Радиационные процессы при облучении заряженными частицами

Простейшей вид радиационного повреждения возникает в том случае, когда непосредственно взаимодействующие с излучением атомы получают энергию, лишь ненамного превышающую энергию смещения , и температура достаточно для того, чтобы межузельный атом или вакансия были подвижными. В этом случае повреждение представляет собой одиночные межузельные атомы и вакансии и все бомбардирующие частицы смешают лишь небольшую часть атомов. Для получения межузельного атома с нулевой подвижностью облучение следует проводить при очень низкой температуре, например, для металлов при 20⁰К. Равномерное распределение повреждений подобного типа можно получить в тонких образцах, облучаемых электронами или – квантами. Эксперименты этого типа представляют наибольшую ценность для изучения свойств простейших дефектов, таких как энергия активации миграции межузельных атомов и вакансии, влияние их на физические свойства твердого тела. Количество межузельных атомов (МУА) и вакансий в этом случае практически одинаково и может быть легко вычислено.

В другом случае атомы смещаются равномерно по всему образцу, образуя дефекты под влиянием облучения электронами и -лучами или быстрыми нейтронами, когда облучается вещество, состоящее из очень легких атомов, как графит. Равномерность смещений достигается здесь за счет малого сечения столкновений первично выбитых атомов с атомами решетки.

Рассматривая смещения, вызываемые более тяжёлыми заряженными частицами можно отмечать, что в интересующей области энергий ионизация частиц происходит в начале их пробега. Поэтому следует различать несколько этапов потери энергии во время замедления частиц. В указанной области энергий законы классической механики применимы для всех видов столкновений. При более высоких энергиях движущийся в твердом теле атом будет терять своих электронов и станет многократно ионизованным. В области высоких энергий электронами движущегося атома можно пренебречь и отнести столкновения между атомами к резерфордовскому типу. С уменьшением кинетической энергии движущегося атома снижается степень его ионизации и вместе с ней скорость потери энергии на возбуждение электронов. В конце концов, движущийся атом становится нейтральным и его энергия расходуется при столкновениях с атомами твердого тела, которые теперь могут считаться твердыми шарами, когда их электронное окружения уже не играет роли.

Энергия ионов, разгоняемых ускорителями, таких как альфа – частица, протоны, достигают 10-60 МэВ. При таких энергиях ядро движущегося атома взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов решетки твердого тела. Такое взаимодействие, осуществляемое между кулоновскими потенциалами, относится к разряду резерфордовских столкновений. Пусть заряд и масса движущегося и покоящегося атомов равны, соответственно, . Если скорость движущегося атома равно , то наименьшее расстояние , на которое движущийся атом приблизится к покоящемуся, можно определить из уравнения:

(3.16)

Средняя энергия, предаваемая выбиваемую атому при столкновении, равна

при , (3.17)

где (3.18)

Величина . Тогда по порядку величины равна нескольким сотням электрон-вольт. Средний свободный пробег между соударениями, которые приводят к смещению атомов,

равен

, (3.19)

где - сечение образования первичного смещения.

Атомы, выбитые в результате резефордовских столкновений, обладают достаточной энергией для образования других смещенных атомов. Полное число смещений в этом случае равно: