Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования электромагнитных эффектов в радиодиапазоне, наблюдающихся при механическом разрушении различных диэлектриков, проводятся, начиная с 60-х годов, с целью поиска электромагнитных предвестников разрушения и разработки методов неразрушающего контроля качества материалов. Образование свежих заряженных поверхностей при отслаивании полиморфных пленок от диэлектрических подложек (ЛА.Тюрикова ) при раскалывании кристаллов (Л.М.Беляев, В.В.Набатов, ГО.Н.Мартышев, В.М.Финкель, Ю.И.Головин, Н.Г.Хатиашвили ) или разрушении их лазерным лучом (К.П.Арефьев, СА.Воробьев, А.Д.Погребняк) сопровождаются радиоизлучением в результате газоразрядных процессов. За последнее десятилетие достигнуты значительные успехи в исследовании радиочастотной электромагнитной эмиссии при пластической деформации ионных кристаллов, связанной с динамикой заряженных дислокаций (Ю.И.Головин), при полиморфных и фазовых превращениях в гетерогенных кристаллических диэлектриках (В.Н.Сальников, П.Ф.Зильберман) и жидких кристаллах (Е.Г.Аксельрод, В.А.Добрин), при структурной релаксации в стеклообразных диэлектриках (М.Д.Бальмаков).
Воробьевым А.А., Завадовской Е.К., Сшіьниковьш В.Н. впервые было экспериментально обнаружено, что радиоизлучение возникает при нагревании минералов и горных пород в определенных температурных интервалах протекания физико-химических процессов : выделения слабосвязанной и конституционной воды (дегидратация), разрушения минерала вследствие взрыва газово-жидких включений (декрепитация), окислительно - восстановительных реакций, полиморфных превращений в кварце и кварцеодержащих породах. Несмотря на очевидную связь генерации радиоизлучения и процессов разрушения минералов и горных пород при нагревании и механическом воздействии, также отмечалось, что на отдельных минералах ( флюорите, кварце, пирите) наблюдается совпадение максимумов изменения электропроводности, термолюминесценции и интенсивности счета электромагнитных импульсов в области температур выделения запасенной энергии. Такие результаты не могут быть однозначно связаны только с адгезионно - когезионными явлениями при расщеплении, раскалывании или декрепитации твердых тел и предполагают участие электронных и ионных процессов при нагревании минералов без их разрушения. Последнее явление связано непосредственно с отжигом точечных дефектов в минералах и горных породах, но поскольку какие-либо теоретические и экспериментальные сведения о возможности генерирования радиоизлучения при этом процессе отсутствуют как в отечественной, так и в зарубежной научной литературе, то сам факт существования
термостимулированного радиоизлучения ставился под сомнение.
Изучение электромагнитных эффектов в радиодиапазоне, не связанных
с процессами разрушения материала, и определение основных
закономерностей их возникновения в этом случае необходимо
проводить с использованием достаточно хорошо изученных
кристаллов с ионным и ионно-ковалентным типом связи, в которых
моделируются дефекты структуры с помощью радиационного
воздействия. Эти диэлектрики могут служить модельными объектами
при изучении новых физических явлений и закономерностей,
свойственных не только этим типам кристаллов, но и присущих
большому классу диэлектрических материалов имеющих широкое
практическое применение, например, в качестве дозиметров,
оптических лазерных сред, конструкционных материалов,
работающих в полях ионизирующей радиации.
Исследование электромагнитных эффектов в радиодиапазоне при различных воздействиях на кристаллические диэлектрики позволяет не только расширить область изучаемых физических свойств, но и логически завершить весь спектр наблюдаемых электромагнитных явлений в твердых телах. Эти работы представляют собой новое перспективное направление в физике диэлектрических структур -радиочастотно-эмиссионную спектроскопию кристаллических диэлектриков.
Цель работы : исследование явления генерации
электромагнитной эмиссии при тепловом, оптическом и
радиационном воздействии на кристаллические диэлектрики путем детального изучения качественных закономерностей возникновения в радиочастотном диапазоне сигналов электромагнитной эмиссии вследствие преобразования и отжига радиационных дефектов в кристаллических и стеклообразных диэлектриках, определения характеристик электромагнитной эмиссии, условий и процессов, приводящих к ее генерированию, а также разработка методики регистрации наблюдаемых электромагнитных эффектов и определения возможностей метода электромагнитной эмиссии для исследования физико - химических свойств диэлектрических материалов.
Научная новизна. Установлено, что генерирование
электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне при тепловом, оптическом и радиационном воздействии на неорганические диэлектрики является их фундаментальным свойством.
Экспериментально показано, что генерирование различной по характеристикам сигналов электромагнитной эмиссии, возникающей в диэлектриках, обусловлено эволюцией, отжигом и взаимодействиями между собой объемных, линейных и точечных заряженных дефектов и
отражает динамику релаксационных процессов во временном интервале 20 нсек - 20 мсек.
Впервые экспериментально обнаружено генерирование
фотостимулированной электромагнитной эмиссии в радиационно и аддитивно окрашенных щелочногалоидных кристаллах и термостимулированной электромагнитной эмиссии в ЩГК, облученных при температуре жидкого азота; возникновение электромагнитной эмиссии связывается непосредственно с электронно-дырочными рекомбинационными процессами и носит квантовый характер.
Экспериментально установлено, что термоактивированное движение дислокаций в ионных кристаллах сопровождается электромагнитным излучением в радиодиапазоне, параметры которого определяются динамикой дислокаций.
Обнаружен эффект радиационной "памяти", заключающийся в проявлении остаточной дефектности после отжига радиационных центров окраски, в природных и синтетических кристаллических диэлектриках.
Разработана высокочувствительная методика регистрации сигналов электромагнитной эмиссии по электрической составляющей в радиодиапазоне частот до 50 МГц, позволяющая обнаруживать сигналы с амплитудой от 350 мкВ в широком интервале температур. Показано, что определяющее значение имеет согласование электрической антенны-датчика с измерительной схемой регистрации электромагнитных сигналов.
Практическая ценность работы определяется новыми
экспериментальными данными о процессах электрической релаксации в диэлектриках, которые определяются динамикой заряженных дефектов. Метод термостимулированной электромагнитной эмиссии применен для неразрушагощего контроль качества диэлектрических материалов и изделий с целью выявления макроскопических неоднородностей (пор, трещин, и т.д.), а также остаточной дефектности кристаллов, подвергавшихся ранее воздействию ионизирующей радиации, что следует учитывать, в частности, при восстановлении дозиметрических свойств детекторов ионизирующего излучения и оптических запоминающих сред на основе ионных кристаллов. Предложено использовать температурные зависимости генерирования сигналов электромагнитной эмиссии для изучения динамических параметров движения дислокаций в щелочногалоидных кристаллах при тепловом и термомеханическом воздействии. Разработан способ диагностики и дозиметрии пучка рентгеновского излучения.
Для Института Технического Стекла (г.Москва) разработаны рекомендации по использованию метода термостимулированного
радиоизлучения для контроля качества материалов и изделий из силикатного стекла с целью выявления в них технологических дефектов. На примере расчленения карбонатных пород палеозойского фундамента нефтегазовых месторождений Томской области по их радиационно-оптическим свойствам на основе эффекта радиационной "памяти", разработаны практические рекомендации для ПГО "Томскнефть", "Томскнефтегазгеология" и Томского комитета природных ресурсов при проведении поисково-разведочных работ на нефть. Результаты научных исследований внедрены в учебный процесс для чтения лекций и практических занятий со студентами по курсам "Физика твердого тела" и "Кристаллография".
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 32 работах и обсуждены на 27 научных конференциях, в том числе: на III Всесоюзной научно-технической конференции по термомеханическим методам разрушения горных пород (Днепропетровск, 1976); на Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и материалы квантовой электроники" (Москва, 1977); на IV и VI Всесоюзных симопзиумах "Оптические и спектральные свойства стекол" (Рига, 1977, 1986 ); на IV, VI, VII Всесоюзных и VII, IX Международных совещаниях "Радиационная физика и химия ионных кристаллов"( Рига, 1978, 1986, 1989; Томск, 1993, 1996); на Всесоюзном совещании "Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах" (Томск, 1982); на научной сессии Всесоюзного минералогического общества "Роль технологической минералогии в развитии сырьевой базы СССР" (Ленинград, 1983); на IV и V Всесоюзных и VI и VII Международных совещаниях "Радиационные гетерогенные процессы "(Кемерово, 1986, 1990, 1995, 1998); на X Юбилейном и XI Всесоюзных симпозиумах по механоэмиссии и механохимии твердых тел (Ростов-на-Дону, 1986; Чернигов, 1990), на I, II и III Томских Международных междисциплинарных школах - семинарах "Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде" (Томск, 1988, 1990, 1992), на Второй Международной научно - технической конфференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994), на ХШ Российском совещании по экспериментальной минералогии (Черноголовка, 1995), на Международной конференеции, посвященной столетию со дня открытия явления радиоактивности и столетию Томского политехнического университета "Радиоактивность и радиоактивные элементы в окружающей среде" (Томск, 1996), на Международной конференции "Закономерности эволюции земной коры" (Санкт-Петербург, 1996), на Международной научно -технической конференции "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, 1997), на Международной конференции "Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов" (Казань, 1997), на
научной конференции "Актуальные вопросы геологии и географии Сибири"( Томск, 1998), на Международной конференции "KORUS '98" ( Томск, 1998), на Международной конференции "Радиационно -термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 1998).
Кроме того, материалы диссертации обсуждались на научных семинарах в Институте физики АН Латвийской ССР (Рига), в Институте физики АН Эстонской ССР (Тарту), в Институте естественных наук Бурятского филиала СО АН СССР (г.Улан-Уда), в НИИ физики твердого тела при Латвийском госуниверситете, в НИИ прикладной физики при Иркутском госуниверситете, в Московском и Харьковском госуниверситетах, в НИИ синтеза минерального сырья (г.Александров), а Дальневосточном Институте минерального сырья (г.Хабаровск), в Забайкальском НИИ министерства геологии СССР (г.Чита), Институте физики при Ростовском госуниверситете.
Личный вклад автора. В основу работы положены результаты экспериментальных и аналитических исследований, полученные автором лично или при его участии. Автором лично определено стратегическое направление исследований. В подавляющем большинстве проводимых изысканий автором непосредственно формулировались исходные предпосылки, определялись цель работы и методы ее достижения, обобщались результаты и делались выводы. Автором разработана методика и создана экспериментальная установка для регистрации электромагнитной эмиссии в кристаллических диэлектриках при оптическом, тепловом и радиационном внешнем стимулирующем воздействии.
В работы, написанные в соавторстве, личный вклад автора является определяющим в формулировке исходных предпосылок постановке задачи исследования, экспериментальной части и обсуждении полученных результатов, разработке теоретических моделей и расчетов. При использовании и обсуждении разработок соавторов и других материалов делаются необходимые ссылки в тексте диссертации.
Объем и стуктура работы. Диссертация состоит из введения, 7
глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена
на 173 страницах текста, содержит 76 рисунков, 5 таблиц и
библиографию из 544 наименования.
Защищаемые положения.
1.Генерирование электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне является фундаментальным свойством неорганических диэлектриков и связано с образованием, эволюцией и отжигом объемных, линейных и точечных дефектов при их термическом, оптическом и радиационном возбуждении.
2.Термоактивированное движение заряженных дислокаций в
ионных кристаллах сопровождается генерированием
электромагнитной эмиссии, характеристики которой определяются процессами динамики дислокаций.
З.Электромагнитные эффекты в радиодиапазоне,
сопровождающие преобразование и отжиг центров окраски при фото-или термостимуляции, обусловлены электронно - дырочными рекомбинационными процессами.