Введение к работе
Актуальность работы. Открытие и использование сверхпроводящих соединений выдвинуло перед физикой твердого тела широкий комплекс проблем по всестороннему изучению этих сложных объектов, в том числе по изучению их реальной макро- и микроструктуры, свойств и взаимодействию дефектов, их влиянию на сверхпроводящие свойства.
Потребности ядерной энергетики и космических программ, других отраслей
науки и техники, привели к тому, что за последние два десятилетия стало
реальностью использование сверхпроводящих материалов для создания
сверхсильных магнитных полей, кабелей, способных передавать большие потоки
энергии без потерь, мощных электрических генераторов и т.д. В связи с
открытием в 1987 году высокотемпературной сверхпроводимости, в частности,
соединения состава МеВа2Сиз07-х (Me - Y, Er, Gd и др.), все большее значение
приобретают сверхпроводники в области слаботочной электротехники и
электроники (СКВИДы, болометры, СВЧ-резонаторы, параметрические
преобразователи частоты). Реальностью стало создание
сверхбыстродействующих супер-ЭВМ и т.д. Все это явилось мощным стимулятором многочисленных экспериментов по изучению возможностей применения "новых" и "старых" сверхпроводящих соединений в устройствах, работающих в "жестких" условиях ( низкие температуры и облучение).
Понимание радиационного отклика сверхпроводящих соединений, в особенности новых, важно для предсказания "радиационного поведения" устройств, изготовленных из этих материалов. Кроме того, при изготовлении изделий немаловажную роль должна играть контролируемость имплантации различных примесей или создание дефектного слоя в кристалле (например, введение дефектов на глубину порядка длины когерентности, может влиять на центры пиннинга и, следовательно, изменять критический ток).
Все вышесказанное объясняет незатухающий интерес к исследованию как "старых" сверхпроводящих соединений, так и "новых".
Одним из информативных инструментов физики твердого тела, позволяющих получать информацию о дефектах (их структуре, взаимодействии), являются методы с использованием пучков тяжелых заряженных частиц. Наибольшее развитие получили методы, основанные на регистрации обратнорассеянных (ОР) частиц и характеристического рентгеновского излучения (ХРИ), в сочетании с ориентационными эффектами в монокристаллах (каналирование и эффект теней). Исследование дефектообразования в однокомпонентных материалах
4 (особенно при легировании), изучение взаимодействия дефектов с примесями, радиационно-стимулированнои диффузии и др. вскрыли большие возможности этих методов и дали в руки исследователей уникальный экспериментальный материал.
Вместе с тем, использование этих методов при исследовании дефектов в многокомпонентных соединениях сдерживается до сих пор отсутствием достаточно разработанной аналитической теории взаимодействия быстрых заряженных частиц с "бездефектной" и "дефектной" кристаллической решеткой, и необходимостью, в связи с этим, проводить сложные расчеты на ЭВМ. Это обусловлено сравнительно малым количеством экспериментальных работ по исследованию каналирования в многокомпонентных кристаллах и взаимодействия каналированных частиц с дефектами в кристаллах. Поэтому исследование многокомпонентных соединений методами, основанными на использовании ориентационных эффектов, является актуальным и с точки зрения развития самой методики.
Цель работы. Целью настоящей работы являлось получение информации о типах дефектной структуры, образующейся в сверхпроводящих соединениях УзБі и УВа2Сиз07.х при различных видах облучения и температурном воздействии, а также развитие методики исследования сверхпроводящих соединений методом каналирования в сочетании с обратным рассеянием и характеристическим рентгеновским излучением.
Для этого в работе решались следующие задачи:
отработка методики одновременного измерения энергетических спектров ОР частиц и квантов ХРИ в интервале температур 80-300 К;
отработка методики проведения облучения и измерения в одном цикле;
исследование особенностей изменения выхода продуктов взаимодействия анализирующего пучка с кристаллом V3Si в зависимости от дозы и типа облучения;
исследование особенностей изменения выхода продуктов взаимодействия анализирующего пучка с кристаллом YBa2Cu307.x в зависимости от флюенса облучения протонами;
исследование особенностей изменения выхода продуктов взаимодействия анализирующего пучка с кристаллом YBa2Cu307.x в зависимости от температуры кристалла.
Научная новизна
Отработана методика одновременного измерения ОР и ХРИ для многокомпонентных систем. Показана возможность качественного и полуколичественного определения типа собственных радиационных дефектов в рамках аналитического описания эффекта каналирования. Впервые экспериментально обнаружены осцилляции на "брустверах" угловых распределений POP частиц при плоскостном каналировании в УзБі, связанные с наличием разнотипных плоскостей. Впервые в рамках одной методики проведены комплексные исследования радиационных дефектов в сверхпроводящих соединениях при облучении р+ , n . Показано, что разный вид облучения приводит к разному типу дефектной структуры в облученных монокристаллах. Показано, что общепринятая модель радиационных дефектов в V3Si не объясняет экспериментально наблюдаемых изменений энергетических спектров POP частиц при каналировании в <100>, <110>, <111> кристаллографических направлениях.
Для монокристаллических соединений Y-Ba-Cu-О в области температур 270-200 К обнаружен немонотонный характер изменения в минимуме углового распределения ОР протонов, что однозначно свидетельствует о наличии структурных изменений в медь-кислородной подрешетке в этой области температур. Обнаружено аномальное изменение формы угловых зависимостей ОР протонов и ХРИ при температуре жидкого азота. Показано, что эти изменения можно объяснить формированием в объеме кристалла субструктуры монокристаллических микроблоков, разориентированных на один и тот же угол порядка одного градуса. Экспериментально обнаружен аномальный характер изменения угловых распределений ОР частиц при облучении ВТСП соединений протонами. Характер изменений качественно аналогичен изменениям угловых распределений при температуре жидкого азота. Т.е. можно говорить о схожем типе дефектообразования для разных видов воздействия на кристалл.
Практическая ценность: - полученные результаты способствуют более глубокому пониманию природы радиационного воздействия на многокомпонентные интерметаллические и ионные соединения, имеют важное практическое значение для изучения физической картины радиационных нарушений в поверхностных слоях монокристаллов, подвергнутых облучению потоками быстрых заряженных и нейтральных частиц;
полученные данные о природе радиационных дефектов могут быть использованы при прогнозировании поведения изделий из сверхпроводящих соединений (магниты, датчики) в полях излучений;
предложенная методика обработки энергетических спектров может быть использована при исследовании нарушений кристаллической решетки не только сверхпроводников, но и нормальных металлов, полупроводников и диэлектриков, а также для изучения фазовых переходов диэлектрик-сверхпроводник и полупроводник-диэлектрик.
Автор защищает:
методику и экспериментальные результаты исследования радиационных дефектов в сверхпроводящих монокристаллах V3Si при каналировании в <100>, <110>, <111> осевых кристаллографических направлениях;
методику расчета концентрации смещенных атомов;
экспериментальные результаты измерения выхода POP протонов при плоскостном каналировании в монокристаллах V3Si в зависимости от дозы облучения;
аналитическую модель обработки экспериментальных результатов для получения информации о типе образующихся радиационных дефектов;
модель радиационного дефектообразования в V3S1 при различных типах облучения;
экспериментальные результаты исследования характера изменения формы и параметров угловых распределений выхода POP протонов и ХРИ при каналировании в <100> направлении ВТСП соединения Y-Ba-Cu-O при тепловом и радиационном воздействии;
- модель образующейся дефектной структуры при тепловом и радиационном
воздействии.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на: Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (1981-1991 гг.); Всесоюзных совещаниях по высокотемпературной сверхпроводимости (1988-1991 гг.); Всесоюзном совещании по проблемам диагностики материалов ВТСП; Международном симпозиуме "Material Science for High Technologies" (Dresden, 1990)0; II Международной конференции on diffusion and defects in solids, USSR, 1991; 9-ой Международной конференции по физике и химии неорганических материалов (РФХ-9, Томск, 1996); ряде других Всесоюзных и региональных совещаниях и опубликованы в 43 работах.
7 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, изложена на 98 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 8 таблиц.
