Пояснительная записка

Курс «Введение в радиационную физику твердых тел и радиационное

материаловедение» входит в учебный план подготовки магистров по направлению

011200.68 Физика и изучается студентами 5 курса в 10 семестре.

Интенсивное развитие современной энергетики, связанное с созданием ядерных

реакторов и проектированием термоядерных установок, заставило физиков обратить

пристальное внимание на изучение закономерностей в поведении конструкционных материалов, подверженных действию высокоэнергетического облучения, непременно сопровождающего высвобождение энергии в ядерных и термоядерных процессах. Чтобы используемые в различных узлах конструкций энергетических установок материалы не сдерживали темпов развития энергетики, необходимо детальное понимание физических процессов взаимодействия жестких излучений с веществом, и на основе этого создание таких материалов, которые выдерживали бы действие излучений в течение длительного времени. Именно недостаток знаний о радиационных воздействиях на вещества является основной причиной, сдерживающей темпы развития и совершенствования современных энергетических установок и радиационных технологий. Раздел физики, занимающийся исследованием поведения твердых тел под облучением, получил название радиационная физика твердого тела и радиационное материаловедение.

Задачей данного курса является ознакомление студентов с основными физическими явлениями, которые происходят в твердых телах под действием ядерных излучений и приводят к изменению макроскопических свойств материалов ядерноэнергетических установок, экспериментальными методами исследования механических, электрофизических, оптических свойств. Значительное внимание уделяется применению пучков низко- и высокоэнергетических ионов для модификации свойств различных твердых тел.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области «Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

(университет «Дубна») Факультет естественных и инженерных наук Кафедра ядерной физики

УТВЕРЖДАЮ

проректор по учебной работе С.В. Моржухина «_»_20 г.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

«Введение в радиационную физику твердых тел и радиационное материаловедение»

(наименование дисциплины) Для направления 011200.68 Физика Магистерская программа Физика наноструктур и наноматериалов Квалификация (степень) выпускника магистр Форма обучения очная г. Дубна, Автор программы:

д. ф.-м. н. Скуратов В.А., профессор кафедры “Ядерная физика” /_ / (подпись) Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и учебным планом по направлению подготовки (специальности) 011200.68 Физика, Магистерская программа Физика наноструктур и наноматериалов (код и наименование направления подготовки (специальности)) Программа рассмотрена на заседании кафедры _“Ядерная физика” _ (название кафедры) Протокол заседания № от “ ” _20 г.

Заведующий кафедрой д. ф-м. н. профессор /_/ Оганесян Ю.Ц.

СОГЛАСОВАНО

Декан факультета естественных и инженерных наук _/ А.С. Деникин / (подпись) (фамилия, имя, отчество) “ ” _20 г.

Рецензент:

(должность, кафедра или иное подразделение, организация) Руководитель библиотечной системы / _ / Черепанова В.Г.

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН (РАБОЧАЯ ПРОГРАММА).. Ошибка! Закладка не определена.

1. Аннотация

2. Цели и задачи дисциплины.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

4. Объем дисциплины и виды учебной работы

5. Разделы (темы) дисциплины.

6. Содержание разделов дисциплины

Практические занятия (семинары)

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

Основная литература

Дополнительная литература:

Периодические издания:

Справочные ресурсы и материалы в Интернет:

Перечень программного обеспечения

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

8. Формы контроля и оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Тесты

Вопросы для проведения текущего контроля освоения лекционного материала... 5. Примерный перечень вопросов, выносимых на зачет

4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

4.1 Методические рекомендации преподавателю

4.2 Методические рекомендации студентам

Место курса в профессиональной подготовке магистров Курс «Введение в радиационную физику твердых тел и радиационное материаловедение» изучается студентами 5 курса направления 011200.68 Физика.

Развитие современной энергетики, связанное с созданием ядерных реакторов и проектированием термоядерных установок, заставило физиков обратить пристальное внимание на изучение закономерностей в поведении конструкционных материалов, подверженных действию высокоэнергетического облучения, непременно сопровождающего высвобождение энергии в ядерных и термоядерных процессах. Чтобы используемые в различных узлах конструкций энергетических установок материалы не сдерживали темпов развития энергетики, необходимо детальное понимание физических процессов взаимодействия жестких излучений с веществом, и на основе этого создание таких материалов, которые выдерживали бы действие излучений в течение длительного времени. Именно недостаток знаний о радиационных воздействиях на вещества является основной причиной, сдерживающей темпы развития и совершенствования современных энергетических установок и радиационных технологий. Раздел физики, занимающийся исследованием поведения твердых тел под облучением, получил название радиационная физика твердого тела и радиационное материаловедение.

Требования к студентам В качестве входных знаний студенты должны владеть основными законами квантовой физики, а также иметь общие знаниями в области, математики, в частности уметь решать дифференциальные уравнения. Чрезвычайная полезность изучения данного курса состоит в том, что, он базируется на многих основных понятиях и законах общей физики, электродинамики, квантовой теории. В процессе освоения студентами данного курса, закрепляется материал ранее пройденных курсов.

Виды контроля и формы работ студентов:

текущий опрос студентов на занятиях, итоговый контроль – экзамен.

Методы обучения (в т.ч. инновационные) Преподавание дисциплины «Введение в радиационную физику твердых тел и радиационное материаловедение» предусматривает активное использование следующих методов обучения: мультимедийных презентаций; в т.ч. инновационных методов:

проведением занятий с применением образовательных Интернет-ресурсов.

Методика формирования результирующей оценки.

Для оценки результатов деятельности студента по изучению дисциплины используется четыре показателя:

участие в аудиторной работе, посещение занятий, ответы на вопросы текущих опросов, уровень ответов на зачетные вопросы.

Цели освоения дисциплины:

В результате изучения дисциплины студенты должны знать:

характеристики первичных радиационных повреждений и методы расчета дозы повреждений при облучении различными видами ядерных излучений, основные типы радиационных дефектов и их взаимосвязь с изменением макроскопических свойств материалов, экспериментальные методы исследования механических, электрических и оптических свойств облученных материалов, основные структурные эффекты высокоэнергетического ионного облучения Задачи освоения дисциплины:

Задачей данного курса является ознакомление студентов с основными физическими явлениями, которые происходят в твердых телах под действием ядерных излучений и приводят к изменению макроскопических свойств материалов ядерноэнергетических установок, экспериментальными методами исследования механических, электрофизических, оптических свойств. Значительное внимание уделяется применению пучков низко- и высокоэнергетических ионов для модификации свойств различных твердых тел.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать: основные характеристики взаимодействия заряженных частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов с веществом.

Уметь: объяснять изменения характеристик пучков заряженных частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов при прохождении через вещество и результаты их воздействия на вещество.

Владеть навыками: расчета потерь энергии, пробегов, угловых распределений заряженных частиц и нейтронов, рассеяния и поглощения рентгеновского и гамма-излучения в веществе в исследовательских и прикладных целях.

Приобрести опыт деятельности: измерений ослабления потоков излучения разной природы слоем вещества и определение таким способом характеристик излучения.

Вид итогового контроля (зачет/ экзамен) экзамен экзамен взаимодействия. Дефекты кристаллического макроскопических свойств материалов под Экспериментальные методы исследования высокоэнергетического ионного облучения 1. Введение. Дефекты кристаллического строения Предмет радиационной физики твердого тела и радиационного материаловедения. Типы межатомных связей и кристаллов. Ионная связь. Ковалентная связь Металлическая связь Молекулярная связь. Классификация дефектов в кристаллах. Точечные или нульмерные дефекты. Энергии образования точечных дефектов Линейные или одномерные дефекты.

Двумерные и трехмерные дефекты.

2. Взаимодействие излучений с веществом 2.1 Общие представления о радиационной повреждаемости материалов. Смещения атомов вещества и первично выбитые атомы (ПВА). Характеристики первичных радиационных повреждений: пороговая энергия образования смещений, энергетические спектры ПВА, взвешенные спектры ПВА, медианная энергия ПВА. Экспериментальные методы определения пороговой энергии образования смещений.

2.2 Образование радиационных дефектов в твердых телах заряженными частицами.

Неупругие столкновения заряженных частиц. Потери энергии на ионизацию. Упругие столкновения заряженных частиц с атомами вещества. Потенциалы и сечения взаимодействия.

2.3.Механизмы радиационного повреждения твердых тел при нейтронном облучении.

Образование смещенных атомов быстрыми нейтронами. Образование смещенных атомов медленными и тепловыми нейтронами. Критерии моделирования повреждений, вызываемых нейтронами, на пучках тяжелых заряженных частиц.

3. Эволюция дефектной структуры под облучением 3.1. Каскады атомных смещений и каскадная функция. Пространственное распределение дефектов в каскадах. Развитие каскадов смещений при низких и высоких энергиях ПВА.

Эффективность образования дефектов на каскадах смещений.

Виды занятий Л – лекции, ПЗ - практические занятия (С – семинары), ЛР - лабораторные работы, СР самостоятельная работа студентов.

3.2Процессы аннигиляции и отжига радиационных дефектов. Радиационностимулированная диффузия и уравнения баланса точечных дефектов. Эволюция дефектной структуры при низких и высоких температурах облучения.

4. Физические механизмы изменения макроскопических свойств материалов под облучением 4.1 Механические свойства облученных металлов и сплавов. Низко- и высокотемпературное радиационное упрочнение. Радиационное охрупчивание. Барьерная модель радиационного упрочнения. Радиационная ползучесть реакторных материалов.

Основные стадии радиационной ползучести. Механизмы радиационной ползучести и радиационного роста.

4.3 Радиационное распухание. Вакансионное и газовое радиационное распухание.

Зависимость распухания от температуры облучения и уровня радиационных повреждений.

Способы подавления радиационного распухания. Ионное распыление поверхности твердых тел. Коэффициент распыления. Блистеринг. Механизмы ионного распыления.

Ионное легирование. Ионное перемешивание.

5. Экспериментальные методы исследования свойств облученных материалов 5.1 Внутриреакторные испытания механических свойств. Испытания на растяжение/сжатие и ползучесть. Параметры кривых напряжение-деформация. Ядернофизические методы исследований структуры кристаллов. Спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния. Рентгеновская дифракция. Малоугловое рентгеновское рассеяние. Электронная микроскопия. Сканирующая туннельная микроскопия.

5.2 Измерение электрического сопротивления. Связь между электропроводностью и концентрацией дефектов. птические методы исследований. Оптическое поглощение.

Люминесценция. Фото-, катодо-, термолюминесценция. In situ ионолюминесценция и пьезоспектроскопия твердых тел.

6. Структурные эффекты высокоэнергетического ионного облучения 6.1 Латентные треки в полимерах, диэлектриках, металлах. Механизмы формирования латентных треков. Модель термического пика. Механизм кулоновского взрыва.

6.2 Моделирование радиационных повреждений, вызываемых осколками деления в реакторных материалах. Наноразмерные структуры, формируемые единичными ионами высоких энергий.

Не предусмотрены 7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 5, Атомная и ядерная физика. М.ФИЗМАТЛИТ, 2. Черняев А.П. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом / Черняев Александр Петрович. - М.: Физматлит, 2004. - 152с.

3. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика: Учебник: В 3 т. - СПб.: Лань, 2008. с.

4. Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н. П. Юдин. Частицы и атомные ядра, М., Издательство ЛКИ, 2007.

5. Ю.М. Широков и Н.П. Юдин. Ядерная физика. М.: Наука, 1972.

1. Экспериментальная ядерная физика: Пер.с англ. Т.1 / Под ред. Э.Сегре. - М.:

Издательство иностранной литературы, 1955. - 662с.

2. Ядерная энциклопедия / Авт.и гл.ред. А.А.Ярошинская. - М.: Благотворительный фонд Ярошинской, 1996. - 656с.

3. Справочник по ядерной физике / Кларк Р.У., Барнес Д.Э., Перкин Дж.П. и др.; Пер.с англ. под ред. Л.А.Арцимовича. - М.: Физматгиз, 1963. - 632с.

4. Холмовский Ю.А. Толковый словарь по атомной науке и технике / Холмовский Юрий Алексеевич. - М.: ЦНИИатоминформ, 1995. - 344с 5. Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика / Мухин Константин Никифорович. - 3-е изд.,перераб.и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 312с 6. Субатомная физика: Вопросы. Задачи. Факты: Учебное пособие / Под.ред.Б.С.Ишханова. - М.: Издательство Московского университета, 1994. - 224с 7. Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы: В 2 т. Т.1 : Элементарный подход /. М.: Мир, 1986. - 272с. Т.2 : Дальнейшее развитие /. - М.: Мир, 1986. - 336с.

8. Орир Дж. Физика: Полный курс. Примеры, задачи, решения: Учебник / Орир Джей;

Пер.с англ.и науч.ред. Ю.Г.Рудого, А.В.Беркова. - М.: КДУ, 2011. - 752с.

9. 3. Калашникова В.И. Детекторы элементарных частиц: Учебное пособие для вузов /. М.: Наука, 1966. - 408с.

10. 4.Любимов А. Введение в экспериментальную физику частиц / Любимов А., Киш Д. е изд.,перераб.и доп. - М.: Физматлит, 2001. - 272с.

11. Методы определения основных характеристик атомных ядер и элементарных частиц.

Измерение масс, спинов, четности, поляризации и времен жизни: Пер.с англ. / Сост.ред.Люк К.Л.Юан и Ву Цзянь-Сюн; Под ред.Л.А.Арцимовича. - М.: Мир, 1965. - 432с 12. Мокров Ю.В. Инструментальные методы радиационной безопасности: Учебное пособие / Мокров Юрий Владимирович; Рец. Е.А.Крамер-Агеев; Ред. В.В.Труба;

Международный университет природы, общества и человека "Дубна". Кафедра биофизики. - Дубна: Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 2007. - 155с.

1. Успехи физических наук/ Учредитель: РАН; Гл.ред. Л.В.Келдыш. - М.: Успехи физических наук. - Журнал, выходит 1 раз в месяц. - Основан в 1918 году. - См.

электронные версии статей: http://ufn.ru/ru/articles/.

2. Ядерная физика / Учредитель: РАН; Гл.ред. Ю.Г. Абов. - М. : Наука. - Журнал, выходит 1 раз в месяц. - Основан в 1965 году.

1. http://nuclphys.sinp.msu.ru/ Информационная система "Единое окно доступа к образовательным ресурсам" 3. http://window.edu.ru/window Википедия : http://wiki.web.ru Полнотекстовая база данных для университета «Дубна». Сайт библиотеки:

http://lib.uni-dubna.ru/biblweb 1. Программы для демонстрации презентаций: Средство просмотра Microsoft Office PowerPoint или пакет Microsoft Office, или пакет OpenOffice.org Impress/ 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Индикаторы радиоактивности Радекс (2 шт.), кассета со слаборадиоактивным веществом – естественным хлоридом калия.

тонкие алюминиевые пластинки.

мультимедийный проектор;

иллюстративный материал в форме компьютерных презентаций и образовательных материалов из Интернет;

6. Скуратов В.А.. Курс лекций ««Введение в радиационную физику твердых тел и радиационное материаловедение»» Кафедра ядерной физики.

9. Формы контроля и оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины В ходе курса проводятся тесты по темам:

Т1 – Взаимодействие заряженных частиц с веществом

«ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ»

Расставьте частицы одинаковой скорости в порядке возрастания тормозной способности:

1) альфа-частица;

Траектории каких частиц в веществе наиболее близки к отрезкам прямых:

1) альфа-частица;

Общим видом траектории положительной частицы в кулоновском поле ядра атома является… Основной причиной торможения ультрарелятивистских электронов является… 1) ионизационные потери энергии;

2) радиационные потери энергии;

3) эффект Комптона;

Переходное излучение возникает при … 1) движении заряженной частицы со скоростью, превышающей скорость света в среде;

2) пересечении заряженной частицей двух разных оптических сред;

3) при рассеянии гамма-излучения на свободных электронах;

Основными эффектами для гамма-излучения с энергией квантов около 1 МэВ являются… 1) фотоэффект;

2) эффект Комптона;

3) рождение пар;

Основными эффектами для тепловых нейтронов являются… 1) упругое рассеяние;

2) эффект Комптона;

3) поглощение;

При каналировании ионов в кристаллах их тормозная способность по сравнению с таким же аморфным веществом … 1) увеличивается;

2) уменьшается;

3) не изменяется;

Тормозная способность иона из-за ионизационных потерь энергии зависит от его … Расставьте виды излучения в порядке убывания их проникающей способности … 1) альфа-излучение;

2) бета-излучение;

3) гамма-излучение;

Вопросы для проведения текущего контроля освоения лекционного материала Контрольные вопросы для проведения текущего контроля по итогам освоения отдельных разделов дисциплины и самостоятельной работы обучающегося с помощью коллоквиумов, включающих группы тем:

“ Взаимодействие заряженных частиц и электромагнитного излучения с веществом ” 1. Ионизационные потери заряженных частиц. Электронное торможение тяжелых ионов при высоких и малых скоростях.

2. Торможение электронов и позитронов.

3. Радиационное (тормозное) излучение. Эффект плотности.

4. Зависимость ионизационных потерь от среды и сорта частицы.

5. Пробег частиц в веществе. Эмпирические зависимости.

6. Взаимодействие частиц с атомными ядрами. Формула Резерфорда. Ядерное 7. Многократное кулоновское рассеяние.

8. Разброс энергий и пробегов.

9. Каналирование и блокировка.

10. Излучение Вавилова-Черенкова. Переходное излучение. Спектральный состав и угловое распределение, сравнение с тормозным излучением.

11. Фотоэффект. Энергетическая зависимость сечения фотоэффекта.

12. Когерентное рассеяние фотонов.

13. Эффект Комптона. Угловое распределение и полное сечение.

14. Образование электрон-позитронных пар. Порог и энергетическая зависимость 5. Примерный перечень вопросов, выносимых на экзамен 1. Типы межатомных связей и кристаллов.

2. Классификация дефектов в кристаллах.

3. Атомные смещения. Методы определения пороговой энергии образования 4. Ионизационные потери энергии заряженных частиц.

5. Упругое рассеяние заряженных частиц.

6. Потенциалы и сечения взаимодействия заряженных частиц.

7. Образование смещенных атомов при нейтронном облучении.

8. Каскады атомных смещений.

9. Каскадная функция. Модифицированная формула Кинчина-Пиза.

10. Образования дефектов на каскадах смещений.

11. Аннигиляция и отжиг радиационных дефектов.

12. Уравнения баланса точечных дефектов.

13. Механизмы радиационно-стимулированной диффузии.

14. Развитие дефектной структуры при различных температурах облучения.

15. Радиационное упрочнение металлов и сплавов.

16. Барьерная модель радиационного упрочнения и охрупчивания.

17. Радиационная ползучесть. Стадии радиационной ползучести.

18. Механизмы радиационной ползучести и радиационного роста.

19. Радиационное распухание. Вакансионное и газовое распухание.

20. Способы подавления радиационного распухания.

21. Ионное легирование. Ионное перемешивание.

22. Ионное распыление поверхности твердых тел.

23. Зависимость коэффициента распыления от массы, энергии и угла падения ионов.

24. Установки для внутриреакторных испытаний механических свойств.

25. Спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния.

26. Рентгеновская дифракция.

27. Малоугловое рентгеновское рассеяние.

28. Электронная микроскопия.

29. Сканирующая туннельная микроскопия.

30. Атомно-силовая микроскопия.

31. Связь между электрической проводимостью и концентрацией радиационных 32. Оптическое поглощение. Формула Смакулы.

33. Люминесцентная спектроскопия. Фото-, катодо-, термолюминесценция, как источники информации о радиационных повреждениях.

34. In situ ионолюминесценция и пьезоспектроскопия твердых тел.

35. Регистрация латентных треков в твердых телах и полимерах.

36. Механизмы формирования латентных треков. Модель термического пика.

37. Механизмы формирования латентных треков. Модель кулоновского взрыва.

38. Образование низкоразмерных структур единичными ионами высоких энергий в объеме и на поверхности твердых тел.

39. Моделирование радиационных повреждений, вызываемых осколками деления в реакторных материалах на пучках тяжелых ионов высоких энергий.

40. Воздействие ионизации высокой плотности на дефектную структуру облучаемых 10. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 4.1 Методические рекомендации преподавателю Радиационная физика твердых тел и радиационное материаловедение представляют собой многодисциплинарную и довольно сложную область знаний. Поэтому, чтобы донести материал до студента, необходимо уделять особое внимание систематичности, наглядности и доступности изложения. В настоящее время фактически не существует учебников и пособий по данной дисциплине, а имеющиеся литературные данные, систематизированные в ряде монографий, имеют отношение, главным образом, к вопросам взаимодействия ядерных излучений с веществом. Поэтому основная нагрузка ложится на лекции.

Так как материал по радиационной физике твердых тел содержит большое количество рисунков, схем и другого наглядного материала, крайне желательно использование слайдов. Без этого донести дисциплину до студента будет весьма проблематично. Настоящие лекции предполагают использование около 250.ppt слайдов.

Для облегчения изучения материала, после прочтения каждой лекции распечатки использованных слайдов рекомендуется выкладывать в учебной части, чтобы студенты могли снять с них ксерокс.

Для изучения студентами данного курса достаточно знание физики твердого тела в объеме курса общей физики и основ квантовой механики.

4.2 Методические рекомендации студентам Для изучения данного курса необходимо и достаточно физики твердого тела в объеме курса общей физики и основ квантовой механики. Так как учебников и учебных пособий по данной дисциплине практически нет, то основная нагрузка ложится на лекции и их конспектирование. Для дополнительного изучения и самостоятельной работы предлагается использовать рекомендуемую литературу, а также энциклопедии в интернете (например, http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page, далее кликнуть меню русского языка слева-внизу).

Для наглядного представления материала при чтении лекций используется около.ppt слайдов. После каждой лекции можно получить в учебной части распечатки использованных слайдов и снять с них ксерокс. На первых этапах эти распечатки будут заменять учебное пособие.

Именно по этим распечаткам следует в первую очередь готовиться к экзаменам.