Метод угловой корреляции аннигиляционного излучения в изучении электронной структуры сплавов на основе свинца

Повышение требований к безопасности и надежности работы лдерных реакторов пооуждает к поиску новых носителей, обладающих преимуществами по сравнению с традиционными (вода, натрий и др.).

Одним из таких теплоносителей является жидкий свинец. Жидкий свинец по своим физико-химическим свойствам близок к эвтектическому сплаву свинец-висмут. Накоплен большой объем данных по физико-химическим, теплофизическим и др. Свойствам сплава. Имеется методическая и экспериментальная база, которая используется для обоснования применения свинца в качестве теплоносителя энергетических реакторов типа БРЕСТ-ОД-ЗОО.

В свинце растворяются многие химические элементы и соединения, в том числе и компоненты конструкционных материалов. Следствием этого может быть разрушение материалов и нарушение герметичности контура. Эффективное снижение скорости растворения (коррозии) материалов происходит при наличии на поверхностях сталей защитных пленок на основе оксидов железа, хрома. Жидкий свинец заметно взаимодействуют с кислородом. При этом могут образовываться шлаки (фазы, содержащие оксиды самого теплоносителя, компонентов конструкционных сталей и др.), который могут откладываться на поверхностях контура, ухудшать его теплогидравлические характреристики.

В данной работе приведены экспериментальные результаты для образцов двойных систем свинец-висмут в твёрдой и жидкой фазе и свинец-олово в твердой фазе, полученные методом позитронной аннигиляции. Показана применимость теории свободного электронного газа для поликристаллических образцов данных систем.

В последнее время рассматриваются проекты создания реакторов на быстрых нейтронах, в которых предполагается в качестве теплоносителя использовать Pb-Bi сплавы. Кроме этого, сплавы свинец-висмут широко используются при изготовлении коллиматоров различных устройств медицинской диагностики и терапии.

Актуальность темы

исследований.

Сплавы на основе свинца широко используются в различных областях науки и техники, например, при изготовлении устройств коллиматоров в медицинской диагностике и терапиив качестве перспективных теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах и т. д. Известно, что физико-химические свойства веществ определяются их электрошюй структурой. В данной работе приведены экспериментальные результаты, полученные методом позитронной диагностики для образцов двойных систем свинец-висмут и свинец-олово в поликристаллическом и жидком состоянии. Показана применимость теории свободного электронного газа для данных систем.

Метод позитронной диагностики интенсивно используются для исследования электронной структуры металлов и сплавов. Это связано с тем, что метод аннигиляции позитронов позволяет определять такие важные характеристики металлов, как распределение электронов по импульсам, энергию уровня Ферми Sf, число свободных электронов Zc, приходящихся на один атом металла, и их концентрацию пр в зоне проводимости. Эти характеристики во многом определяют механические, электрические и магнитные свойства металлов. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований методом угловых корреляций аннигиляциотюго излучения (УКАИ) доя образцов сплавов свинец-висмут в поликристаллическом и жидком состоянии и рассмотрены особенности механизма аннигиляции в них.

Целью диссертационной работы является.

1. Разработка методики проведения экспериментов на спектрометре угловых корреляции аннигиляционных у-квантов с длиннощелевои геометрией для бинарных систем.

2. Разработка методики изготовления возобновляемого интенсивного источника медленных позитронов на основе (п, у)-реакции в медной фольге и проведения экспериментов на автоматизированном спектрометре угловых корреляций аннигиляционных у-квантов, собранного на базе реактора МИФИ.

3. Разработка математических программ предварительной обработки и коррекции спектров угловых корреляций для бинарных систем, учитывающих распад источника позитронов и поглощение аннигиляционных у-квантов в исследуемых образцах.

4. Получение новых экспериментальных результатов для сплавов на основе свинца, расширяющих область применения методов позитронной диагностики.

Основные результаты работы.

1. На базе реактора МИФИ собран спектрометр угловых корреляций аннигиляционных у-квантов с длиннощелевои геометрией с использованием изотопа Си-64 в качестве источника позитронов и разработана методика проведения экспериментов по исследованию сплавов свинца в поликристаллическом и жидком состоянии.

2. Разработаны математические программы предварительной обработки и коррекции спектров угловых корреляций, учитывающих распад источника позитронов Си-64, поглощение аннигиляционных у-квантов в исследуемых образцах и изменение фоновых условий во время проведения экспериментов, что повысило точность и надёжность получаемых результатов.

3. Изучены зависимости параметров спектров угловых корреляции аннигиляционных у-квантов в сплавах свинец-висмут и свинец-олово в поликристаллическом и жидком состоянии.

4. Показана применимость теории свободного электронного газа для данных бинарных систем.

Научная новизна результатов работы.

1. Впервые изучены зависимости параметров спектров угловых корреляций аннигиляционных у-квантов в сплавах свинец-висмут и свинец-олово в поликристаллическом состоянии при концентрации РЪ 0% < Срь <100% и показана применимость теории свободного электронного газа для данных бинарных систем.

2. Впервые изучены зависимости параметров спектров угловых корреляций аннигиляционных у-квантов в сплавах свинец-висмут в жидком состоянии при концентрации РЪ 0% < Срь <100%. Экспериметальные спектры имеют дополнительную гауссовую компоненту с =7,5мрад, близкую по значению к углу (c)f ~ бмрад. Полученные экспериметальные данные позволяют сделать вывод о частичной применимости теории свободного электронного газа для данного состояния сплава.

3. Получены экспериментальные данные о влиянии поглощения аннигиляционных гамма-квантов в исследуемых образцах на спектры угловых корреляций и предложен алгоритм коррекции возникающих искажений, на основании которого разработаны математические программы предварительной обработки и коррекции спектров угловых корреляций, учитывающих распад источника позитронов Си-64, поглощение аннигиляционных у-квантов в исследуемых образцах и измените фоновых условий во время проведения экспериментов, что повысило точность и надёжность получаемых результатов.

Научная и практическая ценность работы.

1. На базе реактора МИФИ собран автоматизированный спектрометр угловых корреляции аннигишщионных у-квантов с длиннощелевой геометрией, обладающий высоким пространственным разрешением и светосилой. Отработан способ приготовления возобновляемого интенсивного источника медленных позитронов на основе (п, у)-реакции в медной фольге с активностью до 1,5−101ОБк. Это позволило не только существенно сократить время проведения экспериментов, но проводить исследования при различных температурах образцов (or 300К до 800К).

2. В результате проведенных исследований показано, что в сплавах свинец-висмут и свинец-олово в поликристаллическом и жидком состояниях при концентрации РЬ 0% < Срь <100% значения энергии Ферми близки к предсказаниям теории свободного электронного газа.

3. Полученные экспериментальные результаты могут найти применения в различных областях науки и техники при исследовании структуры металлических сплавов и интерметаллитных соединений, возникающих, например, при наводораживаниипри изготовлении различных коллимационных устройств, токопроводящих и защитных покрытий в медицинском приборостроениив качестве перспективных теплоносителей для ядерно-энергетических установок на быстрых нейтронах.

4. Полученные экспериментальные данные о влиянии поглощения аннигиляционных гамма-квантов в исследуемых образцах и предложенный уточнённый алгоритм коррекции поглощения совместно с коррекцией спектров угловых корреляций на распад источника позитронов Си-64 и изменение фоновых условий во время проведения экспериментов позволили повысить точность измерения импульса Ферми электронов и надёжность получаемых результатов.

На защиту выносятся следующие основные положения;

1. Методика изготовления возобновляемого интенсивного источника медленных позитронов на основе (п, у)-реакции в медной фольге и проведения экспериментов на автоматизированном спектрометре угловых корреляций аннигиляционных у-квантов, собранного на базе реактора МИФИ.

2. Алгоритм коррекции искажений спектров угловой корреляции, возникающих из-за поглощения аннигиляционных /-квантов в образце, распада короткоживущего источника позитронов Си-64 и изменения фоновых условий во время проведения эксперимента.

3. Результаты экспериментального изучения методом аннигиляции позитронов электронной структуры сплавов свинец-висмут и свинец-олово в поликристаллическом и жидком состояниях при изменении концентрации РЬ в сплаве от 0% до 100%.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях МИФИ (2006,2007 гг.), школе — семинаре ИТЭФ (2007г).

Публикации.

Материал диссертации основан на работах, опубликованных в период с 2006 по 2007 гг. в российских журналах и сборниках научных конференций МИФИ. Количество работ по теме диссертации, опубликованных за этот период и использовашшх в диссертации 5, все приведены в автореферате.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В конце каждой главы содержатся выводы, основные выводы диссертации приведены в заключении. Материал изложен на 96 страницах, включая 15 таблиц и 31 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 45 наименований. Полный объем диссертации 100 страницы.

Выводы к главе 4:

1. Впервые изучена зависимость параметров спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов в сплавах свинец-висмут и свинец-олово с концентрацией свинца от 0% до 100% в поликристаллическом состоянии:

— показано, что в этих сплавах образуется единая зона проводимостипричём энергия Ферми в Pb-Bi сплавах монотонно меняется от 9,29 эВ (для 100% РЬ) до 9,66 эВ (для 100% Bi), а в Pb-Sn сплавах — от 9,46 эВ (для 100% РЬ) до 10,21 эВ (для 100% Sn);

— вероятность аннигиляции позитронов с электронами проводимости практически не зависит от концентрации компонент сплавов и равна ~ 63% (Pb-Bi) и ~ 45+10% (Pb-Sn);

— показано, что для Pb-Bi и Pb-Sn сплавов в поликристаллическом состоянии экспериментальные данные согласуются с результатами расчетов в рамках модели свободного электронного газа.

2. Впервые изучена зависимость параметров спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов в сплавах свинец-висмут с концентрацией свинца от 0% до 100% в жидком состоянии;

— показано, что в сплавах в жидком состоянии также образуется единая зона проводимости, энергия Ферми меняется от 8,74 эВ (для 100% РЬ) до 9,26 эВ (для 100% Bi);

— вероятность аннигиляции позитронов с электронами проводимости немонотонно изменяется в зависимости от концентрации компонент сплавов в пределах 35±10%;

— вклад остовных электронов описывается суммой двух гауссов, что указывает на более сложную электронную структуру в жидких сплавахпричем в Pb-Bi сплавах в жидком состоянии экспериметальные спектры угловой корреляции имеют дополнительную гауссовую компоненту, а = 7,5 мрад, близкую по значению к углу 0 °F ~ 6 мрад.

— значение энергии Ферми примерно на 5%, а эффективную валентность на (4−8) % меньше, чем предсказывает теории свободного электронного газа, что говорит о частичной применимости теории свободного электронного газа для данного состояния сплава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы были проведены экспериментальные исследования, направленные на развитие метода позитронной диагностики, позволившие решить ряд задач методического и исследовательского характера.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Показано, что на собранном на базе реактора МИФИ спектрометре угловых корреляций аннигиляционных гамма-квантов с длиннощелевой геометрией, обладающим высоким пространственным разрешением и светосилой при использовании разработанной методики проведения экспериментов можно проводить исследования металлов и сплавов при различных температурах:

— реализован способ приготовления высокоэффективного источника медленных позитронов Си-64 на основе (и, у)-реакции в медной фольге активностью ло 1.5-Ю10Бк. что существенно сокоатило воемя поовеления экспериментов и дало возможность проводить исследования при различных.

ТСмПСраТурал ииралди^,.

— автоматизированный измерительный комплекс на базе ЭВМ, одновременно с управлением спектрометром осуществляет накопление экспериментальных данныхконструкция центра спектрометра позволяет проводить эксперименты в температурном диапазоне от 300К до 800К;

— предложена методика измерения полного спектра угловой корреляции, состоящего из набора нескольких спектров с небольшой статистикой, позволившая существенно снизить влияние таких факторов, как распад источника позитронов во время набора спектров, нестабильность работы электронного тракта спектрометра, особешюсти фоновых условий на реакторе.

2. Разработаны программы предварительной обработки и коррекции спектров угловых корреляций, учитывающих распад источника позитронов.

Cu-64, поглощение аннигиляционных у-квантов в исследуемых образцах и изменение фоновых условий во время проведения экспериментов, что повысило точность и надёжность получаемых результатов, в частности, энергии Ферми электронов.

3. Впервые изучена зависимость параметров спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов в сплавах свинец-висмут с концентрацией свинца от 0% до 100% в поликристаллическом состоянии:

— показано, что в этих сплавах образуется единая зона проводимости, причём энергия Ферми монотонно меняется от 9,29 эВ (для 100% РЬ) до 9,66 эВ (для 100% Bi);

— вероятность аннигиляции позитронов с электронами проводимости практически не зависит от концентрации компонент сплавов и равна ~ оЗ%;

— получено хорошее согласие экспериментальных данных с расчётными в рамках теории свободного электронного газа.

4. Изучена зависимость параметров спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов в сплавах свинец-олово с концентрацией олова 0% < Срь < 100% в поликристаллическом состоянии:

— энергия Ферми в этих сплавах монотонно меняется от 9,46 эВ (для 100% РЬ) до 10,21 эВ (для 100% Sn);

— вероятность аннигиляции позитронов с электронами проводимости практически не зависит от концентрации компонент сплавов и равна ~ 63%;

— в пределах точности эксперимента показана применимость теории свободного электронного газа для данных сплавов.

5. Впервые изучена зависимость параметров спектров угловой корреляции аннигиляционных гамма-квантов в сплавах свинец-висмут с концентрацией свинца от 0% до 100% в жидком состоянии:

— показано, что в сплавах в жидком состоянии также образуется единая зона проводимости, энергия Ферми меняется от 8,74 эВ (для 100% РЬ) до 9,26 эВ (для 100% Bi);

— вероятность аннигиляции позитронов с электронами проводимости немонотонно изменяется в зависимости от концентрации компонент сплавов в пределах 35±10%;

— вклад остовных электронов описывается суммой двух гауссов, что указывает на более сложную электронную структуру в жидких сплавах;

— значение энергии Ферми примерно на 5%, а эффективную валентность на (4−8) % меньше, чем предсказывает теории свободного электронного газа, что говорит о частичной применимости теории свободного электронного газа для данного состояния сплава.

Научная ценность и практическое значение результатов, полученных в данной работе, подтверждает эффективность использования метода позитронной диагностики вещества и расширяет область ее использования. Положения и выводы диссертации позволили лучше понять характер взаимодействия позитронов.

В заключении выражаю свою благодарность и признательность моему научному руководителю профессору, д.ф.-м.н. В. Н. Беляеву, доценту кафедры, к.ф.-м.н. Ю. В. Штоцкому и старшему преподавателю кафедры Л. Ю. Дубову за постоянное внимание и помощь в работе. Я также очень признателен всем сотрудникам МИФИ и ИТЭФ за тот вклад, который они внесли в выполнение этой работы.