Исследование дефектов структуры ультрадисперсных сред методом аннигиляции позитронов

КОЛЛЕГИЯ I к сссг
й2Й-1аЙГпротс:‘;ол
РЕШИЛА
ПЫЛ
отдела
-2 -
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................. 5
ГЛАВА I. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АННИГИЛЯЦИИ ПОЗИТРОНОВ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ СРЕД. . _____9_
1.1. Физические основы метода аннигиляции позитронов и основные методики позитронно-
го эксперимента.............................. 9
1.1.1. Физические основы метода аннигиляции позитронов....................... 9
1.1.2. Методика угловой корреляции ан~ ингаляционного излучения (УКАИ). 9.2.
1.1.3. Методика допплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ). . . 19
1.1.4. Методика определения вероятности трехфотонной аннигиляции............... 95
1.1.5. Методика определения времени жизни позитронов................ ..............16
1.2. Аннигиляция позитронов в ультрадисперс-
ных средах................................. 19_
1.3. Основные свойства ультрадисперсных сред 33
1.4. Цель и задачи работы.................. 91
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. .... ...................... .
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ АННИГИЛЯЦИИ ПОЗИТРОНОВ В УЛЬТРАДИСПЕР-СНЫХ СРЕДАХ.......................................
3.1. Модель взаимодействия позитронов с ультра-дисперсной 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................................
3.2.3. Учет вклада фоновых компонент во временной спектр аннигиляции позитронов........................................
Стр.
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ УЛЬТРА-
ДИСПЕРСНЫХ СРЕД МЕТОДОМ АННИГИЛЯЦИИ ПОЗИТРОНОВ. . Ш
4.1. Характеристика используемых в работе образцов.................... .........................
4.2, Исследование зависимости параметров аннигиляции позитронов от размеров ультрадис-персных частиц*........................................ 11&
4*3* Изучение зависимости от температуры среднего времени жизни позитронов в ультрадис-персном порошке никеля................................. ^33
4.4. Влияние низкотемпературного отжига на изменение дефектности ультрадисперсного порошка никеля....................................... 143
4.5. Изучение процессов изотермического и изохронного отжига ультрадисперсного порошка
никеля........................................... 143
4.6. Изменение дефектности структуры прессовок
из ультрадисперсного порошка никеля. . . . 161
4.7. Влияние отжига на дефектность структуры ультрадисперсного порошка диоксида циркония 463
ВЫВОДЫ.......................... 176
СПИСОК Л-41 ТЕРАТУРЫ............. 130
- & -
ВВЕДЕНИЕ
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 100-1000нм, 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-
- 6 -
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 на-носекундного спектрометра для измерения спектров времени лизни 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 ультрацисперсными 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;
-8-
- 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 ящерно-физическим? исследованиям" /Харьков,1982г./, Всесоюзном семинаре "Дисперсные кристаллические порошки в материаловедении" /Новосибирск, 1983 г./, ХХХ1У Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра /Алма-Ата, 1984 г./, Пррвой Всесоюзной конференции "Физико-химия ультрадисперсных систем" /Звенигород, 1984 г./, сессиях ОЯФ АН СССР /Москва, 1982, 1984 гг./, научной конференции МИФИ /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 МИФИ и внедрен на предприятии НИИприборов. Методика, а также результаты исследования ультрадисперсных порошков никеля и диоксида циркония использованы в НПО "Красная Звезда".
- 3 -
ГЛАВА I. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АННИГИЛЯЦИИ ПОЗИТРОНОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ СРВД
1.1. Физические основы метода аннигиляции позитронов и основные методики позитронного эксперимента
1.1.1. Физические основы метода аннигиляции позитронов
Метод аннигиляции позитронов основан на регистрации и изучении характеристик энергетического, углового и временного распределений гамма-излучения, возникающего при аннигиляции позитронов с электронами среды.
Позитрон является лептоном, обладает электрическим зарядом, противоположным по знаку и равным по величине заряду электрона, массой покоя равной массе покоя электрона и спином равным 1/2.
Аннигиляция позитронов с электронами, в зависимости от взаимного направления спинов электрона и позитрона может осуществлять ся с испусканием четного или нечетного числа фотонов. Зарядовая четность системы электрон-позитрон /23/ равна произведению собственной четности , которая для системы частица-античастица
£
равна -I, пространственной четности Р* = (-1) и спиновой четности = (-1) . Таким образом Рь'Ре Р$ =
Четность системы из пП/п фотонов равна (-1)^. Следовательно, система электрон-позитрон с противоположно направленными спинами / £ = О» \У = 0/ может распадаться только на четное число фотонов, а с параллельными спинами / £ =0, ^ = I/ - на нечетное. Расчет сечений аннигиляции для указанных процессов /23/ показывает, что для синглетной системы / £= 0, 3 - 0/ наиболее вероятна двухфотонная аннигиляция, а для триплета ой системы / £ = 0^=1/
-10-
- трехфотонная. Причем, для свободных позитрона и электрона выполняется следующее соотношение:
/_
(1-І)
При определенных условиях возможно образование связанного состояния электрона и позитрона - так называемого атома позитрония Р5 - атомной системы аналогичной атому водорода. Аннигиляция синглетного и триплетного состояний позитрония, соответственно пара- и орто-позитрония подчиняется правилам отбора, описанным выше. Отметим, что из-за втрое большего статистического веса триплетного состояния по сравнению с синглетным, при образовании позитрония в 7556 случаев возникает орто-позитроний, а в 2556-парапозитроний. Парапозитроний испытывает 2 ^ - аннигиляцию с константой ^ - 8*10® с"1, а орто-позитроний испытывает 3 % -аннигиляцию с константой Л-1 = 7,14 10с®/23/. В магнитном поле, из-за неинвариантности оператора взаимодействия позитрония с магнитным полем /23 / по отношению к замене позитрона на электрон, синглетное и триплетное состояния смешиваются, что уменьшает вероятность 3 ^ — аннигиляции и увеличивает вероятность 2^- аннигиляции. В достаточно сильных магнитных полях каждое из этих состояний представлено в позитронии с весом 5056, а константа аннигиляции такого смешанного состояния равна Л! --^-1/2 •
В настоящее время, наиболее широко используемыми источниками позитронов являются Ь+ - активные радионуклиды / 123 /, такне как Ма , Д , Си/ . Причем, средняя энергия позитронов для таких изотопов имеет величину около 100-500 кэВ. При попадании в вещество, позитроны теряют энергию на ионизацию и возбуждение атомов среды, а затем на возбуждение фононов / 13 / и в результате приобретают тепловую энергию среды, то есть термализуютея.
-11-
Согласно оценкам, например работы //30/, время термализации позитронов в металлах даже при низких температурах Т ~20 К не пре-—12
вышает 5х10“'1 с. Доля позитронов аннигилирующих до термализации -на "лету", мала и не превышает 3$ //•5’/.
Термализованные позитроны, взаимодействуя с ионным остовом, в результате кулоновского отталкивания локализуются в зоне проводимости металла / 4£ /, и аннигилируют с электронами среды с испусканием аннигиляционных гамма-квантов.
Диффуццируюпре по кристаллической решетке, термализованные позитроны могут захватываться в различные дефенты кристаллической решетки - вакансии, дислокации, поры, межзеренные границы и т.д.
/ 42,49,95 /. Причем, критерием чувствительности позитронов к дефектам является величина энергии связи позитрона с дефектом Ец, при которой вероятность высвобождения позитрона из дефекта за время его жизни - X мала. Согласно оценке авторов / 42 /, при X = 200 пс и температурах Т= 250 К и Т = 1000 К критические значения соответственно равны 0,15 эв и 0,72 эв.
Развитые в настоящее время методы расчета аннигиляционных характеристик позитронов в вакансиях /191, //6/, дислокациях //Я?/, микропорах / 116 /, а также обширный экспериментальный материал / 94,49/ показывают, что параметры аннигиляции позитронов, захваченных в дефекты, существенно отличаются от своих величин для свободных позитронов. Этот факт и предопределил основную современную сферу приложения метода аннигиляции позитронов в физике твердого тела - исследование дефектов кристаллической структуры.
С точки зрения прикладных исследований наиболее важными являются следующие характеристики процесса аннигиляции / 16 / \ энергетическое и угловое распределения аннигиляционных гамма-квантов, время жизни позитронов в веществе до аннигиляции, вероятность
-12.-
трехфотонной аннигиляции . Соответственно существуют четыре основные методики метода аннигиляции позитронов /МАП/. Рассмотрим их кратко / 16 /.
1.1.2. Методика угловой корреляции аннигиляционного излучения
/УКАИ/
В системе центра масс аннигилирующей пары фотоны разлетаются в противоположных направлениях /рис. 1.1а/. Энергия каждого фотона равна половине энергии системы Е т , которая практически совпадает с суммарной энергией покоя двух частиц 2теСг. в лабораторной системе отсчета, движущейся со скоростью 1Т , угол разлета фотонов уже в первом пордцке по ^/с. отличается от 180°, а энергия каждого из фотонов от Ет /2. Используя преобразования Лоренца для координат, можно получить следующую взаимосвязь между углами разлета и гамма-квантов относительно направления скорости движения центра масс У~ и углом 0о в системе центра масс / рис. У.^сГ/:
\-t~n £Э.. —
’ 2 *>2 лпв/і-9ус7
(1.2)
С точностью до членов порядка ^/£-2 имеем:
і^6>і~0г)=^9-в= іп&о (Х.З)
Или
Предположим, что импульс термализованного позитрона мал по сравнению с импульсом электрона Рр <кРь /190/. Тогда с учетом малости угла О можно получить:
-ІЗ-
а)
Рис. І.І. Кинематическая схема взаимодействия позитрона с электроном / 16 /.
{а) - в системе центра масс,
(б) - в лабораторной системе отсчета.
- -
Ри - Ц&5іг7&хЩ&ЗіП§ХГПоСЄ
С- **• д ^
(1.5)
где рг± - компонента импульса электрона, перпендикулярная направлению вылета фотонов.
Таким образом, регистрируя скорость счета совпадений от фотонов попадающих в два детектора, смещенных друг относительно друга на небольшой угол & , можно определить компоненту рц .
В общем случае электроны характеризуются некоторым распределением
счета совпадений импульсов двух детекторов от угла смещения между ними, то есть угловую корреляцию аннигиляционного излучения, можно получить искомое распределение ^р(р) / 19 /•
І.І.З. Методика допплеровского уширения аннигиляционной линии
Аналогично, как и в методе УКАИ, из формулы (1.2) можно получить выражение для энергии фотонов в лабораторной системе отсчета:
по импульсам. Тогда, анализируя зависимость скорости
/ДУМ/
которс с учетом неравенства
(1.6)
« Д, преобразуется к ввду:
(1.7)
где - компонента импульса электрона вдоль направления
вылета фотонов.
- 15 -
Величина 5В определяет допплеровское уширение аннигиляционной линии Е0=ГП0Сг- = 0,511 МэВ в результате движения центра масс аннигилирующих частиц. Причем, учитывая эквивалентность р^, ир^± для изотропной среды, из формулы (1.7) следует, что
д£ =-^£тв о: 255,5-в (1.8)
где & выражено в мрад, а 55 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 6 мрад. Разрешение же современных установок для измерения УКАИ составляет величину меньшую I мрад /5 /. 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 /.
1.1.4. Методика определения вероятности трехфотонной аннигиляции
Измерение величины Р5^ заключается в определении относительной скорости счета тройных совпадений от детекторов расположенных в одной плоскости под углом 120° друг к другу / 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-
-16 -
вана 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 МзВ, в то время как при трехфотонной аннигиляции энергетическое распределение каждого из фотонов имеет непрерывный спектр / 23 /. Следовательно, в случае трехфотонной аннигиляции относительная площадь под коып-тоновской частью спектра будет больше, чем при двухфотонной аннигиляции. Причем, относительное увеличение площади пропорционально вероятности трехфотонной аннигиляции .
1.1.5. 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, усе редненной по всем позитронным состояниям / /5 /:
[’~ич<^Р)НЩ*(Щ+(:с)> (1.9>
где у/у. (Т), ~ 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 / 23 / :