Диссертация (Разработка методики определения содержания водорода в материалах с использованием закономерностей ядерного обратного рассеяния протонов), страница 9

ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИСлучай анализа водородосодержащих материалов в ЯОР отличается отдругих за счет кинематического запрета на вылет на углы, превышающие 90 о,для частиц, рассеявшихся на ядрах водорода. Как следствие, содержаниеводорода в материале проявляется в спектре ЯОР только в виде уменьшениявыхода ЯОР от других элементов, входящих в состав материала. Поэтому дляопределения содержания водорода в материале требуется сравнение спектровЯОРматериаласнормированныминаодинаковоечислочастиц,направленных на мишень:экспериментальным спектром материала без содержания водорода –данный вариант методики подразумевает построение градуировочныхкривых;моделированным спектром – для данного варианта необходимы«инструментальные» сечения рассеяния для вычисления теоретическогоспектра.На рис.

3.1 представлено сравнение спектров ЯОР от чистого графита, играфитаснаводороженнымслоемнаповерхности.Каквидно,распространение водорода по глубине привело к уменьшению выхода от СHотносительно чистого графита.65Рис. 3.1. Сравнение спектров ЯОР протонов от чистого графита играфита со слоем углеводородной пленки на поверхности.663.1 Вариант методики: сравнение с эталоном без водородаЕсли обозначить через К1/К2, величину отношения выхода ЯОР дляобразца ненаводороженного металла к аналогичному выходу ЯОР образцанаводороженного металла при условии, что спектры ЯОР отнесены к одномуи тому же числу N0 протонов, падающих на образец, то по этим даннымможно построить графики зависимостей величин К1/К2 от атомногопроцентного содержания водорода (NH) в смеси К1/К2=К1/К2(NH), дляфиксированного значения энергии протонного пучка E0 и угла рассеяния θ.Для построения таких зависимостей необходимо иметь эталонные образцысоединений MeyH1-y.Из-за вкладов резонансных процессов при изменении тормозныхспособностей наводороженных слоев происходит несущественный сдвигположения резонансов и формы спектров могут несколько видоизменяться,но эти сдвиги не влияют на отношение К1/К2 .В настоящей работе для решения задач, требующих сравненияспектровЯОРприпересчетенаодинаковоеколичествопротонов,направленных на мишень, перед образцами устанавливалась 8 мкм фольгатантала (правый край спектра на рис.

3.1). Для использующихся в работеэнергий (7.5 МэВ), рассеяние на тантале носит резерфордовский характер. Засчет большой массы (М=181), при анализе большинства материалов спектртантала не накладывается на спектр от исследуемой мишени, что позволяетпроводить нормировку спектров от двух образцов на одинаковое количествочастиц, направленных на мишень, путем сопоставления количества частиц,рассеянных фольгой Ta для обоих образцов. Таким образом, установка фольгиТa перед мишенью позволяет проводить высокоточную нормировку спектров,на результат которой наличие водорода в исследуемых материалах не влияет.Кроме того, при прохождении сквозь 8 мкм Та протоны теряют порядка 350кэВ.

Данное изменение энергии может привести к росту сечений для67элементов примесей, расположенных в поверхностном слое материала, чтоповышает точность их определения. Поэтому проведение измерений дляодного материала без и с фольгой Та позволяет получить более полнуюинформацию об элементном составе поверхности, а также выполнитьпроверку на наличие водорода в материале при наличии эталонного образца.Определениеконцентрацииводородавнаводороженныхповерхностных слоях проводилась с использованием мишеней из Mg, Al, Ti,стехиометрических гидридов MgH2, AlH3, TiH2 и мишеней полученных путемсмешивания в разных пропорциях металлических порошков из Al состехиометрическимпорошкомизAlH3,металлическогоMgсостехиометрическимпорошкомMgH2иметаллическогоTiсостехиометрическим порошком TiH2.Если рассеяние протонов происходит ядрами Ti, Mg и Al, то спектрыЯОР от однокомпонентных мишеней представлены на рис.

3.2 - 3.4сплошными кривыми. Сложный характер спектров ЯОР обусловлен тем, чтов формировании спектров ЯОР вносят вклад как процессы однократногоупругого (в том числе резонансного), так и неупругого рассеяния.На рис. 3.2 представлены спектры ЯОР для порошков Al, AlH3 и ихсмесей в различных пропорциях. Представленные спектры на рис.

3.2наглядно показывают, как из-за наличия водорода в гидридах Al изменяютсяспектры ЯОР. На рис. 3.3 аналогичные спектры ЯОР для образцов Mg иMgH1, а на рис. 3.4 для Ti и TiH2.На рис. 3.5-3.7 показаны графики зависимостей величин К1/К2 отатомного процентного содержания водорода в смеси. Эти графики можнорассматривать как градуировочные зависимости, с использованием которыхна основе анализа спектров ЯОР протонов (измеренных при E0 = 7.5 МэВ,=1600) для систем AlHx, MgHx и TiHx (если мишень состоит из двухкомпонент типа АаВв, то вводя стандартные обозначения: x= в/a формулусостава можно записать как АВx.) можно экспрессно и не разрушая образецопределить атомное процентное содержание водорода. Это означает, что68если процесс наводороживания больших по весу образцов металлических Al,Mg или Ti осуществляется в автоклавах, то в этом же автоклаве можнонаводороживать небольшие по размеру металлические пластины.

Этиобразцы-свидетели можно использовать для определения содержанияводорода и тем самым упростить и ускорить технологию получениянаводороженных образцов для решения различных задач водородной иядерной энергетики. Метод может быть использован для определенияколичества водорода в диапазоне 20-75% для алюминия, 20-65% для магнияи 20-60% для титана.С использованием градуировочной зависимости для титана проверяласьконцентрация водорода в образцах титана, использованных в работе [7], созначениями TiH1.1, TiH1.2 (см. рис.

3.8, отмечено звездочками). Показателистехиометрии x гидрированных образцов TiHх были предварительноопределены разрушающим образец волюмометрическим методом. Значения,полученные методом спектрометрии ЯОР, совпали при учете погрешности вконцентрации водорода 2% (см. рис.3.8)Показано, что различия в выходах ЯОР протонов от образцов, несодержащих и содержащих водород, могут быть использованы длянахождения (для каждого фиксированного значения энергии налетающихпротонов E0 и угла рассеяния θ) градуировочных зависимостей K1/K2 =K1/K2(NH).Измерены спектры ЯОР для образцов из порошков Mg, Al, Ti, гидридовMgH2, AlH3, TiH2, смеси порошков Mg и MgH2, Al и AlH3, Ti и TiH2,имеющихразличныесредниестехиометрическиесоставы.Анализизмеренных спектров позволил построить градуировочные зависимости, спомощью которых экспрессно и неразрушающим способом определилисодержание водорода в наводороженных поверхностных слоях металлов.Количество рассеявшихся протонов691400012000100008000AlAlH1AlH1,5AlH2AlH360004000200002000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000Энергия рассеявшихся протонов, кэВРис.

3.2. Спектры ЯОР образцов из порошка алюминия, гидридаалюминия, и их смесей.Количество рассеявшихся протонов7030000MgMgH125000200001500010000500002000400060008000Энергия рассеявшихся протонов, кэВРис. 3.3. Спектры ЯОР образца из порошка магния и образца со среднейстехиометрией MgH171Количество рассеявшихся протоновTiTiH28000700060005000400030002000100002000400060008000Энергия рассеявшихся протонов, кэВРис.3.4. Спектры ЯОР образцов из порошка титана и гидрида титана721,161,141,12K1/K21,101,081,061,041,021,00303540455055606570H,ат%Рис.3.5.Градуировочнаязависимостьдляопределенияпроцентного содержания водорода в системе MgHxатомного731,201,181,161,14K1/K21,121,101,081,061,041,021,000,980,96304050607080H,ат%Рис.3.6.Градуировочнаязависимостьдляпроцентного содержания водорода в системе AlHxопределенияатомного741,121,111,10K1/K21,091,081,071,061,051,041,0330354045505560H,ат%Рис.3.7.Градуировочнаязависимостьдляпроцентного содержания водорода в системе TiHxопределенияатомного751,131,121,111,10K1/K21,091,081,071,061,051,041,031,023035404550556065H,ат%Рис.3.8.

С использованием градуировочной зависимости для титанапроверялась концентрация водорода в образцах титана со значениямиTiH1,1, TiH1,2 (отмечено звездочками).763.2 Вариант методики: сравнение с модельным спектромВ настоящей работе метод ядерного обратного рассеяния протоновиспользуется для определения концентрационных профилей распределенияводорода на фоне других элементов, входящих в состав различныхконструкционных материалов, таких как титан, магний, алюминий, цирконийи др.Сложный характер спектров ЯОР обусловлен тем, что в формированииспектров ЯОР вносят вклад как процессы упругого (в том числерезонансного) однократного, так и неупругого однократного рассеяния.Основнойвеличиной,столкновениекотороймикрообъектов,оперируютявляетсяфизики,эффективноеисследующиесечениеилипросто сечение (более полное название поперечное эффективное сечение).Именно эта величина определяет вероятность того или иного результатастолкновения.

Если обозначить черезМе( E , ) энергетическую зависимостьсечение такого процесса для угла рассеяния θ (такое сечение мы называем«инструментальным сечением») [53], то энергетический спектр частиц,регистрируемых полупроводниковым детектором, может быть записан вследующем виде :YMe ( E0 , E2 , )N0Me ( E1 , )1d,(3.1)где E0 энергия протонов циклотронного пучка, E1 – энергия протонов в точкерассеяния в мишени, E2 энергия частиц вылетевших из мишени изарегистрированных детектором, d- телесный угол детектора, N 0 - числопротонов, падающих на мишень.

Множитель1, входящий в (1) зависит отсечения торможения ε(E) протонов атомами мишени, кинематическогофактора k и геометрического фактора рассеяния p:( E2 ) kE1(kE1 )pkE1.(3.2)77Если экспериментальный спектр анализировать по (3.1), то в результатеегокомпьютерногомоделированиядляопределяется зависимость сечения рассеянияданногоМеугларассеянияθ( E, ) .В случае двухкомпонентной мишени спектр обратного рассеянияпротонов – это суперпозиция спектров обратного рассеяния протонов от ядератомов, входящих в состав молекул MeyН1-y (где Ме – это металл , напримерTi и Zr ). Однако, протоны, взаимодействующие с ядрами водорода, нерассеиваются на угол θ > 90о в лабораторной системе отсчета, в отличие отпротонов рассеянных на ядрах металлов, и влияние водорода на амплитудуспектра проявляется через изменение тормозной способности матрицы (E).Нетрудно показать, что в этом случае амплитуда энергетического спектраобратногоYMeyH1-y(E2)рассеянияпротоновотдвухкомпонентнойводородосодержащей мишени MeyН1-y может быть записана в следующемвиде:1YМеy Н1-y ( E0 , E2 , )N0d y( E2Ме ) kМегдеМеyМе+(1-y)Изменениеприводитp( E1 , )кМеy,(3.3)kМе E1Ме.(kМе E1Ме )Сечение торможение=yE1МеМе(3.4)определяется по правилу Брэгга:Н.(3.5)тормознойспособностиобразцапослегидрированияуменьшениюамплитудыспектровЯОРотносительнонегидрированных образцов, однако форма спектров для исходного образца иобразца, насыщенного водородом, остаются подобны, что можно объяснитьв рамках модели однократного рассеяния, если учесть что энергетическиезависимости сечений торможения(Е) для различных элементов такжеявляются подобными.