Влияние облученния сильноточными релятивистскими электронными пучками на электропроводность сплава Д16

---------------- -------------------

У статті розглянуто розрахунок та конструкцію накладного вихорострумового датчика для вимірювання електропровідності металевих зразків. Виявлено зміну електропровідності сплаву Д16 після опромінення сильнострумовим релятивістським електронним пучком. Досліджено зміни в розподілі валентних електронів сплаву Д16.

Ключові слова: вихорострумовий датчик, валентні електрони, електропровідність.

--------------------------------

В статье рассмотрен расчет и конструкция накладного вихретокового датчика для измерения электропроводимости металлических образцов. Определено изменение электропроводимости сплава Д16 после облучения сильноточным релятивистским электронным пучком. Исследовано изменение в распределении валентных электронов сплава Д16.

Ключевые слова: вихретоковый датчик, валентные электроны, электропроводимость.

--------------------------------

Calculation and a design of attachable eddy current detector for electroconductivity measurement of metal samples is considered in article. Change of electroconductivity of alloy D16 after an irradiation by hightcurrent relativis-tic electron beam is defined. Change in valency electrons distribution in alloy D16 is investigated.

Keywords: eddy current detector, valency electrons, electroconductivity. ---------------- -------------------

УДК 537.8:621.715:539.376

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕННИЯ СИЛЬНОТОЧНЫМИ РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

СПЛАВА Д16

С. Е . Донец

Младший научный сотрудник*

В. В. Литвиненко

Доктор технических наук, старший научный сотрудник,

ученый секретар*

Ю. Б. Полторацкий

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник*

А. Г. Пономарев

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ННЦ**

В. Т. Уваров

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ННЦ** *Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины ул. Гуданова, 13, г. Харьков, 61002 Контактный тел.: (057) 700-41-11 **Харьковский физико-технический институт НАН Украины ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108 Контактный тел.: (057) 335-66-49

1. Введение

Взаимодействие сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП) с металлическими мишенями представляет достаточно сложную последовательность процессов на уровне электронной и ионной подсистем, инициируемых радиационными и ионизационными потерями энергии частиц. Результатом такого взаимодействия является изменение эксплуатационных свойств облучаемых объектов — пластичности, коррозионной и эрозионной стойкости, микротвердости и др. На микроуровне одним из проявлений последствий воздействия СРЭП является измельчение зеренной структуры вплоть до наномасштабных размеров [1], перераспределение элементов на границах зерен [2] и др. В этой связи сильноточные электронные пучки рассматриваются как перспективный инструмент модификации свойств твердых тел и создания новых радиационных нанотехнологий.

Использование СРЭП для получения компонентов новых электротехнических материалов, например, нано-

порошков, пористых металлов и др. предполагает необходимость контроля электрической проводимости, поскольку известно [3], что стимулируемая излучением эволюция дислокационной структуры приводит к изменению проводимости сплавов. В случае же воздействия на сплавы СРЭП мы можем ожидать проявления более сложных механизмов, приводящих к изменению свойств облучаемого объекта ввиду комплексности воздействия (радиационное, температурное, ударно-волновое, электромагнитное).

2. Постановка задачи и методы исследования

Ввиду комплексности требований к материалам с модифицированными свойствами при их последующей эксплуатации, достаточно высокой стоимости энергии СРЭП, что важно для прогнозирования рентабельности будущего технологического процесса, уже на стадии разработки научных основ новых технологий представляет-

3

ся важной задача разработки неразрушающих методов оценки свойств сплавов после облучения в том числе определения их электрофизических свойств. Превращения в сплаве Д16 под действием СРЭП (энергия электронов -350 кэВ, ток пучка ~2 кА, длительность импульса ~5 мкс) изучались авторами в работах [1, 2], поэтому представляется уместным дополнить эти исследования изучением модифицирующего воздействия на электрофизические характеристики — электрическую проводимость и распределение спектра валентных электронов. Для измерения электрической проводимости целесообразно применить вихретоковый метод. Для чего необходимо рассчитать и изготовить накладной вихретоковый датчик. Наличие такого датчика позволит сопоставить результаты измерения проводимости с ранее известными фактами измельчения зёренной структуры сплава и перераспределением легирующих примесей, а также с измеренными спектрами распределения валентных электронов. В основу расчета измерительной схемы для оценки электрической проводимости положены известные значения глубины модифицирующего воздействия, составляющие порядка 400 мкм.

3. расчет и конструкция накладного вихретокового датчика

В качестве вихретокового датчика был выбран накладной абсолютный трансформаторный преобразователь, для которого, в отличие от параметрического, выходной сигнал значительно меньше зависит от температуры преобразователя. Схематически такой преобразователь с исследуемым объектом представлен на рис. 1.

Поскольку сторонний ток изменяется по закону синуса (такой ток создает монохроматическое электромагнитное поле), то выражение для векторного потенциала А определяется [4]:

1

0ЮО - Ю2£0£отн)' А + Ух

ЦоЦо

-УхА — J

Измеряемый образец

Рис. 1. Расчетная модель вихретокового преобразователя

В проводящей среде токи смещения малы по сравнению с другими составляющими полного тока. В неподвижной, относительно электромагнитного тока среде токи переноса отсутствуют. Тогда плотность полного тока определяется:

стор )

где ,|стор — плотность сторонних токов;Е — вектор напряженности электрического поля;о — проводимость среды.

где j — мнимая единица; ю — круговая частота; £0£отн — диэлектрическая проницаемость среды; Ц0Цотн — магнитная проницаемость среды.

Т. к. задача обладает осевой симметрией, существуют только у-составляющие векторов плотности тока и векторного потенциала.

На рис. 2 представлена схема, примененная для объединения конечноэлементной модели и внешней цепи (диод и вольтметр приняты идеальными).

Конечноэлементнэя модель Рис. 2. Расчетная схема преобразователя

Для изображенной схемы справедливы следующие уравнения:

^1 ' + ивх — £ ;

—ивых + ^2 ' — °.

Поскольку катушка намотана тонким проводом, то распределением плотности тока по сечению витка пренебрегаем, и принимаем однородным. Ток витка определяется следующим образом ( Sв — площадь поперечного сечения витка, } — плотность тока в катушке, Е — комплексная амплитуда напряженности электрического поля):

Считая, что длина витка 1В, получим:

Е — ^юА + ,

1в

тогда

ів —-j'Ю' \ А ^ + 0^-^ ,

* ІВ

откуда

и в —

О' SF

ів + j' Ю' | А' dS

зв

Для катушки, имеющей N витков: и к — ЯК' 1К + j' Ш' £ | к' dS,

1=1 Эв]

где Як — сопротивление катушки постоянному току

в

Е

С учетом последнего выражения Nl

ir Zl + Rкl• il + j-ю Z j Л dS = є;

N2

-К-к2  І-2 - j j Л dS + i2  .?н = 0.

i=1Sвi

Таким образом, окончательная система уравнений имеет вид:

(jwa - ю2є0єотн)  Л + Vx

1

Ц ОЦ о

^хЛ = J,

ii =

i2 =

Nl

є - j^Z j Л dS

________i=1 Sвi

Zl + R-кі N2

j^Z j Л dS

i=! Зві

где Jc

Zh К-к2 i1 7

-^-!-• 1v, в первичной катушке; ^1

І2 7 u

1ш, во вторичной катушке;

^2

О, во всех других проводниках.

Поскольку датчик должен работать на высоких частотах, то важным является уменьшение его паразитной емкости. Этого можно добиться выбором наиболее оптимального расположения катушек и применением материалов с наименьшей диэлектрической проницаемостью. Для каркаса катушки была выбрана пропарафиненная бумага, катушка после намотки заливалась парафином. Внешний вид катушки изображен на рис. 3.

Для локализации магнитного поля и уменьшения диаметра зоны контроля катушки помешены в экран из меди. К выводам катушек припаяны кабели. Вся конструкция в сборе представлена на рис. 4.

Структурная схема измерительного стенда представлена на рис. 5.

Генератор тока на основе высокочастотного генератора Г4-153 позволяет в плавных пределах изменять частоту вынуждающего тока от 40 кГц до 10 МГц.

Рис. 3. Внешний вид сборки измерительной и возбуждаюшей катушек

Рис. 4. Внешний вид вихретокового датчика

Рис. 5. Структурная схема измерительного стенда: генератор синусоидального тока; 2 — вихретоковый датчик; 3 — выпрямитель; 4 — регистрирующий прибор

Частота вынуждающего тока выбирается такой, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля в образец была меньше толщины переплавленного слоя.

Измерение проводимости образцов осуществляется по ГОСТ 27333-87.

4. Результаты измерения проводимости сплава Д16

В исходном состоянии для трех образцов сплава Д16 проводимость находилась в диапазоне (18,2...18,8) МСм/м.

Известно, что после облучения концентрация легирующих примесей в приповерхностном слое сплава увеличивается, по сравнению с исходными образцами [2]. Кроме этого в зоне воздействия СРЭП возникают эффекты, связанные с термическим воздействием и др. Измерение проводимости облученных образцов дало значения (15,9.16,6) МСм/м.

5. Измерение спектра валентных электронов сплава Д16

При облучении металлов основным является эффект уменьшения подвижности за счет введения новых центров рассеяния — радиационных дефектов и самих внедрившихся частиц. Так как с изменением температуры распределение электронов по энергиям в металле практически не изменяется, то сечение рассеяния электронов на этих дефектах от температуры не зависит и их вклад в увеличение сопротивления можно считать постоянным.

Исследования спектра валентных электронов поверхности образцов сплава Д16 проводились методом рентгеновской фотоэлектронной спектросокопии на спектрометре XPS-800 Kratos. Давление в камере прибора составляло 5 10-8 Торр. Фотоэлектроны возбуждались MgKa-излучением с энергией фотонов hv = 1253,6 эВ. Параметры активирующего рентгеновского излучения: U = 15 кВ, J = 20 мА. Кинетическая энергия электронов анализировалась полусферическим электростатическим анализатором. Разрешение спектрометра ~1эВ, точность определения энергии связи — 0,3 эВ. Спектры обрабатывались на компьютере: проводилось сглаживание, вычитание постоянного фона и фона неупругих потерь по методу (Shirley), удаление уширяющего действия рентгеновской линии (итерационная развертка) и разложение сложной линии на составляющие ее компоненты.

Толщина анализируемого слоя ~5 нм. Перед установкой в вакуум поверхность образца протиралась изопропиловым спиртом. Для уменьшения слоя углеводородных загрязнений образцы подвергались ионной бомбардировке в вакууме (Ar+, E = 2,5 кэВ, скорость распыления 100 А/мин).

Как видно из рис. 6, вследствие облучения поверхности, существенно изменяется спектр валентных электронов. Измерение электропроводимости вихретоковым методом показало ее уменьшение на ~10 %. Это можно объяснить как уменьшением зеренной структуры так и уменьшением энергии связи валентных электронов.

3

Binding energy, eV

Рис. 6. Спектры валентных электронов сплава Д16: овалы — до облучения, прямоугольники — после облучения

б. Выводы

Облучение сплава Д16 сильноточным релятивистским пучком электронов с энергией частиц Е ~ 350 кэВ, током пучка I ~ 2 кА, длительностью импульса т ~ 5 мкс приводит к уменьшению его электропроводимости на ~10 %, что сопровождается смещением спектра энергии связи валентных электронов в сторону меньших энергий,

----------------- -------------------

Накладання освітлення і постійного електричного поля при формуванні інтеркалатних наноструктур неорганічний напівпровідник/рода-мін Ж приводить до: колосального росту діелектричної проникності; появи ефекту «від’ємної ємності»; акумулювання світлової енергії.

Ключові слова: інтеркаляція, імпе-дансна спектроскопія, родамін Ж.

---------------------------------

Наложение освещения и постоянного электрического поля при формировании интеркалатных наноструктур неорганический полупроводник/ родамин Ж приводит к: колоссальному росту диэлектрической проницаемости; появления эффекта «отрицательной емкости»; аккумулирования световой энергии.

Ключевые слова: интеркаляция, импедансная спектроскопия, родамин Ж.

---------------------------------

Applied illumination and constant electric field at the formation of interca-lative nanostructures «inorganic semiconductor/rhodamine G» leads to enormous growth of permitivity, onset of effect «negative capacity» and accumulation of light.

Keywords: Intercalation, impedance spectroscopy, Rhodamine G.

----------------- -------------------

измельчением зеренной структуры, сегрегацией легирующих примесей на границах зерен.

Литература

1. Брюховецкий В. В. Влияние импульсного электронного облучения на параметры сверхпластичности дюралю-мина [Текст] / В. В. Брюховецкий, В. В. Литвиненко, В. Ф. Клепиков и др. // Физика и химия обработки материалов. — 2002. — № 4. — С. 33—38.

2. Арсенюк В. В. Стимулирование неоднородностей в сильноточных пучках электронов и их влияние на процессы массопереноса в облучаемых мишенях [Текст] / В. В. Арсенюк, Н. И. Базалеев, С. Е. Донец и др. // Вопросы атомной науки и техники, сер. ФРПРМ. — 2007. — № 6(91). — С. 116—119.

3. Данилов С. Е. Влияние стоков разного типа на радиационную повреждаемость аустенитных FeNi сплавов при электронном и нейтронном облучении [Текст] / С. Е. Данилов, В. Л. Арбузов, Б. Н. Гощицкий и др. // Вопросы атомной науки и техники, сер. ФРПРМ. — 2007. — № 2(90). — С. 43—47.

4. Сильвестер П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков [Текст] : пер. с англ. / П. Сильвестер, Р. Феррари. — М. : Мир, 1986. — 229 с.

УДК 539.2; 669.24

Т. М. Біщанюк

Студентка* ЕтаіІ: mouse.tania@gmail.com *Національний університет «Львівська політехніка» вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна 79013

ІНТЕРКАЛАТНІ НАНОСТРУКТУРИ КОНФІГУРАЦІЇ НЕОРГАНІЧНИЙ НАПІВПРОВІДНИК/РОДАМІН Ж

І. І. Григорчак

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедрою Кафедра інженерного матеріалознавства та прикладної фізики

завідувач лабораторії Лабораторія молекулярної фізики та нано-енергетики* Контактний тел.: (032) 258-22-67 ЕтаіІ: Ivangr@rambler.ru

Ф. О. Іващишин

Молодший науковий співробітник* Кафедра інженерного матеріалознавства та прикладної фізики

ЕтаіІ: Fivash@i.ua

€