Структурные превращения в аморфном металлическом сплаве под воздействием потоков высокоэнергетических ионов и нейтронов (1104918), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В геометрии на прохождение γ − квантов через исследуемый образец,регистрируя информацию, усредненную по всей его толщине и в геометрии обратногорассеяния с регистрацией конверсионных электронов (толщина анализируемого слоя 0,3мкм) и с регистрацией резонансного рентгеновского излучения (толщина анализируемогослоя ~15 мкм).Электронно-микроскопические исследования поверхности образцов проводили сиспользованием растрового электронного микроскопа LEO-1455VP.Моделирование взаимодействий высокоэнергетических ионов с атомамиисследуемого аморфного сплава Fe77Ni2Si14B7 проводилось с помощью программногообеспечения Trim.
Программа Trim не учитывает структурные особенности образца ипоэтому может использоваться для расчета упругих и неупругих взаимодействий ваморфных сплавах. Вместо периода кристаллической решетки берется среднее расстояниемежду атомами в единице объема. А также задается состав аморфного сплава;характеристики ионов, которыми производится облучение; их энергии. У каждогоналетающего на мишень иона происходит своя собственная история столкновений сатомами мишени, не зависящая от результатов предыдущих столкновений. Для получениядостаточной статистики в данном расчете моделировалось 1000 траекторий.6В третьей главе представлены результаты исследования процессоввзаимодействий высокоэнергетических ионов облучения и нейтронов с аморфнымсплавом Fe77Ni2Si14B7.Моделирование взаимодействий высокоэнергетических ионов с атомамиаморфного сплава Fe77Ni2Si14B7Для постановки эксперимента по исследованию влияния облучения тяжелыми ионамивысоких энергий на структуру аморфного сплава были выполнены расчетыэнергетических потерь этих ионов в программе TRIM.
Проведенный теоретическийанализ показал, что при прохождении рассматриваемых ионов в исследуемых образцах,аморфного сплава Fe77Ni2Si14B7, осуществляются последовательно два основныхмеханизма торможения заряженной частицы в твердом теле: неупругие и упругиевзаимодействия, т.е. потери энергии иона облучения на ионизацию атомов мишени вначале пути и прямое выбивание их из своих равновесных положений в конце пути,соответственно.
В связи с этим при изучении влияния облучения тяжелыми ионамивысоких энергий интересно разделить вклады упругих и неупругих взаимодействий.Вычисленные неупругие и упругие потери энергии ионов в зависимости от расстоянияпрохождения в аморфном сплаве представлены соответственно на графиках (рис.2 ирис.3). Оцененные из них длины пробега ионов в аморфном сплаве представлены втаблице 4.Неупругие взаимодействия5,500Bi 710МэВ5,0004,500Xe 372МэВdE/dx, кэВ / А4,0003,5003,000Kr 253МэВ2,5002,000Ar150МэВ1,5001,0000,5000,00005101520х, мкмРис. 1 Потери энергии dE/dx ионов на ионизацию в аморфном сплаве Fe77Ni2Si14B77Упругие взаимодействия500Bi 710МэВ450400dE/dx, эВ/А350Xe 372МэВ300250Kr 245МэВ200150Ar 150МэВ10050005101520x, мкмРис.
2 Потери энергии ионов на упругие взаимодействия с атомами сплава Fe77Ni2Si14B7Таблица 4 Рассчитанные длины пробегов ионов облучения в аморфном сплавеFe77Ni2Si14B7ИонArKrXeBiАтомная масса4084131209Энергия Е, МэВДлина пробегав образце, мкм15525337271017.5151620При съемке конверсионных мессбауэровских спектров с регистрацией резонансногорентгеновского излучения получается информация со слоя 10-15 мкм. Поэтому, снимая втакой геометрии мессбауэровские спектры для облученных образцов можно (согласнотаблице 4) исследовать изменения в аморфном сплаве, произошедшие в результатетолько неупругих взаимодействий.Для того, чтобы проанализировать этим методом изменения в аморфном сплаве,произошедшие в результате упругих взаимодействий, было выполнено облучениеаморфного сплава ионами Xe и Bi через фольги нержавеющей стали толщиной 13 мкм.
Врезультате этого вся зона неупругих взаимодействий этих ионов приходилась на толщинуфольги, а в аморфном сплаве происходили уже только упругие взаимодействия (рис.3).Упругие взаимодействия500Bi 710 МэВ+нерж13мкмBi 710 МэВРис. 3 Потери энергии ионов наупругиевзаимодействиясатомами сплава Fe77Ni2Si14B7 длядвухвариантовоблучения:прямымпучкомичерезпластину нержавеющей сталитолщиной 13 мкмdE/dx, эВ/А400300Xe 372 МэВ+нерж13мкмXe 372 МэВ200100005101520x, мкм8Последующая съемка конверсионных мёссбауэровских спектров с этих образцовфиксировала изменения в аморфном сплаве в результате только неупругих или толькоупругих взаимодействий.
На рис.4 представлена схема проведенного эксперимента.НеупругиевзаимодействияУпругиевзаимодействияAr, Kr, Xe, BiОблучение через пластину нержавеющей стали толщиной 13 мкмXe, BiМессбауэровская конверсионная спектроскопияИсточник15 мкм±Vγx-raysРис.4 Эксперимент по разделению вкладов упругих и неупругих взаимодействийионов с атомами аморфного сплаваЭкспериментальные результатыАморфное состояние сплава до и после облучения контролировалось методомрентгеновского дифракционного анализа. В результате этих измерений не выявленоизменений аморфного состояния после облучения.Мессбауэровские спектры, снятые в геометрии на прохождения гамма-излучения черезобразец, показали сохранение аморфного состояния сплава в основной массе облученныхионами образцов (см.
рис.5). Это подтверждается широкими линиями спектра, типичнымидля аморфного состояния сплава (Г~ 1 мм/c) и гладкими кривыми распределенияэффективных магнитных полей в виде широкого гало.Однако, по сравнению со спектрами исходного образца, в них изменилисьинтенсивности 2-й и 5-й линий по отношению к 1-й и 6-й, т.е. изменилось направлениеугла Θ магнитной текстуры, наведенной в процессе получения аморфного сплава.Известно, что при изотропном распределении магнитного момента в образце угол Θмежду ним и направлением пучка гамма-квантов составляет 54,4°.
В исходном аморфномсплаве угол Θ=66о, т.е. направлен преимущественно вдоль ленты сплава. Вычисленные9значения угла текстуры Θ для образцов, облученных высокоэнергетическими ионами Ar,Kr, Xe, Bi, составили соответственно 65°, 50°, 47° и 41°, т.е. уменьшаются с увеличениемпорядкового номера (массы) Z иона. Это свидетельствует о том, что увеличиваетсяповорот оси магнитной текстуры от первоначального направления в сторону направлениядвижения пучка ионов.V, мм/с-10-5Н, кЭ0510050 100 150 200 250 300 350ИсходныйΘ=66 градAr 155 МэВΘ=65 градKr 253 МэВP(H)I, %Θ=50 градΘ=47 град Xe 372 МэВΘ=41 град-10-50V, мм/сBi 710 МэВ510050 100 150 200 250 300 350Н, кЭРис. 5 Мессбауэровские спектры на прохождение гамма – излучения аморфного сплаваFe77Ni2Si14B7 в исходном состоянии и после облучения высокоэнергетическими ионамипри комнатной температуре и соответствующие распределения эффективных магнитныхполей, рассчитанные из этих спектров-10-50510050100 150 200 250 300 350ИсходныйΘ=66 градAr 155 МэВР(Н)Θ=65 градKr 253 МэВΘ=44 градXe 372 МэВΘ=38 градBi 710 МэВα-Fe(Ni,Si)(Fe,Ni)2BΘ=35 град-10-50V, мм/с510050100 150 200 250 300 350Нэфф, кЭРис.6 Мессбауэровские спектры, снятые с регистрацией резонансного рентгеновскогоизлучения, и соответствующие им функции распределения эффективных магнитныхполей P(H)10Кроме того, анализ распределений эффективных магнитных полей показал, что сувеличением Z ионов облучения кривые распределения становятся менее гладкими, т.е.
вэтих облученных образцах изменяются вероятности ближайший окружения вокруг атомовжелеза. Выявить эти изменения, позволили конверсионные мессбауэровские спектры,снятые со слоя толщиной 15 мкм, т.е. слоя, содержащего треки ионов облучения (рис.6).Рассчитанные для них распределения эффективных магнитных полей показалисущественные структурные изменения: с увеличением порядкового номера ионовоблучения на них появляются пики, соответствующие параметрам кристаллическоготвердого раствора α-Fe(NiSi) и фазы интерметаллида (Fe,Ni)2B, которые обычнообразуются при термической кристаллизации этого сплава.
Помимо этого, нараспределении появляются пики с Нэфф=180 и 200 кЭ, которые соответствуюткристаллической фазе Fe50Si50, которая при обычном отжиге не образуется. Также нужноотметить тот факт, что если кривая распределения, рассчитанная для спектра исходногосплава, близка по форме к кривой распределения Гаусса с центром Нэфф=257 кЭ, то врезультате облучения ионами увеличивается ближайшее окружение атома железа сНэфф<257 кЭ. При обычной термической кристаллизации, наоборот, наибольшееколичество (66%) кристаллических фаз имеет Нэфф>257 кЭ.
Это означает, что механизмрадиационно-индуцированной кристаллизации аморфного сплава отличается отмеханизма термической кристаллизации. Такое отличие объясняется сильным разогревомаморфной матрицы вдоль треков ионов, которые можно рассматривать как цилиндры.Температуры разогрева и радиусы этих цилиндров нами были оценены и представлены втаблице 5.Таблица 5. Максимальная температура разогрева на оси трека и радиус R разогретойцилиндрической области вдоль трека при максимальной потере энергии dE/dx нанеупругие взаимодействияТемператураИонdE/dx, кэВ/ÅR, ÅэВКAr10,14162718Kr2,20,21244225Xe3,40,26302332Bi5,20,32372042Из этой таблицы видно, что температура разогрева вдоль трека иона превышаеттемпературу плавления железа (2400К), поэтому такие температуры нужно восприниматьне как термодинамический разогрев материала, а как энергетическое состояние атомоввдоль трека.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
