона з урахуванням загасання. Розглянуто ефект крихкого руйнування твердого тіла при взаємодії зі швидким важким іоном, що приводить до утворення аттограмної пилової фракції.

8. Запропоновано модель структурної перебудови sp²>sp³ вуглецевої мішені в нелокальних термопружних піках низькоенергетичних іонів C⁺, Ne⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺, висновки якої погоджуються з даними експериментів.

9. Для іонів різних енергій установлений інтервал, що погоджується з даними експериментів, температур підкладки, у якому при осадженні вуглецевого покриття з пучка іонів C⁺ (BN покриття з пучка іонів B⁺) утворюється щільна фаза тетраедричного аморфного вуглецю ta-C (кубічного нітриду бору cBN).

10. Показано, що акустичні імпульси, які породжуються важкими низькоенергетичними іонами і ядрами віддачі, можуть істотно прискорювати міграцію дефектів і структурну перебудову на глибинах до 300 нм і приводити до крихкого приповерхневого руйнування матеріалу мішені.

Практична цінність одержаних результатів. Результати проведених фундаментальних досліджень знайшли застосування в техніці фізичного експерименту й технологічних процесах радіаційної обробки матеріалів. Були розроблені, створені й випробувані на практиці оригінальні конструкції акустичних дозиметрів на основі тонких мішеней, що пройшли перевірку на імпульсних пучках електронів, у тому числі скануючих, при використанні пучків у технологічних процесах радіаційної обробки матеріалів. За допомогою розроблених і створених радіаційно-акустичних аналізаторів були проведені дослідження конструкційних матеріалів з нелінійними термопружними характеристиками _ гарячепресованої ВТНП-кераміки, матеріалів з фазовими переходами (ФП) у надпровідний стан, «феро-парамагнетик», «мартенсит-аустеніт», а також полімерів. Пройшли експериментальну перевірку спосіб визначення термопружних характеристик матеріалів; спосіб і пристрій для вимірювання температурного поля, спосіб визначення координати ФП, захищені авторськими свідоцтвами СРСР.

Особистий внесок автора полягає у виборі напрямку наукових досліджень, постановці загальних і конкретних завдань досліджень, виборі методів їх вирішення, в аналізі й узагальненні результатів досліджень, теоретичних розрахунках і формулюванні висновків. У роботах, що містять результати експериментів або викладення експериментальних методик, авторові належать результати теоретичних досліджень, сформульовані в пункті «Наукова новизна одержаних результатів» і у «ВИСНОВКАХ», інтерпретація експериментальних результатів і порівняння з теорією. Роботи [15,39,48,49] виконані без співавторів. У монографії [1] перу автора належать глави 3,5,6. У роботах [2-11] автору належать постановка задачі, чисельні розрахунки й висновки. У роботах [12-14,17,19,50,53] автору належить постановка задач і теоретична частина досліджень. У роботах [18,52] автору належать виведення формул, розрахунки акустичних ефектів, аналіз результатів. У роботах [16,22,51] автору належать постановка задачі, дослідження в області фізики взаємодії випромінювання з речовиною й акустики, розробка формульної схеми, розрахунки, інтерпретація результатів і висновки. У роботах [20,21, 23-38, 45-47,54-63] авторові належать постановка задачі, розробка схеми обчислень, інтерпретація результатів і висновки. В авторських свідоцтвах [40-44] авторові належить теоретичне обґрунтування технічних рішень.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертацію, доповідалися й обговорювалися на: 111 Всесоюзном симпозиуме по сильноточной импульсной электронике (Томск, 1978); 111 Всесоюзной научной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок (Тбилиси, 1981); V Всесоюзном совещании по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Рига, 1983); V Всесоюзном совещании по микродозиметрии (Москва, 1986 г); V Всесоюзной научной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок (Протвино, 1989 г.); IEEE Nuclear Science Symposium, Anaheim, CA, USA, 1996; Conference on the High-Energy Radiation Background in Space, Snowmass, CO, USA, 1997; 18th Particle Accelerator Conference, New York, USA, 1999; 12th International Meeting on Radiation Processing, Avignon, France, 2001; Particle Accelerator Conference, Portland, OR, USA, 2003; 8-th Applied Diamond Conference Nanocarbon, Argonne, IL, USA, 2005; International Conference 4-th Nanodiamond and Related Materials jointly with 6-th Diamond and Related Films, Lodz, Poland, 2005; International Conference on Superhard Coatings, Ein-Gedi, Israel, 2006; XIV, XVI, XVII и XVIII Международных конференциях по физике радиационных явлений и реакторному материаловедению, Алушта, Крым, Украина; 2000, 2004, 2006 и 2008 гг.; Харьковских нанотехнологических Ассамблеях, г. Харьков, Украина, 2006, 2007 и 2008 гг.; Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии», Жуковка, Крым, Украина, 2008 г.; 2-ой Международной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур» Харьков, Украина, 2008 г.; AVS 55^th International Symposium, Boston, MA, USA 2008; 20th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides, Athens, Greece, 2009; Международных конференциях HighMatTech 2007 и 2009 гг., Киев, Украина.

Публікації. Основні результати досліджень, включених у дисертацію, опубліковані в 63 роботах, у тому числі в однієї монографії, 38 статтях у спеціалізованих журналах, 5 авторських свідоцтвах, 17 працях конференцій і 2 тезах конференцій.

Структура й об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і двох додатків. Вона містить 339 сторінок основного тексту, 95 рисунків, 4 таблиці і список використаних джерел з 380 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, розглянуто стан проблеми, сформульовані мета й завдання роботи, перераховані основні результати, що мають новизну й практичну цінність, наведені дані про публікації й апробацію роботи.

У першому розділі «Генерація пружних хвиль імпульсними пучками проникаючих випромінювань у твердих тілах» аналізуються уявлення про збудження акустичних коливань пучками частинок і одиночних частинок, розглядаються ранні дослідження, у тому числі роботи, присвячені вивченню механізмів генерації пружних хвиль при імпульсному опроміненні твердого тіла пучками електронів, протонів, гама квантів, каскадуючих частинок надвисоких енергій. У ряді теоретичних і експериментальних робіт відзначалася роль термопружного механізму як основного, неодмінно присутнього в будь-якому варіанті збудження звуку пучками, що створюють помірні перегріви. Доведено, що рівняння лінійної термоакустики задовільно описують амплітуду хвилі, збуджуваної імпульсним пучком електронів. Відзначалося, що у випадку збудження звуку низькоенергетичними іонами й нейтронами головним стає динамічний механізм, пов'язаний з передачею імпульсу. Однак оцінки енергії, при якій відбувається зміна головного механізму, не враховували геометрію взаємодії пучка з мішенню. Аналіз робіт 70-х рр. ХХ століття дав можливість зробити висновок, що, поряд з безсумнівними досягненнями при вивченні радіаційно-акустичних ефектів у твердих тілах, відсутня теоретична база для опису радіаційно-акустичних ефектів, що вимагають урахування теплової нелінійності коефіцієнтів генерації звуку. Не враховується загасання збуджуваних імпульсів. Не розглядалися спеціальні режими опромінення, що підвищують ефективність генерації звуку, відсутній теоретичний опис радіаційно-акустичних ефектів у планарних структурах. Не досліджені питання збудження потужних імпульсів напружень поблизу треків і піків важких іонів і нейтронів, а також вплив цих імпульсів на процеси структуроутворення, переносу й руйнування на мезорівні. Таким чином, критичний аналіз стану досліджень радіаційно-акустичних ефектів дав змогу обґрунтувати мету й визначити завдання роботи.

У другому розділі «Генерація пружних хвиль при радіаційно-стимульованій деформації твердого тіла» побудована математична модель генерації пружних хвиль при радіаційно-стимульованій деформації середовища. У цій моделі, відволікаючись від фізичної причини зміни об'єму середовища в процесі взаємодії із частинками випромінювання, визначається структура акустичного імпульсу, установлюється зв'язок між сумарною амплітудою, що є сумою внесків окремих мікровипромінювачів, і основними характеристиками мікровипромінювача. Задача знаходження акустичного імпульсу від ансамблю мікровипромінювачів вирішується в наближенні «щільного пучка», коли припускається, що імпульси від випромінювачів багаторазово перекриваються, приходячи в детектор. Припускаючи відомою швидкість продукції мікровипромінювачів і ефективну амплітуду акустичного імпульсу від мікровипромінювача, амплітуду акустичного імпульсу від ансамблю мікровипромінювачів у хвильовій зоні можна представити у вигляді

Де

, ,

s - поздовжня швидкість звуку. Риса над функцією означає інтегрування в площині (x,z), нормальної до напрямку із зони генерації в точку спостереження. Амплітуда знаходиться як рішення хвильового рівняння

,

де - вектор деформації, викликаної появою мікровипромінювача. У припущенні розв'язок рівняння у хвильовій зоні має вигляд:

, (), (1)

Де

- швидкість питомої зміни об'єму в зоні взаємодії випромінювання з речовиною. Зокрема, якщо деформація викликана тепловим розширенням зони взаємодії, тоді:

.

Показано, що константа

дорівнює приросту об'єму середовища, викликаному мікровипромінювачем. Фізичний зміст константи B випливає з оцінки

,

де - середній приріст об'єму за характерний час випромінювання . Якщо при взаємодії випромінювання з речовиною з незалежним від температури параметром Грюнайзена Г виникає ансамбль мікрообластей підвищеної температури - «мікроопіків», то при цьому збуджується тільки «А-звук»:

,

якщо виникає ансамбль мікропорожнин, що захлипуються, то збуджується тільки «В-звук». Відносний внесок А- и В- компонентів у сумарну амплітуду акустичного імпульсу визначається співвідношенням

.

де t_b і D - ефективні тривалість пучка випромінювання й розмір зони взаємодії випромінювання з речовиною. А - і В - компоненти істотно розрізняються за формою. Так, у випадку

Маємо

.

Розглянуто збудження пружного імпульсу ансамблем «мікроопіків» у тілі, у якому параметр Грюнайзена Г залежить від температури T, причому . У цьому випадку в амплітуді збуджуваного термоакустичного імпульсу присутні обидва компоненти А і В. Аналіз проводився для випадку лінійної залежності параметра Грюнайзена від щільності теплової енергії :

.

Внесок В-компонента превалює над внеском А-компонента, якщо температура тіла відрізняється від температури T₀ не більш, ніж на величину

.

Тут E₀ і R₀ - енергія й радіус «опіку», r, C і k--- щільність, питома теплоємність і коефіцієнт температуропровідності речовини мішені. Для реалістичних значень параметрів «мікроопіків», викликаних електронами (нейтронами) у воді оцінки дають K ( K). Внаслідок цього, при збудженні термоакустичних напружень імпульсним пучком іонізуючого випромінювання в речовині з і помірних середніх перегрівах акустичний імпульс представлений тільки A-компонентом

,

у якому радіаційно-стимульована зміна об'єму середовища викликана тепловим розширенням . Відхилення від зазначеного закону з'являються тільки при температурах поблизу нуля параметра Грюнайзена речовини мішені.

Розглядалася генерація звуку пучком іонізуючого випромінювання радіусом R з гавсовим розподілом частинок, що викликає у речовині мішені радіоліз із наступною рекомбінацією його продуктів. Нехай у треку частинки відбуваються оборотні реакції , кожна з яких затрачає енергію й супроводжується зміною об'єму на величину 2V₀. У цьому випадку вираз для амплітуди хвилі напружень має вигляд:

,

Де

, і ,

t₀ - час рекомбінації.

Амплітуди акустичних імпульсів s(x) (див. рис.1) побудовані при значеннях параметрів:

; ,

(криві 1-6, відповідно), де параметр

пропорційний коефіцієнту теплового розширення b. Сімейство кривих ілюструє температурну залежність форми акустичного імпульсу в області температур поблизу нуля параметра Грюнайзена в матеріалі з параметрами води при V₀ < 0 (стрикція). Як видно з рисунка, нетермічна зміна об'єму за рахунок радіолізу з рекомбінацією приводить до збудження триполярного імпульсу напружень (перша хвиля розрядження), що не обертається в нуль при температурах поблизу нуля параметра Грюнайзена мішені. Температурна залежність екстремуму зміщена в область більш високих температур, відповідно до експериментальних результатів, одержаних на пучку протонів у воді.

Рис. 1. Акустичний імпульс, що збуджується пучком випромінювання в середовищі з радіаційно-стимульованою стрикцією при різних відношеннях термічного й нетермічного компонентів звукового сигналу.

Показано. що якщо час зміни об'єму мікровипромінювача великий в порівнянні із часом формування акустичного імпульсу

,

то можна ввести ефективний коефіцієнт генерації

при збереженні виразу для амплітуди імпульсу. Тут - повна питома зміна об'єму речовини при радіаційній дії. Зокрема, якщо в зоні генерації реалізується щільність енергії, достатня для плавлення речовини, то

,

де - питома зміна об'єму речовини при плавленні, q_m - теплота плавлення, і - відповідно, ефективні модуль всебічного стиску й щільність матеріалу мішені. У цьому випадку Г_ef може значно (у десятки разів) перевершувати по величині параметри Грюнайзена твердої й рідкої фаз.

Якщо збудження звуку відбувається як завдяки тепловому розширенню, так і за рахунок дилатації при ФП або дефектоутворенні, то вираз для ефективного коефіцієнта генерації представляється у вигляді

,

де і b - відповідно, енерговиділення й питома нетеплова зміна об'єму, розраховуючи на одиничну щільність поглиненої енергії. Одержане співвідношення дає змогу визначати внесок нетеплових механізмів в акустичний імпульс, що збуджується при радіаційному впливі.

У третьому розділі «Термоакустичні ефекти пучків частинок у твердому тілі» досліджуються термоакустичні ефекти щільних пучків у матеріалах з тепловою нелінійністю й/або просторовою неоднорідністю коефіцієнта генерації. Одержана й проаналізована система рівнянь, що описують збудження термоакустичних імпульсів при взаємодії однорідного ізотропного твердого тіла із щільним пучком частинок. У цьому випадку хвильове рівняння для вектора поздовжніх акустичних зсувів приймає вид:

. (2)

Були знайдені й проаналізовані розв'язки хвильового рівняння (2) у випадках 3-, 2- і 1-мірної зон генерації в наближенні хвильової зони. Проаналізовані важливі для застосувань випадки збудження звуку «коротким» (t_b << D/s) і «довгим» (t_b >> D/s) пучками. Вирази для амплітуди акустичних напружень у хвильовій зоні й у наближенні t_b << D/s мають вигляд:

для 3-, 2- і 1-мірної зон генерації (вирази (3) - (5), відповідно).

Виведені й проаналізовані хвильові рівняння з тепловою нелінійністю й/або просторовою неоднорідністю параметра Грюнайзена для тонкого стрижня й тонкої пластини. Рішення хвильового рівняння для термоакустичних коливань у тонкому стрижні з нульовими початковими умовами має вигляд:

,

Де

s₁ і

- швидкість звуку й коефіцієнт генерації в тонкому стрижні, відповідно, П - коефіцієнт Пуассона. Рішення проаналізоване в граничних випадках «короткого» і «довгого» пучків. Вираз для амплітуди термоакустичного напруження, збуджуваної пучком випромінювання в тонкій пластині у хвильовій зоні випливає із аналогічного виразу для двовимірної зони генерації (4) у результаті заміни й , де

й

Рис. 2. Трансформація пружної хвилі s(t), що збуджується в гадолінієвому зразку імпульсним пучком релятивістських електронів, при зміні температури зразка Т (розрахункова крива).

- швидкість поздовжньої хвилі й коефіцієнт генерації в тонкій пластині. Коефіцієнти генерації й різні й відрізняються від параметра Грюнайзена Г, що необхідно враховувати при дозиметрії пучків і визначенні характеристик мішені в радіаційно-акустичних експериментах.

Якщо початкова температура речовини близька до нуля або до точки розриву функції Г(Т), зв'язок між амплітудою хвилі й щільністю поглиненої енергії стає нелінійним. На рис.2 показана трансформація пружної хвилі , що збуджується в гадолінії, при зміні температури. Розрахунок проводився з використанням експериментально визначеної залежності Г(Т) для гавсова розподілу поглиненої енергії з напівшириною x₀ і за умови

.

З рисунка видно, що поблизу нуля параметра Грюнайзена (Т = 332 К) пропорційність між профілем поглиненої енергії й збуджуваною пружною хвилею порушується, хвиля здобуває характерний «W-образний» вигляд і ні при якій температурі не обертається в нуль. Таке поводження акустичного відгуку погоджується з результатами експериментів на гадолінії.

Досліджувався вплив загасання звуку на амплітуду при різних геометріях зони генерації. У випадку миттєво виникаючого одномірного П-образного поля поглиненої енергії в матеріалі з коефіцієнтом поглинання

амплітуда імпульсу для відстаней

убуває з відстанню за степеневим законом

,

що погоджується з експериментальними результатами, одержаними на стрижнях з полімерів. Наближені вирази для просторового убування амплітуд від миттєво виникаючих точкового і нитковидного теплових джерел мають вигляд

Тут E - повна енергія теплового джерела, L - довжина нитковидного джерела - частота, що знаходиться з рівняння

.

+Отже, імпульсний сигнал у поглинаючому середовищі убуває з відстанню за степеневим законом, на відміну від монохроматичного сигналу, що убуває з відстанню експоненційно. Ефективна тривалість імпульсу зростає з відстанню за законом

.

Запропонований підхід дає можливість встановити закон убування амплітуди імпульсного сигналу для широкого класу коефіцієнтів частотного поглинання, типових для реальних матеріалів. Урахування поглинання звуку необхідне при розгляді акустичних ефектів одиничних частинок, при розрахунку роздільної здатності й світлосили установок по акустичній реєстрації одиничних частинок, у акустичних дозиметрах і аналізаторах.

Розглядалося збудження одномірної акустичної хвилі скануючим з постійною швидкістю V пучком випромінювання. Одержано й проаналізовано вираз для амплітуди імпульсу напружень при різних режимах сканування. Зокрема, якщо поглинанням звуку можна зневажити, то збуджувана в режимі спідрезонансу (V=s) хвиля за формою повторює просторовий розподіл поля поглиненої енергії g(x) у супутній системі координат; амплітуда хвилі пропорційна переносу випромінювання за час накачування. Навпаки, у надзвуковій межі (|V| >> s) збуджувана хвиля пропорційна току пучка F(t), (зона рухається від точки спостереження). Приблизний вираз для амплітуди хвилі при довільній швидкості сканування V:

,

де - щільність енергії, створювана пучком при V=0. Одержано оцінку коефіцієнта ефективності генерації звуку з при довільній швидкості сканування. Зокрема, при постійному струмі пучка в режимі спідрезонансу коефіцієнт трансформації росте пропорційно t_b. Одержано й проаналізовано вираз для амплітуди хвилі напруження в режимі спідрезонансу з урахуванням поглинання звуку. Зокрема, для частотного коефіцієнта поглинання звуку

й при постійному струмі пучка закон просторової зміни амплітуди імпульсу напруження у режимі спідрезонансу має вигляд:

.

Режим спідрезонансу дає можливість генерувати потужні імпульси напружень без руйнування мішені-звуководу й при відносно малих інтенсивностях випромінювання.

Четвертий розділ «Радіаційно-акустичні ефекти пучків випромінювань в планарних структурах» присвячений дослідженню збудження імпульсним пучком випромінювання одномірних акустичних коливань у пружному півпросторі, пласкопаралельному шарі й шаруватих конструкціях. Теоретично досліджується генерація пружних хвиль у твердотільній мішені у випадку нормального падіння на її плоску поверхню однорідного імпульсного пучка нерелятивістських іонів. Показано, що збуджувані акустичні напруження є результатом спільної дії трьох механізмів - термопружного, динамічного й деформаційного, пов'язаного з нетермічною дилатацією. Одержано й проаналізовано вираз для амплітуди акустичного імпульсу, збуджуваного імпульсним пучком іонів з енергіями із широкого діапазону 100 еВ < E < 1 ГеВ. Показано, що внесок деформаційного механізму може перевищити внесок термопружного тільки при енергіях іонів еВ. Динамічний механізм дає основний внесок в акустичний ефект за умови

,

що для іонів Ar⁺ і типових параметрів речовини мішені дає оцінку E < 1 МеВ. Тут E, M, і L(E) - енергія, маса й середній проективний пробіг іона. Якщо виконується умова

(для пучка іонів Ar⁺ з тривалістю t_b = 1 нс і мішені з тетраедричного аморфного вуглецю (ta-C) ці умови трансформується до виду ), то вираз для сумарної амплітуди імпульсу напруження має вигляд:

,

де k - коефіцієнт температуропровідності, J, см^-2 - флюенс пучка іонів, V_1d - нетермічний об'єм, внесений іоном. При менших енергіях іонів термоакустичний імпульс розраховується, виходячи із глибини прогріву мішені

.

На рис.3, а показані імпульси акустичних напружень s (суцільні криві), що збуджуються пучком іонів Ar⁺ тривалістю t_b = 1 нс у мішені ta-C для енергій іонів 0,2 МеВ, 0,5 МеВ і 2 МеВ. Пунктирними кривими 1 і 2 зображені термоакустична s_T і динамічна s_D компоненти імпульсу напруження. На рис.3, б приведені залежності максимумів амплітуд, s_T, s_D і s-- від енергії іонів. Одержані результати можуть використовуватися при розробці методів акустичної дозиметрії імпульсних пучків нерелятивістських іонів, а також при дослідженні методами радіаційної акустики процесів дефектоутворення й радіаційного розпухання твердого тіла при іонному бомбардуванні.

 а б

Рис. 3. а) Імпульси акустичного напруження, що збуджуються в напівнескінченній мішені ta-C пучками іонів Ar+ c різними енергіями; б) залежності максимумів амплітуд, sT, sD і s-- від енергії іонів: крива 1 - термоакустичний імпульс, крива 2 - динамічний імпульс, крива 3 - сумарний імпульс.

Теоретично досліджувався акустичний відклик багатошарової планарної структури на опромінення однорідним пучком випромінювання, якщо товщина кожного шару мала в порівнянні з поперечним розміром конструкції l і довжиною поглинання x₀ випромінювання в речовині шару. Одержано систему диференціальних рівнянь 1-го порядку в частинних похідних щодо перемінних x і t з початковими й граничними умовами, що дає змогу чисельно розраховувати акустичні напруження в довільній точці конструкції в довільний момент часу. Для акустично ізольованого шару одержаний й проаналізований аналітичний вираз для термоакустичного напруження у довільній точці x шару в довільний момент часу t для широкого класу функцій струму пучка F(t). Показано, що максимум (мінімум) напруження досягається в площині



Рис. 4. Акустичні напруження в центральній площині вольфрамового конвертера з товщиною h = 0,0025; 0,0045; 0,01 і 0,025 м (криві 1 - 4, відповідно), збуджені імпульсним пучком релятивістських електронів із флюенсом J = 3,18•1016 м-2 і тривалістю імпульсу tb = 2 мкс.

(центральна площина пластини). Напруження має характер коливань із періодом 2h/s, розмах яких залежить як від товщини шару (при постійній тривалості імпульсу випромінювання), див. рис.4), так і від крутості фронту струму пучка. У випадку тонкої пластини () коливання можна вважати періодичними для часу t > t_b. Для мінімуму напруження одержано вираз

,

де c - лінійні втрати частинки пучка, t_m знаходиться з рівняння

.

У випадку амплітуда задається виразом

,

звідки випливає

.

Результати розрахунків амплітуд термоакустичних напружень s(T) у серединній площині вольфрамових конвертерів різної товщини, занурених у воду, наведені на рис. 4. Функція струму пучка мала вигляд

,

де - константи, що визначають тривалість і форму імпульсу випромінювання. Розрахунки проводилися при B > A = 2 мкс^-1.

Досліджувалися умови механічного руйнування вікон вакуумних камер прискорювачів і конвертерів електронного пучка під дією збуджуваних коливань. На рис.5 показана залежність величини руйнуючого флюенса пучка J_d, віднесеного до величини руйнівного напруження s_-1 = 20 МПа (умовна границя витривалості алюмінію при циклічному навантаженні), від товщини пластини (Al) при тривалостях імпульсу випромінювання t_b = 10, 3, 1 і 0,3 мкс (криві 1-4, відповідно). Пунктирні лінії відповідають флюенсу початку плавлення (5) і флюенсу J = 3,18 · 10¹⁶ м^-2 пучка - драйвера для підкритичної зборки (6). При зменшенні товщини пластини флюенс, що викликає крихке руйнування, зростає в області , аж до величини, при якій починається плавлення.



Рис. 5. Залежність величини руйнуючого потоку qd від товщини пластини при різних тривалостях пучка випромінювання.

Розглянуто можливість збільшення ефективності генерації пружних хвиль пучком зі спеціально підібраною тривалістю імпульсу t_b або з періодично модульованою функцією струму. Показано, що, змінюючи тривалість П-образного імпульсу випромінювання, можна варіювати величину довгострокового механічного впливу на матеріал пластини. При періодичному імпульсному навантаженні в резонансному режимі

,

(T₁ - період проходження імпульсів випромінювання) без дисипації енергії амплітуда коливань у центрі пластини наростає лінійно з числом імпульсів . Коефіцієнт трансформації поглиненої енергії випромінювання в механічну росте пропорційно , що дає можливість генерувати в пластині потужні механічні імпульси пучками з модульованою інтенсивністю. Розглянута також генерація коливань пластини при слабкій асинхронності навантаження й слабкій дисипації звуку в зовнішнє середовище. Пучки, що складаються із субімпульсів, можуть збуджувати резонансні коливання у вікнах виводу, конвертерах і шарах багатошарової структури, товщина яких задовольняє умові резонансу

.

У випадку товстої (h >> x₀) пластини з поглинанням звуку

перехід до режиму резонансу приводить до лінійного по числу імпульсів N наростання амплітуди хвилі напруження при

з виходом на насичення при . Коефіцієнт трансформації досягає максимуму також при .

У п'ятому розділі «Акустичні ефекти високоенергетичних іонів у твердому тілі» теоретично досліджується акустичний ефект, що виникає при проходженні важкого високоенергетичного іона через тверде тіло. Уводиться поняття енергетичного треку іона й оцінюються його параметри в металах і діелектриках. У металах процес утворення й розвитку енергетичного треку можна описати в рамках двотемпературної моделі. Радіус енергетичного треку R_c визначається дифузією гарячих електронів з керна треку до моменту часу, поки цей механізм остигання електронного газу переважає над теплопередачею решітці:

,

Де

,

_ температура електронного газу, _ електронна температуропровідність, _ коефіцієнт теплопередачі від електронів решітці, _ енергетичні втрати іона на одиниці шляху в речовині мішені. Перегрівна температура в треку задається виразом

.

Час теплопередачі від електронів решітці (час виникнення треку)

збігається із часом першої стадії (дифузія «гарячих» електронів). Час життя енергетичного треку дорівнює ефективному часу його остигання t_T. У таблиці 1 наведені характеристики треків осколків ділення в деяких металах.

Таблиця 1. Характеристики енергетичних треків осколків ділення в металах

Метал	RC, нм	Тс, град.	, 10-12 c	фT, 10-12 c
Cu	70	25	0,3	50
Al	20	300	0,05	5
Zn	25	350	0,1	10
Pb	15	2000	0,2	10
Fe	7	4500	0,02	2,5

пружний хвиля радіаційний тіло

Аналіз показав, що для «добрих» провідників (Cu) перегрівні температури в треку осколка не перевищують десятків градусів. Це погоджується з відсутністю дефектної області поблизу траєкторії осколка в металевих зразках, що відрізняються досконалою структурою й високою електропровідністю.

У «поганих» провідників (Fе) температури в треку досягають градусів і можуть приводити до утворення дефектної області, що проявляється при травленні. Виникаюче термопружне напруження зрівнюється або перевищує динамічну межу міцності.

В діелектриках електронний газ відсутній, а розпливання поля поглиненої енергії в процесі іонно-іонної релаксації є відносно незначним. Радіус енергетичного треку близький до радіуса його керна нм, і температура в треку досягає 10⁴ К, що приводить до фазових і хімічних перетворень й до генерації потужних ударних хвиль ~ 100 ГПа. Наявність високих температур у треках іонів у діелектриках, острівцевих плівках і поганих провідниках підтверджується експериментально.

Рис. 6. Напруження, створювані осколком ділення: а) компоненти поблизу треку осколка ділення (криві 1-3, відповідно); б) акустичний імпульс у ближній хвильовій зоні.

Температурне поле навколо траєкторії іона у твердому тілі може стимулювати перетворення речовини, які супроводжуються виділенням або поглинанням тепла й зміною об'єму середовища. Розглядався процес термічного розкладання речовини в треку важкої зарядженої частинки. Показано, що у випадку ендотермічної реакції в треку осколка ділення у модельній речовині з параметрами води можлива ~ 50%-ва конверсія енергії, що втрачається осколком, у канал термічного розкладання. Цей ефект може істотно впливати на температуру в треку, що змінює оцінку виникаючих термоакустичних напружень. Напруження, що збуджується осколком ділення, розраховувалася в моделі миттєво виникаючого треку з гавсовим розподілом температури напівшириною R_c (див. рис.6). Для максимальних значень розтягуючих напружень на відстані від осі треку в залізі одержана оцінка ГПа. Оцінки показують, що спільна дія температури й напруження приводить до виникнення зони підвищеної дефектності радіусом 5 нм, у якій порушено ~10% атомних зв'язків.

У ближній хвильовій зоні й для гавсова розподілу енергії в треку:

.

Одержаний вираз справедливий для відстаней

?2 мкм.

Для відстаней

,

з урахуванням закону загасання

,

одержана оцінка 40 Па при r = 0,01 м (осколок ділення E = 100 МеВ в алюмінії).

Розглянуто крихке руйнування матеріалу при виході акустичного імпульсу, збуджуваного швидким важким іоном, на межу із вакуумом. Визначено форму й характерні розміри ерозійної зони - області, що прилягає до вільної поверхні, де реалізуються умови відколу. Довжина a, ширина b і глибина c ерозійної зони дорівнюють,

~10 мкм,

~0,1 мкм, c=R_c ~1 нм.

Тут і - кут падіння й іонізаційні втрати іона в точці входження в мішень, - динамічна межа міцності матеріалу мішені. Оцінка швидкості акустичної ерозії поверхні безатмосферного тіла сонячної системи важким компонентом первинних космічних променів дає 0,1 Е/рік для скельної породи й ~10⁴ Е/рік для льоду. Показано, що крихке руйнування в реголіто-крижаному компаунді, типовому для ядер комет, може перевищувати по ефективності поверхневе руйнування на 2-3 порядки. Розглянутий ефект пояснює наявність аттограмних зерен у сонячній системі.

В матеріалах, які містять добавки, що діляться, також може спостерігатися крихка пригранична ерозія. У цьому випадку пружні хвилі, генеровані осколками ділення поблизу границь матеріалу можуть продукувати аттограмні частинки, що мають велику рухливість й проникаючу здатність.

У шостому розділі «Акустичні ефекти низькоенергетичних іонів у твердому тілі» теоретично досліджуються акустичні ефекти одиночних іонів низьких енергій E < 10 кеВ і нейтронів низьких і проміжних енергій E < 200 кеВ і їх вплив на процеси структуроутворення, переносу й руйнування в аморфному або (нано)кристалічному матеріалі. Визначаються основні параметри нелокального термопружного піка (НТП) (радіус R, час життя t_l, температура T, тиск P) залежно від сорту й енергії іона, характерного розміру кристаліта d і інших характеристик матеріалу мішені для ряду комбінацій «іон - матеріал». Основними характеристиками, що визначають термомеханічний ефект іона, є частка енергії , передана іоном атомам речовини в пружних зіткненнях, що перетворюється в температуру за час іон-іонної релаксації ф ? 10^-13 c, і розміри області, у якій відбувається термалізування. Внесок іонізаційних втрат іона в нагрівання речовини нехтовно малий. Відповідно до результатів моделювання за допомогою програмного пакета SRIM2000 картина взаємодії іона з атомами мішені являє собою ансамбль збуджених атомів, що виникають в актах передачі енергії від первинного іона або від атомів віддачі. Енергія розподіляється в об'ємі, що апроксимується сегментом сфери з радіусом

~ 1 нм

і центром у середині пробігу . Тут

- радіус сферичної області навколо збудженого атома, у якій перерозподіляється енергія атома в результаті теплової релаксації,

- коефіцієнт температуропровідності нанокристалічного матеріалу, - одинична функція Хевісайда. Як показують розрахунки, НТП містить достатнє число атомів, щоб можна було ввести термодинамічні величини - температуру T і тиск p у НТП. Рівняння для визначення температури в піку T(t,E,d) має вигляд

,

де - об'єм НТП, T₀ і q - температура осадження й температура Дебая речовини мішені, відповідно, D(x) - функція Дебая. Тиск у піку приблизно дорівнює

де V⁽¹⁾- нетепловий об'єм, внесений іоном, - внутрішній тиск в опромінюваному матеріалі,

.

Температура й тиск у НТП зменшуються з ростом d.

Розрахунок температур і тисків у НТП іонів інертних газів в ta-C дає можливість побудувати P,T- траєкторії остигання піків на фазовій P,T- діаграмі вуглецю (див. рис. 7). Розташування P,T- траєкторії НТП відносно границі «алмаз-графіт» приймається як основний критерій можливості утворення ta-C у НТП іона. Так, НТП іонів Ar⁺ з енергіями 25 еВ <E< 900 еВ знаходяться в області стабільності алмаза, із чого робиться висновок, що такі іони виробляють високу концентрацію sp³-зв'язаного вуглецю, тоді як іони з енергіями E > 900 еВ, в основному, виробляють sp²-зв'язаний вуглець. Розташування траєкторій піків іонів C⁺ показує, що в області стабільності алмаза лежать тільки НТП іонів з енергіями від 25 еВ до 250 еВ. Ці результати погоджуються з даними експерименту при температурах осадження T₀ = 300 K.

На рис.8 приведені результати розрахунку числа w(E) перебудов sp² sp³ у НТП іонів C⁺, Ne⁺, Ar⁺, Kr⁺ і Xe⁺ іонів у вуглецевій матриці. Функція w(E), що є показником ефективності структурного перетворення до щільної фази, задається виразом:

.

Рис. 7. P T-траєкторії (суцільні лінії) НТП іонів C+, Ne+, Ar+, Kr+, Xe+ на фазовій P,T-діаграмі вуглецю. Точкові лінії - початкова локалізація піків іонів кожного сорту з різними енергіями.

Рис. 8. Енергетична залежність числа перебудов sp2аsp3 w(E) у НТП іонів C+, Ne+, Ar+, Kr+, і Xe+ у вуглеці. Всі функції w(E) нормовані на wmax для Ar+.

Тут

t_c ~ R²/4k

- «час життя» піка, - зміна атомного об'єму при переході sp² sp³, n_D ? 5·10¹³ с^-1 - частота Дебая для вуглецю, М - маса вуглецевого атома, U ~ 3 еВ - енергія активації процесу переходу sp² sp³, k_B - постійна Больцмана. З малюнка видно, що у випадку осадження іонів ¹²C⁺ сприятливим для утворення алмазоподібної фази є діапазон енергій 25 еВ < E < 300 еВ. При бомбардуванні іонами ⁴⁰Ar⁺ перехід в ta-C стан можливий у більш широкому енергетичному інтервалі 25 еВ < E < 1000 еВ, відповідно до висновків, зроблених на основі аналізу розташування НТП іона на фазовій діаграмі. Максимальна ефективність утворення ta-C спостерігається в НТП іонів ¹²C⁺ і ⁴⁰Ar⁺ при енергіях іонів ~80 ев, і ~180 ев, відповідно, і в згоді з експериментом. Крім того, є вузький максимум ефективності перетворення при енергії E~50 еВ іонів ⁴⁰Ar⁺, що також відповідає експериментальним даним.

З використанням моделі НТП була одержана формула для внутрішніх напружень, що виникають в осаджуваному покритті при іонному опроміненні:

, (6)

де R - щільність потоку атомів, що осаджуються, j - щільність потоку іонів, що бомбардують. Число термоактивованих переходів з енергією активації U ~ 0,1 _ 0,4 еВ у НТП визначається з урахуванням убутку дефектів за рахунок міграції.

...