Содержание к диссертации
Введение
1 Радиационная обработка как метод модификации металлических материалов 9
1.1 Электронно-лучевая обработка поверхности металлов 10
1.2 Радиационный нагрев металлов при обработке пучками заряженных частиц 20
1.3 Радиационно-стимулированные диффузионные процессы при облучении пучками заряженных частиц. 25
1.4 Образование кратеров при радиационной обработке 36
1.5 Применение радиационной обработки для модификации материалов 44
2 Методика и оборудование эксперимента 51
2.1 Импульсный ускоритель электронов как инструмент в модификации поверхности металлических материалов 54
2.2 Система измерения импульсных напряжений и токов на ускорителе ГСЭП-3 58
3. Модификация поверхности металлов при облучении микросекундным СЭП 63
3.1 Экспериментальное изучение кратерообразования на поверхности металлов при облучении импульсным пучком электронов 64
3.2 Формирование поверхностных структур под влиянием неравномерного распределения плотности электронного пучка 75
3.3 Моделирование температурных полей в кратере 79
4. Массоперенос в металлах при облучении пучками заряженных частиц 83
4.1 Моделирование температурных полей в металлах при облучении микросекундным СЭП 83
4.2 Массоперенос на поверхности металлов при облучении микросекундным СЭГТ 93
4.3 Кинетическая модель диффузии в поле градиентов температуры, точечных дефектов и внутренних напряжений 94
4.4 Применение разработанной модели для исследования массопереноса на поверхности металлов при облучении
микросекундным СЭП 105
Заключение 111
Список литературы 112
- Радиационный нагрев металлов при обработке пучками заряженных частиц
- Система измерения импульсных напряжений и токов на ускорителе ГСЭП-3
- Формирование поверхностных структур под влиянием неравномерного распределения плотности электронного пучка
- Массоперенос на поверхности металлов при облучении микросекундным СЭГТ
Введение к работе
Актуальность работы. Радиационное облучение поверхности металлов применяется в промышленности, как этап финишной обработки. Несомненным преимуществом такой обработки является возможность формирования уникальных поверхностных свойств, которые невозможно создать при других видах обработки. Воздействие концентрированных потоков энергии позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства металлов и сплавов.
В последнее время для ученых и практиков, занимающихся проблемами физики твердого тела и радиационной физики, представляют интерес эффекты перераспределения элементов и морфологические изменения на поверхности материалов под воздействием электронных пучков.
Экспериментальные результаты показывают, что при облучении импульсным пучком электронов с энергией 300-500 кэВ можно получать покрытия или модифицировать готовые изделия на глубину до 50-100 мкм. При электронно-лучевой обработке параметры электронного пучка легче контролировать и изменять, чем ионного. Для обработки поверхностных слоев (более 1 мкм) наиболее приемлемым, а иногда и единственно возможным, является воздействие электронным пучком.
Одним из основных процессов, приводящих к модификации поверхностных свойств материала при данном виде радиационной обработки, является процесс массопереноса компонентов сплава. Распределение элементов, возникающее в материале в ходе облучения, может существенно отличаться от равновесного распределения в обычных условиях. Облучение импульсными электронными пучками с энергией 300-500 кэВ приводит к изменению структуры твердых тел. Образованные в результате воздействия пучков электронов дефекты стимулируют процессы
массопереноса компонентов сплава, которые приводят к перераспределению элементов.
Формирование поверхности под действием импульсных электронных пучков с энергией 300-500 кэВ определяется значительными морфологическими изменениями. Такие изменения связаны с оплавлением поверхности и образованием микрократеров.
Воздействие пучков заряженных частиц находит применение для модельных испытаний материалов, работа которых в реальных условиях связана со значительными нагрузками, вызванными радиационным облучением. Моделирование тепловых нагрузок на материалы дивертора, первой стенки, вакуумной камеры и элементов диагностического оборудования установок типа ТОКАМАК в настоящее время проводится с использованием импульсных электронных пучков.
Целью настоящей работы является изучение кратерообразования и массопереноса в приповерхностных слоях металлов и сплавов при облучении сильноточным пучком электронов микросекундной длительности в условиях моделирования тепловых нагрузок установок типа ТОКАМАК.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
экспериментально изучить процессы массопереноса и кратерообразования в поверхностных слоях металлов и сплавов при облучении сильноточным пучком электронов (СЭП) микросекундной длительности на ГСЭП-3;
определить ведущую роль процесса приводящего к образованию кратеров на поверхности;
провести расчёт профилей распределения температуры в металлах при облучении сильноточным пучком электронов микросекундной длительности на ГСЭГТ-3;
разработать модель массопереноса при облучении СЭП;
- рассчитать радиационно-стимулированное перераспределения
компонентов сплава.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
определено, что ведущим механизмом кратерообразования при облучении СЭП с параметрами ускорителя ГСЭП-3 является нитевание пучка электронов;
предложен способ снижения кратерообразования, который заключается в выборе таких плотностей тока пучка электронов при которых нарушается условие нитевания;
- разработана модель массопереноса при облучении пучками
заряженных частиц, учитывающая влияние изменения параметров решётки;
— проведены расчёты распределения примесей при воздействии
импульсного пучка электронов;
- установлено, что основным механизмом, приводящим к
перераспределению элементов, является массоперенос в поле упругих
напряжений.
Практически все приведённые в работе данные содержат в себе элемент новизны.
Практическая ценность
Результаты исследований важны для развития представлений о
механизмах радиационно-стимулированного массопереноса и
кратерообразования в условиях воздействия сильноточного импульсного пучка электронов. Полученные результаты могут использоваться в учреждениях и организациях, занимающихся как научными исследованиями в области физики конденсированного состояния, так и практическими работами радиационного модифицирования металлов, в частности, при моделировании срыва плазмы на установках типа ТОКАМАК.
Основные положения, выносимые на защиту:
- основным процессом, приводящим к кратерообразованию на
поверхности металлов и сплавов при их облучении СЭП микросекундной
длительности с плотностью тока более 1 к А/см2 и энергией 400-500 кэВ,
является нитевание пучка;
подавление кратерообразования обеспечивается снижением плотности тока электронного пучка и увеличением энергии частиц пучка, при котором нарушается условие нитевания;
- основным механизмом, приводящим к перераспределению элементов
при облучении СЭП, является массоперенос в поле термических напряжений.
Достоверность полученных результатов и обоснованность научных положений подтверждается достаточным объёмом экспериментальных данных, согласованностью результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных, применением современных методов исследований (электронная микроскопия с микрозондовым анализом); корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью.
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты, вошедшие в диссертацию, получены лично автором. Подавляющее большинство исследований выполнено по инициативе автора и при его непосредственном участии, заключающемся в постановке задачи, выборе средств достижения цели, обсуждении полученных результатов и коррекции на их основе дальнейших исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы были изложены и обсуждены на следующих научных конференциях: VII Международная школа-семинар, 2003 г, Барнаул-Усть-Каменогорск; 12th Inter, conf. on radiation physics and chemistry of inorganic materials, Tomsk, 2003 г.; «Физика конденсированного состояния» Международная школа-семинар, Усть-Каменогорск, 2004 г.; 7th Inter, conf. on Modification of Materials with Particle
Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2004 г.; IV International Scientific Conference "Radiation-Thermal Effects and Processes in Inorganic Materials", Tomsk, 2004.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 19 работах.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы. Список литературы содержит 105 источников. Общий объём диссертации 124 страницы, в которой содержится 34 рисунка и 7 таблиц.
1 Радиационная обработка как метод модификации металлических
материалов (обзор).
Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками является одной из перспективных областей в материаловедении, Прикладное значение перечисленных методов простирается от создания интегральных схем, до получения износостойких и коррозионно-стойких покрытий. С научной точки зрения представляет интерес изучение микроструктуры и физических свойств материалов при различных способах подвода энергии к поверхности. Поверхность определяет многие свойства твёрдых тел. Не вызывает сомнения значение структуры и свойств поверхностей и приповерхностных слоев твёрдых тел для науки и техники. Можно привести многочисленные примеры из таких областей знаний, как катализ, получение полупроводников, металлургия [1].
Технологические процессы, позволяющие регулировать или перестраивать поверхностные слои, имеют большое будущее,
В течение последних лет были разработаны новые способы модифицирования приповерхностных областей. Во-первых, сегодня мы можем получать лазерные, ионные и электронные пучки с энергией, достаточной для разогрева и оплавления больших участков поверхности за весьма короткое время. Скорости нагрева и охлаждения при использовании импульсных лазеров достаточно высоки для образования новых метастабильных фаз сплавов, что позволяет говорить о появлении нового способа осуществления быстрого роста кристаллов. Во-вторых, появились методы ионной имплантации, позволяющие вводить посторонние атомы непосредственно в поверхностные слои твёрдых тел.
Важным преимуществом имплантации является отсутствие обычных термодинамических ограничений на возможность легирования.
Набор различных методов модифицирования поверхности - мощное оружие в арсенале науки о материалах. Вместе с тем необходимо исследование новых материалов и новых явлений при легировании, особенно при воздействии электронного пучка [2, 3].
В ряде случаев воздействие пучками заряженных частиц является способом моделирования условий работы материалов вакуумной камеры, дивертора, первой стенки, элементов диагностического оборудования установок типа ТОКАМАК. В работах [4, 5] говорится о перспективности исследований перераспределения компонентов и эрозии в приповерхностных слоях сталей и сплавов с использованием пучков заряженных частиц, в частности электронов.
Радиационный нагрев металлов при обработке пучками заряженных частиц
Облучение металлических материалов пучками заряженных частиц приводит к передаче энергии частиц пучка атомам кристаллической решётки и как следствие —увеличению температуры всего материала. Проходя сквозь металлическую мишень, спектр моноэнергетического электронного пучка рассыпается. В результате чего кривая распределения поглощённой дозы имеет колокообразный вид с максимумом, смещённым к поверхности образца. Таким образом облучение металлов пучками заряженных частиц приводит к неравномерному по глубине нагреву образца. В результате чего образуется градиент температурного поля внутри облучаемого материала. В случае облучения металлов импульсными пучками заряженных частиц происходит быстрое нагревание поверхностных слоев металла и, как следствие, возникновение более высокого градиента температуры. Быстрый нагрев при импульсном облучении сопровождается быстрым остыванием, что обуславливает появление в поверхностных слоях высокотемпературных фаз. В некоторых случаях происходит плавление поверхности облучённых металлов. Для решения задач распределения температурного поля при облучении пользуются моделированием тепловых процессов при облучении.
Влияние распределения мощности тепловых источников при облучении становится более актуальным при наблюдении деформации металла при облучении электронами высоких энергий. В [16] методом Монте-Карло проведён численный расчёт мощности теплового источника, «образующегося» в многослойной твердотельной мишени при облучении пучком высокоэнергетических электронов. Для системы А1 ( 50 мкм ) — Si (150 мкм ) - N1(260 мкм ) и длительности импульса 10 не, энергии 3 МэВ и тока 3 кА рассчитаны зависимости мощности энерговыделения, температуры и термического напряжения от нормирующей координаты через 10" , 10" и 10"5 с после импульса. Найдено, что при мощности энерговьгделения, превышающей пороговое значение, происходит переход упругой деформации в пластическую, которая приводит к необратимым изменениям структуры материала. Методы расчета температуры в условиях облучения в литературе изложены достаточно подробно [17, 18], но точные численные данные для определенных условий облучения отсутствуют, поэтому необходимо провести расчеты температурного профиля при облучении пучком электронов с энергией 300-500 кэВ и плотностью тока 0,9-И,5 кА/см2.
Решение задачи переноса электронов через слоистые поглотители в настоящее время осуществляется методом Монте-Карло или многошаговым методом. Многошаговый метод более рационален [19]. Метод основан на решении интегрально-кинетического уравнения переноса с использованием разложения функций распределения плотности частиц в ряды Фурье-Лежандра. Многошаговый метод позволяет учесть статистический характер не только актов рассеяния частиц на атомах вещества, но и актов передачи энергии в электронную подсистему вещества. При этом число переменных фазового объема не изменяется и, следовательно, не увеличивается объем вычислений. Реальные траектории в координатах пробег-энергия различных частиц, вследствие статистического характера процесса блуждания, отличаются друг от друга. Однако, при торможении частиц не слишком высокой энергии потери энергии на ионизацию в индивидуальных столкновениях происходят преимущественно малыми порциями. Поэтому траектории близки друг к другу и мало отличаются от некоторой средней, которая соответствует непрерывному среднему замедлению. Эта модель позволяет делать шаги по энергии, а флуктуации в потерях энергии могут быть выражены через флуктуации в пробегах на каждом шаге [20].
В [21] представлены результаты решения задачи о пространственно-временной эволюции поля температур, обусловленного радиационным разогревом при импульсном воздействии импульсного ионного пучка на поверхность металлов. Установлено, что в результате облучения поверхность нагревается до температуры кипения, а затем охлаждается со скоростью 10я-10 К/с. Толщина расплавленного слоя зависит от энергии ионов, плотности тока в пучке и теплофизических свойств металла и составляет около 1 мкм. Показано, что уже существующие импульсные ионные ускорители могут обеспечить оптимальные режимы обработки поверхности металлов, что подтверждается экспериментальным изучением структуры поверхности до и после облучения.
В работе приведены результаты численного моделирования с постоянными теплофизическими характеристиками для твёрдого сплава ВК8. Расчёты тепловых полей проводились при воздействии мощным ионным пучком (30% протонов, 70% ионов углерода) со средней энергией 300 кэВ и длительностью импульса 50 не. Показано, что испарение имеет место, начиная с плотности тока приблизительно 120 А/см . Если испарение прекращается ещё до окончания импульса, то плавление мишени может продолжаться и после окончания воздействия импульсным пучком. Это объясняется так называемым "перегревом" той области мишени, где происходило тепловыделение.
Большое значение моделирования тепловых процессов приобретает при описании процессов облучения пучками электронов с большой плотностью тока. В работе [24] тонкие плёнки Сг толщиной 130 нм на подложке из монокристаллического Si облучались пучком электронов с энергией 25 кэВ при плотности тока 950 А/см или 1000 А/см и длительностью импульса 50 не. После облучения образцы исследовались методом спектрометрии обратно рассеянных 2-МэВ ионов Не+. Показано, что при токе 950 А/см образуется слой CrSi2 толщиной -100 нм вблизи границы раздела Cr-Si, в то время как плёнка Сг толщиной -100 нм на поверхности остаётся не прореагировавшей. Многократное облучение (до 4 импульсов) не даёт дополнительного эффекта. При облучении током 1000 А/см" толщина слоя CrSi2 -ПО нм на глубине 95 нм от поверхности Сг. Многократное облучение постепенно увеличивает толщину слоя CrSi (до 140 нм после трех импульсов). Численные расчёты показывают, что при токе 950 А/см2 в области границы раздела Cr-Si достигается температура плавления эвтектики.
В большинстве случаях в материалах приводятся результаты расчёта температурного поля для одномерного случая. Однако предпринимались попытки и двухмерного решения (1.11). Так в [25] оценка температурных полей производилась численным моделированием процессов нагрева и охлаждения путём решения двухмерного нестационарного уравнения теплопроводности. В расчётах учитывались также зависимости тешюфизических характеристик от температуры. Моделирование проводилось для следующих условий обработки: энергия электронов 1,5 МэВ, плотность энергии 8,5 Дж/см , длительность облучения 3,6 МКС
Большинство работ по моделированию тепловых процессов при облучении пучками заряженных частиц ориентированы на расчёт температурных полей при облучении ионным и электронным пучком средних энергий с длительностью импульса до 100 не. Имеющиеся численные значения температурного поля при облучении импульсным электронным пучком микросекундной длительности не отражают реальных возможностей применения электронно-лучевой обработки и как правило принадлежат пучкам с плотностью энергии до 10 Дж/см .
Система измерения импульсных напряжений и токов на ускорителе ГСЭП-3
Система измерения импульсных напряжений и токов позволяет проводить измерения и регистрацию импульсного ускоряющего напряжения и тока через облучаемый образец. Система состоит из следующих основных элементов: - жидкостный омический делитель напряжения, совмещённый с высоковольтным вводом катодной сборки; - пояс Рогове кого; - магистральные кабельные линии, проложенные в экранирующих трубах; - экранированную измерительную кабину с запоминающим осциллографом С8-14. Применение экранирующих труб, экранированной измерительной кабины, развязывающего трансформатора для питания регистрирующего осциллографа позволяет избавиться от электромагнитных помех и наводок в процессе измерения импульсных токов и напряжений.
Для измерения импульсных токов и полей широкое применение нашли индуктивные магнитные датчики [76]. Одним из распространённых датчиков является пояс Роговского. Пояс Роговского широко используется для измерения импульсных токов на различных установках (рис. 4) [77, 78, 79]. Опыт применения пояса Роговского свидетельствует о надёжности и удовлетворительной точности систем измерения, построенных с использованием таких индуктивных датчиков. Преимущество и простота использования пояса Роговского очевидны: отсутствие гальванической связи с электрическими цепями установки и искажения измеряемого тока самим датчиком, простота изготовления и работы. Применение осциллографического метода записи сигнала от датчика позволяет судить о полной временной картине происходящего процесса [80]. Пояс Роговского представляет собой тороидальную обмотку, охватывающую проводник с током или пучок заряженных частиц. В обмотке генерируется ЭДС, наведённая магнитным полем пучка. Для получения сигнала, пропорционального измеряемому току, на выходе пояса устанавливают интегрирующую цепочку [81].
Работа пояса Роговского описана в [82, 83], для наглядности покажем на примере используемого прибора основные особенности его применения на ускорителе ГСЭП-3. Принцип работы пояса Роговского, как и любой катушки связи, основан на возникновении в обмотке ЭДС. Когда соленой дальняя катушка с эффективной поверхностью S и индуктивностью L помещается в изменяющееся во времени магнитное поле тока I II, наведённое напряжение на ней Vi(t) равно: vxt) = s (2.1).
Этот интеграл может быть определён из измеренных значений Vi(t) либо численным или графическим способом, либо непосредственно, если датчик соединён с баллистическим гальванометром или электронным интегратором. Например, если катушка подключена к простому RC интегратору, и если длительность импульса t мала по сравнению с постоянной времени x=RC интегрирования, то т.е. напряжённость магнитного поля пропорциональна напряжению на конденсаторе U, которое может быть просто измерено и записано на экране осциллографа.
Датчик (и соответствующие подводы и контакты) здесь включены в сопротивление Rp. Выход датчика согласован с коаксиальным кабелем, который должен заканчиваться сопротивлением RT, соответствующим его волновому сопротивлению, RC интегратор с высоким импедансом наиболее удобно располагать вблизи регистрирующего прибора (осциллографа).
Облучение металлов сильноточным импульсным пучком электронов микросекундной длительности сопровождается значительной модификацией поверхности. Согласно проведённым расчётам облучение сильноточным импульсным электронным пучком длительностью 1,5 - 2,5 мкс, плотностью тока до 2 кА/см и энергией частиц до 500 кэВ приводит к оплавлению поверхности [84, 85]. Глубина оплавленного слоя может достигать от 5 мкм для титана до 10-15 мкм для алюминия. Облучение поверхностного слоя образца может приводить к различным структурным превращениям, как за счет диффузионных процессов, так и за счет локального выделения энергии. При некоторой мощности импульса значительный вклад в изменение структурного состояния поверхностного слоя может вносить неравномерное распределение тепловых источников и связанная с этим деформация кристаллической решётки. Эти факторы могут в значительной степени определить структуру поверхности после облучении.
Облучения металлов сильноточным импульсным пучком электронов микросекундной длительности на ГСЭП-3 показывает наличие на поверхности микрократеров. Образование микрократеров отмечается и другими авторами при облучении металлов импульсными пучками заряженных частиц. Образование кратеров на поверхности металлов связывают с локальным перегревом материала и выбросом содержимого кратера на поверхность. Среди наиболее вероятных причин локального перегрева, может быть либо неоднородное распределение частиц в пучке, либо рассеяние поглощенной энергии однородного пучка на различных неоднородностях, дефектах материала, примесях. Само по себе наличие кратеров на поверхности может не беспокоить, если технические условия эксплуатации изделия или детали допускают их наличие. Однако в случае с вакуумной камерой установок типа ТОКАМАК возможно разрушение всей конструкции. Причина разрушения может быть связана с локализацией напряжений в месте кратеров. Помимо локализации напряжений на поверхности кратеров видны восходящие трещины, дальнейшее развитие которых также может привести к разрушению камеры и нарушению вакуума, что является недопустимым.
Формирование поверхностных структур под влиянием неравномерного распределения плотности электронного пучка
Для исследования формирования поверхностных структур при облучении сильноточным электронным пучком облучению подвергались цилиндрические образцы из a-Fe и металлические пластины из меди и стали 12X1SH10T. Неоднородности пучка сильноточных ускорителей могут возникать из-за взаимодействия частиц с магнитными полями, создаваемыми самим пучком, а также в процессе взрывной эмиссии с поверхности катода. Такие неоднородности типа Вейбеля известны для электронных пучков [92], причём плотность тока в отдельных частях пучка — нитях может в 3-4 раза превышать среднюю плотность пучка.
Основным признаком отличия этих зон является характер распределения плотности тока на поверхности. Анализ облучённой поверхности на оптическом микроскопе показал, что облучение приводит к изменению структуры поверхности и измельчению зерна. Отмечается уменьшение наплывов, впадин и микрократеров по мере удаления от центральной зоны к периферии. Измерения массы до и после облучения показывают, что абляции материала не происходит и как следствие не происходит образованием ударной волны вызванной испарением, которая обычно вносит дополнительный вклад в деформацию решетки. Расчёт критериев образования ударной волны также свидетельствует об этом. Также была обнаружена зависимость распределения плотности и размера кратеров при удалении от центральной зоны к периферийной. Отмечается уменьшение плотности кратеров и уменьшение их размера по мере удаления от центральной зоны к периферии, а также увеличение плотности кратеров и уменьшение их размеров по мере удаления облучаемой поверхности от катода. Многократное облучение поверхности металлов не привело уменьшению кратерообразования и значительному снижению отличия в зонах облучения. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что наблюдаемые эффекты связанны только с неоднородностями пучка и его геометрией.
Облучение цилиндрических образцов на сильноточном ускорителе ГСЭП-3 проводилось с изменением параметров электронного пучка через изменение количества накопительных конденсаторов в ступенях генератора импульсного напряжения (ГИН). Наблюдалось значительное отличие в качестве облучённой поверхности. Во всех случаях отмечается значительное оплавление поверхности. Структура оплавления во всех случаях имеет различный характер (рисунок 18). Топография поверхности образцов a-Fe подвергнутых однократному облучению; а, б - состояние поверхности после облучения на ГСЭП-3 плотность энергии 20 Дж/см2; в, г - образец из того-же материала для облучения которого проводилась корректировка параметров ГИН (плотность энергии менее 9 Дж/см2)
Как видно из приведённого рисунка изменение количества накопительных конденсаторов в ступенях ГИН-а с целью уменьшения плотности тока пучка приводит к неравномерному оплавлению поверхности. На некоторых участках имеются вертикальные подъёмы материала, кратеров практически не наблюдается. Такая корректировка в цепях ускорителя приводит к снижению плотности тока и очевидной становится взаимосвязь между образованием кратеров и параметрами пучка на ГСЭП-3. Для решения материаловедческих задач при облучении металлов и сплавов сильноточными импульсными пучками заряженных частиц работа системы с определённым количеством конденсаторов в ступенях возможно является одним из идеальных условий. Реализация такой работы системы достигается подбором параметров электрических цепей ускорителя или коррекцией формы электронного пучка [93].
Поскольку образование кратеров связано с локальным перегревом и плавлением некоторого объёма в поверхностных слоях мишени необходимо проведение расчёта температурных полей для объяснения кратерообразования. Для этого предварительно определим условия и возможность образования в пучке отдельных нитей, являющихся источником локального выделения энергии в поверхностных слоях мишени.
Известно, что генерация электронного пучка в импульсных ускорителях связана с взрывной электронной эмиссией - процессом протекающим на микроостриях катода [94]. Сам по себе процесс взрывной эмиссии носит случайный характер, а потому говорить о величине плотности тока в той или иной части пучка заранее невозможно. Однако можно утверждать, что на 1/10 площади пучка будет сравнительно равномерное распределение плотности тока.
Допустим, что в электронном пучке вследствие каких-то неоднородностей произошло рассыпание пучка на множество нитей. Примем, что нить имеет цилиндрический размер (рисунок І 9).
Массоперенос на поверхности металлов при облучении микросекундным СЭГТ
Изучение перераспределения элементов в условиях воздействия сильноточного электронного пучка на ускорителе ГСЭП-3 проводилось на образцах из стали 12X18HI0T и сплаве ВТ22. Для сплава ВТ22 перераспределение элементов проводилось по глубине в зоне кратеров. Для стали 12Х18Н10Т перераспределение элементов по глубине изучалось на косых шлифах. Результаты исследований перераспределения элементов после облучения на ГСЭП-3 представлены на рисунках 29, 30.
Результаты исследований показывают, что распределение элементов после облучения не равномерно и отличается от первоначального. Происходят локальные флуктуации концентрации элементов. частиц без учета внутренних напряжений уже проводилась и описана в главе 1, Однако, предлагаемая модель отличается дополнительным учётом изменения межплоскостных расстояний в кристаллической решётке под действием внешней силы, чего ранее не делалось. При выводе уравнения диффузии используется уже известный подход, но в отличие от ранее представленных моделей, дополнительно учитываются деформации, возникающие в кристаллической решетке при облучении.
Оценка вероятности отдельного атома покинуть свое место в кристаллической решетке, осуществляется с помощью аппроксимации Дебая. В этой модели при вычислении кинетической энергии кристалла следует полагать, что каждый атом колеблется около своего положения равновесия с частотой v,, причем v-максимальная частота колебаний (для чистых металлов Дебаевская частота.) Через некоторый промежуток времени атом делает попытку покинуть свое положение в узле кристаллической решетки. В некоторый момент времени флуктуации энергии достаточно для скачка атома в пустой соседний узел. Число перемещений компонента І за секунду — обозначим частотой Г{. Эта частота является произведением максимального числа попыток скачков атома за секунду v, на вероятность того, что попытка закончится успешно Р,. Отсюда: / v,/ . (4.11)
Учитывая наличие потенциального барьера между равновесными положениями атома, приходим к выводу, что для успешного скачка необходима флуктуация энергии равная гибсовскому термодинамическому потенциалу активизации атома а=ЛС,, (4.12) статистическая механика дает вероятность того, что флуктуация термодинамического потенциала равна Qt: Р;=е кТ (4.13) В этом случае частота прыжков атома компонента равна: Г( =V(.e кт . (4.14) В данной работе на основе использования модельного выражения (4.14) для частоты прыжков атома делается попытка составления кинетического уравнения диффузии. Уравнение (4.14) описывает частоту скачков в случае, если в направлении скачка атома имеется вакансия, т.е. незанятое место, в которое и перескакивает рассматриваемый атом.
Рассмотрим три сечения плоскости кристаллической решетки, в которых расположены атомы. Эти плоскости перпендикулярны оси, вдоль которой происходит процесс диффузии. Вдоль этой оси имеют место градиенты концентраций компонентов сплава, градиент температуры и градиент концентрации вакансий.
Предполагается, что вакансии являются неравновесными и созданными некоторым внешним воздействием, например облучением. Распределение температуры, концентрации вакансий и напряжений по толщине образца считается известным.
Допустим, что в результате воздействия внешней силы в образце изменяется параметр решетки. В случае распространения волны напряжений, изменения значений параметра решетки по глубине образца будут различаться.
Из приведенных соотношений видно, что коэффициент диффузии прямо пропорционален концентрации вакансий, т.е., если вакансии, создаются некоторым внешним воздействием, например, ионизирующим излучением, то следует увеличить коэффициент диффузии во столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация вакансий. Скорость дрейфа атомов при отсутствии внешних сил и градиента температуры связана по-прежнему с градиентом коэффициента диффузии, но этот градиент связан с неоднородностью концентрации вакансий.
Уравнение (4.44) определяет собой поток компонента В с учетом неравновесных вакансий и градиента температуры. Таким образом, согласно уравнению (4.44), поток компонента В определяется четырьмя слагаемыми. Первый член описывает концентрационную диффузию, второй член представляет процесс термодиффузии по неравновесным вакансиям. Направлен такой поток в сторону, противоположную градиенту температуры, т.е. более подвижный компонент накапливается у холодного конца образца. Третий член в правой части описывает процесс перераспределения элементов, вызванный неоднородным по толщине распределением неравновесных вакансий. В данном случае более подвижный компонент должен перемещаться к поверхности образца. Четвёртое слагаемое представляет собой барродиффузига под действием механических напряжений.
