Введение к работе
Актуальность проблемы. Простота электронных свойств и высокая диффузионная подвижность водорода вызывают активный интерес к системам, содержащий внедренный водород в металлической матрице. На основе металл-водородных соединений можно исследовать широкий спектр свойств реального кристалла с легкими атомами внедрения. К настоящему времени формализм раз ви? для миграции легких частиц в твердях телах, где диффузионный скачок рассматривается как рассеяние принеси на колебаниях решетки с поглощением одного фонона. Однако, теоретические модели,, использованные для расчета коэффициента диффузии, не соответствуют экспериментальным спектрам колебаний решетки с легкими атомами внедрений. Дело в том, что частоты колебаний решетки меньше, чем частота колебаний примеси, то есть применимость формализма ограничена. Поэтому создание теорий диффузионной подвижности водорода и его изотопов,, которая основана на точном описании элементарного акта процесса является актуальной задачей.
В настоящее время, когда интенсивно развивается атомная и термоядерная энергетика, чрезвычайно важным также стано-' вится исследование эволюции имплантированного водорода и его изотопов в кострукционных материалах в условиях градиента температуры, динамики концентрационных профилей с целью прогнозирования свойств и определения толщины первой стенки реактора.
Вторым параметром, характеризующим диффузионный процесс в условиях градиента температуры, является теплота переноса. Экспериментальные значения этого параметра очень противоречивы, вплоть до того, что имеют противоположный знак. Это связано во-первых с тем, что условия эксперимента отличаются у разных авторов, а во-вторых - непосредственно с ошибкой эксперимента. Существует множество, как правило, феноменологических моделей теплоты переноса, но они либо плохо согласуются с экспериментом, либо основаны на ошибочных предположениях» Возникает необходимость теоретического исследования теплоты переноса.
; Цель работы. Теоретическое исследование диффузионной подвижности водорода и его изотопов в металлах^ имещих ГЦК структуру, в условиях двухфононного рассеяния, вклада деформации решетки вблизи атома внедрения. Выявление закономерностей термодиффузии на основе теоретического анализа теплоты переноса и исследования влияния параметров диффузионного переноса на эволюцию концентрационных профилей.
Научная новизна. В работе впервые;
На основе метода линейной теории реакций дан вывод основного кинетического коэффициента - коэффициента диффузии легкой примеси в ГЦК решетке с учетом двухфононных процессов рассеяния. Показано, что в этой модели изотопическая зависимость предэко-поненциального множителя коэффициента диффузии совпадает с данными экспериментов.и результатом теории абсолютных скоростей.
Дан анализ полной ^энергии системы металл-атом водорода с учетом локальной деформации ГЦК решетки вблизи этого атома в окта-адрической и тетраэдрической позициях. Установлено, что смещения дна потенциальных ям в етих позициях фактически совпадают, так что какое-либо заметное изменение энергии активации атома водорода (его изотопов) за счет деформационных эффектов в ГЦК металлах отсутствует.
Проведено исследование явления термодиффузии легких атомов путем решения феноменологических уравнений, описывающих миграцию атомов в условиях градиента температуры при различных крае- вых условиях и параметрах задачи. Дан анализ временной еволюции концентрационных профилей водорода в металлической пластине, облучаемой потоком протонов при наличии градиента температуры.
Получено выражение для теплоты переноса, вычислен вклад в теплоту переноса за счет теплового расширения решетки.
В диссертации содержится новое решение актуальной задачи -теоретическое исследование диффузионной подвижности легких атомов в металлах с ГЦК решеткой при наличии градиента температуры, когда диффузионная подвижность примесного атома определяется коэффициентом диффузии примеси (в отсутствие термического возмущения) и теплотой переноса.
Практическая ценность диссертации.Результаты численного решения уравнения термодиффузии, то есть концентрационные профили элементов в поле градиента температуры в первоначаль-
но однородной системе, можно непосредственно использовать при разработке технологии получения гетерострукгур лазерной и электронно-лучевой обработок материалов, при расчетах узлов энергетического оборудования, при прогнозировании термоусталости и в других ситуациях, где имеет место перепад температуры. Выявленные закономерности термодиффуэии, качественный и количественный анализ выражения для теплоты переноі са позволяют прогнозировать физико-механические свойства конструкционных материалов, подбирать оптимальный режим работы. Теоретическое исследование подвижности водорода и его изотопов дает возможность описать миграционный процесс в металл-водородных системах, в частности в первой стенке термоядерного реактора.
На защиту выносятся;
закономерности термодиффузии в зависимости, от параметров процесса - теплоты переноса, коэффициента диффузии, градиента температуры, начальной температуры и краевых условий;
вывод на основе микроскопической теории подвижности водорода и его изотопов в металлах с ГЦК решеткой с . учетом двухфононных процессов рассеяния;
анализ и расчет вклада локальной деформации в подвижность водорода и его изотопов в металлах с ГЦК решеткой, а также расчет полной энергии системы металл-во-
' дород (изотоп) с учетом взаимодействия примеси с полем деформации решетки; ' ' .
- расчет параметра неравновесной термодинамики - тепло- .
ты переноса, оценка вклада неоднородного теплового
расширения решетки в теплоту переноса и энергию акти
вации диффузии.
Апррбация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на первом Уеждународном совещании стран СЕВ "Радиационная физика твердого тела" (Сочи, 196), XIX Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами ^Москва, 1989), семит
наре " Радиационная физика твердого тела"іСевастополь, 1990), Международной конференции по диффузии и дефектам в твердых телах vСвердловск, 1991).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 6 печатных работах.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 131 страниц машинописного текста, включая 100 страниц основного текста, 16 рисунков, список литературы из 102 наименований. Материал в главах разбит по разделам. Каждую главу заключают выводы.
