ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 3, с. 28-33
УДК 537.5+53.04
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОДОЗНОГО ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА СТЕКЛОУГЛЕРОДОМ
© 2015 г. Н. Н. Андрианова1,2, А. М. Борисов1,2, В. А. Казаков23, Е. С. Машкова1, *,
Р. Н. Ризаханов3, С. К. Сигалаев3
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, 119991 Москва, Россия 2МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского,
121552 Москва, Россия 3Исследовательский центр им. М.В. Келдыша, 125438Москва, Россия *Е-таИ: es_mashkova@mail.ru Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
Приводятся и обсуждаются результаты экспериментального исследования структурных и морфологических изменений поверхности стеклоуглерода марки СУ-2500 высокодозным облучением ионами Аг+ с энергией 30 кэВ в диапазоне температур 60—400°С с использованием комбинационного рассеяния лазерного излучения с длинами волн 514 и 244 нм. Анализ данных позволил идентифицировать нанокристаллическое состояние поверхностного слоя при температурах облучения 140— 250°С, аморфизованное состояние при температурах, близких к комнатной, и поликристаллическое при повышенных температурах. При = 244 нм Д-пик в спектрах комбинационного рассеяния не наблюдается. Ионное облучение приводит к значительному подавлению б-пика, что может быть использовано для выявления ионно-индуцированных состояний в углеродных материалах.
Ключевые слова: стеклоуглерод, ионное облучение, структура поверхности, комбинационное рассеяние света, аморфизация, графитизация.
БО1: 10.7868/80207352815030038
ВВЕДЕНИЕ
В связи с широким использованием углеродных материалов в ядерных реакторах и плазменных устройствах большое внимание уделяют исследованиям их поведения при радиационном воздействии с целью анализа радиационной стабильности и модификации этих материалов. Среди углеродных материалов стеклоуглерод выделяется высокой твердостью, прочностными характеристиками, стойкостью к термическому воздействию, низкой газопроницаемостью, химической инертностью по отношению к большинству агрессивных сред, что делает его весьма перспективным для технологических применений [1]. Практически все виды радиационного воздействия приводят к зависящим от температуры облучаемой мишени структурным изменениям и эволюции топографии поверхности углеродных материалов. Как и в других твердых телах, первичные радиационные дефекты в кристаллической решетке графитов — смещенные атомы и вакансии — обусловлены каскадным механизмом атомных смещений в результате торможения в материале первичных высокоэнергетических частиц (нейтронов, ионов, осколков деления, электронов). Специфика типа химической связи и анизотропия кристаллической решетки графита приводит к тому, что влияние радиационных нарушений в углеродных материалах
на единицу дозы больше, чем во многих других материалах. Значительные эффекты радиационных нарушений наблюдаются при температурах, близких к комнатной температуре, т.е. в области, где радиационные дефекты в металлах практически полностью отжигаются. По мере роста температуры увеличивается подвижность радиационных дефектов, что приводит к их динамическому отжигу [2, 3]. Основными ионно-индуцированными кинетическими процессами, контролирующими эволюцию облучаемых поверхностей, являются распыление, имплантация и диффузия дефектов [4—6].
В качестве дозовой характеристики облучения часто используют уровень радиационных нарушений V, соответствующий количеству смещений на атом мишени, V [сна] = ф?айат, где ф? — флуенс облучения, айат — поперечное сечение дефектообра-зования [7]. Это позволяет сопоставлять данные при различных условиях обучения материалов (вид радиации, энергия, флуенс облучения). При высоких флуенсах ионного облучения необходимо учитывать движение границы поверхности в результате распыления [8].
В радиационном материаловедении важную роль играет определение пороговых значений уровней радиационных нарушений различных структурных состояний облучаемой мишени, на-
пример порога ионно-индуцированного разупо-рядочения (аморфизации), порога образования текстурных переходов [9]. Был разработан эффективный метод мониторирования in situ ион-но-индуцированных структурных и морфологических изменений в поверхностных слоях углеродных материалов, основанный на измерении и анализе температурных и энергетических зависимостей ионно-электронной эмиссии [9, 10]. Ион-но-индуцированные изменения проявляются и при комбинационном рассеянии света, спектроскопия которого широко применяется для анализа деталей структуры и степени упорядочения углеродных материалов [11—14].
Цель настоящей работы — экспериментальное исследование модификации поверхности стеклоуг-лерода марки СУ-2500 с использованием комбинационного рассеяния света при высокодозном облучении ионами Ar+ с энергией 30 кэВ и температуре мишени в интервале от 60 до 400°С и сопоставление с данными, полученными другими методами.
ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы облучали ионами Ar+ с энергией 30 кэВ на масс-монохроматоре НИИЯФ МГУ [8] по методике, аналогичной [15, 16]. В качестве мишеней использовали образцы стеклоуглерода марки СУ-2500 (производство НИИ "Графит", Москва). Плотность ионного тока составляла 0.3— 0.4 мА/см2 при поперечном сечении пучка 0.3 см2, флуенсы облучения ф? = 1018—1019 ион/см2. При таких флуенсах достигается стационарный уровень радиационных нарушений, составляющий с учетом распыления поверхности около 100 сна [10]. Температуру мишени варьировали от 60 до 400°C, измеряли при помощи хромель-алюмелевой термопары, спай которой укрепляли на облучаемой стороне мишени вне зоны облучения. Мониторинг ионного облучения проводили, периодически регистрируя ток ионов и вторичных электронов для определения флуенса облучения и коэффициента ионно-электронной эмиссии у, который определяли как отношение электронного и ионного токов. Погрешность измерения у не превышала 2.5%. Модифицирование поверхности оценивали путем сравнения структуры и морфологии облученных и исходных образцов. Исследования проводили на растровом электронном микроскопе Lura 3 TESCAN и спектрометре комбинационного рассеяния света Horiba Jobin Yvon T64000 при комнатной температуре с лазерным излучением с длинами волн 514 и 244 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как и для большинства углеграфитовых материалов (исключая монокристаллический графит и высокоориентированный пиролитический угле-
Y, эл./ион
50
150
250
350 Т, °С
Рис. 1. Температурная зависимость коэффициента ионно-электронной эмиссии при облучении стекло-углерода СУ-2500 ионами Аг+ с энергией 30 кэВ [16]. Пунктиром отмечены температуры, при которых измеряли спектры комбинационного рассеяния.
род), для стеклоуглерода, представляющего собой наноглобулярный турбостратный углеродный материал, спектры комбинационного рассеяния (КР) света отражают соотношение порядок—беспорядок в материале и содержат два основных пика: б-пик (пик графита) при волновых числах Ак =
= Xд1—ХКр, близких к 1580 см-1, и О-пик, обусловленный дефектностью кристаллической структуры при Ак ~ 1345 см-1 [11-14, 17]. Ионное облучение графита приводит к изменению КР-спектров образцов и позволяет судить о происходящей модификации материала [14]. Для стеклоуглеродов такие исследования малочисленны и проводились после облучения только при комнатной температуре ионами Хе с энергией 320 кэВ [18], ионами Sг с энергией 200 кэВ [19] с флуенсами не больше 1017 ион/см2. При флуенсах (2-6) х 1016 ион/см2 наблюдалось слияние пиков в широкую полосу.
Проведенное в данной работе сравнение КР-спектров стеклоуглерода СУ-2500 до и после высо-кодозного облучения ионами Аг+ с энергией 30 кэВ показало изменение спектров в результате облучения, существенно зависящее как от температуры Т, при которой осуществлялось облучение, так и от длины волны лазерного излучения. Температуры облучения выбирали на основании мониторинга ионного облучения и анализа температурной зависимости коэффициента у ионно-элек-тронной эмиссии (рис. 1) [16]. В случае облучения при температуре 60°С спектр комбинационного рассеяния представляет собой широкую куполообразную полосу (рис. 2). При температуре 140°С наблюдается разделение на О- и б-пики. Отметим, что эта температура превышает температуру дина-
I, отн. ед. 600
400|-
200
(а)
800 1000 1200 1400 1600 1800
Дк, см-1
I, отн. ед. 600
400
200 Ь
Дк, см
I, отн. ед. 600
400
200
0
Б
- > ■ к
II, д Г [ 1 л
/11 л /м /\\ 1111
1 1
I, отн. ед. 1200
800|-
400
(б)
800 1000 1200 1400 1600 1800
(в)
800 1000 1200 1400 1600 1800
Дк, см-1
(г)
800 1000 1200 1400 1600 1800
Дк, см-1
0
0
Рис. 2. Спектры комбинационного рассеяния для необлученных и облученных образцов с флуенсом 1018 ион/см2 и РЭМ-изображения облученных поверхностей при четырех температурах облучения: 60 (а); 140 (б); 250 (в); 350°С (г).
мического отжига радиационных нарушений Та, фиксируемую по ступенчатому увеличению хода температурной зависимости коэффициента у ион-но-электронной эмиссии (рис. 1), связанному с увеличением длины свободного пробега электронов при переходе от разупорядоченной структуры (аморфизация) графита при Т < Та к нано- или поликристаллической при Т >Та [20, 21]. Форма КР-спектра при 250°С практически такая же, как и при 140°С. При увеличении температуры до 350°С наблюдается более четкое разделение спектра на два пика, близких к D- и G-пикам, наблюдаемым в КР-спектре необлученного стеклоуглерода.
Проведенное в [16] при аналогичных условиях облучения СУ-2500 исследование структуры поверхности при помощи дифракции быстрых электронов на отражение показали, что после облучения при комнатной температуре наблюдается гало, типичное для сильно разупорядоченных поверхностных слоев (аморфизация). Для необ-лученной поверхности так же, как и при облучении вблизи Т < 250°С, наблюдаются размытые кольца. Дифракционные картины после облучения при Т > 250°С отличаются как от картин дифракции до облучения, так и от случаев, когда облучение проводилось при температ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.