尹天罡 于俊涛
中国核电工程有限公司郑州分公司，郑州 450052
摘要：石英玻璃经辐照产生色心缺陷导致石英玻璃光学透过率下降，影响石英玻璃在核工程和航天工程中的应用性能，本文基于国内外高能粒子对玻璃作用的研究进展，对辐致损伤的过程机制等研究内容进行了综述。
关键词：石英玻璃 辐照效应 色心缺陷
石英玻璃由于其具有优异的抗辐照性能，是核工业中重要的屏蔽和窥视窗材料，也是航天工程中不可或缺的关键性光学材料，如航天器的光学镜头和照相镜头等 。随着核工业和航天工业的迅速发展，对石英玻璃配套材料的抗辐照性能也提出了更高的要求。其中，由于辐照使石英玻璃产生色心缺陷而着色、光谱透过性能下降是影响其抗辐照性能的重要因素，也是国内外石英玻璃辐照损伤研究和缺陷研究的重点内容。
1辐照效应
1.1电子与玻璃材料的作用
电子束辐照光学玻璃材料，核外电子获得能量将会被电离或者被激发，形成激发态。处于激发态或者亚稳态的电子，将通过发出荧光、无辐射跃迁等形式释放能量，回到低能级。电子束和玻璃材料的原子相互作用，可能会引起材料的微观结构发生改变。
(1) 电子束辐照诱导钠硼硅玻璃的相分离现象
K.Sun 采用能量过滤透射电子显微镜原位观测 Na2O-B2O3-SiO2(NBS) 玻璃在电子辐照下的微观结构变化[1]。当辐照剂量达到1.2×1012Gy时，玻璃中的B 和Si元素发生分离，形成富B和富Si区，即出现相分离现象。进一步增大辐照剂量到1.8×1012Gy，B元素的分γ射线辐照诱导玻璃的光学性能与微观结构变化及其机理研究分布变化较小，而Si元素的聚集现象更加显著。
(2) 电子束辐照诱导硼硅玻璃的体积变化
电子辐照光学玻璃还会导致玻璃材料的体积发生变化。F玻璃、S玻璃的体积变化分为两个阶段，即低辐照剂量时的体积压实效应和高辐照剂量下的体积膨胀效应。电子辐照初期，由于从入射电子获得能量，Si-O-Si键发生弛豫效应引起体积压实[2]。随着辐照剂量增大，碱金属离子的迁移占主导地位。在辐照区域由于碱金属的迁移，非桥氧键断裂，将形成新的硅氧环状连接，所占体积增大，引起体积膨胀。在熔石英玻璃(SiO2)中，由于不存在碱金属离子，因此只表现为体积压实效应[3]。
1.2中子和玻璃材料的作用
中子呈电中性，因此它不受带负电的电子、和带正电的质子的影响。因此与带电粒子相比，中子更易和原子核发生反应，造成原子位移而引起玻璃材料的性能和结构发生变化。随着中子从1.56×1013增大到 4.16×1012n/cm2，玻璃的密度和折射率也逐渐增大[4]。
1.3 γ射线和玻璃材料的作用
能量小于 0.5 MeV的γ射线辐照光学玻璃材料时，主要产生光电效应。这时，γ射线与原子核外电子作用，使其脱离原子核的束缚。0.5-4.7MeV的γ射线与玻璃作用时，核外电子与入射光子发生碰撞，使入射光子的运动方向发生改变，减弱光子的能量强度，同时电子获得能量脱离原子(康普顿效应)。更高能量的 γ射线辐照光学玻璃时，产生电子对。
2 辐照诱导玻璃材料损伤的机理
在高能射线的作用下，玻璃材料中的损伤主要包括产生电子-空穴对和原子位移两种效应。原子位移是指在高能粒子辐射下造成原子偏离原来位置，形成间隙（弗
伦克尔缺陷）或空位（肖特基缺陷）。辐射产生的电子空穴对可能通过弛豫复合，也可能形成自由载流子。
当电离辐射产生的自由载流子被缺陷中心（辐射诱导缺陷、本征缺陷、杂质、碰撞损伤点等）俘获，形成带有电荷的特殊点缺陷结构。这种缺陷结构通常在可见光区域存在吸收，使得玻璃呈现互补色而着色，因此被称为色心。
3 提高玻璃材料抗辐照性能
在高能射线的辐照下，自由电子或空穴被玻璃中固有缺陷或者辐照产生的缺陷捕获，形成色心，造成玻璃透过率降低。如果能将自由电子捕获，阻止其落入材料中的空位结构，就可以有效提高玻璃材料的耐辐照性能。具有多个价态的离子可以与电子或空穴反应，阻止其被缺陷捕获。因此，变价离子通常作为辐照稳定剂被引入到玻璃中。然而，变价离子 Fe、Mn、Cr、Co、Ni、Cu 等元素在可见区有吸收，影响玻璃的透过性能，而 Ce 元素的短波吸收峰都位于紫外波段，不影响光学玻璃在可见光波段的透过率，因而 CeO2是理想的、最常见的辐照稳定剂[5]。
在耐辐射玻璃材料制备过程中，不同熔制气氛对变价离子的价态产生影响，进一步影响材料的耐辐射性能。采用氧化气氛熔制玻璃时，可以促进 Ce3+向 Ce4+转变，提高光学玻璃的耐辐照性能。
各种粒子与玻璃作用，使玻璃产生色心缺陷，导致玻璃的透过率降低，本文综述了三种粒子与玻璃作用的机理以及提高玻璃耐辐照性的两种方法。
参考文献
[1] Sun K, Wang L M, Ewing R C, et al. Electron irradiation induced phase separation in a sodium borosilicate glass[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms, 2004, 218: 368-374.
[2] Gavenda T, Gedeon O, Jurek K. Volume changes in glass induced by an electron beam[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms, 2014, 322: 7-12.
[3] Eernisse E P. Compaction of ion-implanted fused silica[J]. Journal of Applied Physics, 1974,45(1): 167-174.
[4] El-Alaily N A, Mohamed R M. Effect of irradiation on some optical properties and density of lithium borate glass[J]. Materials Science and Engineering B-Solid State Materials for Advanced Technology, 2003, 98(3): 193-203.
[5] Morono A, Martin P, Gusarov A, et al. Radiation induced absorption and luminescence of selected alternative radiation resistant glasses[J]. Journal of Nuclear Materials, 2009, 386-88:1030-1033.