WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Физический факультет

На правах рукописи

Голубок Дмитрий Сергеевич СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В АМОРФНОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ СПЛАВЕ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОТОКОВ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИОНОВ И НЕЙТРОНОВ Специальность 01.04.07. – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор А.А.Новакова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Е.Ф.Макаров доктор физико-математических наук, профессор А.М.Глезер

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

Защита состоится «» 2007 г. в _ часов на заседании диссертационного совета К501.001.02 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.

М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «_» 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук И.А.Никанорова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Изучение структурных превращений в таких неравновесных системах, как аморфные металлические сплавы, при их облучении потоками заряженных частиц, способных инициировать различные процессы атомной перестройки за счет передачи энергии бомбардирующих частиц атомам твердого тела, представляет собой большой интерес с двух точек зрения. Во-первых, для радиационной физики твердого тела имеет фундаментальное значение изучение процессов, ответственных за структурно-фазовые превращения в аморфных материалах, известных своей радиационной стойкостью вследствие отсутствия в них дальнего порядка. Во-вторых, механизм передачи энергии (упругое или неупругое взаимодействие, ионизация) можно целенаправленно изменять путем выбора типа и энергии облучающих частиц, что открывает широкие перспективы использования радиационного воздействия, как инструмента технологической обработки.

Помимо этого, для создания надежно работающих энергетических ядерных реакторов чрезвычайно важны исследования по радиационной стойкости конструкционных материалов к облучению нейтронами.

Действие нейтрона при столкновении с атомами мишени заключается либо в образовании атома отдачи с большой энергией (часто десятки или сотни тысяч вольт), либо атома-осколка, возникшего при ядерном превращении или расщеплении. Атомы отдачи в большинстве случаев будут иметь заряд, так как часть их электронов теряется при столкновении. Поэтому можно начинать изучение радиационных воздействий с рассмотрения действия, производимого атомом отдачи, т. е. тяжёлой заряженной частицей. В таком случае воздействие нейтронной радиации принципиально не отличается от действий, непосредственно производимых тяжёлыми заряженными частицами. Другими словами, и здесь решается проблема прохождения тяжёлой заряженной частицы через твёрдое тело.

Вариация контролируемых параметров облучения, таких как энергия, поток ионов, температура образца, открывает большие возможности для получения принципиально новых материалов с необходимыми свойствами. В случае аморфных металлических систем такая технологическая обработка может изменить их свойства на микро-, нано- и атомном уровне. Тем самым, получение новых материалов с индивидуальными, причем настроенными под определенные технические условия свойствами, можно рассматривать как новый тип нанотехнологий.

Цель работы Исследование изменений структурного состояния аморфного сплава Fe77Ni2Si14Bпосле облучения высокоэнергетическими ионами и нейтронами.

Научная новизна:

Впервые проведены экспериментальные исследования изменения структурного и магнитного состояния аморфного сплава вдоль траектории прохождения иона облучения до полной его остановки методом селективной по глубине конверсионной мессбауэровской спектроскопии.

Экспериментально выделены и оценены вклады упругих и неупругих взаимодействий высокоэнергетических ионов и нейтронов вдоль их треков в структурную перестройку в аморфном сплаве.

Впервые была обнаружена в приповерхностном слое аморфного металлического сплава в результате облучения медленными нейтронами, кристаллизация с образованием дендритных структур размерами порядка 50-1000 нм.

Практическая ценность:

1. Соединение теоретического представления и математических расчетов с экспериментальными исследованиями воздействия высокоэнергетических ионов и нейтронов на аморфные металлические сплавы.

2. Впервые выявлены и проанализированы структурные превращения вдоль трека ионов облучения в аморфном сплаве.

3. Впервые выявлено дендритообразование в приповерхностной области сплава в результате ядерной реакции захвата медленных нейтронов ядрами атома В с испусканием - частиц с энергией Е=2,79 МэВ.

Основные положения, вынесенные на защиту:

1. Экспериментальное исследование структурных изменений в аморфном сплаве вдоль трека ионов облучения. Разделение влияния упругих и неупругих взаимодействий.

2. Изменение структурного состояния по толщине аморфного сплава в зависимости от энергии ионов облучения.

3. Рост дендритных структур в приповерхностной области аморфного сплава, индуцированный ядерной реакцией захвата медленных нейтронов ядрами атомов бора.

Апробация работы:

Результаты работы доложены на международных и российских конференциях:

1. VIII Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» (2002г., Санкт-Петербург, Россия).

2. International Symposium on Metastable, Mechanically Alloyed and Nanocrystalline Manerials (2002г., Сеул, Южная Корея).

3.Международная конференция «Физика электронных материалов» (2002г., Калуга, Россия) 4. IV Национальная конференция по применению рентгеновского синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ) (2003 г., Москва, Россия).

5. XII Международное совещание «Радиационная физика твердого тела» (2003 г., Севастополь, Украина).

6. 14th International Conference on Solid Compounds of Transition Elements (2003, Линц, Австрия).

7. XV Международное совещание «Радиационная физика твердого тела» (2005 г., Севастополь, Украина).

8. Международный семинар «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (2005, Обнинск, Россия).

9. ХIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2007» (2007, МГУ Москва, Россия) Публикации: основные результаты работы опубликованы в 12 печатных работах:

5 статьях и 7 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.

Структура и объем работы: диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста, включая 41 рисунка и 17 таблиц, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 120 наименований. Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета МГУ им М.В. Ломоносова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, формулируется цель диссертационной работы, отмечается научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Здесь же приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ литературных данных по теме диссертации. Параграф 1.1. обзора посвящен структуре и свойствам аморфных сплавов.

Особенности фазовых превращений в аморфных сплавах при нагреве описаны в параграфе 1.2. Параграф 1.3. посвящен обзору экспериментальных работ по влиянию облучения на структуру и свойства аморфных сплавов. В параграфе 1.4. сформулированы поставленные физические задачи исследования.

Во второй главе приведены данные об исследуемых образцах, описана методика выполненных экспериментов.

Исследовался аморфный сплав Fe77Ni2Si14B7, который был получен в виде ленты толщиной 20 мкм и шириной 20 мм методом спиннингования. Все дальнейшие исследования, а также облучение образцов проводились с внешней (не примыкающей к барабану) стороны аморфной ленты.

40 84 131 Облучение высокоэнергетическими ионами Ar, Kr, Xe, Bi образцов аморфного сплава проводилось в вакууме (6*10-2Па) при комнатной температуре на ускорителе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова ОИЯИ (Дубна). Все необходимые для расчетов характеристики этих ионов приведены в Таблица 1. Ионный пучок имел однородное распределение по площади образца. В течение облучения производилось охлаждение подложки образца. Дополнительно были облучены образцы аморфного сплава ионами Xe, Bi через фольгу нержавеющей стали, толщиной 13 мкм.

Таблица 1. Характеристики ионов облучения.

Порядковый Энергия Поток Ион Атомная масса номер E, МэВ Ф, ион/смAr 18 40 Kr 36 84 Xe 54 131 Bi 83 209 Помимо этого, было проведено облучение образцов данного сплава на импульсном реакторе быстрых нейтронов ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики им.И.М.Франка Объединенного института ядерных исследований. Облучение проводилось на установке “РЕГАТА” на канале с пневмопочтой. В таблице 2 представлены энергии En нейтронов, замеренные в канале облучения реактора ИБР-2, флюенсы облучения n t в зависимости от диапазона энергии нейтронов, сечение дефектообразования на быстрых fast нейтронах, а также рассчитанная доза повреждений Dnfast = n t для d d нейтронов с Enfast > 0,1 МэВ.

Таблица 2. Характеристики нейтронов, замеренные в канале облучения реактора ИБР-Тип Энергия, сна см n t,1017 н Dnfast 10-5,, d нейтронов En, эВ см2 н сна Therm Тепловые 0,01 0,45 - Фn = 2,Re Резонансные - 0,45 105 Фn son = 4,7 Fast Быстрые 3,6 7,105 2,0107 Фn = 1,81017 (2 4) 10-При взаимодействии медленных (тепловых) нейтронов с веществом, кроме упругих столкновений могут происходить еще и неупругие, а именно: захват нейтронов атомами этого вещества, вероятность которого для каждого элемента характеризуется сечением захвата (см.табл.3).

* Таблица 3. Сечения захвата нейтронов и сечение упругого рассеяния capture нейтронов ядрами химических элементов, входящих в состав аморфного d сплава Fe77Ni2Si14B7 [5].

Элемент Сечение упругого Сечение захвата * рассеяния, (барн) d нейтрона, (барн) capture Fe 11,35 2,Ni 17,8 4,Si 1,992 0,B5+ - Рентгеновские измерения проводились на дифрактометре с вращающимся анодом «Rigaku Geigerflex D/max-RC»(12 kW) в геометрии Брегга-Брентано со скоростью 0,020/мин в диапазоне углов по 2 от 50 до 1400 с использованием графитового монохроматора на излучении CuK (=1,54 А).

Эксперименты по снятию мессбауэровских спектров были проведены в 2-х геометриях. В геометрии на прохождение - квантов через исследуемый образец, регистрируя информацию, усредненную по всей его толщине и в геометрии обратного рассеяния с регистрацией конверсионных электронов (толщина анализируемого слоя 0,мкм) и с регистрацией резонансного рентгеновского излучения (толщина анализируемого слоя ~15 мкм).

Электронно-микроскопические исследования поверхности образцов проводили с использованием растрового электронного микроскопа LEO-1455VP.

Моделирование взаимодействий высокоэнергетических ионов с атомами исследуемого аморфного сплава Fe77Ni2Si14B7 проводилось с помощью программного обеспечения Trim. Программа Trim не учитывает структурные особенности образца и поэтому может использоваться для расчета упругих и неупругих взаимодействий в аморфных сплавах. Вместо периода кристаллической решетки берется среднее расстояние между атомами в единице объема. А также задается состав аморфного сплава;

характеристики ионов, которыми производится облучение; их энергии. У каждого налетающего на мишень иона происходит своя собственная история столкновений с атомами мишени, не зависящая от результатов предыдущих столкновений. Для получения достаточной статистики в данном расчете моделировалось 1000 траекторий.

В третьей главе представлены результаты исследования процессов взаимодействий высокоэнергетических ионов облучения и нейтронов с аморфным сплавом Fe77Ni2Si14B7.

Моделирование взаимодействий высокоэнергетических ионов с атомами аморфного сплава Fe77Ni2Si14BДля постановки эксперимента по исследованию влияния облучения тяжелыми ионами высоких энергий на структуру аморфного сплава были выполнены расчеты энергетических потерь этих ионов в программе TRIM. Проведенный теоретический анализ показал, что при прохождении рассматриваемых ионов в исследуемых образцах, аморфного сплава Fe77Ni2Si14B7, осуществляются последовательно два основных механизма торможения заряженной частицы в твердом теле: неупругие и упругие взаимодействия, т.е. потери энергии иона облучения на ионизацию атомов мишени в начале пути и прямое выбивание их из своих равновесных положений в конце пути, соответственно. В связи с этим при изучении влияния облучения тяжелыми ионами высоких энергий интересно разделить вклады упругих и неупругих взаимодействий.

Вычисленные неупругие и упругие потери энергии ионов в зависимости от расстояния прохождения в аморфном сплаве представлены соответственно на графиках (рис.2 и рис.3). Оцененные из них длины пробега ионов в аморфном сплаве представлены в таблице 4.

Неупругие взаимодействия 5,Bi 710МэВ 5,4,Xe 372МэВ 4,3,3,Kr 253МэВ 2,2,Ar150МэВ 1,1,0,0,0 5 10 15 х, мкм Рис. 1 Потери энергии dE/dx ионов на ионизацию в аморфном сплаве Fe77Ni2Si14B dE/dx, кэВ / А Упругие взаимодействия Bi 710МэВ Xe 372МэВ Kr 245МэВ Ar 150МэВ 0 5 10 15 x, мкм Рис. 2 Потери энергии ионов на упругие взаимодействия с атомами сплава Fe77Ni2Si14BТаблица 4 Рассчитанные длины пробегов ионов облучения в аморфном сплаве Fe77Ni2Si14BИон Ar Kr Xe Bi Атомная масса 40 84 131 Энергия Е, МэВ 155 253 372 Длина пробега 17.5 15 16 в образце, мкм При съемке конверсионных мессбауэровских спектров с регистрацией резонансного рентгеновского излучения получается информация со слоя 10-15 мкм. Поэтому, снимая в такой геометрии мессбауэровские спектры для облученных образцов можно (согласно таблице 4) исследовать изменения в аморфном сплаве, произошедшие в результате только неупругих взаимодействий.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»