快重离子在聚苯乙烯中的辐照效应研究

本工作用兰州重离子加速器提供的2.1GeV的Kr离子分别在空气和真空条件下辐照了多层堆叠的聚苯乙烯薄膜样品，辐照剂量在5 * 10~(10)到3 * 10~(12)ions/cm~2之间，辐照温度在室温附近。辐照后对样品分别进行了傅立叶变换红外光谱和紫外可见光谱的测量，由此研究了快重离子辐照聚苯乙烯产生的物理和化学改性。实验结果表明，聚苯乙烯经Kr离子辐照后发生了降解，包括苯环在内的大部分官能团遭到破坏，相应特征峰的吸光度随辐照剂量和能损的增加而减小。与此同时，辐照还在1650-1750cm~(-1)之间和3300cm~(-1)处产生了新的吸收峰，其分别对应于C=O双键的分子振动和C≡C-H的C-H伸缩振动，表明辐照在聚苯乙烯中产生了炔基。实验发现产生炔基需要离子有足够高的电子能损值，在聚苯乙烯中该能损阈值约为1.0keV/nm。在材料经辐照发生降解的同时，样品的光吸收边界逐渐红移，并伴有透光率的下降。详细的测量显示，在紫外可见区材料吸光度的增加随剂量近似呈线性关系，随能损呈约二次方的指数关系。通过对2.1GeV的Kr离子和1.4GeV的Ar离子辐照结果的比较还发现，快重离子辐照产生的物理化学改性不仅与离子的能损有关，还与离子的速度有关。在同一能损条件下，速度越小，产生的效应就越大。文中用径向能量沉积密度和有效化学反应半径对上述结果进行分析讨论。