Радиационные испытания материалов и изделий

1.

Радиационные испытания
материалов и изделий

2.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Радиационные поля космоса.
Изучение ядерных реакторов (АЭС), ускорителей технических установок.
Излучение ЯЦ.
Потоки ионов и плазмы двигателей системы ориентации КЛА и верхних слоев
атмосферы при движении в них ракет и спутников и т.д.
Существует система стандартов:
1. Требования по радиационной стойкости материалов.
2. Методики испытаний на радиационную стойкость.
3. Вспомогательные стандарты (методы измерений дозы, спектра частиц и др.).

3.

МЕХАНИЗМЫ РАДИЦИОННЫХ ОТКАЗОВ
1. Радиационные повреждения (образование радиационных дефектов).
2. Отказы, вызванные радиационным разогревом.
3. Пробои в результате образования электрических полей (термализация
заряженных частиц).
4. Ионизационные процессы (проводимость).
5. Процессы радиационно-стимулированной миграции атомов (тонкие пленки)
по поверхности и в объёме.
6. Радиационная эрозия поверхности.
7. Центры окраски, изменение оптических свойств вещества.
8. Образование термомеханических напряжений.
9. Фазовые превращения.
10. Радиолиз молекула (полимеры) и т.д.

4.

КОНЦЕПЦИЯ СЛАБОГО ЗВЕНА
Наиболее слабые в отношении радиационной стойкости:
- полевые транзисторы (и вообще полупроводниковые элементы);
- оптические системы фотоэлектронные устройства;
- микросхемы;
- многослойные тонкопленочные системы и т.д.
Очень стабильны в отношении радиационной стойкости:
- материалы, несущие механическую нагрузку;
- электронные приборы типа вакуумных ламп;
- силовая электроника и т.д.

5.

ТРИ МЕТОДА РАДИАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
а) натурные;
б) испытания с использование моделирующих установок;
в) математическое моделирование радиационных воздействий.
Преимущества и недостатки каждого из них:
Натурные испытания:
Пример 1. Активная зона ядерного реактора.
Пример 2. ЯВ:
Используется редко по причине дороговизны и длительности. Например:
θt~1023 н/см2.
1022
1013
≈ 109 с ~ 30 лет

6.

Испытания с использование моделирующих установок
Основное требование: надо создать (с помощью моделирующей установки) в
наиболее слабом звене такое воздействие (по типу и интенсивности
радиационных повреждений), как и в натурных условиях.
Пример 1. Нейтроны АЗ ЯР
Пример 2. Фактор ЯВ
Пример 3. γ-излучение технологических установок
Пример 4. ТЗЦ космоса.
Установки, используемые для радиационных испытаний
Нейтроны. ЯР, Ими ЯР- (параметры) параметры,…………..
Электроны: ускорители электронов. Типичные энергии и плотности тока.
γ. ЛИУ-15.
R: тормозное излучение.
Плазма.

7.

Применение мощных импульсных пучков заряженных частиц для
моделирования воздействия излучения ядерного взрыва (ЯВ)
Проведение подземных ЯВ для радиационных испытаний материалов и
изделий военного назначения связано с большими политическими,
экономическими, экологическими и моральными издержками. Вместе с тем,
пока ядерное оружие находится на вооружении армии хотя бы одной страны,
невозможно полностью отказаться от радиационных испытаний.
Исследованиями 70-80 гг. показано, что альтернативной технологией являются
с помощью мощных импульсных лабораторных излучательных установок, но
при этом возникает много проблем, связанных с несоответствием параметров
их спектральному распределению, изменению плотности потока частиц, их
спектральному распределению, изменению плотности потока частиц во
времени и т.д.).
Исследования показали, что наиболее эффективными средствами
моделирования излучений ЯВ являются импульсные ядерные реакторы и
наносекундные ускорители заряженных частиц. Основное преимущество
реакторов состоит в том, что они позволяют сравнительно легко обеспечить
поток нейтронов спектра деления, соответствующий по плотности и
длительности потоку нейтронов ЯВ. Главные недостатки - отсутствие
возможностей создать необходимую мощность дозы рентгеновского (103-105
эВ) и гамма-излучений (105-107 эВ), а также нейтронов, соответствующих
процессу термоядерного синтеза (107 эВ и более). Для решения этих задач
мощные импульсные ионные ускорительные системы могут быть более
предпочтительными.

8.

Наиболее важными вопросами в проблеме моделирования воздействия
излучений ЯВ являются следующие.
1. Создание импульсных источников нейтронов на базе сильноточного
микросекундного ускорителя протонов, способных обеспечить флюенс 1015
см2, энергию 0,1-14 МэВ, длительность импульса 1-50 мкс.
Примечание: длительность нейтронной вспышки ЯВ во много раз больше
фотонной вспышки из-за того, что нейтроны имеют широкое спектральное
распределение, и относительно медленные из них, в отличие от фотонов малых
энергий, летят до облучаемого объекта значительно дольше, чем быстрые.
Следует отметить, что существующие микросекундные ускорители протонов
могут обеспечить указанные выше требования, если их мощность повысить
примерно на 2-3 порядка.
2. Совершенствование высокоинтенсивных импульсных источников гаммаквантов, на основе которых сооружаются установки для промышленных
испытаний (15-150 нс, 1-10 МэВ, 1013-1014 р/с).
3. Создание мощных наносекундных источников фотонов с энергией 104-105 эВ
для имитации рентгеновской компоненты взрыва. Необходимо обеспечить
поток энергии на уровне 20-200 Дж за импульс. Это можно осуществить путем
торможения ускоренных электронов в тяжелой мишени. Здесь необходима
плотность тока на уровне 106 А/см2 при энергии частиц порядка 1 МэВ и
длительности импульса более 1 мкс.

9.

4. Создание источников мягкого рентгеновского излучения (102-104 эВ) с
использованием горячей плазмы или торможения электронов. В данной случае
необходимо обеспечить поток энергии, переносимой фотонами, на уровне 10103 Дж/см2.
5. Создание испытательной установки, позволяющей в относительно большом
объеме (примерно 103-104 см3) генерировать одновременно (в реальном
масштабе времени) все основные компоненты радиационного поля ЯВ, а также
электромагнитное поле, сопровождающее ЯВ.
6. Разработка методики радиационных испытаний, позволяющая использовать
существующие мощные импульсные источники ионизирующих излучений
(включая импульсные ядерные реакторы, ускорители электронов и ионов,
генераторы высокотемпературной плазмы т.д.) для имитации радиационных
повреждений, вызванных излучением ЯВ, на поверхности испытываемых
материалов и изделий. Несмотря на существующие различия в свойствах,
например, фотонов и электронов, нейтронов и тяжёлых ионов, в ряде случаев
удается с помощью моделирующих частиц создать радиационные
повреждения, близкие по своей природе, физическим параметрам и
концентрации к радиационным повреждения, обусловленным излучением ЯВ.

10.

7. Усовершенствование существующих и разработка новых методик диагностик
состояния твердых тел под воздействием радиационных полей ЯВ. Слабый
технический уровень существующих методик приводит к тому, что для
получения надежной и относительно полной информации требуется слишком
много опытов с использованием реальных ЯВ. Повышение качества методик
будет способствовать снижению интенсивности проведения этих
экспериментов.
8. Разработка компьютерных моделей для прогнозирования поведения
материалов и изделий электронов техники при воздействии излучений ЯВ.
Подобные модели позволяют существенно сократить объем испытательной
работы с применением реальных взрывов. С их помощью во многих случаях
можно производить оптимизационные расчеты параметров изделий для
повышения их радиационной стойкости. Есть и другие весьма важные задачи
методики, техники и технологии радиационных испытаний материалов и
изделий.

11.

Исследования последних лет, выполненные по данной проблеме в НИИ
ядерной физики при Томском политехническом университете, позволяют
надеяться на то, что некоторые задачи здесь могут быть решены. Наиболее
существенные результаты достигнуты в следующих разделах:
1. Генерация мощных наносекундных потоков фотонов в диапозоне энергия 104105 эВ для имитации рентгеновской компоненты радиационного поля ЯВ. В
настоящее время достигнут поток энергии примерно 5 Дж/см2 за импульс
длительностью 4·10-8 с на полувысоте. Причем, видимо, есть возможность
повысить эту величину в несколько раз. Выполненные спектральные
измерения, пространственное распределение экспозиционной дозы, изменение
ее мощности во времени и т.д. показали, что с помощью данной ускорительной
системы можно весьма успешно имитировать некоторые радиационностимулированные процессы в твердом теле, в частности, ионизационные
явления в изделиях электронной техники. Накопленный в институте опыт
позволяет создать установку, способную путем увеличения емкости
накопителя, улучшения электрических параметров контура и коммутационных
характеристик, оптимизации мишени существенно приблизить параметры ее
излучения к радиационному ЯВ, обеспечив таким образом проведение
радиационных испытаний без использования реальных ЯВ.

12.

2. Создание высокоинтенсивных нейтронных источников на основе ядерных
реакторов типа (p,n), (d,n) с использование мощных микросекундных
ускорителей ионов. Результаты, достигнутые к настоящему времени,
позволяют надеяться на то, что таким путем в будущем можно получить
флюенс нейтронов 1012-1015 см-2 за импульс. При этом мощность потока
нейтронов уже сейчас составляет 1018 см-2 с-1, а это примерно соответствует
радиационному полю реального ЯВ. Исследования показали, что подобные
испытания могут быть весьма полезными при радиационных испытаниях,
особенно если их использовать в комплексе с импульсными ядерными
реакторами. Они позволяют получать нейтроны с энергией около 10 МэВ,
которые практически отсутствуют в реакторе, но которых около 10% в
радиационном поле термоядерного взрыва.

13.

3. Изучение возможности замены нейтронов и фотонов ЯВ мощными
импульсными пучками соответственно тяжелых ионов и электронов с
условием, что облучение при радиационных испытаниях производится в
реальном масштабе времени. Возможность таких замен построена на
идентичности природы повреждений испытываемых материалов под
действием излучения ЯВ и моделирующей установки: например, с помощью
тяжелых ускоренных ионов можно производить в кристаллической решетке
смещенные атомы, концентрация которых близка к концентрации для случая
нейтронов ЯВ. Или с помощью электронных пучков можно обеспечить
поглощенную дозу, близкую к дозе под действием фотонов ЯВ. Но здесь
принципиально важным является требование обеспечить высокое качество
моделирования. С целью оценки этого качества необходимо вычислить
критерий подобия, характеризующий соотношение параметров радиационных
дефектов под действием излучений моделирующей установки и ЯВ. Методика
построения таких критериев, а также разработка может быть весьма полезной
при создании сравнительно дешевых и безопасных способов определения
радиационной стойкости изделий электронной техники, космических
аппаратов и т.д.

14.

4. Разработка методик определения состояния материалов и изделий электронной
и космической техники в процессе воздействия мощных импульсных
радиационных полей (измерение параметров температурных полей,
термомеханических напряжений, ионизационных процессов, явлений переноса
и т.д.). Качественная диагностика объектов при облучении позволяет
существенно сократить объем испытательной работы, в том числе с
применением реальных ЯВ.

15.

5. Компьютерное моделирование поведения материалов и изделий в процессе
облучения с экспериментальной проверкой полученных результатов. Опыт
разработки подобных моделей показал, что они очень эффективны для
приближенных оценок радиационной стойкости. Современный уровень
понимания природы радиационно-стимулированных физических процессов
таков, что подобные модели могут быть вполне надежными, хотя
одновременно и довольно сложными. Попытки внедрения их в практику
проектирования изделий и прогнозирования радиационной стойкости дали
весьма положительные результаты (в частности, был выполнен большой
комплекс работ в этом направлении в интересах электронной
промышленности). Модели позволяют не только предсказывать поведение
изделий в зависимости от условий облучения, но и оптимизировать их
технические и технологические параметры. Эта задача нам представляется
чрезвычайно важной и перспективной.

16.

6. Создание мощных импульсных источников электромагнитного поля,
имитирующих электромагнитное излучение ЯВ. Перечисление выше задачи, в
случае их решения, повысили бы доверие к лабораторным испытаниям и
компьютерным оценкам радиационной стойкости материалов и изделий без
использования реальных ЯВ.