Ядерные превращения при воздействии ионизирующих излучений

Ядерными превращениями (реакциями) называют процессы взаимодействия ядерных частиц с ядрами атомов вещества. Обычно ядерные реакции записывают в виде

А + a ® В + b,

или сокращенно А (a, b) В. Частицы, появляющиеся в результате ядерных превращений, могут быть теми же, что и во входном канале, но в других состояниях, которые не описываются моделью упругого рассеяния. Очень часто образующиеся вторичные частицы находятся в метастабильном и/или возбужденном состояниях, поэтому в ходе ядерных реакций могут образовываться также дополнительные вторичные частицы, в том числе гамма-кванты [4].

Сечение реакции определяется свойствами сил взаимодействия между частицами и трудно поддается расчетным оценкам. На практике представляет интерес идентификация каналов реакции (тип ядерной реакции и образующиеся вторичные частицы), энергия и угловое распределение образующихся вторичных частиц. Ряд оценок можно получить в результате применения законов сохранения энергии, импульса, заряда, числа нуклонов и ряда других.

Применительно к радиационным факторам космического пространства ядерные реакции проявляются в основном при воздействии протонов. При этом наиболее распространенной является реакция Si(p, a)Al [4]. Энергетическая зависимость сечения данной реакции от энергии протонов представлена на рис. 1.16 [4].

Рис. 1.16. Сечение ядерной реакции Si(p, a)Al в кремнии в зависимости от энергии протонов [4] (1 барн = 10^–24 см²)

При нейтронном облучении ядерные реакции возникают в основном вследствие взаимодействия облучаемого вещества с тепловыми нейтронами [3], энергия которых лежит в диапазоне до нескольких сотен электронвольт. При этом вследствие ядерных превращений в кристаллах полупроводников могут возникать новые химические примеси (трансмутационное легирование). Обычно при облучении полупроводников в реакторе средними интегральными потоками (до 10¹⁵ см^–2) число смещенных атомов в результате упругого рассеяния быстрых нейтронов значительно превышает число ядерных превращений, однако относительное число ядерных превращений может сильно возрасти, если путем использования различных замедлителей повысить долю тепловых нейтронов.

Тепловые нейтроны можно использовать для трансмутационного легирования некоторых полупроводников. В частности, при легировании данным методом кремния целевой эффект получается вследствие протекания ядерной реакции на тепловых нейтронах [3]

³⁰Si (n, g) ³¹Si ³¹P.

Высокая проникающая способность нейтронов в веществе обеспечивает равномерное введение примеси при трансмутационном легировании. Однако для широкого использования данного метода легирования кремния имеется ряд трудностей, таких как значительная наведенная радиоактивность, длительные времена облучения, сложности получения и дозиметрии прецизионных однородных пучков тепловых нейтронов заданных энергий и их использования для локального облучения с целью получения желаемых профилей легирования в полупроводниковых структурах [3].