Содержание к диссертации
Введение
1. Применение метода аннигиляции позитронов для исследования свойств ультрадисперсных сред. 9
1.1. Физические основы метода аннигиляции по зитронов и основные методики позитронно-го эксперимента 9
1.1.1. Физические основы метода аннигиляции позитронов 9
1.1.2. Методика угловой корреляции ан-нигиляционного излучения (УКАИ). 12.
1.1.3. Методика допплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ).
1.1.4. Методика определения вероятности трехфотонной аннигиляции. 15
1.1.5. Методика определения времени жизни позитронов 16
1.2. Аннигиляция позитронов в ультрадисперсных средах 13
1.3. Основные свойства ультрадисперсных сред 33
1.4. Цель и задачи работы
2. Разработка и создание спектрометра для определения времени жизни позитронов
2.1. Устройство спектрометра
2.2. Блок детектирования спектрометра
2.3. Временной наносекундный блок спектрометра
2.4. Система стабилизации временных параметров спектрометра
2.5. Определение рабочих характеристик и калибровка спектрометра. 63
3. Разработка методики определения временных параметров аннигиляции позитронов в ультрадисперсных средах
3.1. Модель взаимодействия позитронов с ультрадисперсной средой
3.2. Методика математической обработки спектров времени жизни позитронов
3.2.1. Методика анализа спектров времени жизни позитронов.
3.2.2. Выбор оптимального временного интервала обработки спектров времени жизни позитронов 30
3.2.3. Учет вклада фоновых компонент во временной спектр аннигиляции позитронов
4. Экспериментальное исследование свойств ультрадисперсных сред методом аннигиляции позитронов.
4.1. Характеристика используемых в работе образцов
4.2. Исследование зависимости параметров аннигиляции позитронов от размеров ультрадисперсных частиц
4.3. Изучение зависимости от температуры среднего времени жизни позитронов в ультрадисперсном порошке никеля
4.4. Влияние низкотемпературного отжига на изменение дефектности ультрадисперсного порошка никеля
4.5. Изучение процессов изотермического и изохронного отжига ультрадисперсного порошка никеля
4.6. Изменение дефектности структуры прессовок из ультрадисперсного порошка никеля.
4.7. Влияние отжига на дефектность структуры ультрадисперсного порошка диоксида циркония 16%
Выводы 176
- Аннигиляция позитронов в ультрадисперсных средах
- Временной наносекундный блок спектрометра
- Учет вклада фоновых компонент во временной спектр аннигиляции позитронов
- Изучение процессов изотермического и изохронного отжига ультрадисперсного порошка никеля
Введение к работе
Одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед современной наукой и техникой, является создание и внедрение в промышленность новых перспективных материалов и создание из них высококачественных изделий.
Перспективность использования ультрадисперсных сред в качестве основы конструкционных материалов, обладающих высокими механическими и теплофизическими свойствами, в настоящее время сомнений не вызывает. Ультрадисперсные среды представляют собой ансамбли частиц, размеры которых обычно не превышают ІОО-ІООО нм, причем для них характерно уникальное сочетание механических и физических свойств, которые в ряде случаев существенно превосходят свойства массивного состояния тех же материалов.
В настоящее время ультрадисперсные порошки находят все более широкое применение в получении твердых сплавов, магнитных, сверхпроводящих, полупроводниковых и композиционных материалов. Высокая удельная поверхность и реакционная способность ультрадисперсных порошков обуславливает возможность их эффективного использования в качестве фильтров, геттеров, катализаторов, а также в качестве добавок, существенно улучшающих эксплуатационные свойства материалов. Ультрадисперсные среды могут служить также своеобразными модельными объектами для исследования свойств поверхности твердых тел, что представляет большой интерес как для полупроводникового приборостроения, так и для изучения процессов адсорбции и гетерогенного катализа.
Однако ограниченность знаний о свойствах ультрадисперсных сред, которые в ряде случаев не укладываются в рамки традицион - в ных физических представлений, снижает эффективность их использования в научных и промышленных целях.
В настоящее время для исследования свойств ультрадисперсных сред применяется практически весь комплекс экспериментальных методов, используемых в физике поверхности и в физике твердого тела. Однако большинство методов обладают таким недостатком, как сложность, а порой и невозможность одновременного изучения как поверхностных, так и объемных свойств ультрадисперсных частиц.
В этом плане представляется перспективным использование для исследования ультрадисперсных частиц относительно нового ядерно-физического метода исследования свойств твердых тел - метода аннигиляции позитронов, который наряду с высокой чувствительностью к дефектам кристаллической структуры характеризуется возможностью идентификации центров аннигиляции позитронов по величине локальной электронной плотности или распределению электронов по энергиям и импульсам. Наиболее эффективной в таких исследованиях является методика определения времени жизни позитронов, которая позволяет наиболее просто выделить вклады позитронов, аннигилирующих в объеме и на поверхности ультрадисперсных частиц.
Однако проводимые в настоящее время исследования ультрадисперсных сред методом аннигиляции позитронов, из-за недостаточно развитой методики количественной интерпретации результатов эксперимента носят в основном качественный характер. Кроме того, практически не уделено внимание исследованию процессов, протекающих при различного рода воздействиях на ультрадисперсную среду. Существенным фактором, ограничивающим использование в работах отечественных исследователей методики определения времени жизни позитронов, является также отсутствие стандартного оборудования для прецизионного измерения наносекундных интервалов времени.
В связи с этим, целью данной работы являлось создание наносекундного спектрометра для измерения спектров времени жизни позитронов, разработка методики количественного анализа результатов определения времени жизни позитронов в ультрадисперсных средах и исследование ряда процессов, происходящих при тепловом и механическом воздействиях на ультрадисперсные порошки.
В работе разработан и изготовлен наносекундный спектрометр с разрешением 310-360 пс и двойной стабилизацией временных параметров. Предложены модель для описания аннигиляции позитронов в ультрадисперсной среде, методика количественного определения параметров модели, а также методика определения функции разрешения временного спектрометра.
В работе исследованы ультрадисперсные порошки никеля и диоксида циркония, широко используемые в порошковой технологии. В результате проведенных экспериментов получены новые данные как о процессах взаимодействия позитронов с ультра дисперсными частицами, так и об изменении дефектности структуры при отжиге и компактировании ультрадисперсных порошков.
На защиту выносятся следующие положения:
- временной спектрометр с разрешением 310 пс и двойной стабилизацией временных параметров;
- модель для описания процесса аннигиляции позитронов в УДС, а также методика определения значений параметров модели из результатов обработки временных спектров аннигиляции позитронов;
- экспериментальные результаты исследования взаимодействия позитронов с УДЧ никеля и диоксида циркония;
- экспериментальные результаты исследования УДП никеля и диоксида циркония, подвергнутых отжигу и прессованию.
Основные результаты настоящей работы опубликованы в двенадцати научных статьях. Результаты докладывались на "Всесоюзной конференции по ядерно-физическим г исследованиям" /Харьков,1982Г./, Всесоюзном семинаре "Дисперсные кристаллические порошки в материаловедении" /Новосибирск, 1983 г./, ХХХІУ Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра /Алма-Ата, 1984 г./, Первой Всесоюзной конференции "Физико-химия ультрадисперсных систем" /Звенигород, 1984 г./, сессиях (Ш АН СССР /Москва, 1982, 1984 гг./, научной конференции МШИ /Москва, 1983 г./.
Временной наносекундный спектрометр и разработанная методика могут быть использованы при изучении целого ряда физических свойств широкого класса материалов с помощью метода аннигиляции позитронов. Такой спектрометр был изготовлен в МШИ и внедрен на предприятии НИйприборов. Методика, а также результаты исследования ультрадисперсных порошков никеля и диоксида циркония использованы в НПО "Красная Звезда".
Аннигиляция позитронов в ультрадисперсных средах
Аналогично, как и в методе УКАИ, из формулы (1.2) можно получить выражение для энергии фотонов в лабораторной системе отсчета: которое с точностью до членов V fa и с учетом неравенства А « А преобразуется к виду: где pplf - компонента импульса электрона вдоль направления вылета фотонов. Величина JB определяет допплеровское уширение аннигиляционной линии Е ГРоС2" = 0,511 МэВ в результате движения центра масс аннигилирующих частиц. Причем, учитывая эквивалентность fy/, ир для изотропной среды, из формулы (1.7) следует, что где Э выражено в мрад, a cfE в эВ. Таким образом, методы УКАИ и ДУАЛ несут принципиально одну и ту же информацию об энергетическом состоянии электронной подсистемы, но разрешение методов существенно различное - углу в I мрад соответствует доплеровское уширение в 256 эВ. Разрешение лучших современных детекторов гамма-излучения составляет величину около 1,5 кэВ, что соответствует угловому разрешению в б мрад. Разрешение же современных установок для измерения УКАИ составляет величину меньшую I мрад / /. Главным преимуществом метода ДУАЛ является его высокая экспрессность, которая даже при использовании источников позитронов активностью порядка единиц микрокюри более чем на порядок превышает экспрессность метода УКАИ Для измерения ДУАЛ в настоящее время используются прецизионные гамма-спектрометры с полупроводниковыми детекторами / 4 /. Измерение величины Рду заключается в определении относительной скорости счета тройных совпадений от детекторов расположенных в одной плоскости под углом 120 друг к другу f Ч /.В качестве эталона обычно используется образец из алюминия, в котором заведомо не образуется Р / 37 /. В последние годы стала использоваться другая методика измерения величины Р , которая осно- -Урвана на определении относительного вклада в комптоновскую часть спектра при регистрации аннигиляционных фотонов полупроводниковыми детекторами / 23 /. Действительно, при двухфотонной аннигиляции энергия гамма-квантов практически равна 0,511 МэВ, в то время как при трехфотонной аннигиляции энергетическое распределение каждого из фотонов имеет непрерывный спектр / 23 /. Следовательно, в случае трехфотонной аннигиляции относительная площадь под комп-тоновской частью спектра будет больше, чем при двухфотонной аннигиляции.
Причем, относительное увеличение площади пропорционально вероятности трехфотонной аннигиляции FJJ, . I.I.5. Методика определения времени жизни позитронов Методика определения времени жизни позитронов в веществе основана на том, что вероятность аннигиляции позитронов пропорциональна электронной плотности в месте локализации позитрона, ус » редненной по всем позитронным состояниям //6/: где Ф+(Т) Ф-f J - волновые функции позитрона и электрона. Следовательно, если в кристаллической решетке исследуемого образца имеется несколько центров локализации позитронов, то временной спектр будет представлять собой соответствующее число компонент с постоянными распада пропорциональными значению интеграла (1.9). Практически во всех случаях, спектр времени жизни позитронов, аннигилирующих в твердом теле, без учета функции разрешения спектрометра, можно представить в виде суммы экспонент v j,- константа распада l -го состояния позитрона. По принятой терминологии / 23 /, величина Vi-Лі называется временем жизни позитрона в і -ом состоянии. Однако, как показано в работе //У/У величина Zi , определенная из спектра (1.10), равна времени жизни позитронов в і -ом состоянии только в случае, когда аннигиляция является единственным процессом изменения числа позитронов в і -ом состоянии. Поэтому, в общем случае Zi -это постоянная времени распада і -ого состояния. Обычно, из контекста видно в каком конкретном смысле определяется величина Отметим, что принципиально возможны ситуации, когда форма временного спектра отличается от экспоненциального / S, 23 /, однако в работе такие ситуации рассматриваться не будут. Методика определения времени жизни позитронов выгодно отличается от остальных описанных методик прежде всего своей информативностью /23,49/ , а также относительной простотой выделения вклада позитронов аннигилирующих в областях с различной электронной плотностью. Кроме того, она характеризуется высокой экепрессно-стью даже при использовании радиоактивных источников позитронов небольшой активности / " 0,1 МБк/. Обработка результатов позитронного эксперимента в настоящее время осуществляется на ЭВМ с использованием различных математических программ І1Щ 120 I . В большинстве случаев, такие программы осуществляют подгонку функционала заданного вида к набору экспериментальных точек. Так в случае временной методики в качестве такого функционала используется свертка из функции разрешения спе- ктрометра и суммы экспонент. Существующие версии математических программ обработки временных спектров различаются в основном видом задаваемой функции разрешения. В наиболее широко используемой версии / 120 /, функция разрешения спектрометра представляется в виде линейной комбинации гауссовых функций. Методика определения параметров функции разрешения, а также ошибки возникающие, при их неточном задании подробно проанализированы в работах / /оо, Н8 /. В частности, в работе / /оо / отмечается, что наиболее радикальным путем уменьшения влияния функции разрешения на результаты обработки является ограничение диапазона обработки временных спектров. Однако, при этом возрастают статистические ошибки, а также ухудшаются возможности программы по выделению короткоживущих компонент временного спектра. Поэтому, чрезвычайно важным представляется определение оптимального,с указанных позиций.диапазона обработки временных спектров.
В ряде практически важных случаев, спектр времени жизни позитронов представляет собой сумму временных компонент с близкими значениями постоянных распада. Возможности современных программ по разделению близлежащих компонент, даже при большом числе импульсов жед спектром, крайне ограничены //00 /. В этом случае, обычно предполагают /89 /, что результаты обработки таких спектров по программе / i20 / представляют собой средние значения постоянных распада по близколежащим компонентам. Однако, область применимости такого приближения в литературе не рассматривалась. Решение указанных выше методических вопросов позволит существенно расширить возможности временной методики по исследованию твердых тел и увеличит надежность получаемых с ее помощью экспериментальных данных. Таким образом, метод аннигиляции позитронов позволяет получать уникальную информацию как об энергетическом состоянии электронов, так и о плотности электронов в месте локализации позитрона. Он является абсолютным методом измерения фермиевского импульса электронов в заданном направлении / і 6 /.В отличие от большинства методов исследования электронной структуры твердых тел, применение метода аннигиляции позитронов не ограничено областью низких температур и использованием различных электрических и магнитных полей. Кроме того, метод обладает высокой чувствительностью к дефектам кристаллической структуры и во многих случаях позволяет идентифицировать их тип. Наиболее перспективной для исследования свойств твердых тел является методика определения времени жизни позитронов. Однако, для реализации возможностей методики необходимо решить ряд методических вопросов, обработки экспериментальных спектров времени жизни позитронов. За последнее десятилетие резко возросло число работ по взаимодействию позитронов с такими физическими объектами как микропоры, возникающие при различных видах облучения / Ч& /, дисперсные выделения фаз / i2Z /, циолиты с различным наполнением / 4/, ультрадисперсные частицы / 94 /. Отличительной чертой перечисленных выше объектов исследования является большая величина удельной внешней и внутренней поверхности раздела двух фаз. Многочисленные теоретические /82,142 22 / и экспериментальные исследования 124, 9} 9Н / показали, что такие границы раздела как кристалл-вакуум, кристалл-газ, фаза-фаза, и т.д. могут -дослужить эффективными центрами захвата позитронов.
Временной наносекундный блок спектрометра
Временной наносекундный блок спектрометра собран по принципу быстро -быстрых совпадений на микросхемах серии КІ38. Он включает в себя два идентичных временных канала,в которых осуществляется амплитудный отбор и временная привязка к импульсам с ФЭУ и время-амплитудный преобразователь /ВАП/. Каждый из временных каналов состоит из формирователя со следящим порогом /ФСП/, дифференциального дискриминатора /ДЦ/, схемы совпадений /GC/ и блока выходных ключей и логики /БВКиЛ/. Опишем кратко работу одного из временных каналов спектрометра. Импульсы отрицательной полярности с ФЭУ поступают одновремен- но на входы ФСП и ДЦ. Принципиальная схема ФСП приведена на рисунке 2.3. Формирователь собран на дифференциальных приемниках с линии КІЛП38І по схеме, аналогичной описанной в работе /10 /. Отметим только, что в каждом канале спектрометра используется два ФСП один из которых /&СПІ/ служит для улучшения временной привязки при пороговых значениях амплитуд импульсов / І08 / из-за временного сдвига импульсов с ДЦ. Второй формирователь (ФСП2) служит непосредственно для временной привязки. Уровень срабатывания ФСПІ фиксирован и равен 20 мв. Дифференциальный дискриминатор /ДЦ/ состоит из двух идентичных интегральных дискриминаторов - дискриминатора нижнего уровня /ДНУ/, дискриминатора высокого уровня /ДВУ/, и схемы антисовпадений, на выходе которой импульсы появляются только в том случае, когда амплитуда входного сигнала находится между порогами срабатывания ДНУ и ДВУ. Принципиальная схема ДВУ и ДНУ приведена на рисунке 2.4. Как и в случае ФСП, она аналогична описанной в работе / 10 /и особенностей не имеет. Принципиальная схема логического узла ДЦ вместе с частью БВКиЛ?в которой осуществляется временная привязка выходных сигналов с ДЦ к сигналам с Ф&Ї2, приведена на рисунке 2.5. Импульсы с ДВУ и ДНУ поступают на схему антисовпадений 1.3 через -триггеры /соответственно Э1.1, )1.2 и J)2.I, J)2.3/, которые служат для улучшения пороговых характеристик дискриминаторов.
Сброс триггеров осуществляется задним фронтом импульса с соответствующего дискриминатора или передним фронтом сформированного на элементах Л) 2.4, ,2)4, .2)5.1, J) 5.2 импульса с ФСПІ. Импульс точной временной привязки с ФСП2 поступает на вход элемента Ф 3.2,на второй вход которого приходит разрешающий сигнал с ДЦ, привязанный по време- ни к фронту импульса с Ш1І. Выходной импульс с элемента _2 3.2 поступает на вход ВАПа. Элемент 3.1 и транзисторы V I, V 2 служат для формирования импульсов поступающих на интенсиметр для контроля поканальной загрузки спектрометра. В описываемой установке используется ВАЛ с высокой загрузочной способностью /72 /, отличительной особенностью которого является использование для временного преобразования комбинации метода перекрытия импульсов и старт-стопового метода / 2./. Такое схемное решение позволило исключить канал временного отбора так называемых "безстоповых" импульсов, используемый в более ранней разработке /Ті /, а также существенно увеличить загрузочную способность ВАПа. Принципиальная схема такого ВАЛ приведена на рисунке 2.6, а временные диаграммы поясняющие его работу на рисунке 2.7. Импульсы Старт и Стоп через схема совпадения Ъ I.I, 2)3.1 поступают на формирователи импульсов D 1.2, J) 2.1 ,,2)2.2. и .2? 3.2, J) 2.3, 2) 2.4. Импульс со стартового формирователя /рис. 2. а/ через схему пропускания JDI.3 запускает / -триггер ,2)4.1, ,2)4.2. Выходной импульс ДУ -триггера /рис.2.ТВ/ поступает на элемент"и" Х 4.3 и одновременно запускает одно-вибратор sZ) 5.1, D 5.2. Сброс RS - триггера осуществляется через элемент"или" 3) 3.3 импульсом GTon формирователя /рис.2. /б/ или, при его отсутствии, спадом импульса одновибратора через формирователь 2) 6.1, ,2)6.2, 2)6.3 /рие. 2.7е/. Импульс фиксированной длительности /рис. 2. 1г/ от одновибратора -Э 5.1, ,2)5.2 поступает на второй вход элемента"И"Ъ 4.3. Таким образом, длительность импульса на выходе -2) 4.3 равна разности длительностей импульса одновибратора и импульса RS - триггера /рис. Р. У д/. Длительность импульса одновибратора определяет рабочий диапазон преобразователя, т.е. максимальный регистрируемый промежуток времени между импульсами Старт и Стоп. Очевидно, что точность время-амплитудного преобразования во многш определяется стабильностью длительности импульса одновибратора. Поэтому одновибратор выполнен по симметричной схеме на коаксиальном кабеле. Импульс с выхода Л) 4.3 запускает одновибратор J) 7 и через элементы 3)4.4., J) 8 поступает на вход накопительного устройства /выход В/. Одновибратор формирует импульс /рис. 2.7 ж/ длительностью 2 мкс, который служит для управления работой накопительного устройства /выход А/ и определяет длительность выходного импульса ВАЛ.
Цепочка повторителей Х 4.4, 3) 8 служит для задержки импульса с Л) 4.3 относительно сигнала управления, поступающего с 7.1, что улучшает линейность преобразования. Накопительное устройство /рис. 2.В/ аналогично описанному в работе / Id / и отличается от него только номиналами некоторых резисторов и наличием стабилизатора тока на транзисторе V 5 . Временной наносекундный блок имеет следующие основные электрические параметры: 1. Полярность входных импульсов - отрицательная. 2. Входное сопротивление каналов - 50 Ом. 3. Максимальная амплитуда входных импульсов - 4,2 в. 4. Точность временной привязки в диапазоне амплитуд 0,15-4,0 в -- 100 пс. 5. Максимальный диапазон преобразования - 50 не. 6. Максимальная амплитуда выходного сигнала ВАЛ- 2 в. При проведении долговременных измерений в спектрометре используется даже система стабилизации - система стабилизации шкалы спектрометра на основе сдвоенного цифрового стабилизатора GTI и система стабилизации температуры внутри временного блока на основе аналогового стабилизатора GT2. Цифровой стабилизатор СТІ предназначен для работы с анализатором импульсов АИ-І024-4. Стабилизатор состоит из двух идентичных каналов подключенных к адресному регистру анализатора. Корректировка положения ноля времени спектрометра осуществляется путем изменения порога срабатывания элемента J) 8.1 в ВАПе /рис. 2.8 /, а цены канала спектрометра-путем изменения разрядного тока накопительной емкости в блоке амплитудного преобразования ЕШ-5 анализатора. Работа стабилизатора основана на цифровом определении состояния адресного регистра анализатора, цифровом сравнении скоростей счета в двух опорных каналах, расположенных справа и слева от реперного пика и получении аналогового сигнала, пропорционального разности скоростей счета в опорных каналах. Функциональная схема одного из каналов стабилизатора приведена на рис. 2.9. Схема выбора опорных каналов /СВОД/ позволяет выбирать местоположение двух близкорасположенных каналов слева от реперного пика. В реверсивном счетчике (PC) происходит цифровое вычитание скоростей МІ и /і/, в выбранных каналах. Двоичный код разности J/i Ji/ поступает на вход трехразрядного цифро-аналогового преобразователя /ЦАП"а/. Аналоговый сигнал ошибки с выхода ЦАІГа поступает на усилитель интегратор, в котором происходит его усиление и согласование по уровням с управляемыми цепями. Для выбора оптимального
Учет вклада фоновых компонент во временной спектр аннигиляции позитронов
В зависимости от условий проведения эксперимента и характера изучаемого явления используется несколько вариантов математической обработки спектров времени жизни позитронов. Наиболее проста ситуация, когда интересует изменение только долгоживущей компоненты временного спектра, величина которой превышает полуширину функции разрешения спектрометра. В этом случае обработка заключается в подгонке, например, по методу наименьших квадратов / /3 / одноэкспоненциальной функции к хвосту экспериментального временного спектра. Ошибка, расчитываемых таким образом параметров,определяется в основном полным числом импульсов под исследуемой частью спектра. В работах / 1Ч8 / аналогичная процедура используется для определения скорости аннигиляции в случае однокомпонентного спектра. При этом для обработки используется практически вся правая часть временного спектра. Следует отметить, что такая методика приводит к смещенному значению скорости аннигиляции на величину пропорциональную величине функции разрешения. В случае, когда необходимо знать изменение среднего времени жизни позитронов по всему спектру, математическая обработка заключается в расчете первого момента временного спектра. В этой методике, дополнительно к статистическое, возникает ошибка обусловленная неточностью определения истинного положения ценяра тяжести функции разрешения спектрометра. Наиболее полный анализ временного спектра можно осуществить согласно алгоритму, предложенному в работе / Ц9 / в основе ко- торого лежит метод наименьших квадратов / 18 /. Математические а программы, основанные нат/лгоритме / 449 / осуществляют подгонку свертки из функции разрешения и заданного числа экспонент к экспериментальному временному спектру. Различие между существующими программами в основном заключается в конкретном аналитическом виде задаваемой функции разрешения. Наиболее широко в настоящее время используется версия / /20 /, в которой функция разрешения задается в виде линейной комбинации гауссовых функций. Основной недостаток таких программ заключается в сильной зависимости результатов обработки от формы задаваемой функции разрешения и ошибок в величинах фиксируемых параметров. Как уже отмечалось в 3.1,в подавляющем большинстве случаев программы /И9,120/ позволяют выделять из экспериментального временного спектра не более двух или трех временных компонент.
Следовательно, возникает вопрос о связи результатов расчета с реальными значениями параметров аннигиляции позитронов в случае, когда число подгоняемых программой компонент меньше числа компонент реально существующих в экспериментальном временном спектре. Рассмотрим вопрос подробнее на примере аппроксимации двухкомпонент-ного спектра одноэкепоненциальной функцией. Функцию разрешения спектрометра для простоты рассматривать не будем. Видно, что при однокомпонентной аппроксимации двухжомпо-нентного спектра, расчитанные программой / /20 / значения постоянных времени распада 129 ±3 и 162 ±3 близки к соответствующим значениям среднего времени жизни по спектрам I и 3 - 125 пс и 150 пс. В случае трехкомпонентного спактра,для которого выполняются условия (3.40), расчитанные величины параметров временных компонент соответствуют значениям, полученным по формуле (3.41): Та, = 119 пс, g = 400 пс, / = 20$. Полученные результаты, также согласуются с данными представленными в табл. 3.1. Таким образом, если временное разрешение спектрометра не позволяет разрешить две компоненты с относительно близкими значениями постоянных распада, обработка такого спектра методами основанными на МНК будет приводить к значению эффективной постоянной распада близкому к величине средней постоянной распада но -спектру. Кроме того, при обработке и интерпретации результатов измерений следует учитывать группировку компонент с близкими значениями постоянных распада. В этом случае, подгонка по МНК под экспериментальный временной спектр теоретического, с числом компонент равным числу таких группировок, будет приводить к величинам постоянных распада, близким к среднему значению по каждой группировке. Интенсивность каждой из компонент подгоняемого спектра будет равна сумме интенсивностей компонент в группировке. Остановимся теперь коротко на еще одной методике обработки временных спектров, которую целесообразно использовать, когда необходимо получить общий харакер изменения параметров спектров, или по условиям эксперимента требуется экспрессный анализ результатов. В этих случаях обычно расчитывают среднее время жизни позит- ронов, то есть, фактически, расчитывают первый момент временного спектра. Однако, как уже отмечалось, здесь мы сталкиваемся с проблемой определения положения физического ноля времени спектрометра или же его фиксации на время проведения всей серии измерений. Существует еще один параметр, который несет практически ту же информацию, что и среднее время жизни позитронов, но существен но менее «увствителен к положению физического нуля времени.
Таким параметром является тангенс угла наклона /і-Vі прямой линии, аппроксимирующей временной спектр, построенный в логарифмическом масштабе. Опишем кратко параметр Я . Интересно отметить, что величина iQ определяется только скоростями аннигиляции позитронов и не зависит от интенсивностей временных компонент. Оценка положения i.Q и диапазона дітіп обработки временных спектров, например, при Д = 7 не""1, J& = 2,5 не и 0= 0,3 не приводит к следующим значениям: utmm- 60 пс, "Ь0 - 450 пс. Обработка по полученному диапазону Atm/n- 60 пс (при цене канала спектрометра в 20 пс , это всего три канала) приводит к очень большим статистическим ошибкам. Однако, в большинстве случаев при экспрессной обработке временных спектров требуется определить лишь относительное изменение величины Т по совокупности спектров. В этом случае, основным критерием применимости указанного способа обработки является пропорциональность величины Т значению среднего времени жизни позитронов V Учитывая, что величина Ь0 (форм. (3.54,)) относительно слабо меняется с изменением v//, и меняет знак в диапазоне обработки, можно предположить, что при подгонке линии с помощью МНК к участку временного спектра в районе t0 , пропорциональность Ъ и V будет сохраняться в более широком, чем utrnin временном диапазоне обработки,. Многочисленные экспериментальные проверки указанного предположения подтверждают его. Например, на рисунке 3.2. приведена зависимость V(V) для временных спектров, результаты обработки которых представлены на рисунках 3.17 - 3.19. При полученных значениях = 5.9 - 7,7 не""1, Л = 2,0-2,4 не""1 величина Г0 будет иметь значение t0 = 440-450 пс. Параметр (рис. 3.21) расчитывался по двум диапазонам /300-500 пс/ и /300-700пс/. Видно, что в пределах экспериментальной т/шибки про-порциональность V и V выполняется. Как уже отмечалось, основным недостатком программ покомпонентной обработки спектров времени жизни позитронов является сильная зависимость результатов обработки от формы задаваемой функции разрешения спектрометра. К сожалению, точное определение формы функции разрешения представляет достаточно сложную задачу, так как она определяется не только электронной регистрирующей аппаратурой,, но и геометрией эксперимента /S3 /.В реальных условиях, очевидно, не всегда возможно фиксировать геометрию измерений.
Изучение процессов изотермического и изохронного отжига ультрадисперсного порошка никеля
Доля позитронов, аннигилирующих из поверхностных состояний УДЧ, определяется несколькими факторами-размером частиц, концентрацией захватывающих центров в объеме УДЧ, коэффициентом отражения позитронов от поверхности частицы, а также величиной коэффициента диффузии позитронов. Следовательно, комплексное определение зависимости параметров аннигиляции от указанных факторов представляет интерес как с точки зрения выяснения структурных особенностей частиц, тав и механизмов взаимодействия позитронов с УДЧ. Кроме того, для УДП характерна определенная специфика поведения при воздействии на них температурных полей и механических нагрузок. Это выражается в аномально высоких скоростях спекания и в нетрадиционных свойствах при прессовании УДЦ. Для объяснения указанных аномалий, в последние годы выдвинуто ряд предположений, которые требуют экспериментальной проверки, с привлечением новых методов исследования, Например, ряд авторов / S-f,60/ объясняют высокую диффузионную активность УДП при спекании эффектом увеличения концентрации вакансий при рекристаллизационном движении границ. Аналогичные эффекты резкой интенсификации диффузионного массопереноса наблюдали и авторы работы / 33 / при прессовании смесей ультрадисперсных металлических порошков. Высокая чувствительность метода аннигиляции позитронов к точечным дефектам и возможность выделения вклада более крупных дефектов, например, поверхностей или микропор, позволяет с его помощью исследовать кинетику изменения дефектности УДС при термичес- В работе использовали УДЦ никеля, алюминия и диоксида циркония. Выбор указанных материалов определялся прежде всего их практической значимостью для порошковой металлургии и технологии новых конструкционных материалов и, как следствие этого, большим интересом, который проявляют исследователи к изучению их свойств. Ультрадисперсные порошки никеля с размером частиц 15-150 нм получали методом испарения-конденсации / 54 / в среде инертных газов /гелий,аргон/, для которого характерно относительно низкое содержание примесей в порошке (I). Для предотвращения контакта с воздухом УДЦ никеля хранились в инертной атмосфере аргона.
При экспозиции порошков на воздухе, например, при прессовании, они покрывались жидким предельным углеводородом-гептаном, с температурой кипения 98.5 С / 6S /. Тонкий слой гептана предотвращал дальнейшее окисление порошков / 54 /. Специально проведенные измерения показали, что временные спектры аннигиляции позитронов в прессовках из УДЦ никеля /100 МПа, 70 нм/, защищенного и незащищенного гептаном,практически не отличаются друг от друга. Кроме того, как отмечалось в работе / SO /t присутствие гептана не влияет на результаты экспериментов по спеканию и усадке образцов из УДП. УДЦ диоксида циркония получали (2) в высокотемпературном потоке кислорода из тетрахлорида циркония / 5А /. 1 - УДП никелн был получен В.Я.Ганелиным. 2 - УДП диоксида циркония был получен С.Б.Тереховым Прессование УДП никеля производили в многоместной пресефор-ме /8 ячеек/, что позволяло прессовать серию таблеток в практически идентичных условиях. При давлениях прессования 100-2000 МПа пористость прессовок изменялась от 60 до 20-30$. Ультрадисперсный порошок алюминия получали (3) методом взрыва алюминиевой проволоки в газовой среде / 54 /. Перед проведением отжигов, во всех случаях, УДП обезгажива-ли при / = 150-300 С в течение 30 мин. Характерные кривые газовыделения для УДП никеля, снятые на приборе ВИТ-ЗМ, подключенном к вакуумной камере печи приведены на рис. 4.1 - 4.3. Скорость нагрева печи при этом составляла 20 С/мин. Показания вакууметра выводили на самописец " MiftiQor 5fO". Аннигиляция позитронов в УДП характеризуется сложным временным спектром с большим количеством кинетических констант. Величины констант и соотношения между ними определяются как размерами, так и структурой УДЧ. В настоящем параграфі представлены результаты определения зависимости временных параметров аннигиляции позитронов и допплеровского уширения аннигиляционной линии от размеров частиц никеля, алюминия и диоксида циркония. Рассмотрен также вопрос о характерных временах жизни позитронов в дефектах уда. Измерение спектров времени жизни позитронов проводили на установке, описанной в гл.2. Рабочее разрешение спектрометра составляло величину 360 пс, цена канала временной шкалы - 20 пс. 3 - УДП алюминия был получен Н.А.Яворовским. Для определения допплеровского уширения аннигиляционной линии использовали полупроводниковый гамма-спектрометр фирмы и IГОГСОГ и с энергетическим разрешением 1,4 кэВ на линии Cs (661 кэВ). Обработка временных спектров производилась по программе / 120 I или путем непосредственного определения параметра 7? с использованием калькулятора НР-97 к , работающего " on -Сіпе- " с анализатором Z Р-4700.
Методика обработки описана в 3.2. В качестве чувствительного параметра при определении ДУМ была выбрана величина дисперсии Ъ экспериментальной аннигиляционной линии, определяемая как Д - цена канала анализатора, равна 0.25 кэВ, ft/l - число отсчетов в і -ом канале. fri-Lm-30}П2=іт+зО - соответственно начальный и конечный каналы обработки, выбираемые симметрично относи-тельно максимума аннигиляционной линии Lm , Т - положение центра тяжести аннигиляционной линии, ft/ - величина фона, определяемая как полусумма компто-новского фона слева ft/m и справа А/2 р от аннигиляционной линии /\/ р = (Л// р + Л/2ф)/2. Результаты измерения величины дисперсии аннигиляционной линии в зависимости от размеров частиц никеля, алюминия и диоксида циркония представлены на рис. 4.4, а результаты определения временных параметров в таблице 4.1 и на рисунке 4.5. Для более крупных фракций УДП никеля наблюдается только две временные компоненты, величины которых указывают на отсутствие или на малую долю аннигиляции позитронов в поверхностном окисленном слое частиц. Вероятно, это связано с его малой объемной долей в таких порошках, что приводит к невозможности выделения долгоживущей окиеной компоненты, интенсивностью 2-0,03. Тем не менее, при интерпретации результатов измерений, особенно для порошков относительно малых размеров /30-50 нм/і следует учитывать короткоживущую окисную компоненту, интенсивностью А/7 -х 0,15, которая может давать заметный вклад в компоненту временного спектра позитронов, аннигилирующих из объема УДЧ. Следует отметить, что получаемые экспериментально интенсивности поверхностной компоненты для частиц размером 30-150 нм, систематически меньше величины ( , оцененной по формуле (/./з) Одной из причин несоответствия, как отмечалось в работе / 94 / может быть захват позитронов в дефекты металлического ядра частицы. Такое предположение тем более правдоподобно, что, как видно из табл. 4.1,для УДП с размером частиц 50-150 нм, наблюдаются относительно высокие значения величины короткоживущей компоненты t, , которые нельзя объяснить аннигиляцией позитронов в окисленном поверхностном слое частиц.
