В неметаллах после облучения падает теплопроводность за счет рассеяния фононов на дефектах.

4. Появление дефектов в кристаллической решетке неизбежно искажает структуру электронных уровней, что приводит к изменению оптических и электрических свойств кристалла. Эти изменения существенны для диэлектриков и полупроводников, но не для металлов, внутри которых имеется большое число свободных электронов, которые, с одной стороны, практически не подвержены действию точечных дефектов решетки, а, с другой стороны, определяют электрические и оптические свойства кристалла.

Мы уже рассмотрели зависящую непосредственно от решетки электропроводность диэлектриков после облучения. Для работы изоляторов в условиях облучений и для других вопросов важно знать электропроводность диэлектриков во время облучения. Эта радиационная электропроводность детально изучена для действия γ-излучений из радиоактивных источников и реакторов. Оказалось, что при напряжениях, достаточно далеких от пробоя, радиационная электропроводность линейно растет с интенсивностью облучения. Этот результат естествен. Облучение непрерывно создает свободные электроны посредством фотоэффекта и комптон-эффекта, причем число электронов, создаваемых в единицу времени, пропорционально интенсивности облучения.

Особенно сильно влияет облучение на электрические свойства полупроводников материалов. Это и понятно, так как действие вакансий и атомов в междоузлиях во многом сходно с действием примесных атомов, а электропроводность полупроводников, как известно, крайне чувствительна даже к очень малым (сотые доли процента и даже меньше) примесям. Главное и очень вредное для технических приложений действие облучения на полупроводнике состоит в том, что появляющиеся под влиянием облучения дефекты создают новые электронные энергетические уровни в запрещенной зоне. Эти уровни являются ловушками для носителей зарядов. Дефекты – ловушки сильно снижают времена жизни носителей, что приводит к уменьшению электропроводности. Кроме того, в ловушках накапливается пространственный заряд, искажающий электрическое поле внутри проводника и резко ухудшающий его технические характеристики. Большинство дефектов, созданных электронными или γ-облучениями, при отжиге рекомбинирует, после чего полупроводник почти восстанавливает свои первоначальные свойства. Нейтронное облучение создает значительно большое количество дефектов, часть которых необратима. К последним, в частности, относятся примесные атомы, возникающие посредством радиационного захвата нейтронов атомами полупроводника. Этот захват обычно приводит к возникновению в полупроводнике акцепторных или донорных примесей. Механизм возникновения этих примесей можно проследить на примере германия. Германий четырехвалентен. Его кристалл имеет структуру алмаза (каждый атом находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя ближайшими соседями). Германий имеет пять стабильных изотопов 32Ge70 , 32Ge72 , 32Ge73 , 32Ge74, 32Ge76, содержание которых в естественной смеси составляет соответственно 21, 29, 8, 36 и 8%. Основной изотоп 32Ge74 при захвате нейтрона переходит путем электронного распада в изотоп 33As75 пятивалентного мышьяка, являющегося, очевидно, донором, так как на его внешней оболочке имеется лишний для германиевой решетке пятый электрон. С другой стороны, изотоп 32Ge70 , проглотив нейтрон, претерпевает позитронный распад, превращаясь в изотоп 31Ga70 , трехвалентного галлия, являющегося типичным акцептором. Акцепторные уровни на радиационных дефектах появляются и при облучении другими частицами, например дейтронами. Это демонстрируется приведенными на рис. 13.5 зависимостями удельной проводимости акцепторного и донорного германия от дозы облучения слегка падает из-за образования дефектов, тормозящих носители тока.

 Проводимость донорного образца сначала падает на несколько порядков из-за компенсации донорных и акцепторных носителей. При более сильном облучении проводимость резко растет, но уже является не донорной, а акцепторной. Этот эффект может быть использован как один из методов создания p-n – переходов, необходимых для использования любого полупроводников устройства.

Оптические проявления влияния излучений разнообразны и иногда возникают при довольно слабом облучении. Из всех этих проявлений мы ограничимся примером появления так называемых центров окраски (F-центры) в кристаллах поваренной соли. Эти кристаллы при облучении окрашиваются в желтый цвет (длина волны спектральной линии 465 нм). Происхождение этого окрашивания объясняется следующим образом. Вакансия на месте выбитого отрицательного иона хлора замещается электроном. На этот электрон действуют примерно те же силы, что и на ион хлора. Но при одинаковых силах квадраты частот колебаний обратно пропорциональны массам. Электрон в десятки тысяч раз легче атома хлора. Поэтому частота колебаний электрона, занявшего вакансию, будет в сотни раз больше частоты колебаний атома. А этого как раз достаточно, чтобы «довести» частоту колебаний электрона до оптической области. Правильность такого объяснения радиационного окрашивания подтверждается эффектом точно такого же окрашивания поваренной соли при нагреве ее в парах натрия с последующим быстрым охлаждением. Этот процесс приводит к избытку натрия, т. е. к хлорным вакансиям, и следовательно, к появлению центров окраски.

5. Изучение различных радиационных повреждений и их зависимостей от вида облучения, температуря и т. д. важно как для практических задач, связанных с работой различных приборов и других устройств в условиях облучения, так и для изучения многих вопросов физики твердого тела.

Для направленного искусственного изменения свойств материалов применяется имплантация (т. е. внедрение) в них тяжелых ионов.

Имплантация ионов оказывается чрезвычайно полезной во многих случаях. Например, имплантация ионов бора, фосфора и тантала значительно улучшает свойства кремниевых и германиевых детекторов. Имплантация тяжелых ионов открывает широкие возможности для изготовления и изучения свойств новых сплавов, которые из-за химической несовместимости компонентов невозможно получить другими способами, и т. д.

В некоторых случаях и радиационными повреждениями, наносимых веществу тяжелыми ионами, удается найти полезное практическое применение. Примерами могут служить изготовление ядерных фильтров и датировка событий по трекам продуктов деления урана. При прохождении тяжелых ионов через непроводящие кристаллы и аморфные тела вдоль трека иона из-за большой плотности ионизации (плотность ионизации пропорциональна z2, где z- заряд иона) образуется канал сильного радиационного повреждения. Вещество в пределах канала более чувствительно к химическому воздействию и может быть удалено, например, посредством окисления и последующего травления и промывания. В результате на месте канала получаются пустоты.

Поэтому, если облучить полимерную пленку толщиной в несколько микрон тяжелыми ионами и подвергнуть ее указанной выше химической обработке, то в местах прохождения ионов в пленке образуются сквозные отверстия, так что пленка в целом может служить великолепным фильтром. При этом диаметр отверстий фильтра характеризуется небольшим разбросом и может заранее задан посредством соответствующего подбора условий травления (временем, температурой и т. д.).

Для примера на рис. 13.6 показаны фотографии (полученные с помощью электронного микроскопа) обычного химического фильтра со среднем размером пор 0,45 мкм (рис. 13.6, а) и ядерного фильтра с размером пор 0,4 (рис. 13.6, б). Как видно из рисунка, качество ядерного фильтра намного выше химического. Применение ядерных фильтров исключительно многообразно. Очистка газов, воды, сортировка микропримесей по размерам, изучение размеров и формы типов клеток крови, стерилизация биологических сред, фильтрация и разделение различных типов вирусов и молекул, очистка пива и вина – вот далеко не полный перечень.

Датировка событий по трекам продуктов деления ядра изотопа урана 92U238 основывается на том, что треки тяжелых ионов, возникающих при делении ядра, становится видимыми (естественно, при сильном увеличении) при окислении и травлении.

По числу треков, приходящихся на единицу поверхности, и содержанию урана можно определить время существования образца.

I.10. Естественная радиоактивность в природном цикле существования Земли.

Под естественной радиоактивностью понимают способность веществ, содержащих определенные элементы, самопроизвольно, без внешнего воздействия, испускать невидимое излучение, имеющее сложный состав. В настоящее время широко известно, что в результате распада из радиоактивных ядер могут излучаться альфа- частицы, представляющие собой ядра гелия, бета - частицы, представляющие собой поток электронов, и гамма - излучение, представляющее собой поток квантов. Гамма - излучение имеет такую же природу, как свет или рентгеновское излучение, и отличается от них лишь механизмом образования. Продукты распада могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к появлению радиоактивных цепочек или рядов, в которых один элемент порождает другой (или другие). Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. Известны три естественных радиоактивных семейства - урана, тория и актиния. Помимо радиоактивных семейств, в природе Земли встречаются отдельные радиоактивные элементы, к которым относятся калий -40, рубидий -87 и другие. Среди десятков естественных радиоактивных элементов встречаются элементы, имеющие периоды полураспада от миллиардных долей секунды (дочерние продукты) до миллиардов лет (родоначальники семейств). Химический элемент уран широко представлен в земной коре, хотя встречаются и рудные аномалии, из которых он сейчас и добывается. Наиболее широко известен из уранового семейства газообразный радиоактивный радон-222, который легко выходит из недр Земли или накапливается в ее герметичных полостях. Этот альфа - радиоактивный элемент и продукты его распада дают основной вклад в дозу облучения населения от естественного фона земной коры. Чтобы оценить масштабы естественной радиоактивности, достаточно назвать общую активность радона-222, который выделяется из земной коры в течение года. По оценкам специалистов эта активность составляет десятки триллионов Кюри. Естественные радиоактивные элементы присутствуют на нашей планете с момента ее возникновения (26 миллиардов лет назад) и повсеместно сопровождают человечество на всех этапах его становления, включая современную эпоху.

I.10.1. Естественные источники радиации.

Человек всегда был подвержен действию естественной радиации. Он подвергается воздействию космического излучения. Радиоактивные вещества находятся в земле, в зданиях, в которых мы живем, а также в пище и воде, которые мы потребляем. Радиоактивные газы находятся в воздухе, которым мы дышим, а сам человек радиоактивен, т. к. в живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Уровни этой естественной или «фоновой» радиации колеблются в значительных пределах.

РАДОН.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации (на территории России его вклад достигает 44%) является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) — радон. Человек подвергается воздействию радона и продуктов его распада в основном за счет внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм через органы дыхания и, в меньшей мере, с продуктами питания.

В природе встречаются два изотопа радона: радон-222 (образуется при распаде урана-238) и радон-220 (один из продуктов в ряду распада тория-232). Оба изотопа излучают альфа-частицы, превращаясь в изотоп полония, которые, в свою очередь, тоже излучая альфа-частицы, дают начало следующим нуклидам (альфа- или бета - активным) и так далее — вплоть до стабильных изотопов свинца. Радона-222 в природе в 20 раз больше, чем радона-220, поэтому далее будет подразумеваться в основном первый из них.

Радон высвобождается из земной коры, однако основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, причем радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Средняя равновесная концентрация радона внутри помещений составляет около 15 Бк/м3. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8—10 раз выше, чем в наружном воздухе. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку при этом еще более затрудняется выход радиоактивного газа из помещений. Поступая внутрь помещений тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкциях дома), радон накапливается в нем. В результате в помещении могут возникнуть довольно высокие уровни радиации, особенно если дом стоит на грунте с относительно повышенным содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной радиоактивностью. В среднем человек получает 65—130 мбэр в год за счет внутреннего облучения радоном.

Самые распространенные строительные материалы — дерево, кирпич и бетон — выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают, например, гранит и пемза, также используемые в качестве строительных материалов. Кальций-силикатный шлак также обладает, как выяснилось, довольно высокой удельной радиоактивностью. Среди других промышленных отходов с высокой радиоактивностью, применяющихся в строительстве, следует назвать кирпич из красной глины — отход производства алюминия, доменный шлак — отход черной металлургии, и зольную пыль, образующуюся при сжигании угля. (Таблица 1).

Таблица 1

Конечно, радиационный контроль строительных материалов заслуживает самого пристального внимания, однако главный источник радона в закрытых помещениях — это грунт. Скорость проникновения исходящего из земли радона в помещения фактически определяется толщиной и целостностью стен и перекрытий между этажами. Даже при оклейке стен обоями скорость эмиссии радона уменьшается примерно на 30%.

Еще один, как правило, менее важный источник поступления радона в жилые помещения представляют собой вода и природный газ. Концентрация радона в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из некоторых источников, особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин, содержит очень много радона. По оценкам НКДАР ООН (Научный комитет по действию атомной радиации), среди всего населения Земли около 1% жителей потребляют воду с удельной радиоактивностью более 1 млн. Бк/м3 и около 10% пьют воду с концентрацией радона, превышающей 100000 Бк/м3. А поскольку при нагревании растворимость всех газов уменьшается, то лучше пить кофе или чай, чем некипяченую воду (даже «заговоренную» по телевизору).

В результате предварительной переработки и в процессе хранения природного газа перед поступлением его к потребителю большая часть радона улетучивается, но концентрация радона в помещениях может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и другие нагревательные устройства, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. При наличии же вытяжки, которая сообщается с наружным воздухом, пользование газом практически не влияет на концентрацию радона в помещении.

I.10.2. ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ.

Каменный уголь содержит радиоактивных нуклидов относительно немного, но из-за больших масс, сжигаемых в топках электростанций и в печах отопления, его вклад в облучение населения достаточно весом. Радионуклиды в основном попадают в окружающую среду с пылью топочных газов, со шлаками. Выяснилось, что большое загрязнение радионуклидами производят даже печи домашнего отопления, так как в них нет улавливания золы на выходе из труб, а невысокие трубы создают в жилых районах высокие концентрации угольной пыли.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8