P R O G R A M ZJAWISKA RADIACYJNE W MATERIAŁACH Coraz

Prof. dr hab. Bronisław Słowiński
Warszawa, 01.12.2008r.
PROGRAM
wykładu
ZJAWISKA RADIACYJNE W MATERIAŁACH
opracowany w ramach zadania nr 33 „Dostosowanie programu studiów na kierunku „Fizyka
Techniczna” do potrzeb gospodarki wynikających z zastosowania zaawansowanych metod i
technologii jądrowych w przemyśle, energetyce, medycynie i ochronie środowiska”, projektu
„Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej” finansowanego z Europejskiego Funduszu
Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki.
I. Wstęp i motywacja
Coraz więcej skomplikowanych urządzeń działa w warunkach intensywnej i/lub długo
trwającej radiacji różnego rodzaju, przy czym materiały aktywne tych urządzeń powinny
zachowywać odpowiednie właściwości: elektryczne, optyczne, mechaniczne, termiczne,
chemiczne itp. Działaniem promieniowania na rozmaite materiały można również uzyskać
pożądane zmiany ich właściwości. W szczególności, jeśli np. zmiany te są odwracalne, a dana
cecha materiału (termorezystancja, przezroczystość itp.) jest dostatecznie czuła na rodzaj,
dawkę i energię promieniowania, może on być wykorzystany jako detektor tego promieniowania. Ponadto możliwość naświetlania różnych materiałów dokładnie sterowanymi
monoenergetycznymi wiązkami jonów w pełnym zakresie ich liczby atomowej,
przyśpieszanych do energii od kilku keV/a do kilku GeV/a różnymi dozami (do 1019/cm2) i w
różnych warunkach termicznych i ciśnieniowych stanowi unikalną możliwość kontrolowanej
modyfikacji materiałów i wytwarzania w nich odpowiednich podstruktur, a także
eksperymentalnego modelowania zmian ich właściwości w skomplikowanych warunkach
radiacyjnych (np. w rdzeniu reaktorów jądrowych, czy w warunkach poza atmosferą
ziemską). Celem wykładu jest zaznajomienie studentów z różnorodnymi możliwościami
radiacyjnej fizyki materiałowej.
II. Oddziaływania międzyatomowe
Modelowe przybliżenie opisu oddziaływań międzyatomowych. Oddziaływania
pierwotne: kowalentne, jonowe i metaliczne. Oddziaływania wtórne: wiązania typu
wodorowego, oddziaływania Van der Waalsa. Rola tych oddziaływań w różnego rodzaju
materiałach. Typowe potencjały oddziaływania międzyatomowego, ich charakterystyki
przestrzenno-energetyczne, przykłady. Główny wkład różnych rodzajów oddziaływań do
czterech grup materiałów: metali i stopów, półprzewodników, polimerów, materiałów
ceramicznych i szkieł. Struktura wewnętrzna podstawowych grup materiałów, kompozyty.
Defekty punktowe, pary Frenkla, ich charakterystyki energetyczne.
III. Rodzaje i źródła promieniowania
Promieniowanie korpuskularne, rodzaje i charakterystyki. Źródła promieniowania
naturalnego. Akceleratory jonów i elektronów. Zasada przyśpieszania. Implantatowy,
cyklotrony, synchrotrony, przyśpieszacze liniowe elektronów. Wiązki promieniowania
neutronowego. Przykłady. Sterowanie wiązkami jonów. Naświetlanie w różnych warunkach
temperaturowych i ciśnieniowych.
IV. Zjawiska fizyczne towarzyszące oddziaływaniu szybkich jonów z ciałem
stałym
Oddziaływania szybkich jonów w ośrodkach amorficznych, polikrystalicznych i
krystalicznych: kinematyka zderzeń jonów swobodnych i związanych, potencjały
oddziaływania pomiędzy jonami, przekroje czynne. Straty energii jonów w ciele stałym.
Przybliżenie modelowe: zderzenia elektronowe, zderzenia atomowe, zakres ich przydatności
w funkcji prędkości jonów. Jakościowy opis mechanizmu oddziaływania jonu z atomami
ciała stałego. Opis analityczny hamowania elektronowego i strat energii jonu w zależności od
jego charakterystyk i właściwości materiału, działanie na materiał. Hamowanie atomowe i
jego cechy charakterystyczne, straty energii jonu, wpływ na strukturę materiału. Zasięgi
jonów w ciałach stałych. Depozycja energii, masy i uszkodzeń radiacyjnych. Przykłady.
Przenikanie jonów w ośrodkach krystalicznych i polikrystalicznych, zjawisko kanałowania,
blokowanie, amorfizacja. Działanie wiązki jonów na powierzchnię i warstwę wierzchnią
materiałów, rozpraszanie wsteczne, rozpylanie katodowe. Wykorzystanie zjawiska
rozpraszania wstecznego do badania składu warstwy wierzchniej materiałów. Przyczyny i
uwarunkowania powstawania defektów radiacyjnych. Dyfuzja i rekrystalizacja. Wpływ
temperatury ciała i intensywności wiązki jonów na ich migrację i rekombinację, powstawanie
klastrów i pęcherzy. Wygrzewanie.
V. Właściwości materiałów poddanych dużym dozom promieniowania
Pełznięcie, puchnięcie i kruszenie materiałów inżynierskich. Zjawisko
samoorganizacji w materiach i możliwość stabilizacji ich właściwości w określonych
warunkach termicznych i radiacyjnych.
VI. Pochłanianie promieniowania przez materiały
Warunki efektywnego pochłaniania promieniowania danego rodzaju w materiałach,
osłony radiacyjne. Oszacowanie efektywności działania osłon.
VII. Modelowanie penetracji jonów w ciałach stałych
Programy komputerowe modelujące zjawiska radiacyjne w ośrodkach gęstych (TRIM,
SRIM). Założenia fizyczne, zakres zastosowania, problemy. Przykłady zastosowań tych
programów.
VIII. Zastosowania implantacji jonów
Implantacja jonów jako metoda ściśle kontrolowanego działania promieniowania
danego rodzaju na konkretne materiały w konkretnych warunkach. Przykłady. Wytwarzanie
materiałów półprzewodnikowych i obwodów scalonych, obróbka powierzchni materiałów
(utwardzanie, pasywacja), modyfikacja właściwości elektrycznych, magnetycznych, optycznych, termorezystancyjnych i in. różnych materiałów, wytwarzanie cienkich warstw,
wygładzanie powierzchni, filtry jądrowe (produkcja, właściwości i zastosowanie), badanie
odporności na promieniowanie różnych materiałów. Rola poznawcza: doskonalenie opisu
oddziaływania szybkich jonów z atomami ośrodka. Rozliczne przykłady zastosowań studenci
prezentują na zajęciach w oparciu o podaną źródłową literaturę bieżącą.