WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 2 05;07;12 Влияние микроструктуры металла на спектр излучения, возбуждаемый при разрушении проводников с током МГД неустойчивостью © К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков, А.И. Русаков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 20 февраля 1998 г.) Проведено экспериментальное исследование спектральных характеристик излучения, сопровождающего разрушение медных проводников с различной микроструктурой током большой плотности. Обсуждаются предложенные механизмы генерации излучения и соответствие этих механизмов экспериментальным результатам.

Пропускание по проводникам токов большой плот- Разрушение сильным током способно привести к ности j 5 · 107 A/cm2 приводит к деформированию возбуждению плазмонной люминесценции. Излучение и разрушению проводников МГД неустойчивостями [1]. плазмонов обнаружено при электронной бомбардировке Этот процесс сопровождается яркой световой вспышкой, алюминия, серебра и ряда других металлов. Исходя из спектр излучения которой содержит ряд линий и полос, оценок, произведенных в работе [6], для меди плазмонт. е. обширную информацию о системе и динамике элек- ная люминесценция должна быть в ультрафиолетовой тронных уровней как самого металла, так и отдельных области, и в данной работе мы ее рассматривать не его атомов. В работе [2] исследовался спектр излучения, будем.

возбуждающийся при МГД разрушении медных провод- Наряду с возбуждением, вызванным энергичными ников. Проведена идентификация наблюдаемых полос электронами, при разрушении сильным током возникает излучения, рассмотрены процессы, приводящие к их свечение, связанное с самим процессом разрушения [7].

возбуждению. Предлагаемый механизм этого излучения заключается Известно, что бомбардировка поверхности метал- в следующем [1]. При вязком разрушении вблизи ла заряженными частицами с энергией в несколько вершины трещины образуются пластические зоны с килоэлектрон-вольт возбуждает катодо- и ионолюми- высокой концентрацией дислокаций. После снятия нанесценцию [3,4]. Основной вклад в катодолюминес- грузки происходит дислокационный возврат деформиценцию вносит радиационный распад одночастичных и руемого слоя, связанный с аннигиляцией пар дислокаколлективных возбуждений. Уже в первой работе по ций противоположного знака и с выходом подвижных катодолюминесценции меди предполагалось, что наблю- дислокаций на поверхность. Реальные дислокации в медаемое излучение связано не только с радиационным таллах имеют сложную структру, поэтому их полная переходом электронов с уровня Ферми F на лежащие аннигиляция маловероятна. В каждой дислокационной ниже дырочные состояния, но и с электронно-дырочной реакции возможна аннигиляция только отдельных паралрекомбинацией из состояний над F, т. е. катодолюминес- лельных отрезков. Аннигиляция таких отрезков сопроценция имеет надкраевой характер [3]. При этом следует вождается выделением значительной энергии, достигаожидать совпадения пиков люминесценции с пиками ющей нескольких электрон-вольт на одно межатомное плотности состояний ниже F. Качественно механизм расстояние вдоль оси. При аннигиляции дислокаций возникновения сильного электрического поля в процессе в меди возможно пересечение термов внутренних dразрушения вследствие пропускания по проводнику тока электронов, локализованных в области ядра дислокаций, большой плотности весьма прост. Развитие перетяжеч- с состояниями свободных s-p-зон. Неадиабатические ного возмущения до амплитуды, равной радиусу провод- переходы, возникающие при пересечении, приводят в ника, приводит к появлению разрывов [5]. Благодаря появлению дырок в квазилокальных d-состояниях вблизи реакции контура напряжение, приложенное к разрывам, дислокаций, образующихся в результате дислокационоказывается во много раз больше начального и в раз- ных реакций.

рывах возникает сильное электрическое поле. Ускорение Отдельные полосы люминесценции, возникающие при электронов и ионов в возникших таким образом полях разрушении проводников токами большой плотности [2], должно приводить к возникновению катодо- и ионолюми- возбуждались и регистрировались и в других процессах:

несценции, как и в стационарных условиях. Однако при 1) полоса (max = 5550 ) катодолюминесценции наблюодинаковой энергии частиц быстрые электроны сильнее далась при облучении медного образца электронами [3], возбуждают электронную подсистему кристалла, чем 2) полоса (max = 5800 ) фотолюминесценции намедленные ионы. Поэтому в этом процессе основной блюдалась при облучении медного образца лазером [9], вклад в излучение вносят электроны. 3) полоса (max = 7300 ) механолюминесценции на138 К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков, А.И. Русаков блюдалась при тыльном отколе (чисто механическое составляла V = 1 · 103 m/s, длительность излучения нагружение) [8]. t = 20 µs. Исследуемое излучение фокусировалось на Наиболее интересным, с нашей точки зрения, является входную щель дифракционного спектрометра, в фокальподробное исследование люминесценции, связанной с ной плоскости которого располагался фотоэлектричечисто механическим нагружением. Это связано с тем, что ский линейный преобразователь с самосканированием если справедлив дислокационный механизм, то механо- на принципе переноса заряда типа ФПП31Л, сигналы люминесценция позволяет не только исследовать дисло- с которого поступали в аналого-цифровой преобразовакационные процессы вблизи поверхности металла, но и тель и затем в ЭВМ. Это позволяло проводить измеслужит уникальным источником информации о природе рения спектральных характеристик вспышки излучения поверхностных электронных состояниях. Другие метов диапазоне 5400–8100 со спектральной разрешающей ды возбуждения люминесценции металлов (светом или способностью 6 при разрушении одного образца.

заряженными частицами) принципиально не способны Ранее опубликованный [2] непрерывный спектр изпривести к возбуждению такой люминесценции, так как лучения, сопровождающий МГД разрушение меди, был в этих случаях возбуждаются объемные состояния в измерен в более широком диапазоне — 4500–9000.

металле, а поверхностные практически не затрагиваются.

Однако измерения проводились лишь в 20 точках этоНам представляется возможным и важным оценить го спектрального диапазона и для получения среднего справедливость одного из основных положений дисзначения величины интенсивности в каждой точке трелокационной модели механолюминесценции металлов, бовалось разрушить 10 образцов.

согласно которой [8,10] максимальное значение интенНастоящие измерения выполнены более подробно и сивности люминесценции можно определить из формулы на качественно новом экспериментальном уровне. Вопервых, весь спектр излучения измерялся в одном опыте.

St I = Nm, Во-вторых, измерения проводились в пятистах точках dt спектрального диапазона 5400–8100. В-третьих, измегде I — интенсивность механолюминесценции, —кванрялся не только непрерывный спектр излучения, но и товый выход механолюминесценции, Nm — плотность линейчатый. Это позволило повысить точность и надежподвижных дислокаций, St — толщина пластической ность получаемых результатов.

зоны, t — время свечения, d — параметр решетки.

На рисунке приведены две характерные зависимости Из формулы видно, что для одного и того же металла из большого числа полученных. Кривая I — характердве величины остаются неизменными при любых условиный спектр излучения, возникающий при разрушении ях нагружения. Это — квантовый выход люминесценпрокатанной медной проволоки марки М0. Как видно, ции и d — параметр решетки. Величина пластической возбуждены полоса катодолюминесценции a [3], полозоны St может изменяться в зависимости от различных са, соответствующая фотолюминесценции меди b [9], способов нагружения, она будет наибольшей в случае полоса экситонной люминесценции закиси меди c [12], всестороннего растяжения. Время свечения в формуле а также полоса механолюминесценции, связанная с рестоит в знаменателе, поэтому чем быстрее происходит комбинацией электронов в поверхностные электронные нагружение, тем больше должна быть интенсивность месостояния g и полосыd, e, f, наблюдаемые при тыльном ханолюминесценции. Плотность подвижных дислокаций отколе [6,8], и h, i, k, подлежащие идентификации в Nm в конечном счете определяется исходной плотностью дальнейшем. Острые пики, которые видны на некоторых дислокаций N в образце. Соответственно исходный матеполосах и отмеченные на рисунке цифрами 1–8, соответриал с большей начальной плотностью дислокаций долствуют наиболее интенсивным атомарным линиям меди жен излучать больше фотонов, чем материал с меньшей и примесям, присутствующим в образце [13].

начальной плотностью.

Кривая II — спектр излучения медной, предварительно В работе [11] исследовалась зависимость интенсивноотожженной проволоки марки М0, разрушенной при сти механолюминесценции от исходной микроструктуры тех же самых условиях. Известно, что дислокации с образца. Регистрировалось и сравнивалось интегральное противоположно направленными векторами Бюргерса, излучение. Спектральные измерения излучения ввиду лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении его малой интенсивности не проводились. Для подуничтожают друг друга. Если такие дислокации лежат в тверждения положений дислокационной модели важно разных плоскостях скольжения, то для их аннигиляции проверить существование зависимости спектра механотребуется переползание. Отжиг способствует переползалюминесценции от исходной микроструктуры образца.

нию дислокаций, и таким образом понижается их конценВ описываемых в настоящей работе опытах разрушение медных проводников осуществлялось при про- трация [14]. Фотографии микроструктуры отожженных и прокатанных образцов были получены в работе [11].

пускании по ним электрического тока плотностью 0.7-1.0 · 107 A/cm2. Разрушавшиеся проводники пред- Из сравнения спектров, представленных на рисунке, ставляли собой отрезки технически чистой медной про- видно, что полосы катодолюминесценции a [3] и половолоки марки М0 длиной 70 и диаметром 0.5 mm. Ис- сы, соответствующие фотолюминесценции меди b [9], точником энергии служила батарея конденсаторов емко- повторяют друг друга. Это, по-видимому, связано с стью 400 µF, заряженная до 1.5 kV. Скорость нагружения тем, что эти полосы возникают вследствие возбуждения Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Влияние микроструктуры металла на спектр излучения, возбуждаемый при разрушении проводников... Спектр излучения меди: I — прокатанная медная проволока марки М0, II — отожженная медная проволока марки М0;

1 — CuI 5700, 2 — CuI 5782, 3 — SII 6312, 4 — SbII 6503, 5 — NiI 7122, 6 — FeI 7207, 7 — Bi 7838, 8 — OI 7772; a —полоса катодолюминесценции max = 5550, b — полоса фотолюминесценции max = 5800, c — полоса экситонной люминесценции закиси меди с max = 6350, g — полоса механолюминесценции max = 7300.

объемных состояний, которые претерпевают малые из- Интенсивность атомарного спектра, как видно из рименения в процессе отжига. На других участках спектра сунка, также претерпела изменения. Отжиг не повлиял кривых I и II интенсивности различаются, т. е. произошли на линии 1, 2, 5, 6, в то же время исчезли линии 3, изменения в относительной интенсивности полос люми- и 7 и появилась линия 8. Исчезновение линий 3, 4 и несценции разной природы. может означать, что в процессе отжига уменьшилась концентрация примесей серы, сурьмы и висмута. ПоявлеНаиболее интересный для нас участок спектра — ние линии 8 и полосы j, по-видимому, можно связать с это полоса механолюминесценции g. Как и следовапроцессом окисления и адсорбцией кислорода в процессе ло ожидать, интенсивность полосы g при разрушении отжига.

отожженного образца оказалась меньше, чем в случае неотожженного. Эти результаты подтверждают дисло- Таким образом, анализ полученных спектров излучения, возникающего при разрушении проводников током кационную модель механолюминесценции: в процессе отжига уменьшились концентрация дислокаций и ин- большой плотности, позволяет сделать следующие выводы.

тенсивность полосы, которая связана с возбуждением дырочных состояний при неадиабатических переходах, 1. Изменение микроструктуры в процессе отживозникающих в момент аннигиляции дислокаций и при га уменьшает вероятность возбуждения поверхностных выходе дислокаций на поверхность. электронных состояний, определяющих возникновение полосы механолюминесценции.

Уменьшилась также интенсивность полос d, e, f, на2. Изменение микроструктуры в процессе отжига не блюдаемых и при тыльном отколе [7]. При других влияет на объемные электронные состояния, опредеспособах воздействия на металл, таких как катодо-, ляющие возникновение полос катодолюминесценции и ионо-, фотооблучение, эти полосы не возбуждались.

фотолюминесценции.

Такими образом, они также возбуждаются только при разрушении образца, как и полоса механолюминесцен- Следует подчеркнуть, что до сих пор не проводиции g. Уменьшение же интенсивности этих полос при лись исследования динамики возникновения и изменеразрушении отожженного образца может означать, что ния спектральных полос во времени. Проведение этих интенсивность этих полос определяется концентрацией исследований позволит получить информацию о динамидефектов в образце, как и полосы g. ке изменения поверхностных и объемных электронных Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 140 К.Б. Абрамова, И.П. Щербаков, А.И. Русаков состояниях в металлическом образце в процессе его деформирования и разрушения, а также о динамике выхода подвижных дислокаций на поверхность.

Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 9702-18097.

Список литературы [1] Абрамова К.Б., Златин Н.А., Перегуд Б.П. // ЖТФ. 1975.

Т. 19. Вып. 6. С. 2007–2022.

[2] Абрамова К.Б., Перегуд Б.П., Перунов Ю.Н. // Опт. и спектр. 1985. Т. 58. Вып. 4. С. 809–814.

[3] Bonnot A., Debever J.M., Hanus J. // Sol. St. Commun. 1972.

Vol. 10. N 1. P. 173–174.

[4] Zivitz M., Thomas E.W. // Phys. Rev. 1976. Vol. 13. N 7.

P. 2747–2761.

[5] Трубников Б.А. // Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций. 1958. Т. 4. С. 87–91.

[6] Молоцкий М.И. // ФТТ. 1978. Т. 20. Вып. 6. С. 1651–1656.

[7] Молоцкий М.И., Перегуд Б.П. // ЖТФ. 1981. Т. 51. Вып. 3.

С. 618–627.

[8] Абрамова К.Б., Валицкий В.Л., Златин Н.А. и др. // ЖЭТФ. 1976. Т. 31. Вып. 5. С. 1873–1879.

[9] Mooradian A. // Phys. Rev. Lett. 1969. Vol. 22. N 5. P. 185– 187.

[10] Chandra B.R., Ryan M.S., Seema R., Simon, Ansari M.H. // Cryst. Res. Technol. 1996. Vol. 31. N 4. P. 495–500.

[11] Абрамова К.Б., Щербаков И.П., Пухонто И.Я., Кондырев А.М. // ЖТФ. 1996. Т. 68. Вып. 5. С. 190–196.

[12] Крейгольд Ф.И., Кулинкин Б.С. // Опт. и спектр. 1972.

Т. 33. Вып. 4. С. 706–711.

[13] Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. М., 1962. 607 с.

Pages:     || 2 |



© 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.