Упругое рассеяние нейтронов

Этот процесс наиболее вероятен при энергии нейтрона от 300 эВ. Происходит смещение атома из узла решетки. На практике такие нейтроны образуются при делении ядра атома U₂₃₅, энергия от 0,5 до 10 МэВ. Средняя энергия 1,5 МэВ, сечение взаимодействия практически не зависит от энергии.

Энергия, передаваемая атому, при энергии нейтрона менее 50 МэВ, аналогична случаю протонного облучения.

Из-за высокой проникающей способности нейтронов их рассеяние изотропно, и средняя энергия, передаваемая атому мишени при столкновении, может быть принята за ½ Е_аmax.

Энергия первично смещенных атомов в кремнии при нейтронном облучении составляет 100 кэВ. В реальных условиях реакторного облучения это число примерно в 8 раз меньше из-за спектра энергий нейтронов.

Считается, что атом всегда смещается из узла, приобретая энергию, большую пороговой энергии образования смещения Ed (для кремния 12,9 эВ). Это значение зависит от типа решетки (атомный вес, характер связи), температуры. При этом образуется дефект по Френкелю. При этом минимальная энергия нейтрона, при которой происходит смещение, составляет для кремния всего 100 эВ.

Так как для нейтронов спектра деления средняя энергия, передаваемая атому, много больше Ed, то смещенные атомы сами могут производить смещения, поэтому процесс носит каскадный характер, а общее число дефектов превышает число актов рассеяния нейтронов. В этом случае в решетке, наряду с простейшими дефектами, обычно образуются более сложные в виде областей разупорядочения.

Если энергия смещенного атома выше, чем некоторая энергия ионизации движущегося атома Ei, то происходит вторичный процесс ионизации смещенных атомов.

Ei = M/8m Eg.

Условие ионизации обосновал Зейтц, и оно означает равенство скоростей движущегося атома и орбитального электрона внешней оболочки. Для кремния Еi = 7,1 кэВ.

Таким образом, движущийся атом в основном теряет энергию на ионизацию, а при условии Ea=Ei – на упругие взаимодействия.

Неупругое рассеяние.

Нейтроны с энергией, недостаточной для проведения смещений (тепловые, энергия до нескольких сотен эВ), захватываются ядрами атомов в результате ядерных превращений. Это приводит к появлению в решетке химических примесей (трансмутационное легирование).

Практически процесс «холодного» легирования используется для InSb, CdS при протекании реакций:

In₁₁₅ – Sn₁₁₆, Cd₁₁₄ – In₁₁₅.

В последнее время применяется ядерно-трансмутационное легирование кремния при облучении тепловыми нейтронами для получения однородных свойств в результате ядерной реакции:

Si₃₀ +(n) = Si₃₁+ бетта-частица = Р₃₁.

Период полураспада Si₃₁ составляет 2,6 часа.

Основной недостаток – значительная наведенная радиактивность облученных пластин, что не позволяет использовать их в течение длительного промежутка времени, а также существенная нестабильность свойств облученных кристаллов.

Взаимодействие низкоэнергетического электронного излучения с твердым телом.

Механизмы потерь энергии.

Общие потери низкоэнергетического излучения, вызванные всеми видами рассеяния, описываются формулой Бете:

dE/dx = [Ne⁴/2p(ee_o)²](Zr/A)(1/E ln(1.66 E/ J), (кэВ/см),

где N – концентрация атомов в подложке, Z,А – атомный номер и атомный вес соответственно, r - плотность вещества, J =1,15 10^-2 Z (кэВ) – потенциал ионизации атома мишени.

В общем случае взаимодействие приводит к следующим эффектам:

– упругое рассеяние первичных электронов,

– образование Оже-электронов,

– образование вторичных электронов с низкой энергией,

– возникновение плазменных колебаний,

– световое излучение,

– катодная люминисценция,

– тормозное излучение,

– характеристическое рентгеновское излучение,

– ионизация атомов,

– переходное излучение,

– возбуждение индуцированных токов и напряжений в веществе.

Упругое рассеяние электронов характеризуется отражением части падающего пучка с той же энергией. Как правило оно сопровождается возбуждением фононов в решетке.

Ионизация твердого тела связана с передачей части энергии валентным электронам, достаточной для разрыва связей. При этом могут образовываться так называемые «горячие» электроны, что при высокой интенсивности излучения вызывает нагрев полупроводника. В металлах также возможен эффект нагрева при передаче энергии свободным электронам решетки. При этом свободные электроны могут синхронно возбуждаться падающим лучом, что приводит к появлению плазменных (коллективных) колебаний.

При возбуждении электронов внутренних оболочек может наблюдаться их эмиссия в свободное пространство. В этом случае первичным электроном на внутренней оболочке создается дырка, которая может быть заполнена либо электроном с соседней оболочки, либо валентным электроном. При этом могут возникать следующие процессы:

– дырка заполняется одним электроном, а второй эмиттируется (Оже-процесс),

– вместо эмиссии второго электрона испускается фотон – формируется рентгеновское излучение.

При соударении электронов с мишенью частицы, испускаемые мишенью, можно разделить на две группы: обратно рассеянные первичные электроны и истинно вторичные, образующиеся при энергии первичных электронов около 50 эВ в результате соударений их с электронами атомов мишени. Энергия истинно вторичных электронов около 3-5 эВ.

Рентгеновское излучение может иметь сплошной спектр при торможении электронов в поле ядра и взаимодействии их с валентными и свободными электронами. В этом случае формируется тормозное излучение. Доля интенсивности первичных электронов, преобразуемой в тормозное излучение, описывается выражением:

F = 7.10^-2 Z E_o (E_o - эВ).

Линейчатый спектр возникает в результате неупругого взаимодействия электронов пучка с электронами внутренних оболочек, что сопровождается характеристическим излучением.

Дата добавления: 2014-01-04