Материал: Теория радиационного действия - Курсовая работа


Сравнение   различных   типов излучений   в   опытах   по   радиационным нарушениях

В предыдущих разделах мы видели, что первичное действие различных типов излучений на твёрдые тела совершенно различно. Но в конечном счёте большинство нарушений производится вторичными и третичными атомами отдачи, ибо первичные частицы, замедляясь до достаточно малых скоростей, рассеивают почти всю свою энергию в упругих столкновениях. Это позволяет предположить, что радиационные нарушения, производимые различными типами излучений, не будут сильно различаться. Кажется, что это предположение подтверждается уже проделанными опытами. Надо провести дальнейшую работу по проверке этого предположения. Если оно окажется верным, то вопрос о том, какой тип излучения следует употребить для изучения радиационных нарушений, станет вопросом удобства.

Существенное различие в характере радиационных нарушений ясно из проведённых выше рассуждений. Длина пробега нейтронов велика, так что они могут проходить через образцы обычных размеров и, сталкиваясь с отдельными атомами внутри образца, будут производить отдельные центры нарушений по всему объёму образца. Таким образом, образец, облучённый в реакторе, покажет объёмный эффект, благодаря чему здесь удобно употреблять большие образцы. Частицы, ускоренные в ускорителе, имеют малую длину свободного пробега и поэтому они будут производить нарушения только вблизи поверхности облучённого материала. В этом случае исследование эффектов облучения должно производиться в микроскопическом масштабе. Осколки деления ядер также имеют малые длины свободного пробега, и здесь могут быть два случая, в зависимости от распределения расщепляющихся атомов. Если они рассеяны внутри образца, то осколки деления, даже при наличии короткого пробега, будут возникать повсюду в образце и поэтому эффект будет объёмным. В то же время, если образец не содержит расщепляющихся атомов и помещается вплотную к образцу, испускающему осколки ядерного распада, то результат будет тот же, как при бомбардировке на циклотроне или другом ускорителе: здесь нарушения концентрируются вблизи поверхности. Различные типы облучения отличаются главным образом с практической точки зрения количеством энергии, затрачиваемой на ионизацию (а следовательно, на тепло) по отношению к энергии, получаемой атомами отдачи.

Мы видели, что при нейтронной бомбардировке большая доля энергии бомбардирующих частиц уносится ядрами отдачи и приводит к радиационным нарушениям. В то же время при бомбардировке на циклотроне и осколками деления ядра отдачи получают только   небольшую   долю  энергии   и   поэтому  здесь   отвод  тепла становится серьёзной проблемой. Эта проблема особенно трудно разрешима, когда расщепляющийся материал распределён по всему образцу, что имеет место при облучении в реакторе, где нейтроны могут производить деление ядер. Практическая проблема отвода тепла из внутренности массивного образца трудно преодолима, так как этот отвод должен осуществляться путём теплопроводности. Проблема отвода тепла при бомбардировке в ускорителях естественно проще разрешима, так как тепло возникает на поверхности и, следовательно, образец достаточно поместить на интенсивно охлаждаемый массивный материал. Во всех этих случаях, однако, проблема контроля температуры сложнее, чем при прямой нейтронной бомбардировке, когда легко сохранять образец холодным. Вопрос температуры становится серьёзным, если мы вспомним, что радиационные нарушения легко исчезают при отжиге. При этом скорость отжига сильно зависит от температуры. Поэтому опыты, проводимые при повышенной температуре, что, вероятно, имеет место при плохом охлаждении, могут дать очень неточное представление о том, что будет происходить при низкотемпературном облучении. Контроль температуры при опытах с облучением как в ускорителях, так и в реакторах является очень важной технической проблемой.

Почти вся энергия падающих нейтронов может затрачиваться на образование радиационных нарушений в отличие от малой доли энергии, расходуемой на нарушения ускоренной частицей. Но в ускорителях возможно получить потоки, значительно превосходящие потоки частиц, получаемые в экспериментальных реакторах. Простые соображения показывают, что радиационные нарушения, производимые при облучении в ускорителе, возникают с большей скоростью, чем если бы образец облучался в реакторе. Таким образом, облучение в ускорителе имеет практические преимущества. Эти преимущества частично уровновешиваются, однако, тем, что в отличие от циклотронов реактор действует в течение долгих промежутков времени. Поэтому в последних долговременное облучение осуществляется очень просто. Все экспериментальные реакторы позволяют также проводить одновременно большее число опытов, чем это возможно в циклотроне. Для образцов, которые по практическим причинам последующих исследований должны быть большими, а их облучение — однородным, очевидно преимущество употребления реактора. Для основных опытов, с другой стороны, имеются преимущества у обоих типов облучателей. Очевидным преимуществом ускорителя является возможность употребления различных типов ускоренных частиц, регулирование их энергии и общее регулирование условий опыта. В реакторе, где многие эксперименты производятся одновременно, где условия во время действия реактора относительно неизвестны экспериментатору, тщательный контроль этих условий является много более трудным.

Что касается употребления разнообразных частиц с различными энергиями в экспериментах с ускорителями, то можно сделать больше, чем было сделано до сих пор. Такая работа была проделана только с циклотроном. Мы уже видели, что это малопригодный путь для осуществления эксперимента, так как ускоренная в циклотроне частица с энергией в десять или двадцать миллионов вольт рассеивает очень малую долю своей энергии на радиационные нарушения до тех пор, пока она не замедлится до нескольких десятков киловольт. Вся остальная энергия уходит на нагревание и с точки зрения радиационных нарушений растрачивается напрасно. Это тепло очень трудно удалить при опыте. Для этого типа опытов, кажется, много преимуществ имеет применение частиц с низкими энергиями порядка миллиона вольт, которые можно получить в недорогом генераторе типа Ван-Граафа. Здесь производится почти столько же нарушений на одну частицу, как и на одну частицу, полученную в циклотроне, но в первом случае производится много меньшее количество подлежащего удалению тепла. Кроме того, в генераторе типа Ван-Граафа легче переходить от одного типа частиц к другому. Следует высказаться за применение для исследования радиационных нарушений ускоренных тяжёлых ионов, например ионов аргона или другого подобного элемента, поскольку мы уже видели, что у тяжёлых ионов при энергиях около миллиона вольт много большая доля энергии переходит в радиационные нарушения, чем у лёгкого иона. Конечно, при такой низкой начальной энергии ионов пробег частиц будет соответственно меньшим. Та часть пробега, при которой частицы обладают высокой энергией, расходуемой главным образом на ионизацию, здесь будет исключена. Опыты будут тогда производиться в ещё более микроскопическом масштабе, чем при облучении в циклотроне. Но это не является непреодолимым препятствием. Тяжёлый ион, обладающий энергией в миллион вольт, сталкиваясь с мишенью, при значительно меньшем нагревании производит почти столько же нарушений, как осколок деления с энергией в сто миллионов вольт. Тяжёлые ионы поэтому со многих точек зрения являются желательным типом частиц для исследования радиационных нарушений.

В этой связи удобно упомянуть ещё одну черту радиационных нарушений, которую мы до сих пор оставляли в стороне. Частицы, используемые при бомбардировке, остаются внутри образца, когда достигают конца своего пробега. Если частица является атомом, выбитым первичным нейтроном, то она будет того же сорта, что и атомы вещества, и будет являться смещённым атомом, а не атомом примеси. С другой стороны, осколок деления или атом, выброшенный из ускорителя, может остаться внутри образца как атом примеси, в случае если этот образец не является тонкой фольгой.   Тогда после длительного   облучения в материале может оказаться достаточно атомов примеси для заметного изменения его свойств. Этот тип радиационных нарушений может играть очень важную роль. Если атомы примеси растворимы в маточной среде, то получающийся твёрдый раствор будет иметь повышенные твёрдость и удельное электрическое сопротивление. Если растворимость отсутствует, то атомы примесей будут образовывать некоторые области, которые оказывают влияние на твёрдость, электрическое сопротивление и др. свойства. Это влияние в некоторых случаях настолько велико, что сравнимо с влиянием действительного смещения атомов в кристалле. Употребляя описанные выше методы, можно исследовать атомы примесей и оценить производимые ими эффекты. Поразительного со многих точек зрения действия можно ожидать от атомов инертного газа, образованных при делении ядер и совершенно не растворимых в любом твёрдом веществе. Эти атомы могут образовывать газовые карманы, которые будут, очевидно, очень неблагоприятно влиять на свойства материала, особенно на его механическую прочность. Предложенное выше применение ускоренных атомов аргона для исследования радиационных нарушений позволяет задерживать атомы аргона внутри вещества и таким образом моделировать действие осколков деления.