Анотація до роботи:

Толстолуцька Г.Д. Механізми радіаційних пошкоджень поверхневих шарів твердих тіл при бомбардуванні іонами інертних газів та водню. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України. – м. Харків. – 2009.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової проблеми – встановленню механізмів і основних закономірностей фізичних процесів, що відбуваються в твердих тілах, пов’язаних з радіаційною пошкоджуваністю, еволюцією дефектної структури матеріалів, що опромінюються та з імплантацією інертних газів і водню.

На атомарному рівні досліджені конфігурації точкових дефектів і кластерів, дозові залежності накопичення точкових дефектів. Встановлено закономірності просторово-концентраційних розподілів імплантованих водню, гелію, криптону і ксенону та радіаційних дефектів. Одержано інформацію про енергетичні розподіли атомів віддачі дейтерію. Виявлено якісну відмінність структур, що виникають на поверхні металів після опромінення плазмою, від структур, що утворюються при опроміненні моноенергетичними пучками іонів гелію. Основним ефектом дії плазми є розпилення поверхневих шарів твердих тіл. Досліджено процеси накопичення і утримання водню (дейтерію) в об'ємі матеріалів. Встановлено зв'язок процесів, що приводять до утримання водню, із структурою матеріалу. Утворення гелієвих бульбашок в сталі Х18Н10Т приводить до збільшення на порядок кількості утримуваного дейтерію в інтервалі температур 350…550 ^oС.

В результаті виконаного комплексу досліджень вирішено важливу наукову проблему – встановлено механізми і основні закономірності фізичних процесів, пов'язаних з радіаційною пошкоджуваністю, еволюцією дефектної структури опромінюваних матеріалів і імплантацією інертних газів і водню, що відбуваються в твердих тілах. Встановлено процеси зародження і зростання вакансійних, міжвузольних, міжвузольно-домішкових комплексів, розвитку газової пористості, зміни морфології поверхні металів і конструкційних сталей, встановлено закономірності просторових розподілів прониклих частинок і радіаційних дефектів та динаміку частинок в каскадах зіткнень.

Основні наукові і практичні результати можна сформулювати у вигляді таких висновків:

1. Розвинені методи кількісного аналізу концентраційно-просторових розподілів імплантованих домішок, що включають прецизійну вимірювальну техніку та обробку енергетичних спектрів продуктів ядерних реакцій за допомогою алгоритму регуляризації Тихонова, що працює з немодифікованим перетином реакції.

2. Вперше експериментально на атомарному рівні показано, що при опромінюванні високоенергетичними протонами із швидкістю зміщень 10^-6 зна/с домінуючими дефектами є вакансії і компактні вакансійні кластери розміром 15…30 . Концентрація власних міжвузольних атомів та їх комплексів, що уникнули рекомбінації за рахунок адсорбції на домішках, на два порядки менше. Експериментально визначена енергія утворення міжвузольних атомів задовільно узгоджується з даними квантово-механічних розрахунків.

3. Встановлений збіг з розрахунковими даними експериментально виміряних проектних пробігів іонів інертних газів і виявлена обумовлена високою дифузійною рухливістю значна розбіжність розрахункового і експериментального концентраційних розподілів іонноімплантованного водню.

4. Показано, що при опромінюванні високоенергетичними іонами утиск каналювання зумовлений протяжними дефектами, розподіл яких по глибині корелює з розрахунковими профілями енерговиділення.

5. Встановлено природу і визначено механізми збудження реакцій ядерного синтезу в системах метал-дейтерій при бомбардуванні мішеней іонами інертних газів.

Встановлено, що реакції, які досліджено, є продуктом взаємодії вторинних частинок – атомів віддачі дейтерію.

Одержано відносно високі виходи реакцій ядерного синтезу і темпи їх зростання із збільшенням енергії бомбардуючих іонів (10^-10…10^-7 реакцій/іон).

На підставі експериментальних даних зі збудження реакцій синтезу в дейтерованих твердих тілах з використанням теорії каскадів зіткнень одержано енергетичний розподіл атомів віддачі дейтерію і тритію.

6. Проаналізовано механізм еволюції ансамблю пор в твердих тілах, що базується на розгляді гелію в порах як ідеального газу. Встановлено застосовність такого розгляду для кількісного опису термодинамічної рівноваги системи гелієвих пор в матеріалах з різними фізико-хімічними властивостями.

7. Встановлено принципові відмінності в характері розвитку структур, що виникають на поверхні металів внаслідок опромінювання згустками гелієвої плазми, в порівнянні з опромінюванням моноенергетичними пучками іонів гелію.

Показано, що при опромінюванні плазмою блістерінгу і флекінгу не спостерігається. У міру зростання дози морфологія поверхні змінюється від розтравлювання і розплавлення меж зерен до утворення губчастої структури з подальшим її розпилюванням.

Показано, що коефіцієнти розпилювання при дії плазми майже на порядок перевищують значення, одержані при опромінюванні моноенергетичними пучками гелію, за рахунок накладення ефекту випаровування матеріалу пов’язаного з виділенням в приповерхневому шарі при опромінюванні згустками плазми високих питомих потужностей і низької теплопровідності виникаючої губчастої структури.

Експериментально показана можливість утиску блістерінгу при моноенергетичному опромінюванні за рахунок створення в імплантованому шарі твердих тіл пористої структури або системи пов'язаних з поверхнею каналів, що перекриваються, а також в матеріалах, мікроструктура яких сформована із стовпчастих зерен. Встановлено відновлення блістерінгу при опромінюванні металів гелієвою плазмою до доз, що приблизно в п'ять разів перевищують критичну дозу блістероутворення.

8. Вивчені процеси захоплення і накопичення ізотопу водню – дейтерію, іонноімплантованого в конструкційні матеріали. Показано, що в аустенітних сталях водень слабо зв'язується дефектами, створеними в низькоенергетичних каскадах. У сталях феритного і перлітного класу наявність міжфазних меж сприяє сильнішому в порівнянні з аустенітом утриманню дейтерію.

9. Встановлено, що одночасне або попереднє проникнення гелію зміщує верхню межу температури утримання дейтерію з 600 до 1000 К. Комплекси точкових дефектів і дислокаційна структура істотно не впливають на захоплення іонноімплантованого дейтерію. Показано, що утворення гелієвих бульбашок приводить до збільшення на порядок кількості дейтерію, що утримується в конструкційних сталях.

Сукупність одержаних результатів про фізичну природу і закономірності радіаційних процесів, що відбуваються в поверхневих шарах твердих тіл при опромінюванні високоенергетичними частинками, може бути використана для прогнозування поведінки матеріалів в термоядерних реакторах і енергетичних установках 4-го покоління, а також для розвитку фундаментальних уявлень про фізику радіаційної пошкоджуваності твердих тіл.

Публікації автора:

1. Березняк П.А. Автоионномикроскопическое исследование захвата междоузельных атомов примесями в вольфраме / П.А. Березняк, Р.И. Гарбер, В.С. Гейшерик, И.М. Михайловский, Л.И. Пивовар, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 1974, В.1(1). C.30-33.

2. Гарбер Р.И. Автоионно-микроскопическое изучение распределения вакансий в микрокристаллах вольфрама, облученных протонами с энергией 0,2 – 1,0 МэВ / Р.И. Гарбер, В.С. Гейшерик, Ж.И. Дранова, И.М. Михайловский, Е.Е. Саданов, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 1974. В.1(6). C.21-24.

3. Неклюдов И.М. Связь между условиями имплантации ионов гелия и равновесными параметрами гелиевых пор / И.М. Неклюдов, В.Ф. Рыбалко, В.В. Ружицкий, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 1981. В.5(19). C.77-81.

4. Черемской П.Г. Радиационная стойкость конденсированных пленок никеля / П.Г. Черемской, М.Я. Фукс, И.Н. Хлистун, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая // Физика металлов и металловедение. – 1981. – Т.52, В.6. – С.1225-1231.

5. Бондаренко В.Н. Измерение проективных пробегов и их разброса для ионов гелия с энергией 0,5 – 1,8 МэВ в никеле / В.Н. Бондаренко, Л.Н. Звягинцева, В.Я. Колот, В.Е. Сторижко, В.И. Сухоставец, Г.Д. Толстолуцкая // ЖТФ. – 1981. – Т. 51, В.10. – С.2109-2114.

6. Неклюдов И.М. Развитие открытой пористости на металлах при облучении ионами гелия / И.М. Неклюдов, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая, В.Г. Дзенковский // Поверхность. – 1983. – В.12. – С.48-51.

7. Дранова Ж.И. Автоионно- и электронно-микроскопическое исследование поверхности вольфрама, облученного ионами гелия / Ж.И. Дранова, И.М. Михайловский, Л.И. Пивовар, Г.Д. Толстолуцкая / В кн.: Исследование и разработка материалов для реакторов термоядерного синтеза. – М.: Наука, 1981. – С.52-61.

8. Neclyudov I.M. The influence of helium implantation profile shapes on blister formation in metals / I.M. Neclyudov, V.F. Rybalko, G.D. Tolstolutskaya // Journal of Nuclear Materials. – 1983. – V.115. – P.134-136.

9. Беликов А.Г. Изменение морфологии поверхности никеля, ванадия, ниобия при облучении гелиевой плазмой / А.Г. Беликов, В.П. Гончаренко, Д.К. Гончаренко, Н.Т. Дереповский, И.М. Неклюдов, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 1983. – В.2(25). – С.57-60.

10. Пивовар Л.И. Модернизированный компактный электростатический ускоритель на 2 МэВ / Л.И. Пивовар, К.М. Хургин, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Техника физического эксперимента». – 1985. – В.1(22). – С.12-17.

11. Неклюдов И.М. Эволюция профилей распределения гелия и водорода в материалах в процессе облучения и отжига / И.М. Неклюдов, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая: Обзор. – М.: ЦНИИАтоминформ, 1985. – 41с.

12. Дзенковский В.Г. Сочетание методов ОР и ПЭМ при исследовании тонкопленочных образцов / В.Г. Дзенковский, И.С. Мартынов, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 1987. – В.3(41). – С.68-70.

13. Рыбалко В.Ф. Исследование радиационных повреждений монокристаллов Ni, имплантированных ионами Хе / В.Ф. Рыбалко, И.Е. Копанец, И.М. Неклюдов, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ганн // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 1987. – В.5(47). – С.62–64.

14. Калин Б.А. Проникновение примесных атомов в материалы при воздействии полиэнергетическим пучком Ar / Б.А. Калин, Н.В. Волков, Г.Д.Толстолуцкая, В.Ф. Рыбалко, И.Е. Копанец // Известия РАН. Серия «Металлы». – 1994. – №6.– С.69-73.

15. Зеленский В.Ф. Initiation of nuclear fusion reactions in metal-deuterium + tritium systems by bombardment with noble gas ions / В.Ф. Зеленский, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая, С.В. Пистряк, А.Н. Морозов, И.Е. Копанец // Fusion Technology. – 1994. – V.25. – P.95-102.

16. Городецкий А.Е. Поглощение дейтерия углеродными материалами облицовки плазмоконтактирующих компонентов термоядерного реактора / А.Е. Городецкий, А.В. Маркин, В.Н. Черников, А.П. Захаров, Т.А. Бурцева, И.В. Мазуль, Н.Н. Шипков, Г.Д. Толстолуцкая, В.Ф. Рыбалко // Атомная энергия. – 1997. – Т.82. – В.6. – С.448-464.

17. Gorodetsky A.E. Deuterium trapping by carbon materials for tokamak plasma – facing components / A.E. Gorodetsky, A.V. Markin, V.N. Chernikov, A.P. Zakharov, T.A. Burtseva, I.V. Mazul, N.N. Shipkov, G.D. Tolstolutskaya, V.F. Rybalko // Fusion Engineering and design. – 1998. – V.43. – P.129-145.

18. Толстолуцкая Г.Д. Исследование радиационной повреждаемости материалов методами обратного рассеяния, каналирования и ядерных реакций / Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. «Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 1999. – В.3(75). – С.53-60.

19. Толстолуцкая Г.Д. Особенности распределения в нержавеющих сталях Х18Н10Т и 15Х2НМФА ионно-имплантированного дейтерия / Г.Д. Толстолуцкая, И.М. Неклюдов, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, В.И. Бендиков, С.А. Карпов // Научные ведомости БГУ. Серия «Физика». – 2001. – №1(14). – С.50-54.

20. Толстолуцкая Г.Д. Особенности распределения ионно-имплантированного дейтерия в нержавеющей стали Х18Н10Т / Г.Д. Толстолуцкая, И.М. Неклюдов, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, В.И. Бендиков, С.А. Карпов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 2001. – №4 (80). – С.86-89.

21. Неклюдов И.М. Гелий и водород в конструкционных материалах / И.М. Неклюдов, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 2003. – №3. – С.3–14.

22. Неклюдов И.М. Влияние состояния поверхности на процессы накопления, распределения и выделения дейтерия, имплантированного в аустенитную сталь / И.М. Неклюдов, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.А. Карпов // Физика и химия обработки материалов. – 2004. – №2. – С.50-55.

23. Толстолуцкая Г.Д. Влияние ионноимплантированного гелия на удержание дейтерия в стали Х18Н10Т / Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.А. Карпов, В.В. Брык, В.Н. Воеводин // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». – 2004. – В.3(85). – С.3-9.

24. Tolstolutskaya G.D. Displacement and helium-induced enhancement of hydrogen and deuterium retention in ion-irradiated 18Cr10NiTi stainless steel / G.D. Tolstolutskaya, V.V. Ruzhytskiy, I.E. Kopanetz, S.A. Karpov, V.V. Bryk, V.N. Voyevodin, F.A. Garner // Journal of Nuclear Materials. 2006. – V.356 Р.136.

25. Толстолуцкая Г.Д. Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионноимплантированных в никель / Г.Д. Толстолуцкая, И.Е. Копанец, И.М. Неклюдов, И.Г. Марченко // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 2006. В.4(89). C.52-59.

26. Ажажа В.М. Накопление и удержание водорода и дейтерия в сплавах циркония и низколегированных сталях с добавками геттерных сплавов на основе циркония / В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, И.Е. Копанец, С.Д. Лавриненко, Н.Н. Пилипенко, В.В. Ружицкий, А.П. Свинаренко, Г.Д. Толстолуцкая, А.П. Пальцевич, И.К. Походня, С.Н. Степанюк, В.И. Швачко // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники». 2006. №1(15). С.41-48.

27. Ружицький В.В. Нагромадження водню і його вплив на мікроструктуру і механічні властивості сталі Х18Н10Т / В.В. Ружицький, Г.Д. Толстолуцька, С.О. Карпов, І.Є. Копанець, Г.М. Малик // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2007. – №5. – С.117-121.

28. Gann V.V. High Energy Primary Knock-on Process in Metal-Deuterium Systems Initiated by Bombardment with Noble Gas Ions / V.V. Gann, G.D. Tolstolutskaya // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2008. V.266. Issue 17. P.3365-3369.

29. Neklyudov I.M. Interstitial atoms in tungsten: Interaction with free surface and in situ determination of formation energy / I.M. Neklyudov, E.V. Sadanov, G.D. Tolstolutskaja, V.A. Ksenofontov, T.I. Mazilova, I.M. Mikhailovskij // Phys. Rev. 2008. V.78. – №115418. P.1-4.

30. Tolstolutskya G.D. Radiation damage, range distribution and site location measurement of Ar, Kr, Xe in Ni after implantation and annealing by using channeling technique / G.D. Tolstolutskaya, I.E. Kopanetz, I.M. Neklyudov // SPIE, Proceeding of International Conference on Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena, July 3-7, 2006, Frascati. Proc. SPIE, Vol.6634. – P.148-153.

31. Tolstolutskaya G.D. Enhancement of deuterium retention in helium or Cr+ ion implanted 18Cr10NiTi stainless steel / G.D. Tolstolutskaya, V.V. Ruzhitskiy, I.E. Kopanetz, S.A. Karpov, V.V. Bryk, V.N. Voyevodin, F.A. Garner // 12-th international conference on Environment degradation of Materials in nuclear Systems-Water Reactors. Edited by TMS (The Minerals, Metals&Materials Sosiety, 2005). – P.86-92.

32. Tolstolutskaya G.D. Use of accelerators to investigate radiation damage, range distribution and site location of inert gases and hydrogen in materials after implantation and annealing / G.D. Tolstolutskaya, I.E. Kopanetz, I.M. Neklyudov // Proceeding «Eighth International Topical Meeting on Nuclear Applications and Utilization of Accelerators (AccApp'07)» Pocatello, Idaho, July 30 – August 2, 2007. – P.299–306.

33. Tolstolutskaya G.D. Enhancement of Retention and Features of Deuterium Detrapping from Radiation-Induced Damage in Steels / G.D. Tolstolutskaya, V.V. Ruzhytskiy, S.A. Karpov, I.E. Kopanets // Proceeding «13rd International Conference on Fusion Reactor Materials» (ICFRM-13). 10-14 December 2007, Nice, France. – P.506-518.

34. Ажажа В.М. Выделение водорода и дейтерия из циркониевых сплавов с добавками иттрия / В.М. Ажажа, С.Д. Лавриненко, Н.Н. Пилипенко, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, Ю.П. Бобров, А.Е. Дмитренко, И.Е. Копанец // Труды V Международной конференции «ВОМ-2007». Донецк, 21-25 мая 2007г. – С.631-635.

35. Толстолуцкая Г.Д. Захват дейтерия в условиях радиационного воздействия / Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.А. Карпов // VII Международный Уральский Семинар «Радиационная физика металлов и сплавов»: 25 февраля – 3 марта 2007 г.: тезисы докладов. – Снежинск, 2007. – С. 20.

36. Толстолуцкая Г.Д. Эволюция профилей распределения и газовыделение дейтерия из стали Х18Н10Т, предварительно имплантированной гелием / Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.А. Карпов, И.М. Неклюдов, В.В. Брык, В.Н. Воеводин // II Международный Семинар «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами IHISM-04»: 12-17 апреля 2004 г.: аннотации докладов. – Саров, 2004. – С.68-69.

37. Толстолуцкая Г.Д. Особенности захвата дейтерия на радиационных дефектах / Г.Д. Толстолуцкая, В.Н. Воеводин, В.В. Ружицкий, С.А. Карпов // XVII Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению: 4-9 сентября 2006 г.: труды. – Харьков, 2006. – С.187-188.

38. Неклюдов И.М. Влияние гелия и водорода на развитие микроструктуры стали Х18Н10Т в процессе облучения и отжига / И.М. Неклюдов, В.Н. Воеводин, В.В. Ружицкий, В.И. Бендиков, С.А. Карпов, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Брык, О.В. Бородин // ХIV Международное совещания «Радиационная физика твёрдого тела»: 5-10 июля 2004г.: труды. – Москва, 2004. – С.25-29.

39. Воеводин В.Н. Влияние облучения гелием и водородом на диффузионные процессы в феррито-мартенситных сталях / В.Н. Воеводин, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Ружицкий, И.Е. Копанец, С.А. Карпов, А.В. Никитин // XVIII Международная конференция по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению: 8-13 сентября 2008г.: труды. – Харьков, 2008. – С.281-282.

40. Толстолуцкая Г.Д. Применение ядерно-физических методик при исследовании материалов для установок термоядерного синтеза / Г.Д. Толстолуцкая, В.Ф. Рыбалко // Всесоюзная конференция «Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов»: 18-20 сентября 1990 г.: тезисы докладов. – Ленинград, 1990. – С.28.

41. Неклюдов И.М. Исследование методом обратного рассеяния каналированных ионов радиационной повреждаемости металлов / И.М. Неклюдов, В.Ф. Рыбалко, Г.Д. Толстолуцкая // Первое международное совещание стран СЭВ «Радиационная физика твердого тела»: 15-23 октября 1989 г.: тезисы докладов. – Москва, 1989. – С.15.