В.В.Ганн, А.Н.Довбня, В.И.Дубинко, Ю.Т.Петрусенко, Г.Д.Пугачев, ННЦ ХФТИ М.А.Красноголовец, ХГТУРЭ, Харьков, Украина
В настоящее время ускорители электронов широко используются в промышленности для получения материалов с новыми свойствами, а также для стерилизации изделий и консервирования продуктов длительного хранения. Создание современных радиационных технологий модификации свойств материалов и изделий для электронной, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности связано с необходимостью дальнейшего развитие исследований взаимодействия частиц и излучений с материалами.
Данная работа имеет двоякую цель. С одной стороны она является продолжением исследований фундаментальных проблем радиационной повреждаемости материалов ускоренными электронами, с другой - является частью научного сопровождения работ по технологическому применению мощных электронных пучков для модификации свойств материалов. В работе описан пакет программ для метрологического обеспечения как научных исследований по радиационной физике твердого тела, так и развития радиационных технологий, использующих пучки электронов низких и средних энергий.
Электронный пучок является наиболее чистым инструментом для создания и изучения поведения радиационных дефектов в материалах. При рассеянии электронов в тв╦рдом теле возникают ядра отдачи; в том случае, когда энергия ядра отдачи превышает характерную для данного материала пороговую энергию смещения Ed , выбитый атом уже не возвращается в свой узел кристаллической реш╦тки. Смещ╦нный атом, затормозившись, останавливается в междоузельной позиции, а на месте выбитого атома в реш╦тке образуется вакансия. Если энергии первично выбитого атома (ПВА) превышает 2Ed, то ПВА сам оказывается способным смещать другие атомы; возникает каскад атомных столкновений, причем, общее количество смещ╦нных атомов в каскаде возрастает с увеличением энергии ПВА.
Большая часть образованных в каскаде междоузлий и вакансий взаимно рекомбинирует на ранней стадии эволюции каскадной области повреждений. Часть выживших точечных дефектов объединяются в неподвижные кластеры междоузельного или вакансионного типа, оставшиеся одиночные междоузлия и вакансии в результате термической диффузии покидают каскадную область и, свободно мигрируя по кристаллиту, уходят на границы з╦рен, дислокации, поры, выделения других фаз, рекомбинируют со свободно мигрирующими дефектами противоположного знака или вступают в реакции с другими элементами микросруктуры. Именно свободно мигрирующие дефекты являются причиной тех серь╦зных изменений, которые происходят в материалах под действием облучения. Поэтому определение эффективности образования свободно мигрирующих дефектов является актуальной задачей физики радиационных повреждений.
Для оценки влияния электронного облучения на свойства материалов в пакет программ был включ╦н блок расчета сечений образования смещ╦нных атомов и общего количества радиационных дефектов (дозы повреждений в смещениях на атом), созданных в материале при различных режимах электронного облучения [3].
В данной работе обсуждаются новые возможности исследования зависимости эффективности дефектообразования от энергии первично выбитых атомов в металлах. Облучение электронами с энергиями в интервале от 1 до 40 МэВ является наиболее подходящим для этих целей, поскольку электроны с энергиями до 3 МэВ создают только
изолированные смещения, в то время как электроны более высоких энергий создают в каскадах смещений как точечные дефекты, так и их скопления благодаря тому, что доля высокоэнергетических ПВА быстро возрастает с увеличением энергии пучка.
Наши расчеты (см. рис. 2) показали, что, например, в меди, облученной электронами с энергией ниже 5 МэВ, доля радиационных дефектов, образованных ПВА с энергиями выше 1 кэВ совершенно незначительна, в то время как при энергиях электронов выше 5 МэВ доля таких дефектов быстро увеличивается и достигает 50% при энергии электронов 40 МэВ.
Когда энергия электрона превышает 20 МэВ, появляется значительная доля ПВА с энергией более 10 кэВ, для которых каскады могут разделяться на субкаскады.
В физике радиационных повреждений имеется две важных проблемы: 1) какова скорость образования свободно мигрирующих дефектов и 2) какова скорость образования первичных кластеров в каскадах, прич╦м, необходимо знать, как эти величины зависят от энергии ПВА.
Анализ зависимостей различных радиационных эффектов от энергии электронов позволяет ответить на эти вопросы. Измерения остаточного сопротивления и спектров отжига дефектов после облучения при температурах ниже стадии I (или III) позволят определить зависимость концентрации межузлий и межузельных кластеров (или вакансий и вакансионных кластеров) от энергии электронов.
Измерения микротвердости и исследования методом внутреннего трения позволит разделить вклады вакансионных кластеров, дислокационных петель и примесей.
Теоретические методы позволяют преобразовать интегральные зависимости радиационных эффектов от энергии электронов в парциальные зависимости от энергии ПВА.
Таким образом, исследования радиационного воздействия на металлы электронов с энергиями от 1 до 40 МэВ позволяет определить зависимость эффективности образования как свободно мигрирующих дефектов, так и дефектных комплексов, от энергии ПВА.
С целью научного сопровождения технологических работ был создан комплекс программ для компьютерного моделирования процессов взаимодействия пучка электронов с многослойными и многокомпонентными материалами в виде изделий конкретной формы[1].
С его помощью были проанализированы характеристики пучков линейных электронных ускорителей, режимы работы е-g конвертеров, методы формирования и вывода пучков на мишени для решения конкретных технологических задач. Движение электронов в мишени моделировалось методом Moнтe-Kapлo[5],
моделирование нестационарных температурных полей, а также полей механических и термоупругих деформаций, проводилось методом конечных элементов. Комплекс программ содержит блоки расчета пространственных распределений энерговыделения, дефектообразования[2],
температурных и термоупругих полей, и позволяет описывать процессы нагрева и охлаждения мишени при электронном облучении с учетом импульсности, режима сканирования, размеров и формы пучка, а также геометрии облучаемых объектов.
Рассмотрим проблемы, возникающие при разработке технологического процесса стерилизации медицинского инструмента с использованием ускорителя электронов. В работе рассмотрена типичная конструкция мишенного комплекса и технологическая схема облучения: электронный пучок падает сверху и сканирует упаковки с медицинским инструментом, которые двигаются по двум транспортерам во взаимно противоположных направлениях.
Упаковки облучаются с одной стороны, в дальнем конце транспортера они переворачиваются и перемещаются на второй транспортер, вторично проходят под пучком и облучаются с другой стороны.
Были рассмотрены упаковки в виде ящиков размерами 49 х 21 х 29 см со средней плотностью 0,11-0,16 г/см3, из материала, состоящего, в основном, из углерода, облучаемые сканирующим пучком электронов с энергиями 6 - 10 МэВ при пилообразной форме развертки с максимальным углом отклонения пучка 0,3 радиан.
Основной задачей оптимизации технологического процесса является подбор параметров пучка и режима облучения, которые обеспечили бы однородность пространственного распределения
поглощенной дозы на уровне не хуже 15%. Выбор режимов облучения может быть произведен эмпирическим путем, однако, это требует постановки большого количества дорогостоящих контрольных экспериментов, поэтому в данной работе оптимизация значений параметров пучка и режимов облучения проводилась методом компьютерного моделирования.
Режим сканирования пучка должен обеспечивать однородность энерговыделения в мишени вблизи ее поверхности. При малых углах развертки наиболее подходящей является пилообразная форма зависимости угла отклонения пучка ф от времени t,
состоящая из прямолинейных отрезков типа ф = kt.
При больших углах развертки для достижения однородности следует использовать более сложную форму развертки, состоящую из криволинейных
Известно, что распределение поглощенной дозы в мишени неоднородно, причем неоднородность возрастает с глубиной. Это связано с несимметричным расположением мишени относительно оси пучка, с большой угловой расходимостью пучка и краевыми эффектами ухода частиц через боковые грани упаковки.
При облучении с двух сторон распределение дозы в мишени более однородно. Оставшаяся неоднородность может быть устранена подбором параметров пучка для каждого вида облучаемых объектов и усложнения технологической схемы облучения, в частности, путем установки боковых отражателей рассеянного излучения.
Рассчитана зависимость коэффициента неоднородности поглощенной дозы от энергии пучка и плотности материала для выбранной толщины мишени, геометрии пучка и схемы облучения. Компьютерное моделирование позволяет также определить коэффициенты использования мощности пучка в рассмотренных случаях.
Для ряда приложений (где важен интегральный эффект облучения) достаточно знать лишь усредненные по времени характеристики, в других случаях, когда оказываются важными термические и термоупругие эффекты, необходимо учитывать импульсный характер облучения.
В рассматриваемом случае имеется три источника нестационарности облучения: первый связан с временем пребывания заданной точке упаковки под пучком (порядка 1 с), второй - с частотой сканирования 3.1 Гц и третий - с частотой следования импульсов ускорителя 300 Гц.
В работе рассчитана зависимость интенсивности излучения в фиксированной точке на поверхности мишени от времени. Показано, что пространственное распределение и временная зависимость интенсивности излучения (а следовательно, и поглощенной дозы) имеют сложный характер.
Моделирование нестационарных температурных полей, а также полей механических и термоупругих деформаций проводилось с использованием как стандартных методов теории сплошных сред, так и численного метода конечных элементов, с учетом импульсности пучка и режима
сканирования. Получена зависимость от времени температуры внутри сферического кристалла, охлаждаемого с поверхности потоком воды, при включении пучка и после достижения стационарного режима. Показано, что имеет место заметный перепад температур между внутренней областью и поверхностью кристалла, а также наблюдаются скачки температуры, обусловленные импульсностью пучка и характером сканирования.
Неоднородное распределение температуры вызывает в материале термоупругие напряжения[4]. Циклический характер этих напряжений может приводить к усталости материала и развитию трещин.
В работе описан комплекс программных средств для метрологического обеспечения радиационных технологий и исследований по радиационной физике твердого тела с использованием мощных пучков электронов низких и средних энергий.
Проведена оптимизация режимов облучения объектов на выходе технологического ускорителя электронов с целью обеспечения заданной степени однородности распределения поглощенной дозы при минимальных затратах энергии электронного пучка.
. Вдоль поверхности мишени возникает также периодическая неоднородность энерговыделения, которая определяется конечными размерами пучка, скоростью движения объекта и частотой сканирования пучка. Эта неоднородность максимальна вблизи точек поворота развертки пучка. Для рассматриваемого режима облучения эта неоднородность составляет 0,6%.
Выводы.
ЛИТЕРАТУРА.