ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 32-34
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО
- ЭКСПЕРИМЕНТА
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОЩНОСТИ ДОЗЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА В КАБЕЛЯХ С МИНЕРАЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ В УСЛОВИЯХ ИМПУЛЬСНОГО РЕАКТОРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. С. Е. Бендер, П. В. Деменков*, О. А. Плаксин*, В. А. Степанов*, В. М. Чернов*
ФГУП "НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (НТЦ "Синтез") Россия, 196641, Санкт-Петербург, пос. Металлострой, 3 *ГНЦРФ "Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского", Россия, 249033, Обнинск Калужской обл., пл. Бондаренко, 1 Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 23.10.2003 г.
Представлены результаты исследования уровня разделения заряда между жилой и оболочкой в кабелях с минеральной изоляцией с жилами из никеля и нержавеющей стали при облучении на импульсном реакторе БАРС-6 с мощностями дозы 3 ■ 103 и 4 ■ 103 Гр/с в диапазоне температур 270-650 К. Предложен механизм, объясняющий сложную температурную зависимость уровня радиационно-индуцированного разделения заряда.
В системе магнитной диагностики Международного термоядерного экспериментального реактора ITER планируется использовать стационарные индуктивные магнитные датчики (петли, магнитные зонды). В качестве основного конструкционного элемента магнитных датчиков и линий коммуникаций от датчиков до регистрирующей аппаратуры был выбран кабель с минеральной изоляцией КНМС (далее м.и.-кабель), достаточно широко используемый в атомной энергетике. Магнитные датчики в ITER находятся в условиях мощного нейтронного облучения (мощность нейтронного потока ф до 1019 нейтронов/м2с), у-облучений (мощность дозы PY до 103-104 Гр/с) и высоких температур (400-700 К). При воздействии ионизирующего излучения в металл-диэлектрических системах происходит разделение электрического заряда, возникновение э.д.с., протекание паразитных токов. В магнитных датчиках, изготовляемых из м.и.-кабелей, такие явления могут приводить к искажению сигналов измерений [1].
В данной работе измерена электрическая зарядка жил кабелей при облучении на импульсном реакторе БАРС-6 с мощностями дозы 3 ■ 103 и 4 ■ 103 Гр/с
в диапазоне температур 270-650 К. Кабели изготовлены из жил (никелевой N12 и нержавеющей стали 8з2), размещенных в трубе из нержавеющей стали, промежутки между которыми заполнены прессованной окисью магния (М§0). Характеристики кабелей представлены в таблице.
Облучение проводилось штатными импульсами длительностью 80 мкс (поток нейтронов в максимуме 1017 нейтронов/см2с), мощность поглощенной дозы регулировалась изменением расстояния от одной из активных зон. Мощность поглощенной дозы за счет упругих столкновений нейтронов (62%), поглощенных нейтронов (7%) и у-фотонов (первичных и вторичных - 31%) рассчитывалась с помощью сертифицированного кода МС№, с учетом конструкции реактора и реальной геометрии эксперимента.
Катушки с кабелями помещались в печь с нагревателем из нихрома, температура фиксировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары.
Результаты и обсуждение. Обработанные результаты измерений приведены на рис. 1. Видно, что зависимости наведенного заряда от температуры имеют немонотонный характер. Например,
Тип кабеля Длина Диаметр, мм Емкость облучаемой Удельная
(материал жилы) намотки, м жила оболочка (внутренний) части кабеля, пФ емкость, пФ/м
Ni2 (никель) 2.1 0.4 1.9 1240 590
Ss2 (нержавеющая сталь) 2.1 0.4 1.9 600 290
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОЩНОСТИ ДОЗЫ
33
х 10- 12, Кл/м
-50 -
-40 X \ \
\
\
-30 -
-20 -
-10 -
0 1
(а)
Ni2
х 10 -40
-30
-20
-10
0
-12
, Кл/м
-200 -150 -100 -50 0 50 100
t, мкс
250 300 350 400 450 500 550 600 T, K
Рис. 1. Температурные зависимости максимальных значений удельного наведенного отрицательного заряда на жиле кабеля Ni2 и Ss2 в условиях реакторного импульса. Мощности поглощенной дозы: 3 • 103 Гр/с -сплошная линия, 4 • 103 Гр/с - штриховая линия.
для кабеля Ni2 (мощность дозы 3 • 103 Гр/с ) до температуры 450 К происходит увеличение значений удельного наведенного отрицательного заряда на жиле в ~1.5 раза, после чего наблюдается резкое уменьшение наведенного заряда до температуры ~480-500 К. Далее виден рост значений от 500 до 550 К и падение наведенного отрицательного заряда в кабелях в 5-6 раз при температурах >600 К.
Как было показано ранее [2, 3], при невысоких интенсивностях облучения величина разделенного заряда определяется разницей работ выхода электронов из диэлектрика и металла. С ростом температуры эта разница падает, с чем, очевидно, связано общее уменьшение заряда на жиле при увеличении температуры выше 600 К. Немонотонность такого уменьшения свидетельствует о сложном характере температурных изменений барьеров в контактах металл-диэлектрик.
Работа выхода металлов слабо зависит от температуры, эта зависимость выражается формулой W = W0 - aT, где а принимает значения от 10-4 до 10-5 эВ/°С. Поэтому изменения эмиссионного
Рис. 2. Форма импульсов отрицательной зарядки жилы кабеля N12 в условиях импульсного реакторного облучения при различных температурах. Пунктирная кривая - форма реакторного импульса.
тока с температурой следует связывать с изменениями барьера выхода электронов из диэлектрика.
Известно, что на поверхности диэлектрика имеются локализованные состояния, влияющие на расположение уровня Ферми на поверхности диэлектрика. Такие состояния связаны с собственными дефектами диэлектрика. Можно полагать, что с ростом температуры вследствие термоэмиссии из металла на поверхности керамики возникает отрицательно заряженный слой, который, с одной стороны, создает барьер контактной разности потенциалов - барьер Шоттки, работающий в запирающем направлении, с другой стороны, отрицательный заряд в этом слое участвует в процессе радиационно-индуцированного разделения заряда в м.н.-кабеле. На рис. 2 можно проследить изменение формы импульсов отрицательного заряжения жилы кабеля N12 в условиях импульсного реакторного облучения с ростом температуры. При температурах >500 К возникает быстрая положительная компонента заряжения, которая приводит к смещению максимума отрицательного заряжения относительно максимума реакторного импульса. При температуре 545 К такое смещение составляет 30 мкс. Быстрое положительное заряжение жилы проявляется явно на кривых при температурах >600 К. Положительное заряжение необходимо связывать с током электронов из керамики в металл. Можно полагать, что механизм возникновения этого тока - радиационно-индуцированное разрушение заряженного отрицательно слоя на поверхности керамики.
Сложное температурное поведение радиационно-индуцированного разделения заряда в м.н.-ка-беле, по-видимому, вызвано особенностями формирования барьера Шоттки на поверхности кера-
3 ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
34
БЕНДЕР и др.
мики. Поверхность раздела между металлом и керамикой неоднородна, на ней существуют области с разной работой выхода. Между ними возникает контактная разность потенциалов и и электрические поля величиной ~и/Я, где Я - характерный размер неоднородностей. Эти поля создают дополнительные потенциальные барьеры для эмитируемых электронов, что делает зависимость тока от Т более сильной. Для керамики иерархия характерных размеров неоднородностей весьма богата, от 0.01 до 100 мкм. Термо- или радиационно-индуцированное разделение заряда на поверхности раздела металл-диэлектрик может приводить к возникновению разности потенциалов 0.1-1 В (типичные значения) и, следовательно, к возникновению полей до 104 В/см. Если первоначальный рост заряжения до 460 К можно связывать с перераспределением заряженных ловушек и формированием запирающих барьеров (рост работы выхода из диэлектрика в среднем), то резкое падение заряжения при 500 К, возможно, связано с термоактивированной диффузией локализованных на поверхности электронов и выравниванием потенциального профиля
как вдоль поверхности, так и между металлом и диэлектриком.
Таким образом, сложную температурную зависимость радиационно-наведенного на жилах кабелей Ni2 и Ss2 заряда можно связывать с процессами формирования вследствие термоэлектронной эмиссии из металла и разрушения на неоднородной поверхности керамики барьеров контактной разности потенциалов - барьеров Шоттки, которые включены в запирающем направлении. Общее уменьшение наведенного заряда следует связывать как с уменьшением при росте температуры работы выхода электронов из керамики, так и с возникновением дополнительной компоненты тока электронов с отрицательно заряженной поверхности керамики на металл.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shikama T., Yasuda K, Yamamoto S. et al. // J. Nucl. Mater. 1999. V. 271-272. P. 560.
2. Bender S.E., Chernov V.M., Demenkov P.V. et al. // Fusion Engineering and Design. 2001. V. 56-57. P. 911.
3. Bender S.E., Chernov V.M., Demenkov P.V. et al. // Plasma Devices and Operations. 2003. V. 11. № 3. P. 185.
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
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.