2018
ФИЗИКА И ХИМИЯ СТЕКЛА Том 44, ¹ 3
© Муссаева Ì. À., Ибрагимова Ý. Ì., Бузриков Ø. Í.
РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ
В ОБЛУЧАЕМОМ ЭЛЕКТРОНАМИ ЩЕЛОЧНО-СИЛИКАТНОМ
СТЕКЛЕ
Институт ядерной физики Академии наук,
Узбекистан, 100214, Òàøêåíò, ïîñ. Улугбек
e-mail: ibragimova@inp.uz, mussaeva@inp.uz
Исследовано формирование локализованного заряда при электронном
облучении бесцветного силикатного стекла, содержащего Na, K и Ва. Облучение
проводили в режиме стерилизации на воздухе при комнатной температуре
на ускорителе электронов «Электроника У-003» (средняя энергия 4 МэВ).
Интегральный флюенс накапливался в 6 этапов последовательного облучения
от 1.8 · 1013 до 1.8 · 1015 ýë/ñì2, что соответствовало экспозиционным дозам от
0.3 до 30 МР. Облучение создает стабильную темнокоричневую окраску стекла,
которая защищает лекарственные препараты от воздействия света. В спектрах
поглощения обнаружен зависящий от накопленной дозы красный сдвиг
края поглощения от 300 до 500 нм, характерный для заряженных металлсодержащих
наночастиц размером до 20—30 íì.
Ключевые слова: щелочно-силикатные стекла, облучение электронами,
спектры поглощения, центры окраски, наночастицы металла.
Введение. Силикатное стекло широко используется как химически инертный материал
для флаконов и ампул, вмещающих жидкие лекарственные препараты. При
стерилизации в г-источниках и особенно в ускорителях электронов важно знать как
изменяются параметры ионизирующего излучения при прохождении через стекло
толщиной 1—2 мм, чтобы оценить качество стерилизации медикаментов.
Одной из проблем физики конденсированного состояния и микроэлектроники является
снижение диэлектрической постоянной k между слоями микросхем. Силикатные
стекла, имеющие низкую величину k, используют как межслойный диэлектрик.
Снижение k можно достичь уменьшением показателя преломления n путем создания
межфазных границ в стекле с порами или инородными включениями в процессе спекания
стекла или радиационного воздействия. В работе [1] сообщается, что при облучении
нанопористого силикатного стекла электронами с энергией 20 кэВ дозой
20 ìÊë/ñì2 значительно усиливается люминесценция в полосах 500—700 и 900—
950 нм из-за увеличения количества связей Si—H и Si—OH при растекании электронов
по сквозным порам стекла. Авторами [2] экспериментально исследована модификация
приповерхностных слоев силикатного стекла К8, содержащего оксиды B,
Na, K, Ba, при воздействии пучков электронов с энергией 20—50 кэВ дозами 20—
50 мКл/см2. В приповерхностном слое стекла формируется градиентный оптический
волновод с увеличением показателя преломления на оси волновода до значений
Поступило 21 сентября 2017 ã.
217
Стр.1
Дn = 0.01—0.04. Показано, что послойный рост и снижение показателя преломления
в глубинных слоях стекла вызваны миграцией ионов щелочных металлов в область
отрицательного объемного заряда и структурным разрушением сетки стекла. При
энергии электронов < 10 кэВ на поверхности стекол, содержащих, например, Ag, в
зависимости от дозы облучения формируется пленка или наночастицы серебра размером
менее 20 нм [3].
Эффективность образования радиационных дефектов зависит от содержания примесей
в матрице. Показано, что в зависимости от дозы облучения электронами с
энергией 4 МэВ и флюенсами от 0.8 · 1014 ñì–2 до 1.3 · 1015 ñì–2 при температурах
образцов 20 и 250 °C существенно изменяются эффективность введения и характер
распределения радиационных дефектов в различных областях диффузионных кремниевых
p+—n—n+-ñòðóêòóð [4].
Ранее экспериментально было установлено [5], что при облучении стекла в тепловой
колонне атомного реактора или в гамма-установке Со-60 происходят фазовые
превращения кристобалита SiO2 в òðèäèìèò, BaO в BaO2 и BaSiO3. Локализация носителей
заряда на межфазных границах вызывает коричневую окраску, ослабление
интенсивности люминесценции, уменьшение микротвердости в результате снятия
механических напряжений.
Цель данной работы — определение оптических центров (поглощение и рассеяние),
наведенных в щелочносиликатном стекле при облучении ускоренными электронами.
Экспериментальная
часть. Для исследования использовали бесцветное силикатное
стекло (синтезировано в ГОИ более 30 лет назад). Измерения на сканирующем
электронном микроскопе EVO MA10 (Zeiss) с энергодисперсионной системой
EDS (Oxford Instrum) ïîêàçàëè, что в составе бесцветного силикатного стекла присутствует
11 ìàñ. % Na, 10 ìàñ.%Kè5 ìàñ. % Âà, ò. å. в сумме до 30 ìàñ. %, как в
стекле марки К8 [2, 3, 5]. Образцы имели форму полированных дисков диаметром
16 мм и толщиной 2 мм. Для имитации режима стерилизации медицинских препаратов
образцы стекла заворачивали в Al-фольгу толщиной 150 мкм и облучали на воздухе
при комнатной температуре на ускорителе электронов «Электроника У-003»
(ñðåäíÿÿ энергия 4 ÌýÂ, плотность тока пучка 50 íÀ/ñì2, импульс тока 4.5 ìêñ, поток
0.3 · 1012 эл/см2с). Интегральный флюенс накапливался в 6 этапов последовательного
облучения от 1.8 · 1013 до 1.8 · 1015 ýë/ñì2, что соответствовало экспозиционной
дозе от 0.3 до 30 МР. Глубину проникновения электронов в материал (Ro)
определяли по выражению Канайа-Окаяма [6]:
Ro = 0.0276 AEo
1.67 / ñZ0.889,
ность материала мишени (г/см3). Энергию электронов принимали равной 4000 кэВ.
В литературе известна расчетная величина проникновения электронов в Al-фольгу:
RAl = 0.407E1.38 (ã/ñì2) (ôîðìóëà Ôèçåðà).
В нашем случае:
R = 0.542 · Ee – 0.133 (ã/ñì2) для 0.8 МэВ < Ee < 3 ÌýÂ,
(2)
(3)
равная 2.54 ã/ñì2 для электронов с энергией 5 МэВ [7—11], а также экспериментальное
значение пробега электронов с энергией 6 ÌýÂ, равное 150—310 мкм [12], при
толщине используемой нами Al фольги 150 мкм. Для сложного многоэлементного
щелочно-силикатного стекла с учетом массового содержания всех элементов рассчитаны
средние значения атомного веса A = 22.78 ã/ìîë и заряда Z = 11.49. Глубина
218
(1)
где Ro — глубина проникновения электронов в мишень (нм), Ео — энергия первичных
электронов (êýÂ), Z — атомный íîìåð, А — атомный вес (ã/ìîëü), с — плот
Стр.2
проникновения электронов в данное стекло плотностью с = 2.9 г/см3, рассчитанная
по формуле (1), составляет Ro = 25644.8 нм = 25.6 ìêì, что намного меньше толщины
образцов 2 мм, и обеспечивает неоднородное накопление неравновесного заряда
в объеме диэлектрика. Следует отметить, что на выходе из Al фольги на стекло падает
ослабленный рассеянием пучок электронов, но в сопровождении с тормозным
рентгеновским и гамма-излучением. Спектры оптического поглощения снимали на
спектрофотометре ÑÔ-56 (ËÎÌÎ) в интервале длин волн 190—1100 нм и оптических
плотностей до 5 при спектральной щели 5 нм, рекомендованной для сильно поглощающих
(рассеивающих) материалов.
Результаты и их обсуждение. Оптический спектр необлученного стекла не содержит
селективных полос поглощения, уровень ахроматического рассеяния не превышает
D = 0.1, а УФ-край спектра находится при 275 нм, что обусловлено присутствием
катионов щелочных металлов и бария. Нестабильный резонанс при 215 нм
появляется при повторных измерениях, что может быть связано с плазмонным поглощением
атомов K после захвата ими электронов (K+ +e– ® K0). Спектры поглощения,
снятые сразу после облучения и представленные на рис. 1, характеризуют коричневую
окраску, наведенную после первой дозы облучения, плотность которой
Рис. 1. а, б — спектры поглощения щелочно-силикатного стекла: необлученного (1) и после облучения
электронами с энергией 4 МэВ при токе 50 нА с ôëþåíñîì: 1.8 · 1013 cì–2 (2), 6.6 · 1013 cì–2 (3),
1.6·1014 cì–2 (4), 3.5 · 1014 cì–2 (5), 8.3 · 1014 cì–2 (6), 1.8 · 1015 cì–2 (7).
219
Стр.3