Радиационно-стимулированная модификация свойств металлов и сплавов

30. Sergeev I.N., Kumykov V.K., Sozaev V.A. Electron-stimulated desorption from the surface of alumina ceramics // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2008. - Т. 72. - № 8. - С. 1120-1122.

31. Kashezhev A.Z., Kumykov V.K., Manukyants A.R., Sergeev I.N., Sozaev V.A. Dependence of the surface energy of metals on pressure // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2009. - Т. 73. - № 8. - С. 1212-1214.

32. Кашежев А.З., Кумыков В.К., Манукянц А.Р., Сергеев И.Н., Созаев В.А. Зависимость поверхностной энергии металлов от давления // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - № 8. - С. 1211-1213.

33. Сергеев И.Н., Кумыков В.К., Созаев В.А., Шебзухова М.А. Конкурентная сегрегация примесей на поверхности поликристаллической меди // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2008. - Т. 72. - № 10. - С. 1464-1466.

34. Sergeev I.N., Kumykov V.K., Sozaev V.A., Shebzukhova M.A. Competitive segregation of impurities on the surface of polycrystalline copper // Bulletin of the Russian Academy of sciences: Physics. - 2008. - Т. 72. - № 10. - С. 1388-1390.

35. Wu N.J., Kumykov V.K., Ignatiev, A. Vibrational properties of the graphite (0001) surface // Surface Science. - 1985. - V. 163. - № 1. - P. 51-58.

36. Gedgagova M.V. About the use of thermal radiation for high temperature measurements of surface tension in vacuum // Материалы Всеукраинской конференции «Актуальные проблемы химии и физики поверхности», Украина, Киев, ИХП им. О.О. Чуйко, 2011. -С. 137-138.

37. Кумыков В.К., Гукетлов Х.М., Шидов Х.Т., Ошроева Р.З. Влияние некогерентного светового излучения на сопротивление контакта металл-кремний // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2003. - № 2. - С. 30-31.

38. Гукетлов Х.М., Демченко А.В., Кумыков В.К., Манукянц А.Р. Влияние фотонного отжига на структуру и электрические свойства тонких металлических пленок на кремнии // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. -2006. - № 3. - С. 77-79.

39. Kumykov V.K. Mathematical modeling of ceramics metallization technology // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. -2008. - Т. 72. - № 4. - С. 553-555.

40. Кумыков В.К. Математическое моделирование технологии металлизации керамики. Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2008. - Т. 72. - № 4. - С. 586-588.

41. Kumykov V.K. Mathematical modeling of ceramics metallization technology // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2008. - Т. 72. - № 4. - С. 553-555.

42. Гедгагова М.В. Способ нанесения металлического покрытия на керамическую подложку // Материалы X международного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», Ростов н/Д: АПСН, 2007. - С. 156-158.

43. Кумыков В.К., Абазехов М.М., Гедгагова М.В., Гукетлов Х.М. Об одном способе металлизации керамики // Материалы Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология». С.-Пб. 2006. - С. 186-188.

44. Кумыков В.К. Фотонный отжиг пленок хрома и алюминия на кремнии // Труды международной конференции «Фундаментальные проблемы функционального материаловедения, пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», Ростов н/Д: АПСН, 2005. - С. 105-108.

45. Koumykov V.K. Vibrations damping in vacuum systems during the surface tension measurements // Материалы Всеукраинской конференции «Актуальные проблемы химии и физики поверхности», Украина, Киев, ИХП им. О.О. Чуйко, 2011. - С. 164-165.

46. Пат. 2284607 Российская Федерация, МПК7 H01J 19/72, H01K 3/24. Устройство для гашения вибраций в вакуумных установках / Кумыков В.К., Гукетлов Х.М., Жекамухов М.К.; заявитель и патентообладатель ИИПРУ КБНЦ РАН RU -№2004131306/28; завл. 25.10.04; опубл. 27.09.06, Бюл. № 27. - 4 с.

47. Пат. 2236059 Российская Федерация, МПК7 N01J 19/70, H01J19/72. Способ гашения вибраций в вакуумных установках / Кумыков В.К., Гукетлов Х.М.; заявители и патентообладатели Кумыков В.К., Гукетлов Х.М. - № 2002121810/28; завл. 07.08.02; опубл. 10.09.04, Бюл. № 9. - 3 с.

48. Жекамухов М.К., Кумыков В.К., Гукетлов Х.М., Гедгагова М.В. Математическая модель гашения вибраций при проведении прецизионного лабораторного эксперимента в условиях вакуума // Вакуумная техника и технология. - 2005. - Т. 15. -№ 4. - С. 337.

49. Beeva D.A., Mikitaev A.K., Zaikov G.E., Oshroeva R.Z., Koumykov V.K., Beev A.A. Composites on the basis of polyhydroxiethers and graphites // Polymers, Polymer Blends, Polymer Composites and Filled Polymers: Synthesis, Properties and Applications. Nova Science Publishers Inc., New York, 2006. - С. 159-162.

50. Beev A.A., Mikitaev A.K., Oshroeva R.Z., Beeva D.A., Koumykov V.K. Heat-Conducting Compositions on the Base of Epoxy Polymers // Polymers, Polymer Blends, Polymer Composites and Filled Polymers: Synthesis, Properties and Applications. Nova Science Publishers Inc., New York, 2006. - С. 163-167.

51. Beev A.A., Mikitaev A.K., Oshroeva R.Z., Koumykov V.K., Beeva D.A. Filled Low Viscosive Epoxy Composition Materials // Polymers, Polymer Blends, Polymer Composites and Filled Polymers: Synthesis, Properties and Applications. Nova Science Publishers Inc., New York, 2006. - С. 167-170.

Тюрин Ю.И.1, Смекалина Т.В.2

'Доктор физико-математических наук, профессор, 2старший преподаватель, Томский политехнический университет РАДИАЦИОННО-СТИМУЛИРОВАННАЯ МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Аннотация

Экспериментально исследована радиационно-стимулированная диффузия водорода и его изотопов из нержавеющей стали, палладия, ниобия. Обнаружена способность запасать энергию колебательно-возбужденными водородными состояниями и связями. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о том, что облучение металлов, насыщенных водородом и дейтерием, электронами с энергией 104-105эВ, сопровождается возбуждением внутренней водородной атмосферы и эффективным снижением потенциального барьера на пути выхода водорода и дейтерия из металлов. Важным прикладным аспектом эффектов неравновесного выхода водорода и его изотопов является возможность управляемой модификации свойств металлов и сплавов.

Ключевые слова: Водород, металлы, облучение, электроны.

Tyurin Yu.!1, Smekalina T.V.2

'Professor, Doctor of physical and mathematical Sciences, 2 Head teacher, Tomsk Polytechnic University RADIATION-STIMULATED MODIFICATION OF THE PROPERTIES OF METALS AND ALLOYS

Abstract

Radiation-stimulated diffusion of the hydrogen and its isotopes of stainless steels, palladium, niobium was experimental explored. The ability to accumulate energy by vibrational-excitad hydrogen states and relationships was discovered. The analysis of experimental results allows to draw a conclusion that irradiations of metals, saturated by hydrogen and deuterium, electrons with energy 104-105эВ, is accompanied by excitation of internal hydrogen atmosphere and efficient reduction of the potential barrier on the way of hydrogen and

46

deuterium exit of metal. The important applied aspect of unbalanced exit of hydrogen and its isotope effects are a possibility of the operated modification of metal and alloys characteristic.

Keywords: Hydrogen, metals, radiation, electron.

Введение

Наличие водорода в конструкционных материалах определяет их многие уникальные физические и эксплуатационные свойств. Отличительными особенностями водорода во взаимодействии с металлами и сплавами является его высокая подвижность, физикохимическая активность, способность накапливаться на поверхности и в объеме в больших концентрациях. Наличие внешней и внутренней водородной атмосферы приводит к существенному изменению свойств конструкционных материалов, причем оказываемое при этом действие может быть как отрицательным (например, охрупчивание материалов), так и благоприятным (водородо-фазовый наклеп). Возбуждение внутренней водородной подсистемы металлов и сплавов излучением в допороговой области приводит к неожиданным и разнообразным последствиям. Экспериментально обнаружено, что облучение металлов и сплавов электронами и рентгеновским излучением в допороговой области приводит к перераспределению водорода в объеме носителя и его термически неравновесному выходу из материала. Это дает возможность неравновесного, низкотемпературного управления свойствами материалов: прочностными, упругими, усталостными, и т.д. путем изменения концентрации водорода в исходной матрице материала под действием излучения.

Изучение динамики накопления и выхода дефектов при наводороживании позволит прогнозировать изменение свойств конструкционных материалов при их эксплуатации. Катодное насыщение металлов и сплавов водородом при одновременном облучении позволяет формировать материалы и структуры, недостижимые в равновесных условиях. Таким образом, можно констатировать открытие широких перспектив в создании материалов с новыми, управляемыми свойствами.

Управляя концентрацией водорода в объеме твердых тел и плотностью дефектов, можно создавать неравновесные термодинамические системы, синтез которых традиционными методами невозможен [1]. В этом случае удается достичь глубокой, управляемой перестройки металлов и сплавов на различных уровнях их строения [2,3].

Радиационно-стимулированная диффузия водорода из металлов и сплавов в допорогой области

Миграция, диффузия и выход водорода и его изотопов в металлах и сплавах изучались, в основном, при тепловом воздействии и радиационном (в «запороговой» области) [4]. Радиационно-стимулированная диффузия изотопов водорода в металлах и сплавах, проницаемость металлов и сплавов изотопами водорода изучаются достаточно длительное время в связи с проблемами первых стенок термоядерных и ядерных реакторов. Однако проведенные исследования [2] показали, что неравновесная миграция и выход водорода и его изотопов наблюдаются и при воздействии на металлы излучения в допороговой области. Обнаружено, что в металлводородных соединениях водороду принадлежит активирующая роль, и это связано с наличием квазиизолированных колебательновозбужденных состояний водорода и его изотопов.

Исследования динамики процессов выхода водорода и его изотопов из металлов и сплавов в ходе облучения проводились на образцах нержавеющей стали, ниобия, палладия. Металлические образцы насыщались дейтерием электролитически, что позволило изучить газовыделение в чистом виде. Измерения скорости выхода дейтерия из металлов проводились при воздействии электронного пучка, при термической стимуляции выхода (в ходе линейного нагрева) и при одновременном воздействии электронного пучка и температуры.

Результаты экспериментального исследования газовыделения из нержавеющей стали под действием электронного пучка с энергией 20 кэВ и значениями токов 50, 100, 150 мкА показали, что средняя скорость выхода дейтерия под действием электронного пучка растет сверхлинейно с увеличением тока пучка. В этих измерениях температура внешней стороны образца в области действия электронного пучка не поднималась выше 60°С, а с тыльной стороны - 40°С. Равновесный выход дейтерия при данных температурах в отсутствие электронного пучка незначителен.

Обнаружено также, что линейный нагрев с одновременным воздействием электронного пучка сопровождается у всех образцов сдвигом температурного максимума интенсивности выхода дейтерия в низкотемпературную область. Так, у нержавеющей стали максимум газовыделения при линейном нагреве без воздействия электронным пучком приходится на 180 °С, с пучком - на 80 °С.

Экспериментально обнаружена способность запасать колебательно-возбужденными водородными состояниями и связями энергию на время, превышающее время релаксации электронных и одно-фононных процессов в твердых телах. Изучение неравновесного выхода водорода и дейтерия из металлов при облучении электронами показало эффективность этого вида стимуляции. Так, облучение палладия, насыщенного водородом и дейтерием, увеличивает в тридцать раз скорость выхода водорода и дейтерия по сравнению с термически равновесным, при одинаковых температурах образца [4,5]. Заметных изотопных эффектов в выходе водорода и дейтерия из металлов при облучении электронами не обнаружено.

Облучение электронами может непосредственно возбуждать водородную (дейтериевую) подсистему металлов, стимулировать неравновесную диффузию и нейтрализацию водорода (дейтерия) при его выходе из объема на поверхность металла и являться причиной неравновесной десорбции водорода (дейтерия) с поверхности.

заключение

Проведенные исследования показывают, что воздействие ионизирующего излучения (рентгеновского, пучка электронов) на металлы и сплавы при комнатной температуре вызывает интенсивную миграцию, ускоренную диффузию и выход водорода и его изотопов. Характерные особенности этого явления: радиационно-стимулированная миграция и выход водорода обусловлены возбуждением электронной подсистемы с последующей передачей энергии ядерной подсистеме (процесс наблюдается при энергиях как выше, так и ниже порога образования дефектов). Механизм ускоренного выхода водорода (дейтерия) из металлов под действием ионизирующего излучения обусловлен аккумулирующим свойствами водородной (дейтериевой) атмосферы.

Диффузия протонов водорода и других примесей становится неравновесным процессом, стимулированным внутренней водородной (дейтериевой) атмосферой, возбуждаемой внешним излучением; в отличие от электронной подсистемы металлов, водородная подсистема способна сохранять подведенную энергию достаточно долгое время, необходимое для стимуляции процессов ускоренной диффузии [6]. Условия неравновесного выхода водорода (дейтерия) под действием излучения определяются концентрацией и коллективными свойствами внутренней возбуждаемой атмосферы [7]. Поэтому эффекты, связанные с неравновесным выходом водорода (дейтерия), должны нелинейно возрастать с увеличением тока пучка и концентрации введенного водорода (дейтерия), что и наблюдается в эксперименте. Существует предельная концентрация водорода, выше которой проявляются коллективные эффекты при возбуждении электронной подсистемы, связанной с атомами водорода. Этот экспериментальный факт подтверждает наличие в металлах водородной атмосферы, способной аккумулировать подведённую извне энергию.

О нарушении термического равновесия между водородной (дейтериевой) атмосферой и кристаллической решеткой металлов свидетельствуют и эксперименты по термостимулированному выходу водорода с облучением и без облучения. В случае одновременного разогрева образца и его облучения, максимум скорости выхода водорода в режиме линейного нагрева заметно смещен в низкотемпературную область.

Литератуа

1. Писарев А.А., Черников В.Н. Взаимодействие водорода с металлами. - М.:Наука, 1987. - С.233-263.

47

2. Чернов И.П., Коротеев Ю.М. // Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. - 2006. - № 3. -С.51-57.

3. Гольцов В.А. Взаимодействие водорода с металлами. - М.: Наука, 1987.- С.264-292.

4. Взаимодействие водорода с металлами/под ред. А.П.Захарова/. - М.: Наука, 1987. - 295 с.

5. Ю.И.Тюрин, Т.В.Смекалина. Радиационно-стимулированный выход водорода из металлов и сплавов. // Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий». Изд-во ТулГУ, Тула. - 2007. - С. 190-192

6. Ю.И.Тюрин, В.Д.Хоружий, С.Х.Шигалугов, Ю.А.Сивов, Т.В.Смекалина. Эффективность передачи энергии адсорбции и рекомбинации атомов твердому телу при различных механизмах возбуждения // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ] / Томский политехнический университет (ТПУ) . — 2008 . — Т. 312, № 2. С. 55-65.

Филонин О.В.1, Талызин Ю.Б.2

'Профессор, доктор технических наук, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва; 2Инженер-конструктор 3 категории, ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-

Прогресс»

МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЕ ЭЖЕКТОРЫ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ЗАПУСКОВ НАНОСПУТНИКОВ

Аннотация

В статье рассмотрены методы расчёта и построения магнитоиндукционных эжекторов для запуска наноспутников, приведены примеры конструкторских реализаций для спутников массой в 1 кг.

Ключевые слова: магнитоиндукционный эжектор, системы запуска наноспутников

Phylonin O.V.1, Talyzin U.B.2

'Professor, Doctor of Technical Sciences, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolev

2 Design Engineer, SRP SRC “TsSKB-Progress”

MAGNETIC INDUCTION EJECTORS FOR MANAGED LAUNCH NANO-SATELLITES

Abstract

In the article the methods of calculation and construction of magneto ejectors to launch nano-satellites, are examples of design implementations for the satellites mass of 1 kg.

Keywords: magnetic induction ejector system, startup Nanosatellites

Малые спутники, массами от одного до нескольких десятков килограмм, получивших названия нано - (НС) и микроспутники прочно вошли в различные сферы космических исследований. С их помощью широкий круг исследователей получил возможность проводить анализ отдельный областей атмосферы, исследовать определённые участки земной поверхности, анализировать различные виды космического излучения, а также излучение Земли в разных участках ЭМ спектра и т.д. Как правило, такие спутники доставляются на орбиты в качестве попутного груза, при этом их запуск в настоящее время осуществляется с помощью пружинных систем. Последние, позволяют только отделить запускаемый аппарат (ЗА) от носителя со скоростями в пределах (1^5) м/с [1].

В то же время для множества задач [2], особенно выполняемых с помощью колоний наноспутников, например исследование верхних слоёв атмосферы методами малоракурсной томографии, необходимо выводить НС на заданные орбиты, через определённые интервалы времени, с заданными скоростями. Такого рода задачи, круг которых непрерывно расширяется, потребовали разработки более совершенных систем запуска [3]. Однако системы такого рода не позволяют осуществлять программируемые запуски НС на заданные траектории, через определённые интервалы времени, с необходимыми начальными скоростями (импульсами).

Авторы, для решения поставленных задач, разработали способ управляемого запуска НС с помощью магнитоиндукционных эжекторов. На рис. 1 а) приведён эскиз такого эжектора. Собственно устройство запуска состоит из двух идентичных сильноточных катушек - 8,

помещенных в ферритовые броневые сердечники -9, назовём их индукторами. Они расположены соосно по отношению друг к другу. Сердечники с катушками запрессованы в тонкостенные корпуса, которые дополнительно, выполняют ещё и роль экранов. Одна из катушек закреплена неподвижно относительно корпуса - 12, другая может

перемещаться вдоль их общей оси. Подвижная катушка перемещается в пределах (0^1, 0Р2) см, относительно неподвижной катушки, соосность обеспечивается направляющим механизмом - 6. В исходном состоянии катушки должны быть достаточно плотно прижаты друг к другу. Это обеспечивается с помощью пружины - 7, которая, в момент запуска играет роль демпфера. Параметры сердечников и катушек выбираются в зависимости от массы запускаемого объекта, его начальной скорости. Для НС с массами порядка 1 кг, катушки, например, содержат по 48 витков медного провода диаметром 1 мм, и помешены в броневые

48