辐射化学-固态无机物的辐射效应-6寸.pdf

第六章 固态无机物的 辐射效应 在很早以前，人们就已观察到，在电离辐射作用下固 体物质产生的许多变化。熟知的例子是，云母在铀或 牡释放的辐射作用下产生多向色晕环；无色玻璃在电 离辐射作用下产生颜色，玻璃的变色作用已用作为固 体剂量计。一些有规则晶体结构的矿物，如硅铍钇矿， 可因辐射作用而变成无定形状态。20 世纪 40 年代， 反应堆工艺技术的发展推动了固体材料辐照效应的 研究，因为在反应堆中使用的材料必须能够经受高活 度辐射的长期作用。到了 60 年代，一些新技术领域 的兴起，要求越来越多的具有特殊性能的固体材料， 例如航天技术要求抗氧化，耐辐射，耐腐蚀的高温高 强度的材料。目前大约 70%的化学工业生产是依靠各 1 种具有特定表面化学活性的催化剂来进行的。辐射已 显示了对固体催化剂活性的影响，在辐射作用下，一 些固体催化剂的活性变化可以高达 1000 倍。离子注 入在金属、绝缘材料和化工材料等方面的研究也取得 了成就。离子注入引起材料表面性能(如硬度，摩擦系 数，耐磨性，抗氧化性，催化，性能以及光学性能等) 显著的变化，有些已取得工业应用。因此，辐射技术 不仅是研究固体材料性质的重要手段，而且是研制新 型材料的重要方法。预计固体材料的辐射改性将成为 引人注目的新课题之一。 电离辐射与固体物质相互作用与气体和液体的不尽 相同。在固体中，除了可由非弹性碰撞过程产生电离 和激发作用外，重粒子(质子，氘核和α粒子等)还可 使相当数目的原子从它们的正常位置位移，形成缺 陷。某些固体，如金属，电离和激发作用对其性能的 改变没有重要意义，而形成的结构的缺陷对材料性质 的改变则起着关键的作用。另一些固体，如离子晶体 和半导体材料，非弹性碰撞和结构的缺陷都对固体的 性质产生影响。因此，研究固体的辐射效应时，必须 注意结构缺陷的生成以及它们对固体的光学，磁学， 2 声学，力学，热学和化学性质等方而的影响。 第一节 结构缺陷及其对固体性 质的影响 当一个完善晶体温度在绝对温度零度以上时，晶体中 的原子在其平衡位置附近作热运动。温度升高时，原 子的平均动能随之增加，振幅增大。原子间的能量分 布是遵循 Maxwell 分布规律的。当某些具有比平均能 量大的原子，其能量足够大时，可以离开它们的平衡 位置而挤入晶格的间隙中，成为间隙原子，而原来的 晶格位置变成空位。这种一对对的间隙原子和空位也 是在不断的运动中，或者复合，或者运动到其它位置 上去。在晶体中同时产生的一对间隙原子和空位叫做 Frenkel 缺陷(如图 6-1 所示)。在晶体表面上也可发生 类似的过程，一些原子离开表而进入环境，在原来位 置上产生空位，晶体内部的原子可以运动到表面填补 这些空位，结果在内部产生空位(图 6-2) ，这种空位 3 称为 Shottky 缺陷。Shottky 缺陷是由相等数量的正离 子空位和负离子空位构成的。 电离辐射与固体物质相互作用时，非弹性碰撞过程传 递给介质的能量用于介质原子电离和激发，而弹性碰 撞传递给介质原子的能量用于增加它的动能。当晶格 点阵上的原子得到足够能量时，可以离开它们的正常 位置，形成 Frenkel 缺陷和 Shottky 缺陷。对于γ射 线，X 射线和电子，它们主要产生电离和激发作用， 但是，如果这些辐射具有较高的能量(如对于原子量为 50~100 的原子，辐射能量大于 0.5MeV) ，也可使少 量晶格点阵上的原子发生位移(表 6-1)。间隙原子常 常陷落在一个亚稳态位置上。在热振动影响下，间隙 原子可以返回到较稳定的位置，同时释放它的贮能。 贮能释放与温度有关，但是大部分贮能是在室温以下 释放的。对于金属，辐射产生的缺陷很易复合，因此 只有在低温下辐照才能观测到释放贮能。图 6-3 展示 了在 4K ， 用 1.2MeV 电子辐照(注量为 9 ×1017 电子 ⋅cm-2)的铜箔，能量释放与温度的关系。在 60K 以下 释放能量归因于间隙物进入邻近的空位或其它间隙 物移入较远的杂质陷阱等。在较高温度时，释放能量 4 过程可归因于间隙物