Термическая устойчивость радиационных дефектов в хлористом натрие

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1967

Том 162

ТЕРМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ

В ХЛОРИСТОМ НАТРИЕ

Е. К. ЗАВАДОВСКАЯ, Е. М. ГОЛОВЧАНСКИЙ, А. В. КУЗЬМИНА, А. П. АРЬЯНОВ

Отжиг дефектов в сильно облученных щелочногалоидных (щг) кристаллах изучался в работах [1, 2]. В работе [1] было показано, что процесс отжига в облученных высокоэнергетическим'и протонами кристаллах №С1 происходит в три стадии.

Выделение энергии связывается с разрушением дефектов Френкеля, /'-центров и агрегатов вакансий на первой, второй и третьей стадии соответственно. При отжиге сильно облученного гамма-лучами №С1 найдено, что запасенная энергия выделяется в две стадии [2, 3]. В этих работах авторы считают, что за низкотемпературный пик выделения энергии (максимум при 150°С) ответственны как дефекты Френкеля, так и /-центры, которые образуются на второй стадии окрашивания. За высокотемпературный максимум выделения энергии ответственны /-центры, образованные на дорадиационных вакансиях.

В данной работе исследовался изотермический и неизотермический отжиг дефектов в сильно облученных протонам'и кристаллах ЫаС1 (энергия протонов 4,5 Мэв, экспозиционная доза 6,8 • 1014 протон/см2).

1. Изотермический отжиг

Изотермический отжиг дефектов проводился при температурах 100, 350 и 200°С следующим образом. Партия образцов для исследования запасенной энергии и спектров поглощения помещалась в печь, нагретую до вышеуказанных температур, выдерживалась в ней определенное время, а затем специальным устройством образцы выбрасывались на подложку из ваты. После охлаждения образцов определялось выделение запасенной энергии и исследовалось изменение оптического поглощения.

На рис. 1 (а, б) приведены зависимости изменения запасенной энергии и м'икротвердости от времени отжига при различных температурах. На рис. 2 представлен изотермический отжиг (200°С) центров окраски. Сопоставим полученные зависимости при температуре отжига в 200°С.

В течение 2 минут отжига при этой температуре микротвердость облученного кристалла практически равна микротвердости необлучен-ного №С1, а в спектре оптического поглощения появляется ряд сложных полос, которые перекрываются с /- и М-полосами так, что невозможно проследить за отжигом /- и М-центров. За это же время запасенная

энергия уменьшается на 50% от первоначальной величины. Дальнейший отжиг приводит к полному разрушению Т7- и М-полос и появлению полосы при 578 ммк, при этом выделяется большая часть запасенной энергии (около 75%). Через 47 минут отжига при температуре 200°С кристаллы полностью обесцветились. Полное разрушение центров окраски

Рис. 1. а) Зависимость изменения запасенной энергии от времени отжига при

различных температурах кристаллов №С1. Рис. 1.6") Изменение микротвердости облученных кристаллов после отжига их

при различных температурах

сопровождается выделением основной части запасенной энергии (около 90%). Отжиг е течение 6 часов приводит к полному разрушению радиационных дефектов.

Из вышеприведенного сопоставления разрушения центров окраски и выделения энергии при температуре отжига 200°С, очевидно, что за запасание энергии в ЩГ кристаллах ответственны электронные центры,

10. Заказ 593! ' 145

г

Сравнение отжига дефектов, ответственных за изменение микротвердости, с отжигом дефектов, ответственных за запасенную энергию и оптическое поглощение, позволяет сделать вывод о том, что увеличение микротвердости после облучения связано с дефектами, которые не вносят существенного вклада в запасенную энергию. Такими дефектами могут быть либо связки вакансий определенного размера, либо дырочные центры.

Из полученных закономерностей отжига радиационных дефектов (рис. 1) определим энергию активации и порядок реакции отжига. Представленные кривые можно описать кинетическим уравнением {4].

где п — концентрация дефектов в кристалле, с1п

--скорость уменьшения дефектов,

¿т

Еа—энергия активации для перемещения дефектов, х —порядок реакции, А — частотный фактор.

Так как запасенная энергия пропорциональна концентрации дефектов, заменим йп\йч в уравнении 1 на экспериментально полученное уменьшение запасенной энергии. После подстановки, интегрирования и логарифмирования, имеем:

с йИ

1п — = 1п Л -Нп х - ЕА / кТ*.

ех

¿о

Из кривых изотермического отжига для различных температур можно найти энергию активации по следующему выражению:

Еа = 0,862. Ю-1-

Л _

т2 Т~1

Как видно из выражения (3), энергия активации не зависит от порядка реакции, но для ее расчета необходимо, чтобы в данном тем-

Таблица 1 пературном интервале энергия ак-тивации была постоянной. Для оп-

Энергия активации дефектов в №С1, „ •

облученном протонами ределения порядка реакции пост-

Температурный Энергия актива-

интервал ции в эв

373—423°К 0,83

423—473°К 0,96

роим график 1п 1п Е^Е0 от 1п Полученная линейная зависимость указывает на то, что в диапазоне температур 100—200°С отжиг радиационных дефектов описывается уравнением первого порядка. Энергия активации, вычисленная по данным изотермического отжига в интервале температур 100—150°С (табл. 1), близка к энергии активации катионной вакансии, полученной экспериментально при исследовании электропроводности [5].

В отличие от металлов в ЩГ кристаллах нельзя по энергии активации определить тип дефектов, которые вносят вклад в запасенную

»

энергию. Отжиг дефкетов в этих соединениях обусловлен миграцией катионных вакансий и сопровождается, как разрушением, так и объединением дефектов в более крупные агрегаты.

Длина ВолнЫ ттк

Рис, 2. Изменение спектров поглощения, облученных протонами (доза 6,8.1014 протон/см2) кристаллов хлористого натрия после отжига при температуре 200°С

в течение различного времени

2. Неизотермический отжиг

Неизотермический отжиг облученных кристаллов НаС1 проводился при скорости нагрева около 1,4° мин~х. По достижении данной температуры несколько кристаллов извлекалось из печи и методом растворения в них определялась запасенная энергия [6]. На рис. 3 показана зависимость Е1 /£0 от температуры отжига, где £0 — запасенная энергия в кристаллах после облучения (при дозе 6,8- 1014 протон ¡см2 она состав-

10*

147

ляла около 8,5 дж/г), Е( —запасенная энергия в образцах после отжига до указанной температуры. Отжиг радиационных дефектов идет в три стадии. Максимумы выделения энергии одинаковы в различных партиях образцов. Максимум выделения энергии при 218°С плохо разрешим и поэтому не представлен на рис. 3. Кроме измерения запасенной энергии при неизотермическом отжиге исследовалось изменение оптического поглощения образцов при различных температурах отжига (рис. 4)„ Из-за большой концентрации /-центров максимум /-полосы не промерялся до МОХ. В этой области температур отжиг /"-центров может ха~

Температура0 С

si 1С

Рис. 3. Зависимость от температуры отжига EtjE0

dt

рактеризоваться ростом М- и более сложных полос. До 150°С наблюдается увеличение М-поло^ы и появление на ее длинноволновом спаде новой полосы, точное положение которой определить яе удалось. В этом же интервале температур растет поглощение в области 940—950 ммк. С ростом тем'пературы увеличивается поглощение между /- и М-полосами. При температурах 150—180°С происходит интенсивная коагуляция /-и М-центров в сложные центры. Появляется ряд /?-полос. Дальнейший нагрев образцов приводит к появлению полосы при 578 ммк, которая отжигается без дальнейшей трансформаций. При температуре 220°С кристалл полностью обесцвечивается.

Сопоставление изменения запасенной энергии в зависимости от температуры отжига с изменением спектров оптического поглощения дает возможность следующим образом объяснить двухстадийный характер выделения запасенной энергии. Известно, что вид кривой отжига /-центров зависит от степени несовершенства кристаллической решетки [7]. Чем менее совершенна структура кристалла, тем* более сложный характер имеет кривая отжига /-центров. Поэтому, в отличие от Кобаяси, мы считаем, что выделение энергии в области температур 100—160°С обусловлено как частичной рекомбинацией /-центров, так и объединением

их в более сложные центры. Выделение энергии в области температур 160—200°С связано с разрушением Р- и М-центров, которое сопровож-

3170

210 300 380 Ш 540 6?0 Щ 788 860 Ш 1080

Л лини §олн 1)1

Рис. 4. Изменение спектров поглощения, облученных протонами кристаллов хлористого натрия (экспозиционная доза 6Д1014 прптон/см2) в зависимости от температуры отжига

дается образованием полосы при 578 ммк. Разрушение полосы при 578 ммк сопровождается выделением' энергии с максимумом при 218°С.

Положение максимумов выделения энергии в данной работе несколько отличается от литературных [1, 2]. По-видимому, это связано с различием в качестве исследуемых кристаллов, а также в скорости их нагревания.

Выводы

Таким образом, в результате исследования термической устойчивости дефектов в облученных протонами кристаллах ЫаСГможно сделать следующие выводы:

1. Низкотемпературный максимум выделения энергии обусловлен коагуляцией и частичной рекомбинацией /-центров.

2. Термическое разрушение радиационных дефектов происходит в результате ионных процессов.

ЛИТЕРАТУРА

1. К. Kobayashi. Phys. Rev. 102, 348, 1956.

2. А. В, Кузьмина. Диссертация. Томск, политехнический институт, <1962).

3. Е. К. Завадовская, А. В. Кузьмина. Изв, вузов, Физика, № 1, (1965),

4. N. Hennen. Z angew. Phys. 15, 1, (1963).

5. R. W. Dreyfus, A. S. Nowick. J. Appl. Phys. Supl. 33, 1, (1962).

6. E. K. 3 а в а д о в с к а я, А. В. Кузьмина, Е. М. Г о л о в ч а н с к и й, ПТЭ> (в печати). л

7. В. И. Сидляренко и др. Известия вузов, Физика, № 5, (1965).