ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 4, с. 6-12
УДК 537.534
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАСПЫЛЕНИИ СТЕКЛОУГЛЕРОДА МОЛЕКУЛЯРНЫМИ ИОНАМИ АЗОТА
© 2004 г. А. М. Борисов1, Ю. С. Виргильев2, В. В. Затекин1, В. С. Куликаускас1,
Е. С. Машкова1, А. С. Немов1
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
2Федеральное государственное унитарное предприятие "НИИграфит", Москва, Россия
Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Приводятся результаты исследования коэффициентов распыления У и ионно-электронной эмиссии у, элементного состава, топографии и кристаллической структуры поверхностного слоя стеклоуглеро-
да при высокодозном облучении (Б > 1018 см 2) ионами молекулярного азота N с энергией 30 кэВ. Найдено, что при нормальном падении ионного пучка У = 0.9 ат./ат.ион, что в 1.4 раза больше, чем для поликристаллического графита марки POCO-AXF-5Q. Температурная зависимость у обнаруживает скачок (при Та ~ 100°С), характерный для кривых отжига радиационных нарушений. Установлено, что топография поверхности, структура модифицированного слоя, концентрация внедренного азота, содержание примесей - водорода и кислорода - различаются при температурах выше и ниже температуры Та.
ВВЕДЕНИЕ
Углеграфитовые материалы находят все большее применение в различных областях физических исследований, техники и промышленности. В частности, их широко используют в действующих атомных реакторах и термоядерных устройствах, планируется использование в термоядерных и высокотемпературных реакторах [1, 2]. В связи с этим возникает потребность в исследовании характеристик таких материалов в зависимости от условий облучения потоками нейтронов и ионов. Изучению воздействия на углеграфитовые материалы нейтронного облучения и легких ионов уделялось и уделяется большое внимание [1-4]. Исследований воздействия на графитовые материалы тяжелых ионов, в частности ионов азота, недостаточно. Данная проблема представляет не меньший интерес и в связи с попытками создания новых материалов на основе бинарной системы С-К [5, 6].
Стеклоуглерод отличается от поликристаллических графитов, принадлежащих к так называемым графитирующимся материалам, в которых основной структурной единицей является сферо-лит, состоящий из пачек слоев, исходящих из его центра. Центральный участок - ядро сферолита -может оказаться полностью аморфным и при определенных условиях стать причиной образования поры. Способность к упорядочению графитирую-щегося материала зависит от размеров отдельных пачек слоев, их упаковки в сферолитах и взаимной
ориентации. Стеклоуглерод по структурной классификации принадлежит к неграфитирующимся материалам [4, 7]. Его получают путем карбонизации некристаллизующихся сетчатых полимеров в результате проведения последовательных стадий - отверждения, пиролиза и высокотемпературной обработки. На микроструктурном уровне стеклоуглерод представляет собой глобулярно-ячеистую (сотовую) конструкцию. Первичными элементами в ней являются слабо связанные между собой изотропные глобулы размером 10-30 нм в поперечнике с турбостратной структурой, содержащие внутри пору. Такая внутриглобулярная или структурная пористость возрастает с повышением температуры обработки от 12% при 1300°С до 22% при 2500°С [4]. Глобулы и их комплексы покрыты ориентированной (текстурированной) высокосовершенной пленкой толщиной 10-15 нм, содержащей нанокристаллиты. Размер кристаллитов в базисной плоскости углеродных гексагонов Ьа не превышает 6 нм, толщина пакетов вдоль оси с Ьс - 1-5 нм. Между беспорядочно переплетенными углеродными лентами находятся замкнутые межглобулярные поры игольчатой формы, соответствующая пористость составляет 4-7%. Из-за своих уникальных свойств - высокой микротвердости, прочностных характеристик и термостойкости, газонепроницаемости и химической инертности к большинству агрессивных сред - стеклоуглерод находит все большее применение [4, 7].
При ионном облучении по данным дифракции электронов в поликристаллических графитах происходит переход от разупорядоченной структуры поверхностного слоя при температурах, близких к комнатным, к типичной для поликристаллов структуре при повышенных температурах (Т > 200°С) [8]. При этом на температурной зависимости коэффициента ионно-электронной эмиссии наблюдаются ступеньки, характерные для кривых отжига радиационных нарушений.
Исследование модификации структуры стек-лоуглерода под действием бомбардировки тяжелыми ионами (30 кэВ N) предпринято в работе [9]. Рентгеновский анализ подтвердил, что материал соответствует неграфитизированным углеродным материалам [4]. Положения максимумов рентгеновских диффузных гало примерно соответствуют положению рефлексов для поликристаллических графитов. Дифракционная картина электронов с энергией 50 кэВ, полученная от поверхности необлученной зоны образцов, содержит так же, как и рентгеновские дифрактограммы, три диффузных гало. Облучение стеклоуглерода ионами азота приводит к изменению контрастности гало, которая уменьшается в случае облучения при комнатной температуре и, наоборот, увеличивается при повышенных (~ 400°С) температурах облучения. Найденные изменения дифракционной картины быстрых отраженных электронов связаны, вероятно, с радиационным разупорядочением материала при комнатных температурах и упорядочением его структуры при повышенных температурах облучения. Показано также, что для мониторинга структурных изменений материала непосредственно в процессе его облучения эффективным является контроль ионно-электронной эмиссии.
В настоящей работе проведена оценка коэффициента распыления У, исследована температурная зависимость коэффициента ионно-электронной эмиссии у, исследовано влияние температуры образца на элементный состав и топографию динамически равновесного поверхностного слоя стеклоуглерода из той же, что и в работе [9], серии образцов материала при высокодозном (Б > 1018 см-2) облучении ионами азота N с энергией 30 кэВ и проведено сравнение с результатами, полученными ранее для поликристаллических графитов.
МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Облучение мишеней проводили на масс-моно-хроматоре НИИЯФ МГУ [10]. Мишени закрепляли в камере столкновений на держателе с нагревателем, позволяющем изменять температуру мишеней от комнатной до 1000°С, а также варьировать углы падения ионов на мишень в пределах
от 0° до 89° [11]. Образцы стеклоуглерода (производства НИИграфит) имели форму прямоугольных пластинок с размерами 15 х 10 х 2 мм, плотность р = 1.5 г/см3. Подготовка образцов включала ультразвуковую очистку, промывку в этаноле и вакуумный отжиг. Облучение проводили молекулярными ионами азота N+ с энергией 30 кэВ и плотностью тока j = 0.1-0.3 мА/см2, поперечное сечение пучка 0.35 см2, флуенсы облучения составляли 1018-1019 см-2, учитывая, что при взаимодействии молекулярных ионов азота с поверхностью происходит практически их полная диссоциация [10].
Как и при предыдущих измерениях коэффициента распыления поликристаллических графитов (МПГ-ЛТ и POCO-AXF-5Q) [12], предполагалось определять его по потере веса мишени и дозе облучения. Напомним, что основные трудности при этих измерениях связаны с сорбционными свойствами углеграфитовых материалов. Сорбция газов, основным компонентом которых являются пары воды, является объемной и характеризуется удельным значением Am/m, где увеличение массы Am, приходящееся на единицу массы материала, варьируется для различных сортов углеграфитовых материалов от примерно 40 до 2 ■ 103 мкг/г [13]. Как отмечалось выше, предварительная обработка образцов включала вакуумный отжиг. При этом происходит частичное обезгаживание материала. Восстановление веса образцов после отжига при экспозиции на воздухе в зависимости от сорта материала длится от нескольких десятков минут до нескольких дней. Для образца стеклоуглерода с массой m = 0.7 г после отжига в вакууме в течение часа при температуре T = 350°C уменьшение веса составляло ~ 2 мг, что соответствует удельному изменению массы Am/m ~ 3 ■ 103 мкг/г. Измерения показали также, что восстановление веса образцов стеклоуглерода при экспозиции на воздухе происходит значительно медленней, чем для поликристаллических графитов, и длится несколько дней. Это, вероятно, связано с тем, что стеклоуглеродные материалы характеризуются очень малой открытой пористостью ~ 1% при высокой общей, в основном закрытой пористости от 25 до 45%, когда процессы сорбции и обезгажива-ния определяются диффузией газов через стенки пор.
Измерение коэффициентов распыления углеграфитовых материалов по потере веса мишени включает процедуру стабилизации их веса на воздухе после ионного облучения. Так, в измерениях Y при облучении поликристаллических графитов (МПГ-ЛТ, POCO-AXF-5Q, МПГ-8) стабилизация веса требовала времени 1-1.5 ч. Для стеклоуглерода время стабилизации для измерений методом потери веса оказалось вне резерва времени эксперимента. В связи с этим обстоятельством был ис-
пользован коллекторный метод: сравнивались толщины осадков распыленного вещества на стеклянных коллекторах при одинаковых условиях облучения образцов стелкоуглерода и РОСО-AXF-5Q, для которого коэффициент распыления был получен ранее весовым методом [12].
Коэффициент ионно-электронной эмиссии определяли как отношение тока электронов к току первичных ионов с приборной погрешностью ~2%. Приводимые ниже значения у соответствуют равновесным значениям, когда они перестают зависеть от флуенса облучения [12, 14].
Исследования образцов стеклоуглерода включали анализ топографии поверхности с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) в микроскопе 31егео8саи 240, а также элементный анализ методами резерфордовского обратного рассеяния (РОР) и спектрометрии атомов отдачи ионов с использованием пучка ионов He+ с энергией 1.52 МэВ на электростатическом ускорителе ЭГ-8 НИ-ИЯФ МГУ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как было отмечено выше, коэффициент распыления У стеклоуглерода измеряли сравнительным коллекторным методом. Оказалось, что при нормаль
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.