авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Поведение систем металл - водород при радиационном воздействии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЧЕРДАНЦЕВ Юрий Петрович ПОВЕДЕНИЕ СИСТЕМ МЕТАЛЛ - ВОДОРОД ПРИ РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск - 2005 2

Работа выполнена на кафедре общей физики Томского политехнического универ ситета.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Чернов Иван Петрович.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Калин Борис Александрович, доктор физико-математических наук, профессор Колобов Юрий Романович, доктор физико-математических наук, профессор Кривобоков Валерий Павлович.

Ведущая организация: Российский научный центр Курчатовский Институт (Ин ститут ядерного синтеза), г. Москва.

Защита состоится 2 ноября 2005 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.269.02 при Томском политехническом университете по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТПУ.

Автореферат разослан сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета д.ф.-м.н. М.В. Коровкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Водородная тематика вызывает в настоящее время большой практический интерес, поскольку имеется много технических задач, для решения которых не обходимо всестороннее изучение свойств систем металл-водород. К наиболее важным из них относятся задачи, связанные с проблемой водородной коррозии металлических конструкций оборудования газо - нефтяного комплекса. Не менее важной задачей является защита от водородного охрупчивания охлаждающих элементов и тепловыделяющих сборок ядерных реакторов, а также емкостей для хранения ядерного топлива. Хорошо известны проблемы вредного воздействия дейтерий - тритиевой плазмы на первую стенку термоядерного реактора. Данные о свойствах систем металл-водород и способы неразрушающего контроля позволят оценить время безопасной эксплуатации и провести раннюю диагностику опасной стадии разрушения металлических конструкций. Сложность проблемы осложняет ся тем, что в конструкционных материалах реакторов происходят два конкури рующих процесса: с одной стороны - накопление радиационных дефектов, с другой - аннигиляция дефектов, упорядочение структуры кристаллов. Эти два встречных процесса зависят от многих факторов: свойств самого материала, нали чия примесей, наведенной активности, температуры облучения, а также скорости накопления и выхода водорода и дефектов. Количество водорода и скорость его миграции могут оказаться определяющими факторами в изменении физико механических свойств металлических конструкций.

Только на основе хороших знаний о природе и механизмах взаимодействия излучения с веществом можно делать научно-обоснованные рекомендации по прогнозированию поведения конструкционных материалов в условиях облучения.

Источниками таких знаний традиционно является развитие теории процессов взаимодействия излучения с веществом, компьютерное моделирование процессов дефектообразования, результаты реакторных исследований и результаты имита ционных исследований.

Значительный интерес представляет исследование неравновесного выхода во дорода из металлов и сплавов для управления прочностными, упругими, усталост ными и другими характеристиками материалов. В связи с этим, принципиальным становится вопрос о процессах радиационно-стимулированной миграции водоро да. В металлах практически исключена возможность сохранения энергии как в электронной подсистеме, в силу очень малых времен релаксации (10-13 10-14 с), так и на колебательных степенях свободы кристаллической решетки. В силу этого возникают трудности при теоретическом объяснении экспериментальных резуль татов, в которых наблюдается изменение содержания Н при облучении металлов рентгеновскими квантами. Накопленные к настоящему моменту эксперименталь ные факты еще не получили всестороннего теоретического рассмотрения с ис пользованием новых подходов, включая квантовомеханические расчеты. В част ности остается неясным механизм неравновесного выхода атомарного водорода из металлов при облучении. Сравнительно слабо изучены вопросы влияния дефектов на миграцию и выход водорода из металлов. Практически не исследовано влияние облучения металлов пучками рентгеновских и гамма-квантов на миграцию и вы ход водорода. Для строгого описания поведения водорода в металлах необходимо знать закономерности взаимодействия атомов водорода друг с другом и с метал лической матрицей. Хотя атомарный водород представляет простейшее раствори мое в металле вещество, реализация методов расчета на основе электронной тео рии «из первых принципов» все еще представляет определенные трудности. Пред ложенные ранее модели описывают только предельные случаи рассматриваемой проблемы. В целом же вопрос о состоянии водорода в металлах во многом остает ся пока открытым.

Для объяснения природы радиационно - стимулированной десорбции газов представляется целесообразным исследовать её при различном (в отношении об разования дефектов) облучении: пучками тяжелых ионов, существенно превы шающих энергетический порог смещения атомов решетки, и пучком электронов и рентгеновских квантов с энергией ниже пороговой. В первом случае накопление значительного числа радиационных дефектов сопровождается, как правило, по вышением механической прочности, снижением пластичности. Во втором случае значительную роль играют процессы аннигиляции дефектов, имеющихся в метал ле. Особую актуальность этот процесс приобретает при наличии в металле водо рода. При этом водород не только стимулирует прохождение этого процесса, но и является чувствительным индикатором перестройки структуры металла.



Нерешенные до настоящего времени проблемы ухудшения свойств метал лов, содержащих водород, повышение роли использования водорода для решения технических задач и получения материалов с заданными свойствами с помощью водородной обработки, вызывают необходимость разработки новых и усовершен ствования известных методов анализа водорода и дефектов. Для получения ин формации о содержании и миграции водорода и дефектов используют ядерно физические и атомные методы анализа. Эффективность использования ядерно физических методов анализа напрямую связана с развитием фундаментальных ис следований в области ядерной физики и физики конденсированного состояния.

Необходимо иметь надежные данные о константах ядерного взаимодействия (се чениях рассеяния и функциях возбуждения) и параметрах, характеризующих по тери энергии заряженных частиц в веществе (сечениях торможения). Кроме того, необходима информация о скорости образования дефектов, параметрах радиаци онно - стимулированной диффузии легких примесных атомов, в первую очередь, водорода. Эти и некоторые другие данные были получены в ходе выполнения на стоящей диссертационной работы.

Сложность применения ядерно-физических методов при анализе металл водородных систем связана с погрешностями измерений, вызванными миграцией водорода в металлах под действием анализирующего пучка. Отрицательное влия ние пучка при аналитических исследованиях компенсируется теми уникальными возможностями, которые дают ядерно-физические методы для исследования ди намики неравновесных процессов миграции водорода при облучении. С практиче ской точки зрения наиболее важными являются исследования динамики водорода и дефектов в образцах, находящихся в напряженном состоянии, поскольку вероят ность их разрушения при эксплуатации максимальна.

Указанные выше проблемы определяют актуальность темы диссертации, связанной с исследованием закономерностей поведения систем металл-водород при воздействии пучков ионизирующего излучения.

Цель работы: изучение физических процессов в системах металл-водород при радиационном воздействии.

Для достижения этой цели необходимо решить перечисленные ниже задачи.

1. Разработать высокочувствительные неразрушающие методы миграции водоро да в металлах.

2. Провести исследование миграции и выхода водорода из металлов под действи ем ионов, электронов и рентгеновских квантов.

3. Изучить влияние дефектов структуры металла на динамику миграции водорода при радиационном воздействии.

4. Изучить влияние водорода на динамику накопления и аннигиляции дефектов в металле при облучении.

5. На основе электронной теории “из первых принципов” провести расчеты со стояния водорода в металлах и разработать феноменологическую модель, на мик роскопическом уровне объясняющую поведение водорода при радиационном воз действии.

Для этого потребовалось:

- разработать методики ядерного и атомного анализа миграции и выхода водорода из металлов под действием пучков ионизирующего излучения;

- разработать пакет программ для извлечения информации о концентрации исследуемых примесей из энергетических спектров;

- провести комплексное исследование систем металл-водород при терми ческом, радиационном и механическом воздействии;

- провести исследование миграции и выхода водорода из металлов под действием пучков ионизирующего излучения (ионов, электронов, рентгеновских квантов) и провести анализ полученной информации;

- изучить влияние дефектов, внесенных путем пластической деформации или радиационном воздействии на миграцию изотопов водорода в металлах и сплавах;

- провести расчеты электронной структуры систем Ti-Н.

Положения, выносимые на защиту 1. Новый неразрушающий метод одновременного анализа водорода и гелия в со четании с методикой исследования миграции Н позволяет получать принципи ально новую информацию о поведении Н в системах металл-водород: миграции водорода в металлах непосредственно в процессе радиационного воздействия и взаимном влиянии имплантированного водорода и гелия в конструкционных материалах ядерных и термоядерных реакторов.

2. Облучение металлов и сплавов ионизирующим излучением (ионными пучками, электронами и рентгеновскими квантами) вызывает интенсивную миграцию водорода, обусловленную возбуждением электронных состояний со связей ме талл-водород, время жизни которых достаточно для выхода водорода из своих регулярных положений и неравновесной миграции.

3. Миграция и выход водорода из металлов и сплавов под действием электронов и рентгеновских квантов с энергией ниже порога образования дефектов сопро вождается перестройкой дефектной структуры материала: отжигом дефектов водородного происхождения, вызванного процессами аннигиляции дефектов междоузельных атомов и освобожденных от водорода вакансий.

4. Облучение электронами и рентгеновскими квантами титана, содержащего де фекты, образованные в процессе пластической деформации (при растяжении, не превышающем 2%) предварительно насыщенного водородом металла, при водит к снижению дефектности, что вызвано разрывом связей водорода с де фектами, ранее блокированными водородом, их миграцией и последующей ан нигиляцией. В случае, если деформации предшествовала наводороживание (или уровень деформации превышал 2%), дефектность титана возрастает.

5. Растворенный в металлах и сплавах водород снижает коэффициент захвата им плантированного гелия, что обусловлено образованием мелких комплексов HV и HV2 и, как следствие, уменьшением вероятности образования крупных вакан сионных комплексов, являющихся эффективными ловушками для гелия. Сгла живание потенциального рельефа способствует перераспределению импланти рованного гелия по объему материала или его выходу из образца в составе под вижного комплекса НеV2.

Научная новизна 1. На базе метода ядер отдачи был разработан метод одновременного анализа во дорода и гелия, позволяющий в одном измерении определять абсолютное содер жание и распределение по глубине примеси водорода и гелия в поверхностных слоях материалов.

2. Разработаны методы анализа изотопов водорода, использующие резонансы в упругом взаимодействии между изотопами водорода и легкими атомами с сече ниями от 1 до 4 МэВ. Оценки аналитических характеристик показали, что за счет высоких сечений рассеяния в резонансе (от 1 до 4 Барн) предел обнаружения во дорода при этом достигает 1012 ат/см2, или (0,01 ат.%). Приоритет разработанных методов подтвержден авторскими свидетельствами на изобретения.

3. Разработана новая методика измерения радиационно-стимулированной мигра ции водорода при ионном облучении и способ снижения погрешностей результа тов измерений при анализе изотопов водорода ядерно-физическими методами.

4. Впервые установлено, что наличие в металле растворенного водорода снижает захват имплантированного гелия в металлах.

5. Впервые получены данные о:

влиянии дефектов, созданных имплантацией Не на изменение концентрации во дорода в приповерхностном слое металлов при облучении ионами азота;

миграции водорода в нержавеющей стали, Ti, Be, Nb, Zr и V, сплавах Ti, Zr и V при облучении ионами азота;

миграции Н в Ti под действием пучка ионов Не;

влиянии режимов облучения ионами Н и Не и электрополировки на накопление Не в ванадии.

6. Получены новые данные о характеристиках сигналов акустической эмиссии и скорости распространения звуковых волн в нержавеющей стали и титане при на сыщении водородом, деформации и радиационном воздействии.

7. Получены новые данные о влиянии водорода и дефектов на время жизни пози тронов в металлах. Показано, что время жизни позитронов при облучении систе мы титан-водород рентгеновскими лучами или электронным пучком с энергией ниже порогового уровня образования дефектов зависит от уровня дефектности ме талла и последовательности операций наводороживание – деформация.

Практическая ценность работы 1. На базе метода ядер отдачи и метода ядерных реакций разработаны новые не разрушающие методы анализа изотопов водорода и гелия, позволяющие получать количественную информацию о распределении примеси Н и Не по глубине мате риала.

2. Разработана методика изучения миграции легких примесей неразрушающими ядерно-физическими методами. Новая методика позволяет снизить погрешности измерений, проведенных ядерно-физическими методами анализа, связанные с вы сокой диффузионной подвижностью водорода в металлах.

3. Полученные данные о миграции водорода под действием ионных пучков, нако плении и взаимном влиянии примесей Н и Не в конструкционных материалах ТЯР необходимы для разработки новых перспективных материалов. Способ оценки дефектности материалов по уровню концентрации водорода (“декорирование” де фектов водородом) позволяет получать информацию о глубине разрушения мате риала под действием гелиевого блистеринга, определять критическую дозу обра зования блистеров, что способствует составлению обоснованных прогнозов рабо тоспособности конструкционных материалов при контакте с термоядерной плаз мой.

4. Полученная информация о миграции и выходе водорода из металла при радиа ционном воздействии позволяет разработать методы и методики низкотемпера турного радиационного удаления водорода из металлических конструкций, улуч шения механических характеристик деталей и узлов оборудования, подверженно го водородному охрупчиванию.

5. На базе данных о влиянии насыщения металлов водородом, деформации и об лучении на скорость звука и характеристики сигналов акустической эмиссии раз рабатываются методы неразрушающего контроля раннего распознавания возмож ной деградации конструкционных материалов, вызванной водородно-гелиевым охрупчиванием.

Практическая значимость подтверждается выполнением следующих научно исследовательских работ.

В период с 1981 г. по 1991 г. совместно с ИАЭ им. Курчатова работы велись по теме: “Применение ядерно-физических методов для исследования проникнове ния Н и Не в конструкционные материалы реактора”. Заказчик – ГК по использо ванию АЭ СССР.

В 1991 – 1993 г.г. выполнены исследования по ГНТП “Управляемый термо ядерный синтез и плазменные процессы”, тема № 8453 “Получение новых данных о комплексном воздействии на конструкционные материалы ионов Н, Не, продук тов ядерных реакций, имитирующих действие ТЯР”. Заказчик – МИН науки Рос сии.

С 1997 по 1998 г.г. - по гранту №95-0-6.0.65 РФФИ “Исследование механиз ма обратного рассеяния ионов водорода и гелия на лёгких ядрах”.

С 1997 по 2004 г.г. выполнены исследования по контракту с Фраунгоферов ским институтом неразрушающих методов контроля (г. Саарбрюкен, Германия) по теме “Процессы в металлах и сплавах, инициируемые мигрирующим водородом”.

С 1999 г. ведутся госбюджетные работы по ЕЗН (Минобразования России) “Исследование воздействия излучения на металлы и сплавы”.

В 2004 году начата работа по международному гранту МНТЦ “Разработка неразрушающих методов контроля водородного и гелиевого охрупчивания мате риалов - компонентов ядерной энергетики и контейнеров для хранения и транс портировки радиоактивных веществ” (совместно с РНЦ “Курчатовский институт” г. Москва и Сибирским Химическим Комбинатом г. Северск) и гранту “Универси теты России”.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась проведением измере ний и испытанием на аттестованном оборудовании по требованиям ГОСТов, а также применением стандартных методов статистической обработки. Подтвер ждением достоверности проведенных экспериментальных исследований является использование комплекса атомных и неразрушающих ядерно-физических методов анализа вещества.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи диссертационной рабо ты и её реализации, проведении большинства экспериментальных и теоретических исследований, обработке результатов измерений, их анализе на основе сущест вующих представлений физики конденсированного состояния, ядерной и атомной физики. Результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично. Подавляющее большинство публикаций по теме диссертации написаны лично автором после обсуждения результатов с соав торами. Даже в статьях с большим числом соавторов, вклад диссертанта в работу по получению теоретических и экспериментальных результатов составляет не ме нее 50%. Соавторство связано с необходимостью проведения большого объема сложных экспериментальных работ, с привлечением значительного числа атом ных и ядерно-физических методов анализа вещества.

Апробация работы и публикации: материалы диссертации были представлены на Х-ХIII (1980-1988 г.г.), ХХIV- ХХVI (1994-1997 г.г.), ХХХ-ХХХV (2000-2005 г.г.

г.г.) Международных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами;

8-ой (1987 г.) и 9-ой (1989 г.) Всесоюзных конференциях по взаимо действию атомных частиц с твердым телом;

29-ом (1979г.), 30 (1989г.), 32 ( г.), 35 (1984 г.), 36-ом (1985 г.), 39-ом (1989 г.) Совещании по ядерной спектро скопии и структуре атомного ядра;

3 -ей Всесоюзной конференции по разработке конструкционных материалов ТЯР (Ленинград, 1984 г..);

Всесоюзной конферен ции “Радиационное воздействие на материалы ТЯР” (Ленинград, 1990 г.);

Всесо юзном совещании по физике плазмы и ее приложениям (Звенигород, 1986 г.);

Ме ждународной сессии “Управление примесями в ИТЭРе” (г. Гартунг, Германия, 1989 г.);

10-ом Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дуб на, 1987 г.);

5-ой Всесоюзной конференции “Методы определения газов в метал лах” (Москва, 1988 г.);

Международной конференции по системам металл-водород (Токио, Япония, 1994 г.);

Международной конференции "Диагностика поверхно сти ионными пучками" (Запорожье, 1983 г., Ужгород, 1985 г.);

10-ом Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Томск, 1987 г.);





в 1-ом и 7-ом Русско-корейском симпозиуме по науке и технологии (1997 г., 2001 г.);

2-ой и 3-ей Международной конференции “Водородная обработка материалов” (Донецк, г., 2001 г., 2004 г.);

15-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (2001 г., 2005 г.);

7-ой (1989 г.) и 8-ой (1993 г.) Всесоюзной кон ференции по радиационной физике и химии неорганических материалов;

7-ой Международной конференции по материалам ТЯР (ICFRM- 7, Обнинск, 1995 г.);

Международной конференции по изучению гидридов металлов (ICHMS-97, Ялта, 1997 г.);

Международном совещании “Мезомеханика. Основы и применение” (Томск, 2001 г.).

По материалам диссертации опубликовано 50 печатных работ в научных журналах, сборниках и трудах конференций (в том числе 23 статьи в реферируе мых журналах). В 2002 г. в соавторстве с российскими (Чернов И.П., Тюрин Ю.И.) и немецкими учеными (Баумбах Х., Кренинг М.) опубликована монография “Не равновесные системы металл-водород. Титан, нержавеющая сталь”, а в 2004 г.

монография “Методы исследования систем металл-водород”, занявшая первое ме сто в конкурсе научных работ Томского политехнического университета. По ма териалам диссертации в 2003 г. опубликовано и представлено на сайте Томского политехнического университета в электронном варианте учебное пособие на рус ском и английском языках “Приборы и аппаратура для анализа твердого тела”.

По разработке методов анализа систем металл-водород получено 5 авторских сви детельств на изобретения.

Объем и структура работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав и приложения. Общий объем диссертации 283 страниц, включая рисунки, таблицы и наименования библиографических ссылок.

Основное содержание диссертации Введение Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность про блемы, сформулированы задачи и цель исследования, кратко изложено содержа ние работы и полученные результаты.

1. Водород в металлах и радиационное воздействие В главе приведен краткий обзор общих вопросов взаимодействия водорода с кристаллической решеткой металлов. Основу обзора составляют данные для тита на и нержавеющей стали. Рассмотрены вопросы проникновения водорода в метал лы путем насыщения из газовой фазы, электролиза и имплантации. Отмечено, что деформация решетки металла, развитие сети дислокаций, появление точечных де фектов и их комплексов оказывают большое влияние на процесс наводороживания металлов. Это влияние может быть различным в зависимости от характера дефор мации и способно привести к увеличению или уменьшению объема коллекторов, следовательно, к изменению способности металлов поглощать водород. При этом наибольшее влияние на захват водорода имеют микрополости и блистеры. Для ре акторостроения наибольший интерес вызывает изучение поведения водорода в металлах, находящихся в радиационных полях, облучаемых потоками нейтронов и имплантированных ионами гелия. Накопление гелия приводит к образованию ге лиевых микропузырьков, активно захватывающих атомы примесного водорода.

Описаны процессы радиационно-стимулированной диффузии Н в металлах и сплавах, особенности проникновения Н через мембраны в условиях ионной бомбардировки. Изменение скорости диффузионных процессов может проходить за счет дефектообразования, возбуждения электронной подсистемы металла, а в присутствии водорода, за счет возбуждения водородной подсистемы. Последний фактор наиболее интересен, поскольку в ряде случаев может служить эффектив ным способом снижения уровня дефектности металлов. Для неравновесной систе мы, к которой относится металл - водород, переход в равновесное состояние об легчен и требует незначительного количества переданной энергии. Интенсивность этих процессов обусловлена возникновением радиационно-стимулированной диффузии водорода и дефектов в процессе облучения. При этом меняются акусти ческие (скорость звука), электрические и магнитные характеристики металлов (электросопротивление, коэрцитивная сила), а также параметры, характеризую щие взаимодействие позитронов с веществом.

На основе всестороннего анализа состояния проблемы формулируются це ли и задачи настоящей диссертационной работы, приведённые выше. К началу на стоящей работы для теоретического описания процесса неравновесной миграции водорода было недостаточно экспериментальных данных, особенно это касалось исследования неравновесной миграции водорода под действием ионизирующего излучения ниже порога образования радиационных дефектов.

Согласно основным положениям разработанной ранее феноменологической модели, предложенной Тюриным-Черновым1, водород, занимая эквивалентные позиции внутри металла, формирует собственную подсистему в кристаллической решетке, обладающую частотами колебаний, лежащих вне фононного спектра кристалла. При подводе энергии излучением происходит возбуждение колеба тельных степеней свободы водородной подсистемы. В модели постулируется, что неравновесные колебания водородной подсистемы являются долгоживущими в масштабе времен электронной релаксации в металлах. Поэтому, в отличие от электронной, водородная подсистема металлов способна сохранять подведенную энергию на время, достаточное для реализации процессов ускоренной диффузии.

При этом миграция и выход атомов водорода из металла стимулируется не энер гией тепловых колебаний, равной kТ, а энергией неравновесных колебаний водо родной подсистемы, заметно превышающей kТ.

Что касается вопросов строго теоретического описания поведения водорода в металлах, то, несмотря на то, что атомарный водород представляет простейшее растворимое в металле вещество, реализация методов расчета на основе электрон ной теории «из первых принципов» представляет определенные трудности. Пред ложенные ранее анионная (H-) и протонная (H+) модели описывают только пре дельные случаи рассматриваемой проблемы. В целом же вопрос о РС диффузии, состоянии водорода в металлах, механизмах передачи энергии излучения атомам водорода во многом остается пока открытым.

Анализ рассмотренных в главе материалов позволил сделать вывод о необ ходимости дальнейшего изучения процессов радиационно-стимулированной ми грации водорода в металлах, разработки чувствительных методов исследования радиационно-стимулированной миграции водорода в металлах и построения тео рий на микроскопическом уровне объясняющих поведение водорода при радиаци онном воздействии.

2. Разработка неразрушающих методов анализа систем металл-водород Глава содержит краткий обзор ядерно-физических и атомных методов ана лиза водорода и дефектов, использованных для экспериментальных исследований.

Отмечены особенности этих методов при исследовании физических процессов в системах металл-водород при радиационном воздействии. Показано, что примене ние неразрушающих ядерно-физических методов анализа более эффективно, по скольку они позволяют проводить многократные (или круговые) измерения одних и тех же образцов непосредственно в процессе воздействия температуры, дефор мации или облучения. Кроме того, эти методы позволяют in situ исследовать ди намические характеристики систем металл-водород.

Базовым методом исследования металл - водородных систем выбран метод ядер отдачи (ЯО). Метод ядер отдачи позволяет получать количественную ин формацию о распределении и интегральном содержании изотопов водорода без разрушения поверхности материала. На основе этого метода разработаны новые неразрушающие способы анализа водорода, разработан способ исследования ми грации водорода в металлах, отработана методика и измерены сечения упругого рассеяния водорода на легких ядрах. Исследования проводили с использованием ускоренных ионов 4Не, 12С, 14N, 16O с энергией 1 МэВ нуклон (на циклотроне НИИ ядерной физики при ТПУ, г. Томск). При анализе водорода в Al (в оптималь ной геометрии эксперимента) разрешение по глубине находится на уровне 0, 0,1 мкм, глубина анализа - 1 2 мкм. Предел обнаружения достигает Н/см2.

Метод резерфордовского обратного рассеяния (РОР) традиционно ис пользуется для анализа тяжелых примесей. Однако, как показали наши экспери менты и результаты машинного моделирования, анализируя “провалы” в энерге тическом спектре (ЭС) РОР, вызванные уменьшением плотности ядер матрицы на глубине, соответствующей залеганию легких атомов, метод может быть использо ван для легких примесей (включая изотопы водорода). Получены аналитические выражения, позволяющие извлекать информацию о распределении примеси водо рода методом РОР. Предел обнаружения метода для налетающих ионов гелия в обычной для метода РОР геометрии не выше 1017 Н/см2 (на уровне 5 ат.%). Глуби на анализируемого слоя в “касательной” геометрии около 2 мкм (Е = 1,7 МэВ).

Метод вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС) реализован на ус тановке МС-7201М. В качестве зондирующего использовался пучок ионов Ar+ c энергией 5 кэВ, плотностью тока 0,1 мА/см2, площадью сечения с поверхностью 2,5 мм2. Анализ образцов осуществлялся при непрерывной записи сигналов токов вторичных ионов с послойным разрешением около 5 нм и с чувствительностью не ниже 510-2 ат. %. Относительная погрешность измерений не превышала 5 %.

Скорость распыления 0,03 нм/с (80 нм/ч).

Накопление водорода в объеме металла изучалось методом вакуумной термодесорбции. Используемая установка позволяла вести линейный нагрев об разцов от 20 до 1300 К со скоростью от 0,1 до 5 К/с с одновременным масс спектрометрическим определением интенсивности плотности потока выделяюще гося водорода и его изотопов из металлов. Для стимуляции выхода дейтерия при менялся электронный пучок с энергией 10 100 кэВ, формируемый фокусирую щим магнитом.

Для подготовки образцов с известным содержанием водорода была исполь зована оригинальная методика измерения содержания водорода непосредст венно в процессе электрохимического насыщения. Относительная погрешность методики при плотностях тока до 1 А/см2 составляет около 0,5%.

Для изучения дефектности насыщенных водородом материалов использова ны методы позитронной аннигиляции: метод измерения времени жизни пози тронов (ПА) и метод измерения доплеровского уширения аннигиляционной ли нии (ДУАЛ). Методы позволяют обнаруживать и идентифицировать дефекты на глубине до 150 мкм. Временное разрешение использованной измерительной сис темы около 240 пс.

Для изучения движения дефектов разработана методика измерения сигна лов акустической эмиссии (АЭ) водородосодержащих структур при статической нагрузке, электролитическом насыщении металлов водородом и при рентгенов ском облучении. Для диагностики акустических сигналов применяли широкопо лосную измерительную систему, разработанную во Фраунгоферовском институте неразрушающих методов контроля (Германия). Система позволяла измерять и за носить в память компьютера данные о количестве, амплитуде, энергии и длитель ности звуковых сигналов в диапазоне частот от 20 кГц до 2 МГц. Использовано оригинальное малогабаритное механическое устройство, позволяющее проводить измерение сигналов АЭ в процессе электролитического насыщения металлических образцов водородом, не прерывая режима измерения, облучать образцы рентге новскими лучами при контролируемой статической нагрузке (растяжение с пре дельной нагрузкой до 10000 Н). Используемый спектрометр сигналов АЭ позво лил измерить затухание акустических сигналов в исследуемых образцах и устано вить корреляции между потерями энергии и изменением скорости ультразвуковых волн в процессе насыщения металлов водородом и при радиационном воздейст вии.

Для исследования механических характеристик в металлах и сплавах ис пользовали методику измерения скорости звука. Используемый прибор предна значен для измерения частоты автоциркуляции ультразвуковых колебаний в мате риалах, скорость распространения ультразвуковых рэлеевских волн в которых на ходится в диапазоне от 2000 до 3000 м/с. Измерение скорости звука можно прово дить в процессе радиационного воздействия в режиме in situ.

В качестве вспомогательных методов при анализе систем металл-водород использовались магнитные и вихретоковые методы, а также метод измерения электросопротивления.

В главе представлены разработанные нами методы и методики исследова ния содержания и миграции водорода в металлах, а также способ снижения по грешностей измерений содержания водорода, вызванных воздействием анализи рующего пучка. На базе метода ядер отдачи был разработан метод одновременно го анализа изотопов водорода и гелия, позволяющий в одном измерении опреде лять абсолютное содержание и распределение по глубине примеси водорода и ге лия в поверхностных слоях материалов.

Рис. 1. Геометрия эксперимента на отражение (а) и на пролет (б): М – монитор;

П – поглотитель;

Д – детектор Геометрия эксперимента и энергетический спектр ядер отдачи водорода, дейтерия и гелия представлены на рис. 1 - 4. Метод разрабатывался специально для изучения воздействия высокотемпературной плазмы и потоков легких ионов на конструкционные материалы. Для достижения хороших аналитических харак теристик, для анализа были использованы пучки тяжелых ионов с энергией около 1 МэВ/нуклон.

Исследование сечений упругого рассеяния измеренных методом ядер отдачи по разработанной нами методике в диапазоне энергий взаимодействующих ядер, близких к кулоновскому барьеру, показало, что в них присутствуют узкие резо нансы, по ширине сравнимые с энергетическим разрешением метода. Сечение в резонансах на один – два порядка превышает резерфордовское сечение рассеяния.

В работе показано, что ряд изолированных резонансов в упругом рассеянии можно использовать для анализа изотопов водорода. Резонанс 1,735 МэВ в упру гом рассеянии 1Н(12С,р)12С (рис. 3) можно использовать для анализа водорода, а резонанс 2,1 МэВ в упругом 2H(,d)4He рассеянии - для анализа дейтерия. Осо бенностью этих резонансов является то, что наиболее высокое сечение (до 4 барн) достигается на углах регистрации ядер отдачи близких к нулю. На углах регистра ции ядер отдачи более 35 градусов эти резонансы уже не наблюдаются. Примене ние резонансов позволяет добиться увеличения чувствительности анализа прибли 1200 12 С(р,р) С p= Ерез=1735 кэВ d/dлаб, мбн/ср Измерено методом:

тонких мишеней;

ядер отдачи Рис. 3. Энергетические спектры ядер от 500 1000 1500 2000 2500 дачи водорода для налетающих ионов Энергия протонов, кэВ углерода с энергией 30 и 25 МэВ Рис. 2. Резонанс 1,735 МэВ в сечении упругого р-12С рассеяния. Сплошная кривая - данные работы2. Точками показаны данные, измеренные методом ядер отдачи для угла регистрации 5° зительно на порядок. Послойный анализ проводится аналогично известному мето ду анализа Н, основанному на использовании резонансной ядерной реакции Н(15N,)12С, только вместо регистрации гамма-квантов измеряют энергетические спектры ядер отдачи водорода или дейтерия. Энергию налетающих частиц увели чивают с некоторым шагом, начиная от резонансной до максимально возможной.

При этом положение резонанса меняется от поверхности до глубины, определяе мой энергией налетающих частиц (рис. 2).

Анализ дейтерия можно проводить, используя излучение радиоактивных ис точников альфа-излучения - изотопов плутония или полония, у которых одна из энергетических линий превышает 70% полной интенсивности распада. Проведены пробные измерения энергетических спектров для источника 238Pu (Е=5, МэВ).

Предложена методика изучения динамики миграции примеси и дефектов при радиационном воздействии. Для её реализации используются неразрушающие ядерно-физические методы контроля. Методика рассматривается на примере изу чения миграции водорода под действием ионного пучка с помощью метода одно временного анализа изотопов Н и Не. Важность приложения именно к этому ме тоду объясняется тем, что, как показывает мировой опыт, развитие метода ЯО идет в направлении использования микро - пучков и тяжелых ионов аргона, бро ма, йода, золота. Интенсивность воздействия повышается, и, соответственно, воз растает вероятность миграции легких примесей. Методика исследования миграции примесей заключается в следующем (рис. 4): энергетический спектр разбивается на ряд интервалов;

для каждого интервала в процессе измерения ЭС строится за висимость выхода ядер отдачи от дозы падающих частиц, которая затем может быть преобразована в функциональную зависимость содержания или концентра ции примеси от дозы или времени облучения. Используемая методика дает воз можность получать информацию о характеристиках взаимодействия излучения с t t2 t t3 tD tHe D Содержание водорода Поверхность Содержание примесей Выход ядер отдачи H t He D He t E3 E2 E1 ED EHe 0 5 10 15 20 0 5 10 15 Энергия ядер отдачи Доза облучения, отн. ед. Доза облучения, отн. ед.

Рис. 4. Зависимость содержания примеси водорода на заданных глубинах (t1, t2, t3), дей терия и гелия от дозы анализирующего пучка ионов легкими примесями (сечение выхода водорода из металла) и перераспределении примесей внутри анализируемого слоя при облучении.

В первом приближении, считая, что выход водорода можно описать некото рым суммарным сечением н, изменение его содержания на некоторой глубине dC H = H C 0 exp( H n).

можно представить в виде:

dn Здесь С0 - начальное содержание водорода. Тогда содержание примеси в мо мент времени t будет равно: C H = C 0 exp( H J 0t ).

Где n и J0 - число частиц и плотность тока ионного пучка.

В случае двух типов воздействий (например, при термическом и ионизаци онном) зависимость содержания примеси от потока ионов пучка можно предста вить в виде суммы двух экспонент:

C H = C1 exp( 1J 0t ) + C 2 exp( 2J 0t ).

С 0 = С1 + С 2 ;

H = 1 + 2.

где 1 и 2 - сечения выхода Н в результате термического и ионизационного воз действия, соответственно. С1 и С2 – постоянные коэффициенты, дающие в сумме начальную концентрацию водорода. Этот же формализм можно использовать в случае радиационного воздействия на примесь Н, находящуюся в ловушках с раз личными энергиями связи и имеющую, соответственно, разные сечения выхода водорода.

Восстановление профилей распределения и энергетических спектров, кото рые были до начала облучения, проводили путем экстраполяции зависимостей концентрации примесей (или выхода рассеянных частиц) от дозы облучения в на чало координат. В главе приведены примеры восстановления энергетических спектров ядер отдачи. Для повышения точности определения начального содер жания водорода внедрили достаточно простую расчетную методику, которая по зволила снизить влияние изменения плотности тока ионного пучка на концентра цию анализируемой примеси: величину выхода ядер отдачи N для каждого энер tср ti и tср – время гетического интервала умножали на коэффициент ki =, где ti измерения i – го парциального энергетического спектра и среднее время измере ния парциальных ЭС.

Разработана методика измерения объема и мест выхода выделяющегося из металла водорода при облучении рентгеновскими квантами. Количество газа оп ределяют с помощью оптического микроскопа по площади газовых пузырей, об разующихся в глицерине между поверхностью исследуемого металла и тонким предметным стеклом.

Разработана методика определения дефектности систем металл-водород пу тем измерения профилей распределения водорода (декорирование дефектов ато мами водорода). Исследование корреляций между содержанием водорода и уров нем дефектов в металлах убедительно показали, что существует связь между со держанием дефектов и концентрацией водорода в металлах. Водород служит своеобразным индикатором концентрации и распределения дефектов в металлах и сплавах. Благодаря своей подвижности он способен мигрировать из мест, обед ненных дефектами, в наиболее дефектные области металла. Для стимулирования этих процессов можно использовать термический нагрев или радиационное воз действие. Разработка методики определения дефектности включала анализ данных о характеристиках дефектов, являющихся ловушками для атомов водорода в ме таллах и сплавах, расчет и экспериментальное изучение оптимальных параметров анализа водорода и дефектов, а также исследование влияния дефектов на динами ку миграции водорода в процессе измерения.

Предложен способ определения глубины разрушения поверхностных слоев конструкционных материалов под действием гелиевого блистеринга (при облуче ния поверхности металла большими дозами гелия). Исследовался приповерхност ный слой материала, содержащий поры, микропузыри или макродефекты, имею щие размеры 10 и более ангстрем. Ранее для подобных исследований авторы ис пользовали оптическую или электронную микроскопию. Очевидным недостатком этих методов является невозможность определения глубины залегания дефектов без полного разрушения поверхности материала. Для таких исследований делают косые срезы, обнажающие внутренние (подповерхностные) области материала, что приводит к значительным трудностям и, как следствие, снижению достовер ности полученных результатов. Методы каналирования и позитронной аннигиля ции также непригодны, поскольку речь идет об анализе образцов, имеющих высо кий уровень дефектов (разрушение приповерхностного слоя металла).

В главе также представлены способы извлечения информации из энергетиче ских спектров ЯО и РОР, приведены основные соотношения для расчета ЭС.

Проведено моделирование профилей распре деления имплантированных ионов Н и Не и сравне Н ние с экспериментальными результатами. Для рас чета профилей распределения имплантированных Выход ЯО, отн. ед.

ионов Н и Не использованы табличные данные работы3, в которой параметры пространственного Zr D + H распределения имплантированной примеси получе EN= 12 МэВ ны методом прямого численного решения инте D гральных уравнений для моментов. Сравнение рас четных и экспериментальных распределений для металлических образцов, содержащих имплантиро ванные примеси Н и Не показало, что максимум распределения имплантированного водорода в экс периментальном распределении Н сдвинут в сторо 0 10 14 - Доза ионов N, х ну больших глубин, где содержится наибольшее ко Рис. 5. Изменение содержания личество гелиевых дефектов. Распределение им водорода и дейтерия в припо- плантированного Не также существенно отличается верхностной области (00,2 от расчетного: профиль существенно размывается, мкм) дейтерида циркония при и гелий проникает на глубину, значительно превы облучении 12 МэВ ионами 14N шающую средний проективный пробег.

3. Исследование миграции водорода в металлах и сплавах под действием пуч ков ускоренных ионов В главе приведены результаты исследования миграции водорода в металлах и сплавах под действием ионных пучков методом ЯО и РОР. Эксперимен тальные исследования миграции водорода и дейтерия выполнены для ионов азота с энергией 12-16 МэВ на циклотроне НИИ ЯФ при ТПУ и гелия с энергиями от 1, до 3,5 МэВ на электростатическом генераторе НИИ ЯФ и институте ОИЯИ (г.

Дубна). Изучались гидриды и дейтериды ванадия, циркония, титана и сплавов этих металлов, бериллий, кроме того, исследовали миграцию Н в нескольких ти пах нержавеющих сталей. Исследовано влияние плотности тока ионного пучка на миграцию Н и дефектов, созданных пластической деформацией. В реакторных ма териалах проводили изучение влияния имплантированного гелия на миграцию во дорода.

Получены три основных вида зависимостей концентрации водорода от дозы ионного облучения: линейная, экспоненциальная и сложная функциональная зави симость. Линейная зависимость (рис. 5) характерна для описания миграции изото пов водорода в дейтериде циркония. Чаще всего линейная зависимость наблюда лась для водорода, адсорбированного на поверхности металла. В этом случае на копление Н на поверхности объясняется его поступлением из газовой фазы, вклю чающей пары масла (при вакууме ниже 10-5). Концентрацию водорода можно представить в виде: С = С0 (1 + jt ), где С0 – начальная концентрация примеси водо рода, сечение взаимодействия налетающих ионов с атомами водорода, j – плотность тока ионного пучка, t – время облучения.

Экспоненциальный спад концентрации показан на рис. 6 для образца нио бия, насыщенного электролитически водородом. Кроме того, экспоненциальный спад содержания Н наблюдали для всех исследованных нержавеющих сталей.

V 18 Имплантация 10 Н/см 2,0x Концентрация Н, ат/см Nb Содержание Н, отн. ед.

1,6x Без электрополировки t = 0,2 - 0,3 мкм 1,2x - вых = (6-7) x 10 Электрополировка 8,0x Поверхность 4,0x 13 13 2,0x10 4,0x10 6,0x 0 5 10 15 14 -2 14 13 - Доза ионов N, см Доза N,х10 см Рис. 7. Дозовые зависимости H в ванадии при Рис. 6. Зависимость концентрации водорода облучении ионами 14N с энергией 12 МэВ.

на поверхности и в приповерхностном слое Nb от дозы облучения ионами 14N. Плотность тока Перед облучением азотом в образцы имплан тировали ионы водорода дозой 1018 Н/см j 1,171010 ион/см2/с Сложную функциональную зависимость можно представить как сумму двух экс понент: C = C1 exp(n1 1 jt ) + C2 (1 exp(n2 2 jt )), где 1 и 2 – сечения, определяющие скорость изменения концентрации водорода, n1 и n2 – константы взаимодействия.

На рис. 7 такая зависимость показана для имплантированного водородом ванадия (с разной обработкой поверхности), однако она наблюдается нередко и для других материалов (например, титана). Концентрация водорода в анализируе мой области металла зависит от соотношения скоростей поступления водорода из глубины материала и радиационно-стимулированного выхода водорода из этой области. В начальный момент облучения водород выходит из объема металла, ог раниченного площадью ионного пучка (104 мм2) и глубиной, не превышающей пробега анализирующих частиц (1,5-2 мкм), попадающих в область так называе мого термического пика. Коэффициент радиационно-ускоренной диффузии из 200 I=0,04 мкА Водород в титане Интегральный выход ЯО Н, отн.ед.

Выход ядер отдачи Н, отн.ед.

Н + F 3% I=0,015 мкА I=0,04 мкА F 3% + H I=0,015 мкА H 1 2 3 -14 Доза облучения, х10 Не/см 0 2 4 6 8 Плотность тока ионов Не, отн. ед.

Рис. 9. Динамика выхода ядер отдачи водорода из Рис. 8. Зависимость выхода ЯО Н в титановых образцов, измеренных при различной зависимости от плотности тока ион плотности тока ионов 4Не ного пучка этой области превышает обычную диффузию Н при комнатной температуре. По этому в начальный момент облучения наблюдается резкое снижение содержания водорода в приповерхностном слое. Через некоторое время водород из глубинных областей материала начинает поступать в анализируемую область, и содержание водорода возрастает. Накопление водорода в этой области связано с ростом числа радиационных дефектов, образующихся в процессе облучения. Поступление во дорода из глубины материала стимулировано возбуждением водородной подсис темы металла и незначительным термическим нагревом образца при облучении.

Измеренные дозовые зависимости позволили определить сечения взаимодействие пучка с примесными атомами. Сечение находится на уровне 10-15 см2, что суще ственно выше сечения ядерного взаимодействия.

При измерении ЭС ЯО водорода оказалось, что выход ЯО существенным образом зависит от плотности тока ионного пучка. Для титановых образцов, имеющих приблизительно равную начальную концентрацию Н, выход ЯО водо рода в зависимости от плотности тока показан на рис. 8. Изменение плотности то ка в 2 – 3 раза приводит к росту содержания Н вблизи поверхности приблизитель но в 1,5 раза. Облучение проводили при токе пучка от 0,01 до 0,05 мкА при ком натной температуре (водяное охлаждение подложки). Однако, по литературным данным, миграция Н под действием ионных пучков наблюдается и для значитель но более низких температур (вплоть до температуры жидкого азота).

Установлено, что при деформации образца после электролитического на сыщения Н концентрация водорода в приповерхностной области существенно возрастает. Этот эффект связан с миграцией водорода к поверхности материала в процессе деформации. При дальнейшем облучении гелием происходит интенсив ная миграция и выход водорода из приповерхностной области титана. Установив шийся в конце облучения равновесный уровень выхода ЯО (и концентрации Н) определяется уровнем дефектов в металле и плотностью тока ионного пучка. При одинаковой плотности тока концентрация водорода пропорционально количеству дефектов, созданных при деформации (рис. 9).

Таким образом, при анализе Н результат измерения концентрации в значи тельной мере зависит от параметров ионного пучка. Для определения исходного содержания водорода с наименьшими искажениями следует до минимума снизить 0, Е= 1,7 МэВ Насыщение Н (10 мин) 4000 0, /N,отн ед.

Частиц/канал Титан ВТ1- N 3000 0, Ti Ti+H 2000 Эксперимент: 0, N - Тi+ H до облучения - Тi+ H после облучения Не 1000 Насыщение H (60 мин) 0, 150 200 250 300 1 2 3 4 5 Номер канала анализатора Доза ионов гелия,отн ед.

Рис. 10. Энергетические спектры РОР элек Рис. 11. Зависимость выхода рассеянных тролитически насыщенного водородом ти ионов гелия от дозы облучения тана до и после облучения гелием плотность тока и использовать методику измерения дозовых зависимостей. После чего необходимо провести интерполяцию этих зависимостей в начало координат (t = 0) и ввести поправки, связанные с искажением энергетического спектра или его отдельных участков. К сожалению, возникающая при этом ошибка остается значительной, поскольку наибольшее искажение профиля (изменение выхода ЯО) проходит именно в первом измерении, поэтому рекомендуется наиболее полно использовать память компьютера, по возможности уменьшая время измерения “парциальных” спектров.

Применение методики измерения дозовой зависимости в сочетании с мето дом резерфордовского обратного рассеяния для изучения миграции водорода в ти тане при облучении пучком гелия иллюстрируют рис. 10 и 11. Интенсивный вы ход водорода приводит к росту числа рассеянных частиц в интегрируемой области энергетического спектра. В результате ЭС от насыщенного водородом образца по форме постепенно приближается к энергетическому спектру от отожженного ти тана.

На примере исследования нержавеющих сталей и сплавов V и Ti установле а 10 б Нержавеющая сталь Ti - V - Cr Ti - V - Mo 17 СН, отн. ед.

DНе= 6х10 Не/см СН, отн. ед.

17 DНе= 6х10 Не/см 17 DНе= 3х10 Не/см 17 DНе= 10 Не/см DНе= DНе= 2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 DN, отн. ед. DN, отн. ед.

в Ванадий Рис. 12. Влияние имплантации гелия СН, отн. ед.

17 DНе= 3х10 Не/см на концентрацию водорода в сплавах 6 17 титана (а), нержавеющей стали (б) и DНе= 10 Не/см ванадии (в) DНе= 0 2 4 6 8 DN, отн. ед.

но, что внедрение гелия меняет характер зависимости СН = f(DHe). Анализ резуль татов влияния имплантации гелия на дозовые зависимости водорода для нержа веющей стали, сплавов титана и ванадия представлен на рис. 12. Для сплавов V и Ti общей тенденцией с ростом дозы внедрения гелия является переход от незначи тельного накопления водорода в приповерхностной области к постепенному спаду и далее, к резкому снижению концентрации Н (при дозе 6х1017 Не/см2, рис. 12 а).

Для сталей, наоборот, наиболее сильное снижение концентрации в начальный мо мент облучения наблюдается для низких доз облучения гелием (и для исходного материала, рис. 12 б). Результат, по-видимому, вызван тем, что с ростом дозы ге лия накопление Н идет в полостях гелиевых микропузырей, где он находится в ад сорбированном виде или в виде молекул. В сплавах большое количество Н может присутствовать в растворенном виде и в виде гидридов, имеющих более слабые связи с атомами металлов.

После выхода дозовых кривых Н на насыщение, содержание водорода про порционально дозам внедрения гелия. Это позволяет по уровню концентрации Н оценивать концентрацию дефектов, внесенных при имплантации. Установлено, что последовательное (с водородом) внедрение гелия в нержавеющую сталь не меняет характера миграции водорода при облучении ионами азота. Содержание 400 D в Nb Обл. 1 Изм. Еe= 70 кэВ Н в Ti Интенсивность выхода D2, отн. ед.

j= 60 мкА + Ar, 5 кэВ 250 j= 0,1 мА/см Выход ионов Н, отн. ед.

Обл. 2 Изм. + 200 Изм. Обл. 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 Время распыления, мин Время облучения, с Рис. 14. Выход ионов водорода Н+ в зави Рис. 13. Кинетические кривые радиационно стимулированного выхода дейтерия из нио- симости от времени воздействия зонди рующего пучка Ar+ для трех последова бия при облучении электронным пучком. Ее = 70 кэВ, j = 60 мкА: 1 - выход дейтерия из тельных измерений. После каждого изме ниобия после электролитического насыще- рения образец выдерживался в вакууме в ния дейтерием;

2 - повторное облучение Nb течении 12 часов через 24 ч;

3 - облучение через 72 ч после первого опыта водорода, адсорбированного на поверхности стальных образцов имплантирован ных Не, возрастает с ростом дозы облучения ионами азота.

Влияние миграции водорода на результаты исследований является общей проблемой как для ядерно-физических, так и для атомных методов, использующих для анализа пучки ионизирующего излучения. При исследовании систем металл водород методом ВИМС и методом электронно-стимулированной десорбции так же было отмечено влияние перераспределения примеси водорода в процессе об лучения. На рис. 13 показаны кривые десорбции дейтерия из образца ниобия, об лученного электронами через различные промежутки времени. Видно, что по прошествии 24 и 72 часов концентрация дейтерия вблизи поверхности частично восстанавливается и количество десорбированного водорода возрастает. Такой же результат был получен при анализе водорода методом ВИМС при облучении ти танового образца, насыщенного водородом (рис. 14) и измеренного в той же по следовательности: электролитическое насыщение, затем чередование операций измерение-выдержка в вакууме.

4. Исследование поведения водорода и дефектов при облучении металлов рентгеновскими квантами и электронами В главе представлены результаты исследования влияния облучения рентге новскими квантами и электронами на миграцию и выход водорода из нержавею щей стали и титана. Особое внимание направлено на анализ условий, обеспечи вающих выход водорода из металлов и изменение дефектности металлов при электролитическом насыщении водородом, термическом отжиге и воздействии потоков ионизирующего излучения. Особенностью проведенных исследований было то, что энергия используемых для облучения рентгеновских квантов и элек тронов выбрана ниже порога образования дефектов.

а) б) ID,отн.ед 0 50 100 150 200 250 Время, с Рис. 15. Интенсивность выхода дейтерия из нержавеющей стали (а) и титана (б) под действием электронного пучка (Е= 20 кэВ): 1 – 50 мкА;

2 – 100 мкА;

3 - 150 мкА Изучена зависимость десорбции дейтерия от плотности тока стимулирую щего электронного пучка. На рис. 15 показаны кинетические кривые газовыделе ния из нержавеющей стали и титана под действием электронного пучка. В этих измерениях температура внешней стороны образца нержавеющей стали в области действия электронного пучка не поднималась выше 60 °С, а с тыльной стороны – 40 °С. Заметное газовыделение из титана начиналось только при температуре об разца выше 200 °С, что связано с высокой энергией активации выхода дейтерия. В отсутствие электронного пучка при температуре образцов ниже 200 °С для стали (и 600 °С для титана) выделения дейтерия не наблюдается.

Pd в) н. сталь а) Ti б) 600 Рис. 16. Термовыделение дейтерия из нержавеющей стали (а), Ti (б) и Pd (в) в режиме линейного нагрева со скоростью 0,4 К/с: 1 - без электронного пучка;

- с электронным пучком, Е = 20 кэВ, I = 100 (а), 50 (б) и 20 мкА (в) Проведены масс-спектрометрические измерения скорости выхода дейтерия металлов при одновременном воздействии электронного пучка и линейном нагре ве. Воздействие электронного пучка (рис. 16) существенно снижает энергию акти вации диффузии примеси дейтерия: у нержавеющей стали максимум газовыделе ния при линейном нагреве без пучка приходится на 180 °С, с пучком - на 80 °С;

у титана - 650 и 875 °С, соответственно;

у палладия - 170 и 85 °С.

Для образцов нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титана проведены измерения количества водорода, выделяющегося при облучении рентгеновскими квантами, по площади газовых пузырей, образующихся в глицерине между поверхностью исследуемого металла и тонким предметным стеклом. Интенсивный выход водо рода наблюдается только после механической очистки поверхности от окисной пленки, образованной после электролитического насыщения. Процесс выхода Н из металла после облучения продолжается длительное время (не менее 10 часов).

Методом позитронной аннигиляции изучено влияние термического отжига и облучения электронным пучком на дефектную структуру титана ВТ1-0 с различ ной концентрацией внедренного Н. Проведен анализ возможных механизмов воз действия водорода, мигрирующего под действием ионизирующего излучения, на дефектность титана. Наиболее чувствительным к изменению энергетического спектра аннигиляционных квантов оказался F- параметр, определяемый отноше S нием: F =. Здесь, S и W параметры гауссианы, которые представляют собой от W ношение центрального пика и крыльев распределения к площади всего ЭС.

Сравнение накопления водорода и среднего времени жизни позитронов в титане показало, что содержание водорода возрастает, практически, по линейному закону (рис. 17 а), в то время как ср резко увеличивается в течение первого часа насыщения образцов водородом, а затем кривая выходит на насыщение (рис. 17 в).

Анализ разложения интенсивностей компонент времени жизни позитронов пока зывает значительное преобладание мелких дефектов над крупными в начальный момент насыщения. С увеличением времени насыщения образцов водородом про исходит рост относительной интенсивности крупных дефектов (наиболее вероят но, микропор). Вакуумный отжиг, как и облучение электронами приводят к значи тельному уменьшению среднего времени жизни позитронов, что указывает на снижение уровня дефектности металла.

На примере титана и нержавеющей стали изучена корреляция между дан ными, полученными методом электрон 0, позитронной аннигиляции и скорости зву СН, г /см ка. Сравнение на качественном уровне ре 0, а) зультатов, полученных методом ПА, и дан 0, ных акустических исследований, проведен ных с помощью измерения скорости звука, Е, нВ х с показывают, что методика измерения ско 80700 Vзв, отн.ед.

Е V рости звука в ряде случаев пригодна для зв 80500 неразрушающего контроля накопления во б) дорода в металле. При пластической де формации (растяжении) скорость звука снижается, а время жизни позитронов воз ср, пс растает, что не противоречит существую в) щим теоретическим представлениям и ли тературным данным. При электролитиче 0 50 100 150 200 250 300 ском насыщении титана и нержавеющей Время насыщения Н, мин Рис. 17. Остаточное содержание водорода стали водородом среднее время жизни по (а), скорость звука (б) и среднее время зитронов и скорость звука возрастают при жизни позитронов (в) в зависимости от близительно на 0,05%. (рис. 17). Рост вре времени электролитического насыщения мени жизни указывает на повышение числа титана ВТ1-0 крупных дефектов, а увеличение скорости звука вызвано снижением пластичности металла при наводороживании. Внесение значительного числа дислокаций, согласно “струнной” теории, должно вызвать уменьшение скорости звука, а присутствие водорода (или иных точечных дефек тов), наоборот, приводить к росту зв. Поэтому скорость звука в насыщенном Н металле зависит от соотношения между количеством атомов водорода и числом дислокаций в единице объема. Наблюдаемый в эксперименте рост скорости зву ковых волн сопровождается увеличением энергии акустических импульсов про шедших через образец (рис. 17, кривая Е), что подтверждает достоверность полу ченного результата.

Изучено влияние облучения рентгеновскими квантами и электронами на скорость звука и параметры позитронной аннигиляции в металлах, насыщенных водородом и содержащих дефекты, полученные путем пластической деформации.

При пластической деформации в металле появляется большое количество дисло каций и дефектов вакансионного типа. Установлено, что независимо от последо вательности операций деформация - наводороживание скорость звука (рис. 17 а) снижается с ростом степени деформации титана. Деформация оказывает значи тельно более сильное влияние на скорость звука, чем насыщение водородом. Удлине 3 Ti ние образца на 1% приводит приблизитель но к такому же изменению скорости звука ( зв, отн.ед.

а) на 0,5 %), как насыщение водородом в те чение 4-х часов при плотности тока 0, А/см2.

1 F 2 H+F 3 F+H Рис. 18. Скорость звука (а) и среднее время жизни позитронов (б) в Ti в зависимости от вели чины относительного удлинения титановых образ цов без насыщения Н (кривая F);

насыщенных во 1 F дородом, затем растянутых (кривая H+F);

растяну 170 2 H+F ср, пс тых и насыщенных водородом(F+H) 3 F+H 3 б) Как и следовало ожидать, механиче ское растяжение приводит к увеличению среднего времени жизни позитронов (рис.

18 б). Наиболее сильный рост ср происхо 0 2 4 6 8 дит на начальном этапе растяжения (от 1 до Относительное удлинение,% 2 %). Линейный рост среднего времени жизни наблюдается на участке от 2 до 10%. Таким образом, несмотря на разницу в физической природе результатов, полученных разными методами, отмечаются корреляции в изменении зв и ср от уровня накопления дефектов.

Наблюдается принципиальная разница в изменении дефектности титановых образцов в зависимости от последовательности операций: растяжение – наводо роживание – облучение. Установлено, что время жизни позитронов после облуче ния электронами и рентгеновскими лучами титановых образцов, в которые внача ле были внесены дефекты, а затем водород, увеличивается. При внесении дефек тов после насыщения образцов водородом при небольшом уровне дефектности (в области относительного удлинения 1 – 2 %) дефектность титана после облучения снижается, время жизни уменьшается (для электронов) либо не меняется (при рентгеновском облучении). При увеличении степени растяжения дефектность об лученных образцов по сравнению с необлученными возрастает. Проведенные ис следования показали, что в металлах при облучении происходят два конкурирую щих (встречных) процесса: с одной стороны, накопление радиационных дефек тов – разупорядочение структуры кристаллов;

с другой – аннигиляция дефектов, стимулированная мигрирующим водородом, упорядочение структуры кристаллов.

Эти процессы зависят от многих факторов: свойств самого материала, наличия примесей, скорости накопления водорода, дефектов и наведенной активности, температуры облучения. Движение водорода стимулирует диффузию атомов и ве дет к перестройке дефектной структуры металла.

2)растяжение+Н+R Рис. 19. Относительное измене ние времени жизни позитронов в титане 12 4)растяжение+Н+е после облучения электронами (кривые 3,4) и рентгеновскими квантами (кри вые 1, 2) в зависимости от величины от ср,% носительного удлинения образцов Титан ВТ- 1)Н+растяжение +R Область увеличения дефектности В наших исследованиях об лучение электронами и рентгенов Область снижения дефектности ским излучением проводили с 3)Н+растяжение+е - энергиями ниже порога дефекто 0 2 4 6 8 10 образования, поэтому новые де Относительное удлинение, % фекты в титане не возникали. Ме жду тем результаты исследований большинства образцов показали рост времени жизни позитронов после облучения, указывающий на увеличение дефектности ма териала. Такой результат может быть связан с интенсивной перестройкой дефект ной структуры, направленной на укрупнение имеющихся дефектов, или с движе нием дефектов после облучения из объема образца к поверхности (толщина об разца 3000 мкм, а глубина анализа методом ЭПА 150 – 200 мкм). Не исключено, что в центре этих образцов образуются области, дефектность которых будет, на оборот, снижаться.

При высоком уровне деформации (при 2 %) процесс накопления де фектов при облучении преобладает, поскольку в образце присутствует большое число крупных стабильных дефектов, созданных растяжением и не исчезающих при аннигиляции. Наоборот, при малых деформациях создается структура, содер жащая соизмеримое количество дефектов, созданных растяжением и внедрением водорода. Анализ полученных результатов проведен с использованием зависимо стей приращения времени жизни позитронов ср от величины относительного уд линения образцов (рис. 19) для облученных образцов, по сравнению с исходны ми (без облучения). На этом рисунке область положительных значений соответ ствует росту крупных дефектов, отрицательная – снижению дефектности титана.

Видно, что начальные участки кривых 1 и 2 (последовательность внесения дефек тов Н + растяжение) расположены в области, соответствующей снижению де фектности после облучения. Особый интерес вызывает снижение дефектности для всех четырех кривых при величине = 2 %.

Использование акустических методов оказалось весьма эффективным при исследовании и контроле конструкционных материалов, работающих в условиях воздействия радиационного облучения. Нами рассмотрена роль водорода в стиму лировании движения дефектов в релаксационных процессах при статическом на гружении и одновременном облучении нержавеющей стали 12Х18Н10Т и титана малыми дозами рентгеновского излучения (до 104 Р). Для этого использован метод 0, Нержавеющая сталь + Н Нержавеющая сталь + Н 0, Энергия импульса, мкВ с Амплитуда импульсов АЭ, В 0, 0, Облучение 0, Вкл Выкл 0, 0,10 облучение 0, 0, 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 Время, с Время, с Рис. 20. Амплитуда и энергия сигналов АЭ при облучении рентгеновскими квантами нержавеющей стали 12Х18Н10Т, насыщенной водородом. Стрелками показано время включения и выключения рентгеновского аппарата акустической эмиссии. Наибольшее внимание при исследовании уделяли исследо ванию релаксационных процессов, проходящих после выключения источника из лучения. Установлено, что вскоре после прекращения облучения, обычно через 10-20 секунд, наблюдаются сигналы АЭ высокой амплитуды и значительной энер гии (рис. 20). Предполагается, что появление таких сигналов АЭ связано с начав шейся интенсивной перестройкой дефектной структуры металла, стимулирован ного облучением в присутствии движущегося водорода. Для развития данного процесса был необходим некоторый инкубационный период, в течение которого некоторая часть водорода освобождается из ловушек. Основной причиной появ ления акустических импульсов, является отрыв водородных атмосфер от дислока ций, что является причиной их движения и инициирует появление акустических импульсов. На это указывают и наши данные по измерению скорости звуковых волн. Другим источником сигналов АЭ, предположительно, является аннигиляция пары вакансия - СМА.

5. Влияние водорода на захват имплантированного гелия в конструкционных материалы реакторов Важнейшую часть диссертационной работы составляют рассмотренные в пятой главе результаты исследования взаимодействия Н с гелиевыми дефектами в конструкционных материалах термоядерного реактора, которые наглядно демон стрируют связь водорода с дефектами, внесенными путем ионной имплантации.

Метод ядер отдачи наиболее подходит для этих исследований, поскольку позволяет Концентрация Не, х10 - 21ат/см Концентрация Н, х10 - 20ат/см Сталь 12Х18Н10Т 2,0 1, одновременно получать данные о распре делении водорода и гелия. Для изучения 1, дефектов, образованных при имплантации использован метод растровой микроско 1,0 1, пии, а также способ определения глубины разрушения материала путем декорирова 2 0, ния водородом гелиевых дефектов.

Наиболее интересным из получен 0, 0, ных результатов является снижение коэф 0,0 0,2 0, фициента захвата имплантированного ге Толщина, мкм лия в металле в присутствии растворенно Рис. 21. Распределение примесей Н (—) го водорода. Показано, что операции, при и Не ( - - - ) в приповерхностном слое водящие к чистке образца от водорода, образцов стали 12X18H10T, импланти рованных Не с энергией 30 кэВ дозой (отжиг, электрополировка, очистка по 51016 cм-2 при температуре: 1, 6 – 293;

верхности пучком ионов аргона) приводят к увеличению захвата гелия. На рис. 21 по 2, 5 – 673;

3, 4 – 723 К казаны профили распределения растворен ного водорода и гелия в нержавеющей стали при разных температурах импланта ции гелия. Высокому содержанию водорода соответствует самая низкая концен трация Не (при комнатной температуре внедрения). В работе предложена феноме нологическая модель, объясняющая ускоренную миграцию гелия в присутствии примеси водорода.

Известно, что водород хорошо захватывается дефектами, и профиль концен трации водорода в металле совпадает с распределением дефектов. Мы использо вали это свойство водорода для определения глубины разрушения материала под действием гелиевого блистеринга. Фазы разрушения поверхности металла при увеличении дозы внедренного гелия (рис. 22 слева) соответствуют вполне опреде Рис. 22. Этапы разрушения поверхности металла под действием гелиевого блисте ринга (слева), профили распределения водорода (сплошная линия) и гелия (пунктир) и мик рофотографии поверхности стали 0Х16Н15М3Б, облученной гелием дозой 1018 Не/см2 при температурах 300 (б) и 600 К (г) ленным профилям распределения водорода и гелия, измеренного методом ядер отдачи.

Положение максимума концентрации водорода определяет глубину разру шения (толщину крышек блистеров). Интегральная концентрация Н дает пред ставление о степени повреждения поверхности. Уширение поверхностного пика водорода обычно показывает степень шероховатости поверхности.

6. Роль электронной структуры в процессах неравновесной миграции водорода Экспериментальные исследования показали, что при воздействии ионизи рующего облучения ионным или электронным пучком, а также рентгеновскими квантами (в том числе и с энергией ниже энергии дефектообразования) наблюда ется неравновесный выход водорода из металла. В диссертационной работе пред ставлена феноменологическая модель, согласно которой предполагается, что, пе рейдя в возбужденное состояние, атомы водорода успеют уйти из своих регуляр ных положений и неравновесным образом продиффундировать в объёме образца, прежде чем электронная подсистема релаксирует к равновесию. Это оказывается возможным в силу исключительно малой энергии активации диффузии водорода и её квантового характера (туннельный эффект), проявляющегося в широком диапа зоне температур вплоть до комнатной. Одним из каналов снятия возбуждения бу дет передача импульса электрона атому водорода. Далее, полученная энергия пу тем колебательного обмена может эффективно перераспределяться между при месными атомами водорода. Таким образом, энергия излучения, в отличие от тер мического нагрева, может быть передана водородной подсистеме практически без передачи энергии матрице металла. Это приведет к ослаблению связи металл водород и выходу водорода из металла.

Характеристика совокупности примесных атомов водорода как отдельной подсистемы металла объясняется её особыми коллективными свойствами. Напри мер, возможность изменения фазового состава этой подсистемы (от газа до твер дого раствора внедрения) путем изменения температуры или количества примес ного водорода. Формирование структуры собственно водородной подсистемы в металле, т.е. возможность занимать определенные энергетически устойчивые по ложения, осуществляется путем упругого или деформационного (дальнодейст вующего) взаимодействия между атомами металла и водородом и короткодейст вующего электрохимического взаимодействия. Кроме того, следует учитывать взаимные связи между атомами водорода, растворенного в металле.

Предположение о возможности передачи энергии от электронной к водо родной подсистеме основывается на результатах расчетов (из первых принципов) электронной структуры систем палладий-водород и титан-водород. Для расчета был выбран метод линеаризованных присоединённых плоских волн в скалярно релятивистской версии. К достоинствам метода относятся: точность расчета, хо рошая сходимость, способность рассматривать потенциалы общего вида без вве дения приближений для их формы, лёгкость, с которой могут быть учтены реляти вистские эффекты.

Установлено, что наличие водорода приводит к существенной перестройке электронного спектра. На рис. 23 показаны спектральные распределения плотно сти электронных уровней титане для -фазы системы Ti-H со стабильной (тетраэд рической) и не стабильной (октаэдрической) координацией атомов водорода, а так же для чистого титана в структуре ГЦК. Как видно из рис. 23, связь между атома ми водорода и титана осуществляют появляющиеся при растворении водорода гибридизованные sH–sTi, sH–pTi и sH-dTi металл-водородные состояния. Тот факт, что состояния, локализованные на водороде (связывающие и антисвязы вающие), разделены запрещенной щелью, говорит о ковалентном характере связи металл-водород. Особенно хорошо это просматривается для случая октаэдриче ской координации атомов водорода. Ниже уровня Ферми и в области 10 эВ (выше уровня Ферми) в электронном спектре систем металл-водород образуются области повышенной плотности электронных состояний. Это приводит к появлению пика поглощения энергии излучения на уровне 13 эВ. Предполагается, что поглощен ная энергия с электронных связей металл-водород передается атомам водорода.

При этом происходит интенсивная диффузия и выход водорода из металла.

Из расчета мнимой части диэлектрической проницаемости 2(), характери зующей поглощение излучения зонными электронами кристалла видно, что нали чие водорода в решетке металла способствует повышению степени поглощения энергии излучения кристаллом. Известно, что коэффициент поглощения электро а) б) 4 3d 3d 2 Плотность состояний (эВ-1) 1 0 0.4 p 0.4 p 0.3 0. 0.2 0. 0.1 0. 0.0 0. 0.4 s 0.4 s 0.3 0.3 H 0.2 0.2 Ti 0.1 0. 0.0 0. 3 Total Ti 3 Total TiH 2 ГЦК 1 -10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 E – EF F (eV) E – EF F (eV) в) г) 4 3 d 3 d 2 1 0 0.5 0. p p 0.4 0. 0.3 0. 0.2 0. 0. 0. 0. 0.5 0.4 s s H 0.4 H 0.3 Ti 0.3 Ti 0. 0.2 0. 0.1 0. 0. 3 TiH 3 Total Total TiH 2 oct. 0 -10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 E - EF (eV) E - EF (eV) Рис. 23. Рассчитанные полные, локальные и парциальные плотности элек тронных состояний: а – чистый титан в ГЦК структуре;

б - -TiHх с х =1,0;

в - -TiHх с х = 1,0 (октаэдрическая координация);

г - -TiH магнитного излучения однозначно связан с мнимой частью диэлектрической проницаемости среды = 2 /nс.

Таким образом, при растворении водорода повышается способность металла поглощать энергию облучения, обнаружены гибридизованные металл-водородные состояния, способные на некоторое время аккумулировать эту энергию.

Приложение. Изучение эрозии поверхности при наводороживании нержавею щей стали и титана В приложении приведены данные по исследованию эрозии поверхности ти тана и нержавеющей стали при электролитическом насыщении водородом. Пока зано, что изменения поверхности титана, вызванные внедрением атомов водорода, отмечаются уже на первых минутах. Для нержавеющей стали, в отличие от титана, при времени насыщения водородом менее 1 часа заметной эрозии поверхности не наблюдается. При времени насыщения три часа и более обнаружено проявление границ зерен металла, вспучивание отдельных участков поверхности, а также от слоение пластин металла неправильной формы. Распухание и флекинг поверхно сти нержавеющей стали подобны эрозии, происходящей при облучении поверхно сти полиэнергетическими пучками водорода. По-видимому, дефекты в объеме ма териала сосредоточены по границам зерен, в результате чего происходит прояв ление их границ. Термоволновая микроскопия показала, что изменение плотности материала на границах зерен наблюдается и в глубине образца, в областях, где ме талл не контактирует с электролитом. Показано, что использование интерферен ционной микроскопии имеет хорошие перспективы для проведения количествен ного анализа изменений рельефа поверхности, вызванного внедрением водорода.

Установлено, что насыщение металла водородом перед деформацией приводит к увеличению степени деформации поверхности.

Основные результаты 1. Разработана оригинальная методика измерений сечений упругого рассеяния и получены данные о резонансах в функциях возбуждения упругого рассеяния ио нов 12С, 14N, 16O с энергией 0,5 1 МэВ/нуклон на ядрах водорода. Сравнение с расчетными данными показало, что измеренные сечения упругого рассеяния име ют существенные отличия от резерфордовских. Этот факт указывает на то, что взаимодействие ускоренных ионов с ядрами водорода в рассмотренном диапазоне энергий носит сложный характер и для его описания необходимо учитывать как кулоновские, так и ядерные силы. Полученные результаты использованы в дис сертационной работе для извлечения количественной информации о распределе нии и интегральной концентрации водорода и получения данных о природе взаи модействия примесных атомов водорода с атомами матрицы.

2. Написаны программы, позволяющие извлекать информацию о распределении концентрации и сечениях рассеяния из энергетических спектров ядер отдачи.

3. Разработаны новые неразрушающие методы анализа изотопов водорода, обла дающие высокой чувствительностью и позволяющие получать количественную информацию о распределении примеси водорода по глубине материала. Методы основаны на использовании резонанса 1,735 МэВ в упругом р 12С рассеянии и резонанса 2,1 МэВ в d рассеянии. Теоретически изучены аналитические харак теристики предложенных методов. Физической основой методов служат экспери ментальные и теоретические данные о взаимодействии легких ядер с энергиями ниже кулоновского барьера с твердым телом.

4. Разработана новая методика изучения миграции изотопов водорода под дейст вием ионных пучков. Установлено, что при облучении систем металл-водород ус коренными ионами азота с энергий 12 16 МэВ и плотностью тока 0,01 0, мкА/см2 наблюдается три основных вида зависимостей изменения содержания во дорода в приповерхностной области материала от дозы облучения: линейная зави симость, экспоненциальное снижение содержания Н и зависимость, представляю щая собой сумму двух экспонент. Дано физическое обоснование природы полу ченных зависимостей.

5. На примере экспериментального исследования нержавеющих сталей и сплавов Ti и V установлено, что имплантация гелия меняет характер зависимости концен трации водорода от дозы облучения ионным пучком. Для сплавов Ti и V общей тенденцией с ростом дозы внедрения гелия является переход от незначительного накопления водорода в приповерхностной области к постепенному спаду, а далее к резкому снижению концентрации Н (при дозе 6х1017 Не/см2). Для сталей, на оборот, наиболее сильное снижение концентрации в начальный момент облучения наблюдается для низких доз облучения гелием (и для исходного материала). Ре зультат объясняется различием в природе связей водорода с дефектами. В стали с ростом дозы гелия накопление Н идет в полостях гелиевых микропузырей, где во дород находится в адсорбированном виде или в виде молекул. В то время как в сплавах большое количество Н может присутствовать в растворенном виде и виде гидридов, имеющих более слабые связи с атомами металлов.

6. Установлено, что наличие в металле растворенного водорода снижает захват имплантированного гелия. Удаление водорода из металла путем вакуумного от жига, длительного распыления поверхности ионами аргона или электрополировки приводит к увеличению пиковой концентрации гелия в приповерхностной области и ускоренному разрушению материала под действием гелиевого блистеринга. По казано, что перераспределение гелия связано с изменением профиля распределе ния дефектов в области внедрения. Предложена феноменологическая модель, объ ясняющая закономерности динамики накопления имплантированного гелия при наличии в металле примесного водорода.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.