----------------□ □-------------------
У статті розглянуто розрахунок та конструкцію накладного вихорострумового датчика для вимірювання електропровідності металевих зразків. Виявлено зміну електропровідності сплаву Д16 після опромінення сильнострумовим релятивістським електронним пучком. Досліджено зміни в розподілі валентних електронів сплаву Д16.
Ключові слова: вихорострумовий датчик, валентні електрони, електропровідність.
□--------------------------------□
В статье рассмотрен расчет и конструкция накладного вихретокового датчика для измерения электропроводимости металлических образцов. Определено изменение электропроводимости сплава Д16 после облучения сильноточным релятивистским электронным пучком. Исследовано изменение в распределении валентных электронов сплава Д16.
Ключевые слова: вихретоковый датчик, валентные электроны, электропроводимость.
□--------------------------------□
Calculation and a design of attachable eddy current detector for electroconductivity measurement of metal samples is considered in article. Change of electroconductivity of alloy D16 after an irradiation by hightcurrent relativis-tic electron beam is defined. Change in valency electrons distribution in alloy D16 is investigated.
Keywords: eddy current detector, valency electrons, electroconductivity. ----------------□ □-------------------
УДК 537.8:621.715:539.376
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕННИЯ СИЛЬНОТОЧНЫМИ РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
СПЛАВА Д16
С. Е . Донец
Младший научный сотрудник*
В. В. Литвиненко
Доктор технических наук, старший научный сотрудник,
ученый секретар*
Ю. Б. Полторацкий
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник*
А. Г. Пономарев
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ННЦ**
В. Т. Уваров
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ННЦ** *Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины ул. Гуданова, 13, г. Харьков, 61002 Контактный тел.: (057) 700-41-11 **Харьковский физико-технический институт НАН Украины ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108 Контактный тел.: (057) 335-66-49
1. Введение
Взаимодействие сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП) с металлическими мишенями представляет достаточно сложную последовательность процессов на уровне электронной и ионной подсистем, инициируемых радиационными и ионизационными потерями энергии частиц. Результатом такого взаимодействия является изменение эксплуатационных свойств облучаемых объектов — пластичности, коррозионной и эрозионной стойкости, микротвердости и др. На микроуровне одним из проявлений последствий воздействия СРЭП является измельчение зеренной структуры вплоть до наномасштабных размеров [1], перераспределение элементов на границах зерен [2] и др. В этой связи сильноточные электронные пучки рассматриваются как перспективный инструмент модификации свойств твердых тел и создания новых радиационных нанотехнологий.
Использование СРЭП для получения компонентов новых электротехнических материалов, например, нано-
порошков, пористых металлов и др. предполагает необходимость контроля электрической проводимости, поскольку известно [3], что стимулируемая излучением эволюция дислокационной структуры приводит к изменению проводимости сплавов. В случае же воздействия на сплавы СРЭП мы можем ожидать проявления более сложных механизмов, приводящих к изменению свойств облучаемого объекта ввиду комплексности воздействия (радиационное, температурное, ударно-волновое, электромагнитное).
2. Постановка задачи и методы исследования
Ввиду комплексности требований к материалам с модифицированными свойствами при их последующей эксплуатации, достаточно высокой стоимости энергии СРЭП, что важно для прогнозирования рентабельности будущего технологического процесса, уже на стадии разработки научных основ новых технологий представляет-
3
ся важной задача разработки неразрушающих методов оценки свойств сплавов после облучения в том числе определения их электрофизических свойств. Превращения в сплаве Д16 под действием СРЭП (энергия электронов -350 кэВ, ток пучка ~2 кА, длительность импульса ~5 мкс) изучались авторами в работах [1, 2], поэтому представляется уместным дополнить эти исследования изучением модифицирующего воздействия на электрофизические характеристики — электрическую проводимость и распределение спектра валентных электронов. Для измерения электрической проводимости целесообразно применить вихретоковый метод. Для чего необходимо рассчитать и изготовить накладной вихретоковый датчик. Наличие такого датчика позволит сопоставить результаты измерения проводимости с ранее известными фактами измельчения зёренной структуры сплава и перераспределением легирующих примесей, а также с измеренными спектрами распределения валентных электронов. В основу расчета измерительной схемы для оценки электрической проводимости положены известные значения глубины модифицирующего воздействия, составляющие порядка 400 мкм.
3. расчет и конструкция накладного вихретокового датчика
В качестве вихретокового датчика был выбран накладной абсолютный трансформаторный преобразователь, для которого, в отличие от параметрического, выходной сигнал значительно меньше зависит от температуры преобразователя. Схематически такой преобразователь с исследуемым объектом представлен на рис. 1.
Поскольку сторонний ток изменяется по закону синуса (такой ток создает монохроматическое электромагнитное поле), то выражение для векторного потенциала А определяется [4]:
1
0ЮО - Ю2£0£отн)' А + Ух
ЦоЦо
-УхА — J
Измеряемый образец
Рис. 1. Расчетная модель вихретокового преобразователя
В проводящей среде токи смещения малы по сравнению с другими составляющими полного тока. В неподвижной, относительно электромагнитного тока среде токи переноса отсутствуют. Тогда плотность полного тока определяется:
стор )
где ,|стор — плотность сторонних токов;Е — вектор напряженности электрического поля;о — проводимость среды.
где j — мнимая единица; ю — круговая частота; £0£отн — диэлектрическая проницаемость среды; Ц0Цотн — магнитная проницаемость среды.
Т. к. задача обладает осевой симметрией, существуют только у-составляющие векторов плотности тока и векторного потенциала.
На рис. 2 представлена схема, примененная для объединения конечноэлементной модели и внешней цепи (диод и вольтметр приняты идеальными).
Конечноэлементнэя модель Рис. 2. Расчетная схема преобразователя
Для изображенной схемы справедливы следующие уравнения:
^1 ' + ивх — £ ;
—ивых + ^2 ' — °.
Поскольку катушка намотана тонким проводом, то распределением плотности тока по сечению витка пренебрегаем, и принимаем однородным. Ток витка определяется следующим образом ( Sв — площадь поперечного сечения витка, } — плотность тока в катушке, Е — комплексная амплитуда напряженности электрического поля):
Считая, что длина витка 1В, получим:
Е — ^юА + ,
1в
тогда
ів —-j'Ю' \ А ^ + 0^-^ ,
* ІВ
откуда
и в —
О' SF
ів + j' Ю' | А' dS
зв
Для катушки, имеющей N витков: и к — ЯК' 1К + j' Ш' £ | к' dS,
1=1 Эв]
где Як — сопротивление катушки постоянному току
в
Е
С учетом последнего выражения Nl
ir Zl + Rкl• il + j-ю Z j Л■ dS = є;
N2
-К-к2 ■ І-2 - j j Л dS + i2 ■ .?н = 0.
i=1Sвi
Таким образом, окончательная система уравнений имеет вид:
(jwa - ю2є0єотн) ■ Л + Vx
1
Ц ОЦ о
^хЛ = J,
ii =
i2 = ■
Nl
є - j^Z j Л■ dS
________i=1 Sвi
Zl + R-кі N2
j^Z j Л■ dS
i=! Зві
где Jc
Zh К-к2 i1 7
-^-!-• 1v, в первичной катушке; ^1
І2 7 u
1ш, во вторичной катушке;
^2
О, во всех других проводниках.
Поскольку датчик должен работать на высоких частотах, то важным является уменьшение его паразитной емкости. Этого можно добиться выбором наиболее оптимального расположения катушек и применением материалов с наименьшей диэлектрической проницаемостью. Для каркаса катушки была выбрана пропарафиненная бумага, катушка после намотки заливалась парафином. Внешний вид катушки изображен на рис. 3.
Для локализации магнитного поля и уменьшения диаметра зоны контроля катушки помешены в экран из меди. К выводам катушек припаяны кабели. Вся конструкция в сборе представлена на рис. 4.
Структурная схема измерительного стенда представлена на рис. 5.
Генератор тока на основе высокочастотного генератора Г4-153 позволяет в плавных пределах изменять частоту вынуждающего тока от 40 кГц до 10 МГц.
Рис. 3. Внешний вид сборки измерительной и возбуждаюшей катушек
Рис. 4. Внешний вид вихретокового датчика
Рис. 5. Структурная схема измерительного стенда: генератор синусоидального тока; 2 — вихретоковый датчик; 3 — выпрямитель; 4 — регистрирующий прибор
Частота вынуждающего тока выбирается такой, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля в образец была меньше толщины переплавленного слоя.
Измерение проводимости образцов осуществляется по ГОСТ 27333-87.
4. Результаты измерения проводимости сплава Д16
В исходном состоянии для трех образцов сплава Д16 проводимость находилась в диапазоне (18,2...18,8) МСм/м.
Известно, что после облучения концентрация легирующих примесей в приповерхностном слое сплава увеличивается, по сравнению с исходными образцами [2]. Кроме этого в зоне воздействия СРЭП возникают эффекты, связанные с термическим воздействием и др. Измерение проводимости облученных образцов дало значения (15,9.16,6) МСм/м.
5. Измерение спектра валентных электронов сплава Д16
При облучении металлов основным является эффект уменьшения подвижности за счет введения новых центров рассеяния — радиационных дефектов и самих внедрившихся частиц. Так как с изменением температуры распределение электронов по энергиям в металле практически не изменяется, то сечение рассеяния электронов на этих дефектах от температуры не зависит и их вклад в увеличение сопротивления можно считать постоянным.
Исследования спектра валентных электронов поверхности образцов сплава Д16 проводились методом рентгеновской фотоэлектронной спектросокопии на спектрометре XPS-800 Kratos. Давление в камере прибора составляло 5 10-8 Торр. Фотоэлектроны возбуждались MgKa-излучением с энергией фотонов hv = 1253,6 эВ. Параметры активирующего рентгеновского излучения: U = 15 кВ, J = 20 мА. Кинетическая энергия электронов анализировалась полусферическим электростатическим анализатором. Разрешение спектрометра ~1эВ, точность определения энергии связи — 0,3 эВ. Спектры обрабатывались на компьютере: проводилось сглаживание, вычитание постоянного фона и фона неупругих потерь по методу (Shirley), удаление уширяющего действия рентгеновской линии (итерационная развертка) и разложение сложной линии на составляющие ее компоненты.
Толщина анализируемого слоя ~5 нм. Перед установкой в вакуум поверхность образца протиралась изопропиловым спиртом. Для уменьшения слоя углеводородных загрязнений образцы подвергались ионной бомбардировке в вакууме (Ar+, E = 2,5 кэВ, скорость распыления 100 А/мин).
Как видно из рис. 6, вследствие облучения поверхности, существенно изменяется спектр валентных электронов. Измерение электропроводимости вихретоковым методом показало ее уменьшение на ~10 %. Это можно объяснить как уменьшением зеренной структуры так и уменьшением энергии связи валентных электронов.
3
Binding energy, eV
Рис. 6. Спектры валентных электронов сплава Д16: овалы — до облучения, прямоугольники — после облучения
б. Выводы
Облучение сплава Д16 сильноточным релятивистским пучком электронов с энергией частиц Е ~ 350 кэВ, током пучка I ~ 2 кА, длительностью импульса т ~ 5 мкс приводит к уменьшению его электропроводимости на ~10 %, что сопровождается смещением спектра энергии связи валентных электронов в сторону меньших энергий,
-----------------□ □-------------------
Накладання освітлення і постійного електричного поля при формуванні інтеркалатних наноструктур неорганічний напівпровідник/рода-мін Ж приводить до: колосального росту діелектричної проникності; появи ефекту «від’ємної ємності»; акумулювання світлової енергії.
Ключові слова: інтеркаляція, імпе-дансна спектроскопія, родамін Ж.
□---------------------------------□
Наложение освещения и постоянного электрического поля при формировании интеркалатных наноструктур неорганический полупроводник/ родамин Ж приводит к: колоссальному росту диэлектрической проницаемости; появления эффекта «отрицательной емкости»; аккумулирования световой энергии.
Ключевые слова: интеркаляция, импедансная спектроскопия, родамин Ж.
□---------------------------------□
Applied illumination and constant electric field at the formation of interca-lative nanostructures «inorganic semiconductor/rhodamine G» leads to enormous growth of permitivity, onset of effect «negative capacity» and accumulation of light.
Keywords: Intercalation, impedance spectroscopy, Rhodamine G.
-----------------□ □-------------------
измельчением зеренной структуры, сегрегацией легирующих примесей на границах зерен.
Литература
1. Брюховецкий В. В. Влияние импульсного электронного облучения на параметры сверхпластичности дюралю-мина [Текст] / В. В. Брюховецкий, В. В. Литвиненко, В. Ф. Клепиков и др. // Физика и химия обработки материалов. — 2002. — № 4. — С. 33—38.
2. Арсенюк В. В. Стимулирование неоднородностей в сильноточных пучках электронов и их влияние на процессы массопереноса в облучаемых мишенях [Текст] / В. В. Арсенюк, Н. И. Базалеев, С. Е. Донец и др. // Вопросы атомной науки и техники, сер. ФРПРМ. — 2007. — № 6(91). — С. 116—119.
3. Данилов С. Е. Влияние стоков разного типа на радиационную повреждаемость аустенитных FeNi сплавов при электронном и нейтронном облучении [Текст] / С. Е. Данилов, В. Л. Арбузов, Б. Н. Гощицкий и др. // Вопросы атомной науки и техники, сер. ФРПРМ. — 2007. — № 2(90). — С. 43—47.
4. Сильвестер П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков [Текст] : пер. с англ. / П. Сильвестер, Р. Феррари. — М. : Мир, 1986. — 229 с.
УДК 539.2; 669.24
Т. М. Біщанюк
Студентка* ЕтаіІ: mouse.tania@gmail.com *Національний університет «Львівська політехніка» вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна 79013
ІНТЕРКАЛАТНІ НАНОСТРУКТУРИ КОНФІГУРАЦІЇ НЕОРГАНІЧНИЙ НАПІВПРОВІДНИК/РОДАМІН Ж
І. І. Григорчак
Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедрою Кафедра інженерного матеріалознавства та прикладної фізики
завідувач лабораторії Лабораторія молекулярної фізики та нано-енергетики* Контактний тел.: (032) 258-22-67 ЕтаіІ: Ivangr@rambler.ru
Ф. О. Іващишин
Молодший науковий співробітник* Кафедра інженерного матеріалознавства та прикладної фізики
ЕтаіІ: Fivash@i.ua
€