Моніторинг відновлення радіаційних дефектів в MgAl2O4 при відпалі методом оптичної спектроскопії
Анотація
Відома надзвичайна радіаційна стійкість монокристалів і кераміки магнієво-алюмінієвої шпінелі до нейтронного опромінення, але механізми, які її забезпечують, ще не з'ясовані. Опромінення кристалів швидкими електронами створює дефекти, частково подібні до дефектів при нейтронному опроміненні. Відмінність у руйнівній дії полягає в значному рівні іонізації при електронному опроміненні. Тому, для порівняння результатів опромінення різними джерелами необхідно визначати параметри радіаційних дефектів. Одним з них є температурні умови відновлення радіаційних пошкоджень. При опроміненні кристалів електронами з енергією 12,5 МеВ до флюенсу 6,8∙1016 е/см2 отримано концентрацію дефектів типу F-центрів 2,6∙1016 см-3 та V-центрів 3∙1017 см-3. Для визначення стану радіаційних дефектів у кристалах під час відпалу використовувались методи ТСЛ та оптичної абсорбційної спектроскопії. Оскільки відпал при температурах вище 900 К призводить до повного знебарвлення всіх оптично активних центрів, тому для визначення впливу відпалу при більш високих температурах кристали після відпалу опромінювали ультрафіолетовим світлом. При температурах вище 900 К починає зростати катіонне невпорядкування, але відпалу при 1010 К протягом 30 хвилин виявилося недостатньо для повного відновлення пошкоджень кристалічної гратки, створених електронним опроміненням. Це очікувано, враховуючи характерний час релаксації катіонного невпорядкування, який при цій температурі сягає 1000 годин. Однак підвищення температури відпалу до 1050 К, окрім відновлення радіаційних дефектів, створює помітну додаткову різницю в ТСЛ, ймовірно, за рахунок утворення комплексів із залишкових F-центрів. Однак визначення різниці між опроміненими і неопроміненими кристалами методом оптичної спектрофотометрії дає різницю в концентрації F-центрів на рівні 1015 см-3.
Завантаження
Посилання
F.A. Garner, G.W. Hollenberg, F.D. Hobbs, J.L. Ryan, Z. Li, C.A. Black, and R.C. Bradt, “Dimensional stability, optical and elastic properties of MgAl2O4 spinel irradiated in FFTF to very high exposures”, J. Nucl. Mater. 212–215, 1087–1090 (1994). https://doi.org/10.1016/0022-3115(94)91000-6
J.-M. Costantini, G. Lelong, M. Guillaumet, S. Takaki, and K. Yasuda, “Color-center formation and thermal recovery in X-ray and electron-irradiated magnesium aluminate spinel”, J. Appl. Phys. 124, 245901 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5055230
E.F. Daly, K. Ioki, A. Loarte, A. Martin, A. Brooks, P. Heitzenroeder, M. Kalish, C. Neumeyer, P. Titus, Y. Zhai, Y. Wu, H. Jin, F. Long, Y. Song, Z. Wang, R. Pillsbury, J. Feng, T. Bohm, M. Sawan, and J. Preble, “Update on design of the ITER in-vessel coils”, Fusion Sci. Technol. 64, 168–175 (2013). https://doi.org/10.13182/FST13-A18073
J. Delauter, J.C. Dekamp, A.F. Zeller, C.Y. Gung, and J.V. Minervini, “Magnetic testing of a superferric dipole that uses metal-oxide insulated CICC”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, 1092–1094 (2009). https://doi.org/10.1109/TASC.2009.2019217
D. Simeone, C. Dodane-Thiriet, D. Gosset, P. Daniel, and M. Beauvy, “Order-disorder phase transition induced by swift ions in MgAl2O4 and ZnAl2O4 spinels”, J. Nucl. Mater. 300, 151–160 (2002). https://doi.org/10.1016/S0022-3115(01)00749-8
T. Shikama, and G.P. Pells, “A comparison of the effects of neutron and other irradiation sources on the dynamic property changes of ceramic insulators”, J. Nucl. Mater. 212–215, 80–89 (1994). https://doi.org/10.1016/0022-3115(94)90036-1
S.S. De Souza, F. Ayres, and A.R. Blak, “Simulation models of defects in Mg Al2O4:Fe2+, Fe3+ spinels”, Radiat. Eff. Defects Solids. 156, 311–316 (2001). https://doi.org/10.1080/10420150108216911
C. Kinoshita, K. Fukumoto, K. Fukuda, F.A. Garner, and G.W. Hollenberg, “Why is magnesia spinel a radiation-resistant material?”, J. Nucl. Mater. 219, 143–151 (1995). https://doi.org/10.1016/0022-3115(94)00388-2
K. Yasuda, C. Kinoshita, K. Fukuda, and F.A. Garner, “Thermal stability and kinetics of defects in magnesium aluminate spinel irradiated with fast neutrons”, J. Nucl. Mater. 283–287, 937–941 (2000). https://doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00118-5
A. Lushchik, E. Feldbach, E.A. Kotomin, I. Kudryavtseva, V.N. Kuzovkov, A.I. Popov, V. Seeman, and E. Shablonin, “Distinctive features of diffusion-controlled radiation defect recombination in stoichiometric magnesium aluminate spinel single crystals and transparent polycrystalline ceramics”, Sci. Rep. 10, 1–9 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-64778-8
A. Lushchik, S. Dolgov, E. Feldbach, R. Pareja, A.I. Popov, E. Shablonin, and V. Seeman, “Creation and thermal annealing of structural defects in neutron-irradiated MgAl2O4 single crystals”, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms, 435, 31–37 (2018). https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.10.018
V.T. Gritsyna, and Y.G. Kazarinov, “Thermal stability of radiation-induced optical centers in non-stoichiometric spinel crystals”, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms, 250, 349–353 (2006). https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.04.136
M.I. Romanyuk, J.J. Hainysh, Y. Plakosh, V. Kovtun, O.M. Turhovsky, G.F. Pitchenko, I.G. Megela, M.V. Goshovsky, O.O. Parlag, V.T. Maslyuk, and N.I. Svatiuk, “Microtron M-30 For Radiation Experiments: Formation And Control Of Irradiation Fields”, PAST, 3, 137–143 (2022). https://doi.org/10.46813/2022-139-137
A. Lorincz, M. Puma, F.J. James, and J.H. Crawford, “Thermally stimulated processes involving defects in γ- and x-irradiated spinel (MgAl2O4)”, J. Appl. Phys. 53, 927–932 (1982). https://doi.org/10.1063/1.330562
Y. Kazarinov, V. Kvatchadze, V. Gritsyna, M. Abramishvili, Z. Akhvlediani, M. Galustashvili, G. Dekanozishvili, T. Kalabegishvili, and V. Tavkhelidze, “Spectroscopic studies of defects in gamma- and neutron-irradiated magnesium aluminates spinel ceramics”, PAST, 5, 8–13 (2017). https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2017_5/article_2017_5_8.pdf
V.T. Gritsyna, I. V. Afanasyev-Charkin, V.A. Kobyakov, and K.E. Sickafus, “Neutron irradiation effects in magnesium-aluminate spinel doped with transition metals”, J. Nucl. Mater. 283–287, 927–931 (2000). https://doi.org/10.1016/S0022-3115(00)00196-3
V.T. Gritsyna, I. V. Afanasyev-Charkin, Y.G. Kazarinov, and K.E. Sickafus, “Optical transitions in magnesium aluminate spinel crystals of different compositions exposed to irradiation”, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. 218, 264–270 (2004). https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.02.002
D.L. Dexter, “Absorption of light by atoms in solids”, Phys. Rev. 101, 48–55 (1956). https://doi.org/10.1103/PhysRev.101.48
Авторське право (c) 2023 Юрій Г. Казарінов, Іван Г. Мегела, Оксана М. Поп
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
