Studies on the Diffusion of ³⁷Ar and the Thermal Annealing of ⁵¹Cr Recoil in Neutron Irradiated CaCrO₄-Crystals

Summary

The apparent similarity of the rare gas diffusion and the recoil annealing processes both resulting in “pseudo-plateaux” leads to study these processes in CaCrO₄-crystals in order to find out a possible relationship. The material used was crystallized from solution, dried at room temperature (sample A) and at 200° C (sample B), an average grain size of 130 μwas selected and irradiated for 8 hours with pile neutrons in a flux of 4 x 10¹²n/cm² · sec. The diffusion of the homogenously distributed ³⁷Ar, produced by ⁴⁰Ca (n, ɑ) process was investigated in the temperature range from 100 to 800° C. The thermal annealing of (n, γ) ⁵¹Cr-recoil fragments could be measured between 100 and 300° C. - It was found that the percentage of released ³⁷Ar is much dependent on the thermal treatment of the CaCrO₄-crystals. For instance about 52% of the ³⁷Ar diffused already in 3 hours at 300° C from sample (A), while from the tempered sample (B) only about 5% was lost. In both preparations the ³⁷Ar-release reaches 100% at about 800° C possibly favoured by oxygen liberation.

In the range of 300 ~ 700° C, linearity of log D with 1/T was observed. This part of the curve should be due to the normal volume diffusion. ³⁷Ar-diffusion coefficients at 200° C were measured to be 6,0 · 10^-11 cm²/sec for sample (A) resp. 7,7 · 10^-15 cm²/sec for sample (B). At 300° C, 3,2 · 10^-10 for (A) resp. 1,1 · 10^-12cm²/sec for (B).

The initial retention of recoil ⁵¹Cr was found to be 10% higher in sample Β which can be explained by the fact that the instantaneous recombination reaction is hindered by adsorbed molecules and lattice imperfection. The thermal annealing at the earlier stage formally follows first order kinetics, the reaction rate constants are almost the same for both samples at a given temperature. In multi-step annealing experiments R_∞ reaches characteristic plateau-values which can be obtained also by a single-step heating at the respective temperature. This is not the case in the multi-step ³⁷Ar-diffusion experiments which are found to be very sensitive to the "history" of the sample. The differences in the Ar-diffusion and the ⁵¹Cr-annealing-multi-step curves are explained by the pronounced physical and the more chemical nature of the processes involved.

Zusammenfassung

Die scheinbare Ähnlichkeit der Diffusion von Edelgasen und der thermischen Ausheilung von RückstoßefFekten, die beide mit „Pseudoplateaus" verbunden sind, veranlaßte eine Untersuchung dieser Prozesse in CaCrO₄-Kristallen, um eine mögliche Beziehung aufzusuchen. Die verwendete Substanz war aus Lösung kristallisiert und bei Zimmertemperatur (Probe A) oder 200° C (Probe B) getrocknet; eine mittlere Kerngröße von 130 μ wurde gewählt und 8 Stunden mit Reaktorneutronen bei einem Fluß von 4 · 10¹² n/cm² · sec bestrahlt. Die Diffusion des homogen verteilten ³⁷Ar, aus ⁴⁰Ca (n, α), wurde im Temperaturbereich von 100-800° C untersucht. Die thermische Rekombination von (n, γ) ⁵¹Cr-Rückstoßfragmenten konnte zwischen 100 und 300° C gemessen werden. Es wurde festgestellt, daß der Anteil des freien ³⁷Ar stark von der thermischen Behandlung der CaCrO₄-Kristalle abhängt. Zum Beispiel diffundierten in 3 Stunden bei 300° C aus Probe A schon etwa 52% des ³⁷Ar heraus, während die getemperte Probe Β nur etwa 5% verlor. In beiden Präparaten erreicht bei 800° C die möglicherweise durch Sauerstoffentwicklung begünstigte Freisetzung des ³⁷Ar 100%.

Im Gebiet von 300-700° C wurde ein linearer Zusammenhang zwischen log D und 1/T beobachtet. Dieser Teil der Kurve sollte der normalen Volumendiffusion entsprechen. Der Diffusionskoeffizient für ³⁷Ar wurde bei 200° C zu 6,0 · 10^-11 cm²/sec für Probe A, bzw. 7,7 · 10^-15 cm²/sec für Probe Β gemessen. Bei 300° C sind die Werte 3,2 · 10^-10 für A, bzw. 1,1 · 10^-12 für B.

Die Ausgangsretention des Rückstoß-⁵¹Cr wurde in Probe Β um 10% höher gefunden, was dadurch erklärt werden kann, daß die momentane Rekombinationsreaktion durch adsorbierte Moleküle und Gitterfehlstellen behindert wird. Die Temperreaktion gehorcht anfänglich formal einem Gesetz erster Ordnung; die Geschwindigkeitskonstanten sind bei gegebener Temperatur für beide Proben beinahe gleich.

Bei vielstufigen Temperversuchen erreicht R_∞ charakteristische Plateau-Werte, die auch durch einstufiges Erhitzen bei der entsprechenden Temperatur erhalten werden können. Das ist bei den vielstufigen Diffusionsversuchen mit ³⁷Ar nicht der Fall, die sich als sehr empfindlich gegenüber der „Geschichte" der Probe erweisen. Die Unterscheide zwischen den Vielstufenkurven der Ar-Diffusion und der ⁵¹Cr-Temperung werden durch die ausgesprochen physikalische, bzw. die mehr chemische Natur der Prozesse erklärt.

Résumé

L'analogie apparente entre la diffusion des gaz rares et le recuit des particules de recul résultant, tous les deux, en de «pseudo-plateaux», conduit à l'étude de ces procès dans les cristaux de CaCrO₄, afin de trouver une relation possible. La matière usée était cristallisée d'une solution et séchée à température ambiente (préparation A) ou à 200° C (préparation B) ; on choisit les grains de 130 μ à peu près qui sont irradiés huit heures aux neutrons de réacteur dans un flux de 4 · 10¹² n/cm² · sec. La diffusion du ³⁷Ar, distribué homogènement et produit par ⁴⁰Ca (n, ɑ), a été étudiée dans l'intervalle de température de 100 à 800° C. Le recuit thermique des fragments de recul de (n, γ) ⁵¹Cr pouvait être mesuré de 100 à 300° C. On trouvait que le pourcentage du ³⁷Ar libéré dépend fortement du traitement thermique des cristaux de CaCrO₄. Par exemple, de l'échantillon (A) 52% du ³⁷Ar diffusait déjà en trois heures à 300° C; par contre, l'échantillon recuit (B) ne perdait qu'à peu près 5%. Dans tous les deux préparations la libération du ³⁷Ar, peut être favorisée par celle d'oxygène, atteint 100% à 800° C à peu près. Dans la région de 300 à 700° C, une'linéarité de log D avec 1/T est observée. Ce part de la courbe faudrait être dû à la diffusion de volume normale. Les coefficients de diffusion du ³⁷Ar à 200° C ont été mesurés; ils sont 6,0 · 10^-11 cm²/sec pour (A), 7,7 · 10^-15 cm²/sec pour (B). A 300° C, c'est 3,2 · 10^-10 cm²/sec pour (A), 1,1 · 10^-12 cm²/sec pour (B).

La retention initiale du ⁵¹Cr de recul a été trouvée plus grande de 10% dans la préparation B, qu'est à expliquer par le fait que la réaction immédiate de recombinaison est empêchée par des molécules adsorbées et des imperfections dans la structure cristalline. Le recuit thermique au commencement obéira formellement à une cinétique du premier ordre, les constantes de réactions étant presque les mêmes pour les deux préparations à une température donnée.

Par des expériences de recuit à plusieurs échelons R_∞ obtient des valeurs de plateau caractéristiques que l'on peut obtenir aussi en recuisant une fois à la température respective.

Ce n'est pas de même dans les expériences de diffusion de ³⁷Ar à plusieurs échelons, qui se trouvent fort sensibles à l'«histoire» de l'échantillon. Les différences dans les courbes de diffusion du Ar et celles de recuit du ⁵¹Cr à plusieurs échelons sont expliquées par la nature physicale prononcée et, par contre, la nature plus chimique des procès participants.