WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2 Воздействие нейтронного и протонного излучений на намагниченность биотита © У. Абдурахманов, А.Б. Грановский, А.А. Радковская, М.Х. Усманов, Ш.М. Шарипов, В.П. Югай Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Высшая пожарно-техническая школа, Ташкент, Узбекистан (Поступила в Редакцию 1 июня 2001 г.) Выполнен анализ полевой зависимости намагниченности биотита в исходном состоянии, после термической обработки при температуре 1000C в течение 15 min и после облучения нейтронами энергией 14 MeV дозой 1.2 · 1013 1/cm2 и протонами энергией 3 MeV дозой 2.2 · 1014 1/cm2. Показано, что сильное увеличение намагниченности биотита после воздействия нейтронов и протонов можно отнести за счет образования в радиационных тепловых пиках расплава окислов и ”замораживания” в них высокотемпературных фазовых состояний, соответствующих магнетиту или твердому раствору магнетита и гематита.

Интерес к изучению радиационных эффектов в биоти- 1. Интерпретация воздействия потока те обусловлен возможностями применения этого миненейтронов рала в качестве естественного индикатора воздействия радиационных излучений. В частности, использование Как известно, термическая обработка биотита при биотита в качестве трекового детектора стимулировало температурах более 500C ведет к необратимому измеисследование действия протонного излучения на его нению его магнитной восприимчивости [8]. Поэтому мессбауэровские спектры [1]. Указанное исследование можно ожидать, что наблюдавшееся в [2,3] изменение выполнено с помощью сравнения действия на биотит намагниченности биотита при воздействии нейтронов протонного излучения и термической обработки. Уста- также связано с процессами, имеющими термическую новлено, что изменения в мессбауэровских спектрах, природу.

вызванные протонным излучением и термической обра- В соответствии с результатами интерпретации эфботкой в вакууме, подобны. Позднее было исследовано фектов термического воздействия на биотит [7,9] при влияние нейтронного и протонного излучений на на- нагреве в нем протекают следующие физико-химические магниченность биотита также при сравнении действия процессы, формирующие зависимость магнитной восприуказанных излучений и термической обработки [2,3].

имчивости этого минерала от температуры и времени Установлено, что облучение нейтронами и протонами термической обработки: окисление ионов Fe2+ до трехваи термическая обработка сильно изменяют намагничен- лентного состояния, образование субмикронеоднородность биотита, причем их действие противоположно:

ных областей путем агрегации части ионов Fe3+ вокруг облучение нейтронами и протонами увеличивает на- вакансий с переходом этих ионов в спин-спаренное магниченность, а термическая обработка уменьшает ее. состояние, образование при высоких температурах геЯвление сильного изменения намагниченности биотита матитовой фазы и выделение при охлаждении частиц в результате воздействия указанных видов облучения гематита Fe2O3.

можно использовать в экспертизе мест радиационных Указанное выше изменение намагниченности биотита катастроф наряду с использованием ”магнитного сле- при облучении нейтронами не может быть связано тольда” термического воздействия в экспертизе мест по- ко с первым из указанных процессов. Действительно, жаров [4–6]. Недавно нами выполнен анализ наблюда- магнитный момент ионов Fe3+ равен 5.9 µB, т. е. преемых экспериментально зависимостей магнитной вос- вышает магнитный момент ионов Fe2+, равный 5.4 µB, приимчивости биотита от температуры и времени тер- всего лишь на 10%; и следовательно, переход даже мической обработки; предложены вероятные физико- всех ионов Fe2+ в биотите в трехвалентное состояние химические процессы, формирующие указанные зависи- не может обеспечить наблюдаемую величину изменения мости [7]. Последнее позволяет вновь обратиться к намагниченности (при использованной в эксперименте обсуждению природы радиационных эффектов в биотите. максимальной дозе 3.5 · 1013 1/cm2 изменение намагЗаметим, что для изучения радиационных эффектов в ниченности во внешнем магнитном поле напряженнотвердом теле использование нейтронов является более стью 18 kOe достигало почти 50%).

корректным, чем протонов, так как при этом в иссле- То же относится и ко второму из указанных процесдуемых образцах с размерами, обычно используемыми сов. Образование спин-спаренных состояний в субмив лабораторных условиях, обеспечивается более равно- кронеоднородных областях ведет к тому, что магнитмерное распределение повреждений в кристаллической ные моменты ионов, находящихся в этих состояниях, решетке. не вносят вклада в намагниченность; следовательно, 302 У. Абдурахманов, А.Б. Грановский, А.А. Радковская, М.Х. Усманов, Ш.М. Шарипов, В.П. Югай линейного участка кривых намагничивания биотита до и после термической обработки пересекают ось ординат в одной точке). Облучение нейтронами ведет к увеличению содержания в биотите магнитоупорядоченной фазы с отличным от нуля суммарным магнитным моментом (продолжение линейного участка кривой намагничивания образца, подвергнутого облучению нейтронами, пересекает ось ординат при более высоких значениях намагниченности, чем продолжнение соответствующего участка кривой намагничивания образца в исходном состоянии). Указанное увеличение содержания магнитоупорядоченной фазы и может быть интерпретировано в рамках модели теплового пика.

Согласно представлениям о тепловом пике при воздействии нейтронов в некотором объеме решетки биоПолевая зависимость намагниченности биотита при 4.2 K.

тита может мгновенно выделиться энергия, достаточная 1 — после облучения нейтронами энергией 14 MeV и додля плавления [10]. Благодаря очень малому времени зой 1.2 · 1013 1/cm2, 2 — после облучения протонами энергижизни теплового пика образовавшийся расплав окислов ей 3 MeV и дозой 2.2 · 1014 1/cm2, 3 — в исходном состоянии, должен быстро остыть, в результате чего высокотемпера4 — после термической обработки при температуре 1000C в турные фазовые состояния окажутся ”замороженными” течение 15 min.

в образце.

Как следует из фазовой диаграммы состояния системы суммарная намагниченность в результате воздействия Fe-O, в области, богатой кислородом, при высоких темпотока нейтронов должна, напротив, уменьшиться, а не пературах обширную область гомогенности имеет магнеувеличиться.

тит Fe3O4 [11]. Поэтому наблюдаемое экспериментально Третий из перечисленных выше процессов также не увеличение магнитоупорядоченной фазы в биотите и может быть ответственным за наблюдаемое изменесоответственно увеличение его намагниченности при обние намагниченности. При температуре 4.2 K гематит лучении нейтронами можно отнести за счет образования является чистым антиферромагнетиком с равным нулю в биотите магнетитовой фазы и выделения частиц магнесуммарным магнитным моментом. Поэтому появление тита. В пользу такого предположения указывают также гематитовой фазы в образцах биотита в результате некоторые результаты изучения радиационных эффектов высокотемпературной термической обработки должно в биотите при облучении протонами, которые будут приводить к уменьшению измеряемой при 4.2 K намагприведены далее. Добавим, что некоторая часть вклада ниченности этих образцов, а не к ее увеличению (часть (не более 10%) в рассматриваемое изменение намагнимагнитных моментов атомов железа упорядочивается ченности биотита может быть обусловлена указанным антиферромагнитно и не участвует в процессе намагнивыше процессом окисления ионов Fe2+ до Fe3+.

чивания).

Заметим, что в зависимости от парциального содержаТаким образом, облучение нейтронами вызывает прония кислорода над расплавом окислов и скорости его текание в биотите физико-химических процессов, отохлаждения магнитоупорядоченная фаза, образуемая в личающихся от тех, которые рассматриваются как отрезультате воздействия потока нейтронов, может предветственные за поведение магнитной восприимчивости ставлять собой твердый раствор магнетита и гематита.

этого минерала при термической обработке. Для опредеВ этом растворе гематит образует фазу с недостатком, а ления этих процессов проанализируем графики полевой магнетит — с избытком кислорода. Согласно указанной зависимости намагниченности биотита, представленные выше фазовой диаграмме системы Fe-O поле магнетита на рисунке.

сужается с понижением температуры за счет расширения Графики полевой зависимости намагниченности, изполя, соответствующего твердому раствору магнетита меренной при 4.2 K на образцах биотита в исходном и гематита. Таким образом, чем более низкотемперасостоянии (до воздействия каких-либо внешних фактотурной является ”замороженная” фаза, тем выше в ней ров), показывают наличие в этих образцах парамагнитсодержание гаматитовой компоненты. Напомним, что ной фазы (ей соответствует линейный участок кривой при термической обработке при 900-1000C магнитонамагничивания), а также магнитоупорядоченной фазы упорядоченная фаза, образуемая в биотите в результате с отличным от нуля суммарным магнитным моментом (ей соответствует нелинейный участок кривой намагни- термических процессов, состоит из гематита и опредечивания, наблюдаемый в области малых значений на- ляет сильное увеличение магнитной восприимчивости пряженности внешнего магнитного поля). Как видно из биотита в результате указанной термической обработрисунка, термическая обработка не изменяет содержания ки [7,9]. Гематитовая компонента при ее наличии в в образцах магнитоупорядоченной фазы (продолжения фазе, образованной в биотите в результате воздействия Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Воздействие нейтронного и протонного излучений на намагниченность биотита нейтронов, не вносит, однако, вклада в намагниченность Список литературы при 4.2 K, так как при этой температуре гематит является [1] A. Kotlicki, N.B. Olsen, J.S. Olsen. Rad. Effects 28, 1 (1976).

чистым антиферромагнетиком.

[2] М.Х. Усманов. В.П. Югай, А.Б. Грановский. Л.В. Навалихин, А.В. Данилов, Ж. Саидмурадов, М.И. Эпов. ДАН УзССР 8, 31 (1989).

2. Интерпретация воздействия [3] А.Б. Грановский. Л.В. Навалихин, В.Е. Роде, Ж. Саидмурапротонов дов, М.Х. Усманов, М.И. Эпов. ФТТ 32, 2479 (1990).

[4] М.Х. Усманов. Пожаровзрывобезопасность 4, 24 (1997).

Как следует из рисунка, намагниченность биотита в [5] Н.Н. Брушлинский, А.В. Данилов, К.М. Муминов, Д.Х. Исрезультате облучения протонами энергией 3 MeV так- раилов, М.Х. Усманов, В.П. Югай. Пожаровзрывобезопасность 4, 95 (1998).

же значительно увеличивается, причем, как и в случае [6] N.N. Brushlinsky, A.V. Danilov, K.M. Muminov, D. Israilov, облучения нейтронами, за счет увеличения содержания V. Stetsuk, M.Kh. Usmanov. Fire Technology 33, 3, магнитоупорядоченной фазы.

(1997).

В упомянутой выше работе [1], исходя из наблюдаемо[7] М.Х. Усманов. В.П. Югай, У. Абдурахманов, Ш.М. Шаго подобия изменений в мессбауэровских спектрах биорипов. Материалы научно-практической конференции.

тита, облученного протонами и подвергшегося термичесВПТШ МВД РУз, Ташкент (2000).

кой обработке в вакууме, сделан вывод, что причиной [8] А.А. Аминов, А.В. Данилов, Л.А. Скачкова, М.Х. Усманов, этих изменений является окисление ионов Fe2+ до Fe3+ В.П. Югай. Докл. АН УзССР 8, 31 (1988).

в тепловых пиках. Очевидно, что указанный процесс [9] M.Kh. Usmanov, V.P. Yugai, Sh.M. Sharipov, U. Abdurakhmanov. Eurasian Conference on Nuclear Science and its окисления имеет место при облучении протонами, как Application. Izmir, Turkey (2000). Abstracts, P. 311.

один из перечисленных выше процессов, протекающих [10] Б. Келли. Радиационное повреждение твердых тел. Атомв биотите при термической обработке, который наряду с издат, М. (1970). С. 340.

другими процессами определяет необратимое изменение [11] Ю.Д. Третьяков. Термодинамика ферритов. Химия, Л.

магнитной восприимчивости этого минерала. Однако (1967). С. 304.

увеличение намагниченности биотита при облучении протонами так же велико, как при облучении нейтронами, и по тем же причинам, которые рассмотрены выше при обсуждении воздействия нейтронов, не может быть отнесено только на счет окисления ионов Fe2+ в тепловых пиках.

Исходя из тех же соображений, которые приведены при интерпретации воздействия нейтронов, рассматриваемое изменение намагниченности образцов биотита при облучении протонами также можно отнести за счет ”замораживания” в них магнетитовой фазы и выделения частиц магнетита.

Здесь следует отметить, что данные работы [1] указывают в пользу такой интерпретации воздействия протонов (а также нейтронов) на намагниченность биотита.

Действительно, в полученных в этой работе мессбауэровских спектрах при высоких дозах облучения и температуре жидкого азота наблюдался вклад от магнитоупорядоченной фазы, причем соответствующие этой фазе полосы в спектрах по положению соответствовали полосам в спектрах магнетита. В этой же работе на рентгенограммах наблюдались линии, отнесенные к магнетиту.

Таким образом, при обсуждении эффектов воздействия протонного излучения на намагниченность биотита, а также на мессбауэровские спектры этого минерала наряду с окислением ионов Fe2+ до Fe3+ следует рассматривать также процесс, включающий в себя образование в тепловых пиках расплава окислов и ”замораживание” в них высокотемпературных фазовых состояний, соответствующих магнетиту или твердому раствору магнетита и гематита.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.