АНАЛИЗ И МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Актуальность темы
Использование ускоренных заряженных частиц в радиационных технологиях является актуальным и перспективным как с точки зрения модификации свойств материалов, так и проведения анализа состава и структуры их поверхности. Суть явлений и современные физические представления о процессах взаимодействия заряженных частиц с веществом представлены в работах А.Ф. Тулинова, Е.А. Романовского, И.П. Чернова, московской и томской научных школ. Обнинский коллектив во главе с А.Ф. Гурбичем представляет нашу страну в координационных проектах МАГАТЭ по развитию методов ядерно-физического анализа. Большая часть работ данных авторов посвящена изучению и использованию в прикладных целях резерфордовского обратного рассеяния (РОР). Основным достоинством РОР является высокая чувствительность к тяжелым элементам в силу квадратичной зависимости сечения рассеяния заряженных частиц от порядкового номера ядер мишени. Легкие же элементы, входящие в состав исследуемых материалов, могут оставаться практически неопределяемыми на фоне тяжелых. Переход от резерфордовского к ядерному обратному рассеянию (ЯОР), когда налетающая частица рассеивается в поле атомного ядра, а не атома, позволяет существенно повысить чувствительность к легким элементам в тяжелой матрице и применить ЯОР для анализа таких соединений как оксиды, нитриды, бориды, карбиды, гидриды, которые являются самыми распространенными упрочняющими покрытиями. В связи с этим, с научной и прикладной точек зрения является актуальным экспериментальное определение сечений ядерного обратного рассеяния заряженных частиц околобарьерных энергий для легких химических элементов в конкретных условиях эксперимента.
Неотъемлемой частью использования пучков заряженных частиц является радиационная модификация материалов, которая осуществляется как за счет создания радиационных дефектов (физическая стадия), так и за счет создания промежуточных активных частиц (свободных радикалов, ионов, ион-радикалов и т.п.) вызывающих радиационно-химические превращения в облучаемой среде (физико-химическая стадия). Последнее наиболее актуально и характерно для гетерогенных систем и материалов (коррозия в различных средах) с низкой радиационной стойкостью (например, полимерные материалы). Поэтому изучение процессов, существенно изменяющих свое поведение под действием заряженных частиц, наиболее эффективно методами РОР, ЯОР и ядер отдачи (ЯО) в условиях in situс постоянно заданным шагом по флюенсу. Для этого необходимы новые экспериментальные методики и способы интерпретации экспериментальных спектров обратно рассеянных частиц, когда состав поверхности материала и окружающей среды меняются в процессе облучения.
Экспериментальным исследованиям характеристик ядерного обратного рассеяния ионов с энергиями вблизи границы кулоновского барьера и их применению в практических целях, а также физико-химическим аспектам изменения свойств материалов с низкой радиационной стойкостью и свойств поверхности материалов, окруженных различной средой под действием заряженных частиц, посвящена данная диссертационная работа.
Цель и задачи исследования
Целью работы является выявление аналитических возможностей упругого обратного рассеяния протонов и ионов гелия с энергиями вблизи кулоновского барьера, создание соответствующего аппаратурного и методического обеспечения для получения фундаментальных данных о сечениях рассеяния ядрами некоторых химических элементов, а также их применение для исследования поверхностных слоев материалов, модифицированных радиационно-химическим, термодиффузионным, электроискровым способами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику определения энергетической границы резерфордовского обратного рассеяния с использованием «толстых» (пробег протонов не превышает толщину образца) мишеней и измерить сечения ядерного обратного рассеяния протонов для ряда химических элементов естественного изотопного состава в энергетическом диапазоне 4,5-6,6 МэВ.
2. На базе классического циклотрона Р7-М Уральского федерального университета создать экспериментальную установку, обеспечивающую одновременное воздействие ионизирующего излучения, температуры, влажности и возможность создания газовой среды различного состава.
3. В специально созданной камере провести облучение образцов и исследовать радиационно-стимулированную атмосферную и иодную коррозию конструкционных сталей.
4. Методом ЯОР с использованием полученных сечений изучить состав и определить оптимальные условия нанесения упрочняющих покрытий на основе легких элементов (углерод, бор).
5. Реализовать метод in situс применением пучка ускоренных заряженных частиц и исследовать радиационную модификацию и окисление полимерных материалов (полиэтилентерефталат, полиэтилен).
Научная новизна
1. Измерены энергетические зависимости дифференциального сечения рассеяния протонов для угла 160° в диапазоне 4,5-6,6 МэВ для элементов B, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn. Полученные данные дополняют имеющиеся базы данных по сечениям рассеяния для протонов, необходимые при элементном анализе методом ЯОР.
2. Разработана методика и определены энергетические границы резерфордовского и ядерного обратного рассеяния протонов для элементов Zr, Ag, La, Nd.
3. Для конструкционных сталей, используемых в ядерных реакторах и контейнерах для хранения РАО промоделированы условия реакторного облучения и облучения радиоактивными отходами с одновременным воздействием нескольких факторов. Исследованы радиационно-химические процессы (атмосферная и иодная коррозия), протекающие на поверхности материалов. Установлено, что ионизирующее излучение существенно ускоряет процессы коррозии и расширяет диапазон относительной влажности, в котором они эффективно протекают.
4. С применением полученных сечений ЯОР изучен состав покрытия и установлен оптимальный режим нанесения износостойкого покрытия на основе ВК8 и бора на стальную подложку. Показана эффективность метода (глубина зондирования, чувствительность) при анализе на легкие элементы.
5. Исследованы особенности анализа полимеров с учетом их деструкции и окисления, установлены существенные радиационно-химические отличия по сравнению с воздействием редкоионизирующего излучения.
Научная и практическая значимость работы
Результаты исследований имеют научное и прикладное значение в плане развития ионно-пучковых методов анализа и их использования в современных технологиях модификации поверхностных слоев материалов с целью повышения их потребительских свойств. Развиваемые методы РОР и ЯОР с их чувствительностью до десятков микрометров по глубине могут быть использованы в качестве эффективных методов анализа процессов коррозии, химико-термических процессов модификации поверхностных слоев материалов (борирование, цементация), электроискровых и газоплазменных методов восстановления изношенных деталей машин.
Положения, выносимые на защиту:
1. Полученные в экспериментах с «толстыми» мишенями зависимости сечения рассеяния протонов околобарьерных энергий ядрами элементов B, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn дополняют имеющиеся базы данных по сечениям рассеяния и делают возможным осуществление элементного анализа при угле 160° и энергии протонов 4,5-6,6 МэВ.
2. Предложенная методика исследования спектров обратного рассеяния при облучении высокоэнергетичными протонами позволяет определить границу резерфордовского и ядерного обратного рассеяния.
3. Облучение протонами для моделировании коррозионных повреждений ускоряет коррозию стали за счет радиационно-химических процессов на 3 порядка и создает специфические соединения как в случае атмосферной, так и иодной коррозии.
4. Метод ядерного обратного рассеяния протонов околобарьерных энергий показывает свою эффективность (в сравнении с частицами резерфордовского диапазона энергий) при определении концентрации и распределения по глубине легких элементов в упрочняющих покрытиях.
5. Облучение тяжелыми заряженными частицами, в сравнении с редкоионизирующим излучением (е, у), приводит к качественному изменению продуктов радиолиза и процессов окисления полимеров.
Личный вклад автора
Формулирование цели и задач диссертационной работы, а также защищаемых положений проведена совместно с научным руководителем. Диссертантом спроектированы и отлажены экспериментальные установки, подготовлены образцы и проведены эксперименты на циклотроне УрФУ. Обработка, анализ и интерпретация экспериментальных данных, подготовка научных публикаций принадлежат лично автору.
Работы на РФЭС-спектрометре выполнены под руководством М.В. Кузнецова. Исследования на мессбауэровском спектрометре проведены совместно с В.А. Семенкиным.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность обеспечивается применением современного оборудования, надежной статистикой экспериментов, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, согласием с литературными данными и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность расчетов подтверждается обоснованностью допущений, а также согласованностью с экспериментальными результатами.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждены на следующих конференциях: международные Тулиновские конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами ФВЗЧК-2009, -2010, -2012, -2013, -2014 Москва); научно-практическая конференция ФтФ-60 (Екатеринбург, 2009); XVIII международное совещание «Радиационная физика твёрдого тела» (Севастополь, 2009); международные конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» (ВИТТ-2011, -2013, Минск); 15th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter RPC-15,16 (Томск, 2012, 2014).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работах, в том числе 3 статьи в реферируемых российских периодических научных изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы; изложена на 146 страницах машинописного текста и содержит 3 таблицы, 68-рисунков и библиографический список из 116 наименований.
Использование ускоренных заряженных частиц в радиационных технологиях является актуальным и перспективным как с точки зрения модификации свойств материалов, так и проведения анализа состава и структуры их поверхности. Суть явлений и современные физические представления о процессах взаимодействия заряженных частиц с веществом представлены в работах А.Ф. Тулинова, Е.А. Романовского, И.П. Чернова, московской и томской научных школ. Обнинский коллектив во главе с А.Ф. Гурбичем представляет нашу страну в координационных проектах МАГАТЭ по развитию методов ядерно-физического анализа. Большая часть работ данных авторов посвящена изучению и использованию в прикладных целях резерфордовского обратного рассеяния (РОР). Основным достоинством РОР является высокая чувствительность к тяжелым элементам в силу квадратичной зависимости сечения рассеяния заряженных частиц от порядкового номера ядер мишени. Легкие же элементы, входящие в состав исследуемых материалов, могут оставаться практически неопределяемыми на фоне тяжелых. Переход от резерфордовского к ядерному обратному рассеянию (ЯОР), когда налетающая частица рассеивается в поле атомного ядра, а не атома, позволяет существенно повысить чувствительность к легким элементам в тяжелой матрице и применить ЯОР для анализа таких соединений как оксиды, нитриды, бориды, карбиды, гидриды, которые являются самыми распространенными упрочняющими покрытиями. В связи с этим, с научной и прикладной точек зрения является актуальным экспериментальное определение сечений ядерного обратного рассеяния заряженных частиц околобарьерных энергий для легких химических элементов в конкретных условиях эксперимента.
Неотъемлемой частью использования пучков заряженных частиц является радиационная модификация материалов, которая осуществляется как за счет создания радиационных дефектов (физическая стадия), так и за счет создания промежуточных активных частиц (свободных радикалов, ионов, ион-радикалов и т.п.) вызывающих радиационно-химические превращения в облучаемой среде (физико-химическая стадия). Последнее наиболее актуально и характерно для гетерогенных систем и материалов (коррозия в различных средах) с низкой радиационной стойкостью (например, полимерные материалы). Поэтому изучение процессов, существенно изменяющих свое поведение под действием заряженных частиц, наиболее эффективно методами РОР, ЯОР и ядер отдачи (ЯО) в условиях in situс постоянно заданным шагом по флюенсу. Для этого необходимы новые экспериментальные методики и способы интерпретации экспериментальных спектров обратно рассеянных частиц, когда состав поверхности материала и окружающей среды меняются в процессе облучения.
Экспериментальным исследованиям характеристик ядерного обратного рассеяния ионов с энергиями вблизи границы кулоновского барьера и их применению в практических целях, а также физико-химическим аспектам изменения свойств материалов с низкой радиационной стойкостью и свойств поверхности материалов, окруженных различной средой под действием заряженных частиц, посвящена данная диссертационная работа.
Цель и задачи исследования
Целью работы является выявление аналитических возможностей упругого обратного рассеяния протонов и ионов гелия с энергиями вблизи кулоновского барьера, создание соответствующего аппаратурного и методического обеспечения для получения фундаментальных данных о сечениях рассеяния ядрами некоторых химических элементов, а также их применение для исследования поверхностных слоев материалов, модифицированных радиационно-химическим, термодиффузионным, электроискровым способами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику определения энергетической границы резерфордовского обратного рассеяния с использованием «толстых» (пробег протонов не превышает толщину образца) мишеней и измерить сечения ядерного обратного рассеяния протонов для ряда химических элементов естественного изотопного состава в энергетическом диапазоне 4,5-6,6 МэВ.
2. На базе классического циклотрона Р7-М Уральского федерального университета создать экспериментальную установку, обеспечивающую одновременное воздействие ионизирующего излучения, температуры, влажности и возможность создания газовой среды различного состава.
3. В специально созданной камере провести облучение образцов и исследовать радиационно-стимулированную атмосферную и иодную коррозию конструкционных сталей.
4. Методом ЯОР с использованием полученных сечений изучить состав и определить оптимальные условия нанесения упрочняющих покрытий на основе легких элементов (углерод, бор).
5. Реализовать метод in situс применением пучка ускоренных заряженных частиц и исследовать радиационную модификацию и окисление полимерных материалов (полиэтилентерефталат, полиэтилен).
Научная новизна
1. Измерены энергетические зависимости дифференциального сечения рассеяния протонов для угла 160° в диапазоне 4,5-6,6 МэВ для элементов B, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn. Полученные данные дополняют имеющиеся базы данных по сечениям рассеяния для протонов, необходимые при элементном анализе методом ЯОР.
2. Разработана методика и определены энергетические границы резерфордовского и ядерного обратного рассеяния протонов для элементов Zr, Ag, La, Nd.
3. Для конструкционных сталей, используемых в ядерных реакторах и контейнерах для хранения РАО промоделированы условия реакторного облучения и облучения радиоактивными отходами с одновременным воздействием нескольких факторов. Исследованы радиационно-химические процессы (атмосферная и иодная коррозия), протекающие на поверхности материалов. Установлено, что ионизирующее излучение существенно ускоряет процессы коррозии и расширяет диапазон относительной влажности, в котором они эффективно протекают.
4. С применением полученных сечений ЯОР изучен состав покрытия и установлен оптимальный режим нанесения износостойкого покрытия на основе ВК8 и бора на стальную подложку. Показана эффективность метода (глубина зондирования, чувствительность) при анализе на легкие элементы.
5. Исследованы особенности анализа полимеров с учетом их деструкции и окисления, установлены существенные радиационно-химические отличия по сравнению с воздействием редкоионизирующего излучения.
Научная и практическая значимость работы
Результаты исследований имеют научное и прикладное значение в плане развития ионно-пучковых методов анализа и их использования в современных технологиях модификации поверхностных слоев материалов с целью повышения их потребительских свойств. Развиваемые методы РОР и ЯОР с их чувствительностью до десятков микрометров по глубине могут быть использованы в качестве эффективных методов анализа процессов коррозии, химико-термических процессов модификации поверхностных слоев материалов (борирование, цементация), электроискровых и газоплазменных методов восстановления изношенных деталей машин.
Положения, выносимые на защиту:
1. Полученные в экспериментах с «толстыми» мишенями зависимости сечения рассеяния протонов околобарьерных энергий ядрами элементов B, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn дополняют имеющиеся базы данных по сечениям рассеяния и делают возможным осуществление элементного анализа при угле 160° и энергии протонов 4,5-6,6 МэВ.
2. Предложенная методика исследования спектров обратного рассеяния при облучении высокоэнергетичными протонами позволяет определить границу резерфордовского и ядерного обратного рассеяния.
3. Облучение протонами для моделировании коррозионных повреждений ускоряет коррозию стали за счет радиационно-химических процессов на 3 порядка и создает специфические соединения как в случае атмосферной, так и иодной коррозии.
4. Метод ядерного обратного рассеяния протонов околобарьерных энергий показывает свою эффективность (в сравнении с частицами резерфордовского диапазона энергий) при определении концентрации и распределения по глубине легких элементов в упрочняющих покрытиях.
5. Облучение тяжелыми заряженными частицами, в сравнении с редкоионизирующим излучением (е, у), приводит к качественному изменению продуктов радиолиза и процессов окисления полимеров.
Личный вклад автора
Формулирование цели и задач диссертационной работы, а также защищаемых положений проведена совместно с научным руководителем. Диссертантом спроектированы и отлажены экспериментальные установки, подготовлены образцы и проведены эксперименты на циклотроне УрФУ. Обработка, анализ и интерпретация экспериментальных данных, подготовка научных публикаций принадлежат лично автору.
Работы на РФЭС-спектрометре выполнены под руководством М.В. Кузнецова. Исследования на мессбауэровском спектрометре проведены совместно с В.А. Семенкиным.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность обеспечивается применением современного оборудования, надежной статистикой экспериментов, применением современных и независимых методов обработки экспериментальных данных, согласием с литературными данными и непротиворечивостью известным физическим моделям. Достоверность расчетов подтверждается обоснованностью допущений, а также согласованностью с экспериментальными результатами.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждены на следующих конференциях: международные Тулиновские конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами ФВЗЧК-2009, -2010, -2012, -2013, -2014 Москва); научно-практическая конференция ФтФ-60 (Екатеринбург, 2009); XVIII международное совещание «Радиационная физика твёрдого тела» (Севастополь, 2009); международные конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» (ВИТТ-2011, -2013, Минск); 15th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter RPC-15,16 (Томск, 2012, 2014).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работах, в том числе 3 статьи в реферируемых российских периодических научных изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы; изложена на 146 страницах машинописного текста и содержит 3 таблицы, 68-рисунков и библиографический список из 116 наименований.
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК СО СЛОЖНЫМ
ЭЛЕМЕНТНЫМ СОСТАВОМ МЕТОДАМИ ЯДЕРНОГО АНАЛИЗА
Магистерская диссертация, физика. Язык работы: Русский. Цена: 5700 р. Год сдачи: 2019 - Модифицирование конструкционного алюминия воздействием мощного ионного пучка
Магистерская диссертация, технология производства продукции. Язык работы: Русский. Цена: 6400 р. Год сдачи: 2017