Кинетика радиационных и пострадиационных процессов в перхлорате калия и твердых растворах на его основе

Актуальность исследования радиолиза кристаллических перхлоратов традиционно связывается со следующими факторами.

1. Применением их в качестве компонентов пиротехнических составов, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться ионизирующему облучению.

2. Фундаментальной проблемой распада электронных возбуждений (в том числе их химических превращений) в различных типах неорганических кристаллов.

КСЮ4 — представитель обширной группы кристаллов со сложным (молекулярным) анионом, называемых также ионно-молекулярными кристаллами. Механизм образования радиационных дефектов в таких кристаллах до сих пор окончательно не установлен. В литературе рассмотрены два основных механизма образования первичных парамагнитных центров (ПЦ) в ионно-молекулярных кристаллах.

1. Автолокализация электронов и дырок, обусловленная их взаимодействием с локальными колебаниями регулярного аниона [1, 2].

2. Локализации дырки (электрона) на «дефектных» анионах, концентрация которых ограничена [3, 4].

При наличии определенных аргументов как в пользу первого, так и второго механизмов, окончательный выбор между ними еще предстоит сделать.

КС104 фактически стал модельным объектом при исследовании радиолиза оксигалоидных кристаллов. Это обусловлено тем, что к настоящему времени:

1) подробно исследован радиолиз водных растворов перхлоратов;

2) установлен состав ионных продуктов радиолиза КСЮ4 и разработаны аналитические методики их количественного определения;

3) идентифицированы ПЦ, образующиеся в облученном КСЮ4 при разных температурах.

Кроме того К. СЮ4 как объект исследования инициируемых радиацией процессов имеет ряд особенностей, значимых для общих проблем радиационной физики и химии твердого тела. {.Первичные ПЦ в КСЮ4 представляют собой комплексы, состоящие из фрагментов распада аниона [5, 6]. Эта особенность важна для понимания роли электронно-дырочных пар при образовании стабильных продуктов радиолиза.

2. При анализе некоторых радиационных эффектов предложено рассматривать КСЮ4 как кристалл с квазиодномерной анионной подсистемой и, соответственно, модельный объект для исследования анизотропии миграции квазичастиц [7].

3. Из КС104 могут быть получены как изоструктурные ему неограниченные твердые растворы замещения, так и бинарные системы с иной кристаллической структурой — двойные соли [8]. Использование этих новых объектов исследования по сравнению с традиционными (беспримесный КС104 и разбавленные твердые растворы примесей в^ нем) открывает дополнительные возможности для дискриминации различных факторов, определяющих радиационную стабильность твердого тела.

Использование методов кинетического анализа и моделирования является необходимым дополнением к экспериментальным исследованиям механизма радиационного воздействия на твердое тело. Однако предложенные ранее кинетические модели радиолиза перхлоратов описывают лишь частные экспериментальные факты, причем у разных авторов имеются противоречия в их интерпретации. Многие эффекты получили лишь качественное объяснение без анализа кинетических следствий предполагаемого механизма. Сравнительный анализ различных схем радиационных и пострадиационных термических процессов в КСЮ4 и твердых — растворах на его основе проведен не был.

Представляемая работа выполнена в рамках единого заказ-наряда на фундаментальные исследования Кемеровского госуниверситета по теме заказ-наряда № 1 «Неравновесные процессы в ионно-молекулярных кристаллах» за 1993—1997 г. г.

Цель работы — выяснение механизмов радиолиза КСЮ4 и перхлорат-содержащих твердых растворов методами кинетического анализа и математического моделирования. Рассмотрены кинетические аспекты следующих проблем.

1. Механизм образования ПЦ.

2. Связь между ПЦ и конечными продуктами радиолиза.

3. Влияние примесей на радиолиз и пострадиационные термические процессы.

4. Особенности радиолиза неограниченного кристаллического твердого раствора.

5. Специфика реакции, контролируемой одномерной диффузией.

Реакции в процессе облучения исследовались в рамках уравнений формальной кинетики без специального учета диффузионных стадий процесса. Допустимость такого подхода' связана с тем, что при облучении быстро устанавливается квазистационарная концентрация подвижных частиц. Для моделирования кинетики диф-фузионно-контролируемых термоактивированных реакций ПЦ после облучения уравнения формальной кинетики могут быть неприемлемы, если в рассматриваемом временном диапазоне процесс развивается нестационарно. В этом случае была использована локальная кинетическая модель, учитывающая специфику диффузи-онно-контролируемой реакции.

Практическая значимость работы связана с тем, что в ней рассмотрены радиационные эффекты не только в беспримесном КСЮ4, но и в содержащих его твердых растворах. Исследование различных свойств (в том числе радиационной устойчивости) твердых растворов имеет прикладное значение, так как большинство используемых в современной технике кристаллических соединений (полупроводниковые материалы, активные элементы лазеров, высокотемпературные сверхпроводники и др.) представляет собой именно твердые растворы. Поэтому переход к исследованию более сложных объектов расширяет возможности практического использования научных результатов. Кинетические модели, развитые в настоящей работе, могут быть адаптированы для дискриминации механизмов радиолиза других кристаллических веществ, в том числе имеющих практическое применение.

Научная новизна представляемой работы связана с тем, что в ней впервые решены следующие задачи.

1. Проведена дискриминация альтернативных моделей радиолиза перхлоратов, основанная на использовании методов кинетического анализа и моделирования.

2. Предложена модель радиолиза твердого раствора К (1-Х)Т1ХС104 (0<*<1).

3. Выведено кинетическое уравнение для контролируемой одномерной диффузией реакции, продукт которой непрозрачен для подвижной частицы.

Личный вклад автора заключается в разработке и кинетическом анализе математических моделей рассмотренных механизмов реакций, а также в специальном выводе кинетического уравнения для реакции, контролируемой одномерной диффузией. Все использованные при решении кинетических задач программы также разработаны единолично авторомим же проведены все необходимые расчеты. Часть реакций, приведенных в контексте соответствующих механизмов, была предложена ранее другими исследователями. Другая часть реакций впервые предложена в настоящей работе. В проведении экспериментальных исследований непосредственного участия автор не принимал. В работе использованы экспериментальные результаты, полученные Хисамовым Б. А. и Хали-уллиным Р.Ш.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8-ой и 9-ой конференциях по радиационной химии и физике неорганических материалов (Томск, 1993, Томск, 1996) — научной конференции «Студенты и молодые ученые Кемеровского университета — 40-летию КГПИ—КемГУ» (Кемерово, 1994) — 4-ой международной конференции «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 1995) — 6-ой международной конференции «Радиационные гетерогенные процессы» (Кемерово, 1995) — XIII-th International Symposium on the Reactivity of Solids (Hamburg/Germany, 1996.) — международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука — третье тысячелетие» (Москва, 1997) — международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 1998) — международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 1998).

Диссертация состоит из четырех глав и двух приложений. Глава 1 представляет собой обзор работ по следующим темам.

1. Электронная энергетическая структура КСЮ4.

2. Радиационное образование и термоактивированные реакции ПЦ в КСЮ4 и твердых растворах на его основе.

3. Исследование радиолиза КС104 методами химического анализа при растворении образца.

Глава 2 посвящена кинетическому анализу механизмов образования первичных ПЦ при облучении КС104 и твердых растворов КСЮ3 и KNO3 в нем. Рассмотрены две группы моделей, в основе которых различные механизмы образования матричных ПЦ. 1. Образование ПЦ при локализации электронов и дырок на дефектах, концентрация которых ограничена.

2. Образование ПЦ при автолокализации электронов и-дырок на любом регулярном анионе.

Рассмотрен механизм образования конечных продуктов радиолиза из ПЦ. Дополнительно исследованы механизмы влияния примесных ионов Ы03~ и С103~ на радиолиз КСЮ4. Проведен анализ возможных механизмов образования примесного ПЦ ХОз (Х=Ы, С1).

Проведена дискриминация моделей и определены их кинетические параметры.

В главе 3 предложена модель радиолиза неограниченного твердого раствора К (1-Х)Т1ХСЮ4. Особенности образования ПЦ в К (1-х)Т1хСЮ4 объясняются изменением состава катионной координационной сферы аниона по мере изменения состава твердого раствора. Рассмотрены качественные особенности зонной структуры К (1-Х)Т1ХСЮ4. Неаддитивная зависимость выхода конечных продуктов от состава твердого раствора в рамках предложенной модели связана со спецификой электронных возбуждений К (1-Х)Т1ХСЮ4. Получено количественное описание экспериментальных зависимостей выходов ПЦ и конечных продуктов радиолиза от состава твердого раствора и определены параметры модели.

Глава 4 посвящена анализу термоактивированных реакций ПЦ в облученном КС104 и твердых растворах КСЮ3 и КИ03 в нем при температурах 200—300 К. Механизм этих процессов рассмотрен с учетом изложенных в [7, 9] представлений об одномерной миграции 02 по цепочке из анионов по механизму химической эстафеты. Специально выведено кинетическое уравнение для реакции, контролируемой одномерной диффузией, для случая, когда продукт реакции непрозрачен для подвижной частицы. На основе полученных формул рассчитана кинетика гибели первичного электронного ПЦ (ПЭПЦ), которая соответствует экспериментальной в диапазоне 200−270 К, и определена энергия активации диффузии 02. Проанализированы возможные механизмы влияния примесных анионов на кинетику термоактивированных реакций ПЦ.

В Приложении 1 кратко изложена методика численного решения задач формальной кинетики, использованная в настоящей работе.

В Приложении 2 представлена методика моделирования диффузионно-контролируемой кинетики методом 'Монте-Карло. На защиту выносятся следующие положения.

1. Механизм и кинетическая модель радиолиза КСЮ4 и разбавленных твердых растворов КС103 и КИ03 в нем.

2. Кинетическая модель, описывающая особенности радиолиза неограниченного твердого раствора К (1-Х)Т1ХСЮ4.

3. Результаты анализа кинетики термоактивированных реакций ПЦ в КС104 и твердых растворах КС103 и КИ03 в нем.

4. Вывод кинетического уравнения для реакции, контролируемой одномерной диффузией, при условии, что продукт реакции препятствует диффузии подвижной частицы.

Автор признателен всем своим коллегам, способствовавшим формированию представлений, изложенных в диссертации. Автор считает своим долгом выразить персональную благодарность научным руководителям: профессору Невоструеву В. А. за настойчивое стимулирование представляемой работы, обсуждение различных аспектов рассматриваемых здесь проблем и полезные для автора замечания при чтении рукописидоценту Халиуллину Р. Ш., экспериментальные результаты и идеи которого легли в основу диссертации, и чья многосторонняя помощь и поддержка присутствовали на всех этапах выполнения работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведен кинетический анализ и дискриминация возможных механизмов образования парамагнитных и ионных продуктов радиолиза КС104, в результате чего выбран адекватный экспериментальным результатам механизм. Основные особенности этого механизма:

• Образование ПЦ [С103~, О" ] и (СЮ^" происходит при автолокализации электронов и дырок на регулярных анионах.

• [СЮ2, 02] образуется при взаимодействии нерелаксированной (горячей) дырки с СЮ4-.

• Разложение перхлорат-иона (т.е. образование конечных продуктов радиолиза) происходит по двум основным каналам:

— непосредственно при образовании первичных ПЦ ([С103~, 0~], [С102, 02]);

— при рекомбинации дырочных ПЦ с нелокализованным электроном.

2. В рамках разработанной математической модели радиолиза КСЮ4 рассмотрен радиолиз разбавленных твердых растворов КС103, 1Ш03 и Т1СЮ4 в КС104. Показано, что влияние ионов СЮ3~, ИОз", ТГ на образование ПЦ и конечных продуктов радиолиза может быть обусловлено процессом локализации зонной дырки на примесном анионе.

3. На основании рассмотренного механизма радиолиза разбавленных твердых растворов разработана модель радиолиза неограниченного твердого раствора К (1-Х)Т1ХС104. В этой модели дополнительно учитывается влияние на радиолиз следующих факторов, обуславливающих особенности радиолиза концентрированного твердого раствора.

• Специфика зонной структуры и соответственно электронных возбуждений кристаллов К (1-Х)Т1ХСЮ4.

• Изменение состава ближайшего катионного окружения перхлорат-иона, влияющее на процесс автолокализации электрона и свойства образующихся при этом ПЦ.

4. Проведен анализ кинетики термоактивированных реакций ПЦ в облученном КСЮ4. Для этого впервые выведено кинетическое уравнение для реакции, контролируемой одномерной диффузией, при условии, что продукт реакции препятствует диффузии подвижной частицы. Показано, что предложенный ранее механизм гибели [СЮ3~, О-] (взаимодействие этого ПЦ с движущейся по эстафетному механизму квазичастицей [С10з~, 02, СЮ3~]) соответствует экспериментальным результатам только в ограниченном диапазоне температур (<270 К). При комнатной температуре ПЦ [С103~, СГ], который при температурах >270 К становится подвижным, дополнительно рекомбинирует с дырочными ПЦ.

5. На основании модели термоактивированных реакций ПЦ в беспримесном КСЮ4 рассмотрена кинетика гибели [С103~, О" ] в твердых растворах КС103, КИ03 в КС104. Показано, что примесные анионы С103″, ЫОз" влияют на оба канала термической гибели ПЦ [С103~, О-], что может быть связано с взаимодействием этих анионов с подвижными частицами ([С103-, 02, С103~] и.

СЮ3-, О" ]).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Во многих работах, посвященных радиолизу оксианионных кристаллов, выделяется один главный фактор, к которому сводится интерпретация большинства экспериментально обнаруженных эффектов. В качестве определяющих механизм радиолиза факторов рассматривались, например, электронно-энергетическая структура кристалла [2], собственная дефектность кристалла [3], особенности кристаллической структуры [7], электрон-фононное взаимодействие [55]. Безусловно, все эти факторы играют важную роль в процессах радиолиза. Но из результатов настоящей работы следует, что выделить единственный фактор, определяющий специфику радиолиза КСЮ4 и содержащих его твердых растворов невозможно. Поэтому здесь представлен анализ экспериментальных результатов с нескольких точек зрения (как альтернативных, так и взаимодополняющих). Соответственно в диссертации предложена не одна всеобъемлющая математическая модель радиолиза, а несколько моделей наиболее подробно исследованных радиационных и пострадиационных эффектов. В основе этих моделей очень важные для понимания общих особенностей радиационных и термоактивированных процессов в перхлорат-содержащих кристаллах развитые Байбер-гом представления о ПЦ в КС Ю4 как о комплексах, содержащих фрагменты диссоциированного аниона. (Из сложной структуры ПЦ, в частности, следует их взаимосвязь с конечными продуктами радиолиза.).

Пока мало информации о роли низкоэнергетических электронных возбуждений аниона при радиолизе перхлоратов. Здесь только отмечена их роль при радиолизе твердого раствора К (1-Х)Т1ХСЮ4. Исследование этого и других перхлорат-содержащих твердых растворов необходимо продолжить, так как обнаруженные уже на начальном этапе исследования неаддитивные эффекты, вероятно связаны с природой электронных возбуждений в этих системах.

Термоактивированные процессы в КСЮ4 связаны с возможностью движения квазичастиц по эстафетному механизму. Общие представления о влиянии примесных анионов на эти процессы впервые сформулированы в [9], где предполагается, что миграция реагента [02] происходит квазиодномерно. В настоящей работе была разработана математическая модель реакции, контролируемой одномерной диффузией, соответствующая этому механизму. Оказалось, что эта модель соответствует эксперименту только в ограниченном диапазоне температур. Но даже такое соответствие не может окончательно подтвердить именно одномерный тип диффузии [02] при температурах <270 К. Необходимо более подробно исследовать медленную убыль концентрации при больших временах (так называемый «хвост» кинетической кривой), так как закон изменения концентрации при больших временах различен для объемной и одномерной диффузионно-контролируемой реакции. Кинетика гибели [СЮ3-, 0~] при комнатной температуре не может быть следствием единственной реакции этого ПЦ с [02], контролируемой одномерной диффузией. Вероятная причина этого — существование дополнительного канала гибели [СЮ3~, О-], связанного с тем, что при температурах >270 К этот ПЦ становится подвижным. Ранее термоактивированная миграция ПЭПЦ рассматривалась лишь в единственной работе [37]. Поэтому представляет большой интерес поиск дополнительных экспериментальных подтверждений термоактивированной миграции ПЭПЦ. (Например, можно, попытаться ввести в КС104 примесный ион, обладающий электронно-акцепторными свойствами, а затем после облучения наблюдать термоактивированное появление примесного электронного ПЦ.).

Ряд процессов в КС104 и особенно в перхлорат-содержащих твердых растворах не рассмотрены в настоящей работе. Это связано в первую очередь с недостатком экспериментальной информации об этих процессах, отсутствием количественных кинетических измерений. Здесь также не приведен анализ фотолиза перхлоратов, хотя сравнение процессов их фотолиза и радиолиза представляет большой интерес. По мере накопления экспериментальных фактов такое сравнение может дать дополнительную информацию о роли различных типов электронных возбуждений при разложении перхлоратов под действием облучения. Дополнительные возможности для исследования механизма радиолиза перхлоратов открываются при использовании высокоскоростных импульсных методов. Работа в этом направлении еще предстоит.