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

На рис.9 наведені енергетичні залежності напружень стиску в плівці ta-C при різних температурах і в плівці AlN, що виникають при імплантації іонів C і Al, відповідно. Розрахунки проводилися по формулі (6) при

R/j = 1,

U = 0,3 еВ (ta-C) і U = 0,17 еВ (AlN). Також на рисунку наведені експериментальні дані по внутрішніх напруженнях в ta-C (крапки ?, Мак Кензи й ін., 1991), і в AIN (крапки o, Мартін і ін., 1992) при T₀ = 300 K. Рис.9 демонструє вплив температури підкладки на структуру ta-C при осадженні іонів C⁺. На рис.10, а) показане початкове розташування НТП іонів C⁺ на фазовій P, T-діаграмі вуглецю при різних температурах підкладки.

Рис. 9. Залежність напружень стиску в осаджуваних плівках ta-C (криві 1, 2, 3) і AlN (крива 4) від енергії іонів. Температура підкладки T0 дорівнює 300 K (криві 1, 4); 400 K (крива 2) і 600 K (крива 3).

Рис. 10. Вплив температури підкладки на структуру ta-C при осадженні іонів C+: а) положення на фазовій діаграмі вуглецю піків іонів C+ з різними енергіями при різних температурах підкладки; б) температура структурного переходу для іонів C+ різних енергій Е. Суцільна крива - теорія, крапки - експеримент (Човалла, 1997).

Рис. 11. Положення траєкторій НТП іонів B+ різної енергії на фазовій діаграмі нітриду бору при двох різних температурах осадження.

Внутрішнє напруження зменшується з ростом T₀, і початкові розташування НТП і їх траєкторії зміщуються з області стабільності алмаза в область стабільності графіту. Температура T_0c, при якій в ta-C покритті відбувається перехід від утворення sp³-зв'язаного вуглецю до утворення sp²-зв'язаного вуглецю, зменшується з ростом енергії іонів. Для іонів C⁺ з енергіями 90 еВ і 130 еВ температура T_0c становить 500 K і 420 K, відповідно, що погоджується з експериментальними даними (див. рис.10, б)).

Випадок утворення кубічної модифікації нітриду бору в НТП іонів B⁺ в BN характеризується широким діапазоном температур підкладки, при яких у піках реалізуються умови, сприятливі для утворення щільної фази. На рис.11 показане положення точок на фазовій PT-діаграмі BN, що відповідають НТП іонів B⁺ різних енергій при T₀=300 K і 1000 K. Як видно з рисунка, початкові положення й траєкторії піків іонів B⁺ лежать в області стабільності більш щільної кубічної модифікації cBN. Аналіз показав, що у всіх піках іонів B⁺ з енергією (25ч1000) еВ в інтервалі температур підкладки T₀=(300 ч 1500) К реалізуються термодинамічні умови, що сприяють формуванню sp³ зв'язків і cBN. Такий широкий температурний інтервал формування cBN у піках іонів B⁺ підтверджується експериментально.

Досліджувалася акустична дія низькоенергетичних (E ? 10 кеВ) іонів на дефекти у вуглецевій мішені, що лежать за межами проективної довжини пробігу імплантованого іона. Обчислюється повна амплітуда імпульсу напружень, генерованого в результаті передачі енергії, імпульсу й додаткового об'єму від падаючого іона матеріалу мішені. Амплітуда акустичних напружень у хвильовій зоні з урахуванням поглинання звуку підкоряється закону просторового убування

.

На рис.12 представлені функції просторового убування амплітуд акустичних напружень, генерованих іонами C⁺, Ar⁺ і Xe⁺ різних енергій у вуглецевій мішені. Акустичні імпульси можуть зривати міжвузловини зі стопорів на глибинах до 50 нм і значно прискорювати дифузію дефектів на глибинах до 300 нм. Дія імпульсів еквівалентна зменшенню енергії активації дифузії на 0.01 _ 0.1 еВ. Модель пояснює результати експериментів з просвітління аморфних sp²-зв'язаних вуглецевих плівок товщиною до 0,5 мкм іонами Ar⁺ з енергією 1.2 кеВ.



Рис. 12. Максимальна глибина акустичної активації міграції точкових дефектів - вакансій і міжвузловин - в ta-C покритті при бомбардуванні іонами C+, Ar+ і Xe+ різних енергій.

Розглянуто ефект крихкого руйнування матеріалу мішені при виході на поверхню хвилі напруження, генерованої НТП іона. Поле напружень є суперпозицією прямої й відбитої хвиль, і квазистатичного напруження навколо піка (див. рис.13, а). Розтягуюче напруження не виникає якщо НТП примикає до поверхні мішені. Тому низькоенергетичні іони, імплантовані через вільну поверхню мішені, не викликають крихкого руйнування. Іони/ядра віддачі, народжені усередині мішені іонами й нейтронами низьких і проміжних енергій, можуть викликати тріщиноутворення й викид нанометрових частинок, що являють собою виступи на поверхні, якщо іони утворені на глибині (див. рис.13, б). Ядра віддачі можуть викликати кластерне розпилення плоскої поверхні, якщо вони утворені на глибині . Коефіцієнт розпилення ; де, залежно від матеріалу й сорту іона, .



Рис. 13. Схема й параметри моделі крихкого приповерхнього руйнування матеріалу хвилею напружень від піка іона: а) просторовий розподіл напружень уздовж нормалі «центр НТП - поверхня», що створюється піком іона Fe+, E = 1,1 КеВ в аморфному залізі в моменти часу: st/R = 0,6; 2,0; 4,0; 8,0; 10,5 (криві 1-5, відповідно). Крива 6 - статичне напруження після відходу хвилі, f f' - площина відколу; б) d1(E) і d2(E) - мінімальна й максимальна глибина залягання піка Fe+, що викликає руйнування в аморфному залізі; de(E) - максимальна глибина піка, що викликає відрив фрагмента.

Показано, що термомеханічний вплив нейтронів низьких і проміжних енергій на матеріали здійснюється за допомогою піків, що породжуються ядрами віддачі. Характеристики НТП визначаються сортом і енергією ядра віддачі, а також структурою матеріалу. Показано можливість фазових переходів різних видів у НТП, що виникають у залізі при опроміненні реакторними нейтронами. Показано, що імпульси тиску, що породжуються ядрами віддачі в біогенному матеріалі, здатні необоротно змінювати структуру живої матерії. Термомеханічна дія нейтронів залежить від температури мішені й особливо проявляється в структурах, насичених важкими елементами.

У сьомому розділі «Прикладні аспекти радіаційної акустики твердого тіла» розглянуто використання радіаційно-акустичних ефектів для дозиметрії пучків і визначення характеристик мішені. Формулюються співвідношення, що лежать в основі акустичної дозиметрії пучків випромінювань за допомогою тонких одномірних мішеней, як з постійними, так і залежними від температури коефіцієнтами генерації . В окремому випадку лінійної залежності

й миттєвого енерговиділення

щільність пучка швидких електронів уздовж тіла одномірного звуководу виражається через амплітуду імпульсу напруження :

.

Досліджується можливість акустичної гама дозиметрії пучків гама випромінювання з енергією , генерованого електронами Мев-них енергій у конверторах з важких металів. Для надійного детектування акустичного відгуку в широкій смузі частот у легких металах (Be, Al) перенос енергії гама випромінювання повинен перевищувати граничну величину

.

Приймаючи для мінімального реєстровного напруження = 0,5 Па, одержали величини мінімальних реєстровних переносів енергії гама випромінювання: для акустичного перетворювача з берилію дорівнює 6,4; 13,6 і 112 мДж/м² для енергій гама квантів 8; 10 і 20 кеВ, відповідно; для перетворювача з алюмінію дорівнює 6,7; 39 і 160 мДж/м² для енергій гама квантів 30; 50 і 100 кеВ, відповідно. Верхній поріг переносу енергії гама квантів визначається межею міцності матеріалу дозиметра з рівняння

.

У випадку постійного параметра генерації була одержана оцінка

10 МДж/м².

Т.ч., акустична дозиметрія забезпечує вимірювання характеристик гама випромінювання в широкому інтервалі величин потоків.

Рівняння, що зв'язують параметри пучка з амплітудою акустичного відгуку мішені використовувалися при розробці конструкції акустичних дозиметрів. Ряд дротових дозиметрів, дешевих, маючих високу інформативність, радіаційну стійкість й перешкодозахищеність, був створений і випробуваний експериментально. Випробування проводилися на прискорювачі електронів з параметрами: енергія електронів 5_8 МеВ, середній струм пучка до 500 мкА, тривалість імпульсу пучка 1_4 мкс, частота проходження імпульсів 1 _ 250 Гц. Діаметр дроту і його матеріал вибиралися з урахуванням вимоги

,

щоб забезпечити незбурюючу дозиметрію в одномірній геометрії. Робоче тіло такого дозиметра, виготовлене або у вигляді спирали, або з декількох акустично зв'язаних гілок, з'єднувалося з єдиним п'єзоелектричним детектором, що дає можливість зняти розподіл акустичних напружень із усього тіла дозиметра, відновивши тим самим перенос випромінювання в кожній точці, через яку проходить тіло дозиметра. Дозиметр із одномірним робочим тілом застосовувався й для моніторингу скануючого електронного пучка, що використовували в технологічному процесі радіаційно-хімічної модифікації полімерних композиційних матеріалів. Інтегральний профіль флюенса j(x) уздовж тіла дозиметра, прокладеного уздовж опромінюваного об'єкта, виводився на дисплей. Це давало змогу в режимі онлайн підганяти дозовий профіль в об'єкті до потрібного виду.

Запропоновано спосіб визначення термопружних характеристик матеріалу, що дає можливість вимірювати температурну залежність параметра Грюнайзена й інші характеристики матеріалу в режимі реального часу. Для цього в зразку створюють неоднорідне температурне поле відомого профілю й локально опромінюють імпульсним пучком проникаючого випромінювання по всій довжині температурного поля шляхом відносного переміщення зразка й пучка, одержуючи ряд термоакустичних сигналів, по амплітудах яких визначають залежність, яку встановлюють. В іншому варіанті широким пучком опромінюють зразок на всій довжині температурного поля й за формою зареєстрованого сигналу судять про температурну залежність параметра Грюнайзена в інтервалі перепаду температур у зразку. Цей варіант реалізації способу дає можливість забезпечити мінімальний час зняття залежності Г(Т).

На пучках електронів з енергією E = 5 _ 25 МеВ, числом частинок в імпульсі 10⁹ _ 10¹⁰, тривалістю t_b = 10^-6 с, діаметром D = (0,01 - 0,04) м, вивчалася температурна залежність часу приходу й амплітуди термопружної хвилі s(Т), яка збуджується пучком у матеріалах поблизу ФП: у гадолінії (ФП «феро-парамагнетик»); сплавах з ефектом пам'яті форми Тi₄₉-Ni₅₁, Тi₄₅-Ni₅₂-Cu₃, Сu₈₃-Al₁₄-Ni₃ (ФП «мартенсит аустеніт»); гарячепресованій ВТНП- кераміці YВа₂Сu₃0_7-d (ФП у надпровідний стан). Зразки являли собою круглі стиржні діаметром d = 0,002 _ 0,004 м і довжиною l >> d. Виконання умов

; ,

а також умови, що радіаційний перегрів речовини за один імпульс не приводить до істотної зміни досліджуваних величин, обґрунтовувало застосовність наближення тонкого стрижня й співвідношень лінійної термоакустики. Деякі результати вимірювань представлені на рис.14.

Рис. 14. Температурна залежність параметра генерації для сплаву Тi49-Ni51 (крива а), гадолінію (крива в), ВТНП-кераміки YВа2Сu307-? (крива г) поблизу ФП. Крива б - температурна залежність модуля Юнга для сплаву Тi49-Ni51.

Теоретично обґрунтований і реалізований на практиці радіаційно-акустичний спосіб визначення просторової координати ФП. Суть способу полягає в тому, що зразок, який досліджують, піддають локальному скануючому радіаційному нагріванню, реєструючи амплітуду й час проходження виникаючого термоакустичного сигналу від області нагрівання до прийому сигналу. Про координату ФП судять по зміні величини або форми термоакустичного сигналу. При використанні джерела проникаючого випромінювання з довжиною пробігу, що перевищує глибину, на якій передбачається наявність фазового переходу, спосіб дає змогу визначати координату фазового переходу по глибині зразка. Спосіб застосовувався на гадолінієвому зразку, у якому при ФП із феромагнітного в парамагнітний стан амплітуда термоакустичного сигналу приймає мінімальне негативне значення. В умовах експерименту визначалася координата уздовж тонкого стрижня, у якому відбувався ФП.

Теоретично обґрунтовані й реалізовані на практиці радіаційно-акустичний спосіб вимірювання температурного поля й пристрій, що його реалізує. Суть способу полягає в тому, що в об'ємі з неоднорідним температурним полем розміщують квазіодновимірний звуковід (або два звуководи однакової форми, тіла яких суміщені в просторі), виготовлений з матеріалу, параметр Грюнайзена якого відомим чином залежить від температури (другий звуковід має параметр Грюнайзена, що не залежить від температури). У результаті нагрівання імпульсним пучком випромінювання у звуководі збуджуються термоакустичні коливання, по амплітуді й формі яких відновлюють просторовий профіль Г(x), а по ньому - профіль температурного поля (призначення другого звуководу - забезпечити незалежність інформації від стабільності параметрів імпульсного джерела випромінювання).

ВИСНОВКИ

У процесі виконання роботи був проведений комплекс фундаментальних досліджень збудження акустичних коливань пучками частинок (електронів, нейтронів, гама квантів, іонів) і одиночними частинками - важкими іонами високих (E > 100 МеВ) і низьких (E < 10 кеВ) енергій, нейтронами низьких і проміжних (E < 200 кеВ) енергій у твердому тілі. Одержані вперше результати є теоретичною базою для опису акустичних ефектів частинок проникаючих випромінювань, їх ролі й впливу на фізичні процеси у твердому тілі, що опромінюється.

Основні висновки можна сформулювати в такий спосіб:

1. Показано, що універсальною характеристикою, що описує збудження акустичного імпульсу при взаємодії частинки або пучка частинок з речовиною мішені, є радіаційно-стимульована зміна об'єму. Амплітуда акустичного імпульсу від області взаємодії пучка з мішенню зображується як сума двох компонентів, зв'язаних, відповідно, із тривалою й короткочасною зміною об'єму мікровипромінювача. Визначено внесок кожного з компонентів. Зазначена двокомпонентність амплітуди приводить до появи триполярного імпульсу при температурах поблизу нуля параметра Грюнайзена матеріалу мішені, що підтверджується експериментом. Показано, що акустичний відгук мішені на імпульсне опромінення може бути описаний за допомогою ефективного параметра генерації Г_ef, що враховує термічне розширення, та інші процеси, які приводять до тривалої зміни об'єму матеріалу мішені. Показано, що Г_ef може значно перевищувати параметр Грюнайзена матеріалу мішені.

2. Одержані й проаналізовані розв'язки хвильових рівнянь для тривимірної, двовимірної й одновимірної зон генерації в пружному просторі, тонкому стрижні й тонкій пластині у випадку теплової нелінійності й/або просторової неоднорідності параметра Грюнайзена мішені. Визначено коефіцієнти генерації термоакустичних коливань у тонких мішенях. Розрахована і експериментально підтверджена трансформація форми імпульсу, що збуджується пучком випромінювання, при зміні температури мішені поблизу нуля параметра Грюнайзена.

3. Показано, що в середовищі із загасанням амплітуда акустичного імпульсу убуває з відстанню по степеневому, а не по експонентному, закону, що істотно розширює просторову область механічного впливу імпульсу. Одержано закони убування імпульсів від точкового і нитковидного теплових джерел для широкого класу функцій частотного загасання.

4. Одержано й проаналізовано співвідношення для амплітуди імпульсу в одномірній мішені, збуджуваного скануючим пучком випромінювання при різних швидкостях сканування, у тому числі, у резонансному по швидкості режимі з урахуванням загасання звуку.

5. Показано, що акустичний відгук напівнескінченного тіла на поверхневе опромінення імпульсним пучком нерелятивістських іонів є результатом спільної дії трьох механізмів - термопружного, динамічного й деформаційного. Визначено амплітуди імпульсів, збуджуваних кожним з механізмів, оцінений внесок кожного механізму для іонів довільного сорту й енергії. Показано, що в області застосовності лінійних рівнянь акустики динамічний механізм є визначальним при енергіях іонів МеВ.

6. Показано, що термоакустичний відгук пластини на імпульсне опромінення істотно залежить від умов уведення енергії пучка: тривалості й крутості фронтів імпульсу пучка, а також від співвідношення між частотами повторення імпульсів пучка й власних коливань мішені. Визначено величину руйнуючого потоку й характер руйнування для конвертерів і вікон виводу пучка електронів залежно від товщини пластини й параметрів пучка.

7. Розрахунок акустичного імпульсу, що порушується важким швидким іоном у твердому тілі з урахуванням загасання звуку, показав, що даний ефект може відігравати важливу роль у процесах руйнування, які проходять в опромінюваних матеріалах як природних, так і техногенних об'єктів. Показано, що ефект крихкого руйнування поверхні твердого тіла при опроміненні потоком важких швидких іонів веде до утворення аттограмних частинок, що пояснює наявність аттограмної пилової фракції в сонячній системі й ряд зв'язаних явищ.

8. Узагальнення моделі нелокального термопружного піка низькоенергетичного іона на широкий перелік аморфних і кристалічних матеріалів дало можливість розглянути з єдиної точки зору цілий ряд процесів, що протікають у твердому тілі при опроміненні низькоенергетичними іонами. Зокрема, одержано формулу для розрахунку внутрішніх напружень у покритті при іонному опроміненні, що враховує температуру підкладки й залежність від енергії іонів у різних матеріалах при фізично обґрунтованих значеннях енергії активації міграції дефектів й згідно з даними експериментів. Визначено температурні й енергетичні рамки процесу утворення ta-C покриття при бомбардуванні вуглецевого покриття іонами вуглецю й інертних газів, а також при осадженні cBN покриття в присутності пучка іонів B⁺.

9. Показано, що вплив акустичного імпульсу від важкого низькоенергетичного (E ? 10 кеВ) іона на дефекти, що лежать за межами пробігу іона, значно прискорює міграцію дефектів на видаленнях до 300 нм сприяє структурним перетворенням матеріалу.

10. Розглянуто термомеханічну дію низькоенергетичних іонів і нейтронів на матеріали й структури, викликану імпульсними полями температур і механічних напружень поблизу НТП іона. Сформульовано умови, за яких можливе крихке приповерхове руйнування матеріалу мішені. Показано, що в НТП ядер віддачі реалізуються термодинамічні умови, необхідні для структурних фазових переходів.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Kalinichenko A.I. Introduction to Radiation Acoustics / A.I. Kalinichenko, V.T. Lazurik, I.I. Zalyubovsky // In series: The Physics and Technology of Particle and Photon Beams,V.9, Harwood Academic Publishers, 2001, 239p.

2. Калиниченко А.И. Генерация звука при радиолизе и последующей рекомбинации его продуктов / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // Письма в ЖТФ. - 1980. _ Т.6. _ C.471-474.

3. Калиниченко А.И. О термическом разложении вещества в треках ионизирующих частиц / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // Атомная энергия. _ 1981. _ Т.51. _ В.6. _ С.380-381.

4. Васильев В.П. Синхромеханический эффект при взаимодействии космического излучения с веществом / В.П. Васильев, А.И. Калиниченко // Проблемы ядерной физики и космических лучей. - 1983. _ Вып.19. _ С.61-70.

5. Афанасьев В.Д. О радиационном стимулировании динамических процессов в твердых телах / В.Д. Афанасьев, А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // Проблемы ядерной физики и космических лучей. _ 1983. _ Вып.18. _ С.81-83.

6. Давыдов А.А. Механические эффекты вблизи ионных треков и термических пиков / А.А. Давыдов, А.И. Калиниченко // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. _ 1985. _ Вып.3/36. _ С.27-30.

7. Калиниченко А.И. Распространение акустических импульсов, порождаемых осколками деления и быстрыми нейтронами в веществе / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // Акустический журнал. _ 1985. _ Т.31. _ Вып.5, C.708-709.

8. Давыдов А.А. Механические эффекты вблизи ионных треков и термических пиков / А.А. Давыдов, А.И. Калиниченко // Проблемы ядерной физики и космических лучей. - 1986. _ Вып.26. _ С.60-64.

9. Калиниченко А.И. Акустические импульсы, порождаемые осколками деления и быстрыми нейтронами в веществе / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // В сб.: «Радиационная акустика», _ 1987. _ М.: «Наука». _ С.27-35.

10. Васильев В.П. Спидрезонансное возбуждение упругих волн движущимися радиационно-акустическими источниками / В.П. Васильев, А.И. Калиниченко // УФЖ. - 1989. - В.5. _ С.757-759.

11. Васильев В.П. Особенности резонансной по скорости генерации звука движущимися радиационно-акустическими источниками / В.П. Васильев, А.И. Калиниченко // Проблемы ядерной физики и космических лучей. - 1989. _ В.31. _ С.13-21.

12. Калиниченко А.И. Радиационно-акустические исследования металлов в области структурного фазового перехода / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов // Письма в ЖТФ. - 1989. _ Т.15. _ В.7. _ С.10-15.

13. Калиниченко А.И. Нелинейные термоакустические эффекты при импульсном облучении твердых тел / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов // Акустический журнал. - 1990. _ Т.36. _ В.5, _ С.948-950.

14. Калиниченко А.И. Радиационно-акустические исследования структурных фазовых переходов в твердых телах / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов // Акустический журнал. - 1990. _ Т.36. - В.5. _ С.950-952.

15. Калиниченко А.И. Радиационно-акустический резонанс при взаимодействии пучка излучения с ограниченным твердым телом / А.И. Калиниченко // Акустический журнал. - 1990. _ Т.36. _ В.5. _ С.952-953.

16. Kalinichenko A.I. Surface Thermoelastic Erosion of Atmosphereless Solar System Bodies under Bombardment by Multicharge Cosmic Ray Ions / A.I. Kalinichenko, V.P. Vasilyev, S.V. Vasilyev // Earth, Moon, and Planets. _ 1996. _ V.74. _ P.17-33.

17. Kalinichenko A.I. Thermoacoustic dosimetry of pulsed electron and bremsstrahlung beams by thin targets / A.I. Kalinichenko, G.F. Popov // Visnyk of KhNU № 490, Physical Series «Nuclei, Particles, Fields». - 2000. _ Issue 3/11/. _ P.34-40.

18. Слезов В.В. Динамика фазовых переходов в материалах с нелинейными термоупругими характеристиками / В.В. Слезов, В.Т. Уваров, А.Г. Пономарев, Г.Ф. Попов, А.И. Калиниченко // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (79). _ 2001. _ №2. _ C.76-80.

19. Kalinichenko A.I. Non-disturbing thermoacoustic dosimetry of electron and bremsstrahlung beams / A.I. Kalinichenko, G.F. Popov // Radiation Physics and Chemistry. - 2002. - V.63. - P.755-758.

20. Калиниченко А.И. Радиационно-акустическая локация терапевтического пучка / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик, Г.Ф. Попов, В.В. Товстяк // Вісник Харківського національного університету iм. В.Н. Каразіна №568, Бiофiзичний вісник. - 2002. _ 2(11). _ С.101-106.

21. Калиниченко А.И. Роль термоупругих напряжений в формировании алмазоподобного покрытия при облучении аморфного углерода низкоэнергетическими ионами C⁺ / А.И. Калиниченко, В.Е. Стрельницкий // Физика и химия обработки материалов. - 2003. _ №2. _ С.5-10.

22. Vasylyev V.P. Attogram Dust Grains in the Solar System: Forming Mechanism, Properties and Dynamics / V.P. Vasylyev, A.I. Kalinichenko, S.V. Vasylyev // Astronomy & Astrophysics. - 2004. _ V.415. _ P.781-790.

23. Калиниченко А.И. Термомеханическое воздействие медленных нейтронов на биогенные материалы / А.И. Калиниченко, В.В. Товстяк // Вiсник Харкiвського унiверситету №619, серiя фiзична, «Ядра, частинки, поля». - 2004. _ Вип. 1/23/. _ С.27-36.

24. Калиниченко А.И. Структурная перестройка углеродной мишени в термоупругих пиках ионов ¹²C⁺ и ⁴⁰Ar⁺ низких энергий / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86). - 2005. _ №3. _ С.182-184.

25. Калиниченко А.И. Упругие волны, возбуждаемые при ионной имплантации, и их влияние на процессы в облучаемом веществе / А.И. Калиниченко, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88). - 2005. _ №5. _ С.159-163.

26. Kalinichenko A.I. Thermodynamic conditions of ta-C formation at implantation of noble-gas ions in carbon / A.I. Kalinichenko, S.S. Perepelkin, V.E. Strel'nitskij // Diamond and Related Materials. - 2006. - V.15. _ № 2-3. - P.365-370.

27. Kalinichenko A.I. Acoustic activation of structural rearrangement in carbon coating by ion bombardment / A.I. Kalinichenko, V.E. Strel'nitskij // Surface & Coatings Technology. - 2007. _V.201. _ P.6090-6094.

28. Калиниченко А.И. Формирование напряжений сжатия в тонких пленках при ионном облучении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (91). - 2007. _ № 6. _ С.116-119.

29. Калиниченко А.И. Эффект нелокального теплового пика низкоэнергетического иона и его влияние на кинетические процессы в твёрдом теле / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (90). - 2007. _ №2. _ С.215-219.

30. Калиниченко А.И. Ускорение кинетических процессов в нанокристаллическом материале при ионном облучении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вiсник Харкiвського унiверситету, №787, серiя фiзична. «Ядра, частинки, поля». - 2007. _ Вип. 4. _ С.39-47.

31. Калиниченко А.И. Ускорение кинетических процессов в аморфном и нанокристаллическом нитриде бора при ионном облучении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (92). - 2008. _ № 2. _ С.131-135.

32. Калиниченко А.И. Влияние температуры подложки на внутренние напряжения и структуру алмазоподобного покрытия при ионном осаждении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17). - 2008. _ № 1. _ С.147-151.

33. Калиниченко А.И. Хрупкое приповерхностное разрушение твердого тела при бомбардировке низкоэнергетическими ионами / А.И. Калиниченко, В.Е. Стрельницкий // Вiсник Харкiвського унiверситету, №823, серiя фiзична «Ядра, частинки, поля». - 2008. _ Вип. 3(39). _ С.46-56.

34. Калиниченко А.И. Образование кубического нитрида бора в термоупругих пиках ионов B⁺ при ионном осаждении покрытий / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Вопросы атомной науки и техники Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (93). - 2009. - №2. _ С.169-172.

35. Калиниченко А.И. Фазовые превращения в термоупругих пиках в железе / А.И. Калиниченко, И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко, В.Е. Cтрельницкий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (95). - 2010. - №1. - C.15-20.

36. Kalinichenko A.I. Dependence of intrinsic stress and structure of ta-C film on ion energy and substrate temperature in model of the non-local thermoelastic peak / A.I. Kalinichenko, S.S. Perepelkin, V.E. Strel'nitskij // Diamond & Related Materials. - 2010. - V.19. _ P.996-998.

37. Kalinichenko A.I. Brittle fracture of material surface under low-energy ion bombardment / A.I. Kalinichenko, V.E. Strel'nitskij // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2010. _ V.B268. _ Issue 13. _ P.2246-2248.

38. Калиниченко А.И. Возбуждение упругих волн в твердом теле импульсным пучком нерелятивистских ионов / А.И. Калиниченко, В.Е. Стрельницкий // Вiсник Харкiвського унiверситету, № 899, серiя фiзична «Ядра, частинки, поля». - 2010. _ Вип.2(46). _ С.35-43.

39. Калиниченко А.И. Акустический отклик пластины при различных режимах ввода энергии пучка излучения / А.И. Калиниченко // Вiсник Харкiвського національного унiверситету, № 946, серiя фiзична «Ядра, частинки, поля». - 2011. _ Вип.1(49). - С.21-28.

40. АС №909481 МКИ F 24 J 3/02; F 03 G 7/02. Способ преобразования солнечной энергии в механическую / В.П. Васильев, А.И. Калиниченко (СССР) - №2919854/24-06; заявлено 05.05.80; опубликовано 28.02.82, Бюл. № 8, - 2с.

41. АС №1578520 МКИ G 01 K 11/24. Способ измерения температурного поля / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов, В.Г. Рудычев (СССР) - №4449410/24-10; заявлено 27.06.88; опубликовано 15.07.90, Бюл. № 26, - 6с.

42. АС №1578520) МКИ G 01 K 11/24 Способ определения термоупругих характеристик материала / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов (СССР) -№4401129/31-25; заявлено 04.04.88; опубликовано 30.01.90, Бюл. № 4, - 4с.

43. АС №1688133 СССР МКИ G 01 K 11/24. Устройство для измерения температурного поля / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов, В.Г. Рудычев (СССР) - №4720695/10; заявлено 20.07.89; опубликовано 30.10.91, Бюл. №40, - 2с.

44. АС №1658052 СССР МКИ G 01 N 25/02 Способ определения координаты фазового перехода / А.И. Калиниченко, Г.Ф. Попов, В.Г. Рудычев (СССР) - №4610850/25; заявлено 28.11.88; опубликовано 23.06.91, Бюл. № 23, - 3с.

45. Калиниченко А.И. Исследование свойств твердых тел с помощью акустического эффекта сильноточных электронных пучков / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик - Тезисы докладов 111 Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике, Томск. - 1978. _ С.207-208.

46. Калиниченко А.И. Механизм термоакустической активации кинетических процессов в облучаемом веществе / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // В сб.: Труды III Всес. научн. конф.по защите от излучений ядерно-технических установок. Изд. Тбилисского ун-та, Тбилиси. _1985. _ Т.5. _ C 90-97.

47. Калиниченко А.И. Акустическая эмиссия при импульсном облучении композиционных материалов / А.А. Давыдов, А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // В сб. «Акустическая эмиссия и разрушение композиционных материалов», Душанбе. _ 1988. _ C.11-15.

48. Калиниченко А.И. Характеристики трека тяжелого иона в металлах и радиационно-акустические эффекты / А.И. Калиниченко // В сб.: «Микродозиметрия и ее применение в радиационной биологии», М. - 1988. _ С.100-105.

49. Kalinichenko A.I. Material Brittle Fracture Owing to Thermoelastic Effect of High Energy Nuclear Particle / A.I. Kalinichenko // Proceedings of 1996 IEEE Nuclear Science Symposium, Anaheim, CA. - V.3. _ P.919-922.

50. Kalinichenko A.I. Thermoacoustic Dosimetry of Electron Beam in Extra Field / A.I. Kalinichenko, Yu.A. Kresnin, G.F. Popov // Proceedings of 1996 IEEE Nuclear Science Symposium , Anaheim, CA._ V.3. _ P.923-926.

51. Kalinichenko A.I. Estimate of brittle fracture effects in sensor systems exposed to heavy cosmic ray ions / V.P. Vasilyev, A.I. Kalinichenko, S.V. Vasilyev // Conference on the High-Energy Radiation Background in Space, Workshop Record, Snowmass, CO. - 1998 _ P.86-89.

52. Калиниченко А.И. О термоакустической активации кинетических процессов в облучаемом веществе / А.И. Калиниченко, В.Т. Лазурик // Тезисы докладов на Пятом Всесоюзном совещании по радиационной физике и химии ионных кристаллов. Рига. - 1983. _ Ч.II. _ С. 427-428.

53. Popov G. Non-Destructive Radiation Testing of Physical and Mechanical Properties of Solids / G. Popov, V. Deryuga, A. Kalinichenko, Yu. Kresnin // Proceedings of the 18th Particle Accelerator Conference, New York, USA. - 2000. _ V.4. _ P.2546-2548.

54. Kalinichenko A.I. Radiation-Acoustic Monitoring of Therapeutic Beam / A.I. Kalinichenko, V.T. Lazurik, G.F. Popov, V.V. Tovstiak // Proceedings of the 20th IEEE Particle Accelerator Conference, Portland, OR, USA. - 2003. _ P.1080-1082.

55. Калиниченко А.И. Структурная перестройка углеродной мишени в термоупругих пиках ионов ¹²C⁺ и ⁴⁰Ar⁺ низких энергий / А.И. Калиниченко, В.Е. Стрельницкий // Труды XVI Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым. _ 2004_ С.289-290.

56. Калиниченко А.И Формирование напряжений сжатия в тонких пленках при ионном облучении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Труды XVII Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым. _ 2006. _ С.301-302.

57. Калиниченко А.И Эффект нелокального теплового пика низкоэнергетического иона и его влияние на кинетические процессы в твёрдом теле / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Труды XVII Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым. _ 2006. _ C.303-304.

58. Калиниченко А.И Возникновение и роль сжимающих напряжений при ионном осаждении ta-c покрытий / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Сб. докладов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи-2006, г. Харьков. _ 2006 _ С.179-181.

59. Калиниченко А.И Термодинамические свойства нелокальных тепловых пиков и их влияние на кинетические процессы в некоторых конструкционных материалах / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Сб. докладов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи-2006, Харьков. _ 2006 _ С.277-279.

60. Калиниченко А.И. Кинетические процессы в нанокристаллическом нитриде бора при ионном облучении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Сб. докладов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи-2007, г. Харьков. _ С.236-241.

61. Калиниченко А.И. Термодинамические эффекты в нанокристаллических металлах при ионной бомбардировке / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Сб. докладов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи-2008, г. Харьков. _ С.38-41.

62. Калиниченко А.И. Использование модели термоупругого пика при описании процессов структурообразования в материалах при ионном облучении / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Труды XVIII Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым. - 2008. _ С.378-379.

63. Калиниченко А.И. Термоупругие пики низкоэнергетичных ионов в нанокристаллических молибдене и титане / А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий // Сб. научных трудов 2-ой Международной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур» (ФММН'2008), Харьков, Украина. _2008 _ Т.1. _ С.23 - 26.

АНОТАЦІЯ

Калініченко О.І. Радіаційно-акустичні ефекти при взаємодії частинок проникаючих випромінювань з твердим тілом.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за фахом 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, Харків, 2011.

Дисертація присвячена теоретичному опису акустичних ефектів, що виникають при взаємодії частинок проникаючих випромінювань із твердим тілом і їх впливом на фізичні процеси в матеріалі, що опромінюється. Розроблено математичну модель генерації пружних хвиль при радіаційно-стимульованій деформації твердого тіла, що встановлює зв'язок між амплітудою, що є сумою внесків дискретних мікровипромінювачів, і основними характеристиками мікровипромінювачів. Розв'язки рівнянь радіаційної акустики з тепловою нелінійністю параметра Грюнайзена проаналізовані для різних конфігурацій мішені й зони взаємодії випромінювання з речовиною. Досліджено акустичні ефекти важких іонів низьких (E < 10 кеВ) і високих (E > 100 МеВ) енергій і їх вплив на процеси деструкції, структуроутворення й переносу в матеріалі, що опромінюється. Одержані результати мають як фундаментальне, так і прикладне значення, оскільки послужили теоретичною основою для створення акустичних дозиметрів і пристроїв для визначення характеристик мішені.

Ключові слова: корпускулярне випромінювання, пучок частинок, твердотільна мішень, радіаційно-стимульована деформація, термопружність, акустичний імпульс, іон, кінетичний процес, структуроутворення, руйнування.

SUMMARY

Kalinichenko A.I. Radiation-acoustic effects at interaction of penetrating radiation particles with solid.- Manuscript.

Thesis for scientific degree of doctor of science in physics and mathematics by specialty 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Electrophysics & Radiation Technologies of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2011.

The dissertation is devoted to theoretical description of acoustic effects arising at interaction of penetrating radiation particles with solid and their influence on physical processes in an irradiated material. A mathematical model of elastic wave generation by radiation-stimulated deformation of the solid body is developed. The model associates amplitude, which is the sum of deposits of discrete microradiators, with key features of the microradiators. The solutions of equations of the radiation acoustics with thermal nonlinearity of the Gruneisen parameter are analyzed for different configurations of target and zone of radiation-matter interaction Acoustic effects of heavy ions of low (E < 10 keV) and high (E > 100 MeV) energies are investigated and their influence on processes of destruction, structurization and transfer in target material is analyzed. The derived results have both fundamental and applied significance because they create the theoretical basis for making of acoustic dosimeters and analyzers.

Keywords: particle radiation, particle beam, solid target, radiation-stimulated deformation, thermoelasticity, acoustic pulse, ion, kinetic process, structurization, destruction.

АННОТАЦИЯ

Калиниченко А.И. Радиационно-акустические эффекты при взаимодействии частиц проникающих излучений с твердым телом.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, Харьков, 2011.

Диссертация посвящена теоретическому описанию акустических эффектов, возникающих при взаимодействии частиц и пучков проникающих излучений с твердым телом и их влиянию на процессы структурообразования, переноса и разрушения в облучаемом материале. Разработана математическая модель генерации упругих волн при радиационно-стимулированной деформации твердого тела, устанавливающая связь между амплитудой, являющейся суммой вкладов дискретных микроизлучателей, и основными характеристиками микроизлучателей. Показано, что амплитуда представима в виде суммы двух компонентов, связанных, соответственно, с длительным и кратковременным изменением объема микроизлучателя. Модель применена при описании некоторых радиационно-акустических эффектов, не связанных с термоупругим механизмом генерации звука.

Получены решения уравнений с тепловой нелинейностью параметра Грюнайзена. Показано, что мишеням различных геометрий соответствуют различные коэффициенты генерации, несовпадающие с параметром Грюнайзена материала мишени. Исследовалась трансформация акустического отклика мишени на импульсное облучение при изменении температуры мишени. Исследование затухания показало, что импульсный сигнал в поглощающей среде убывает с расстоянием по степенному закону, в отличие от монохроматического сигнала, убывающего экспоненциально. Получены законы пространственного убывания амплитуды сигнала от точечного и нитевидного тепловых источников для широкого класса функций частотного затухания , реализующихся в реальных средах.

Исследовано возбуждение волны сканирующим пучком излучения в одномерном звуководе. Получено и проанализировано выражение для амплитуды импульса напряжений при различных режимах сканирования, в том числе, в резонансном по скорости режиме и с учетом затухания звука.

Исследована генерация упругих волн в мишени, на плоскую поверхность которой падает импульсный пучок нерелятивистских ионов. Показано, что возбуждаемые акустические напряжения являются результатом совместного действия трех механизмов - термоупругого, динамического, обусловленного передачей импульса, и деформационного, связанного с нетермическим расширением материала мишени. Получено выражение для амплитуды возбуждаемого акустического импульса, и проанализирован вклад каждого механизма в широком диапазоне энергий ионов.

Исследованы возбуждение термоакустических колебаний пластины в режимах однократного облучения и периодической последовательности импульсов проникающего излучения, а также возможность ее механического разрушения.

В рамках двухтемпературной модели исследован процесс передачи энергии от быстрого тяжелого иона материалу мишени. Определены время возникновения и жизни, радиус и температура в энергетическом треке иона в различных материалах - металлах и диэлектриках. Исследовано поле возникающих вокруг иона термоупругих напряжений и их влияние на деструкцию вещества в треке. Получено выражение для амплитуды акустического импульса в волновой зоне с учетом поглощения звука. Рассмотрен эффект хрупкого разрушения материала при выходе импульса на границу с материалом, имеющим меньшее акустическое сопротивление. Определены форма и размеры приповерхностной эрозионной зоны, в которой происходит разрушение. Эффект хрупкой эрозии поверхности твердых тел и образования аттограммных пылевых зерен тяжелыми ионами использован для объяснения ряда природных явлений.

Рассмотрены акустические эффекты ионов низких энергий E < 10 кэВ и их влияние на процессы структурообразования, переноса и разрушения в облучаемом материале. Определены параметры нелокального термоупругого пика (НТП) иона - радиус, температура T и давление P - в зависимости от размера кристаллита, сорта и энергии иона, для ряда комбинаций «ион - материал». Расположение траектории НТП иона на фазовой диаграмме углерода относительно границы «алмаз - графит» использовано для оценки характера структурных преобразований в НТП ионов благородных газов при ионной бомбардировке. Получена формула для внутренних напряжений, возникающих в осаждаемом покрытии при ионном облучении, описывающая зависимость напряжений от сорта и энергии ионов и температуры подложки. С помощью данной формулы была определена температура перехода к образованию плотной модификации углерода при осаждении пучка ионов С⁺.

Исследовано акустическое воздействие низкоэнергетического (E ? 10 кэВ) иона на дефекты, лежащие за пределами пробега иона. Показано, что акустические импульсы от ионов могут значительно ускорять диффузию дефектов на удалениях до 300 нм, а также вызывать хрупкое разрушение материала мишени при выходе на границу раздела сред с меньшим акустическим сопротивлением.

Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и прикладное значение, так как служат теоретической основой для создания испытанных на практике акустических дозиметров и устройств для определения термоупругих характеристик материала мишени.

Ключевые слова: корпускулярное излучение, пучок частиц, твердотельная мишень, радиационно-стимулированная деформация, термоупругость, акустический импульс, ион, кинетический процесс, структурообразование, разрушение. Размещено на Allbest.ru

...