авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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 | 3 |

Методы магнитной микроскопии и их применение в экспериментальной физике

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 539.1.07

Маркин Александр Иванович

МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ МИКРОСКОПИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Троицк 2013

Подписано в печать __ __ __. Формат 60х90/16

Печать офсетная. Усл. печ. л.1,75

Тираж 65. Заказ 54

Отпечатано в ХХХХХХХХ

ХХХХХХХХХХХХХХХХ

На правах рукописи

Маркин Александр Иванович

МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ МИКРОСКОПИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Троицк – 2013

Работа выполнена в Отделении физики токамаков реакторов Государственного научного центра Российской Федерации Троицкого института инновационных и термоядерных исследований.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Д.Д. Малюта, директор ОИП, ГНЦ РФ ТРИНИТИ

доктор физико-математических наук, профессор

Л.Б. Беграмбеков, профессор НИЯУ МИФИ

Доктор технических наук, профессор

Б.А. Гурович,

Ведущая организация:

ВНИИНМ имени А.А. Бочвара

Защита состоится «» «………..» 2013 г. в ____________ на заседании диссертационного совета ДС 520.009.06 по адресу:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке.

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ___________

доктор физико-математических наук ФИО

І. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Методы получения увеличенных или уменьшенных изображений поверхностей объектов в течении длительного времени являлись и являются одним из основных способов изучения структуры материалов, происходящих в них процессов, вызывают наибольший интерес в связи с развитием и разработкой нанотехнологий и вносят существенный вклад в исследования. Современный этап исследований и проводимых физических экспериментов по изучению структуры различных объектов предполагает комплексный подход с одновременным использованием нескольких методов наблюдения физических процессов в том числе и по эмиссионной способности поверхностей и тонких пленок для получения более точной и достоверной информации. Особую значимость для развития атомной, термоядерной и водородной энергетики получили исследования распространения и удержания изотопов водорода (протия, дейтерия и трития) в материалах, представляющих наибольший интерес для энергетики будущего. Исследования процессов насыщения и диффузии водорода в перспективных металлах методами магнитной микроскопии с высоким разрешением и чувствительностью позволяют расширить наши представления о структуре поверхностей и приповерхностных слоев и направить усилия на совершенствование их характеристик. Таким образом, рассмотренная в диссертации тема является актуальной.



Задачей диссертационной работы является экспериментальное изучение и описание физических механизмов формирования и транспортировки увеличенных и уменьшенных изображений поверхностей объектов, эмитирующих заряженные частицы от исследуемой поверхности к регистрирующему экрану, а также разработка нового способа исследования насыщения и диффузии изотопов водорода в металлах с применением метода меченых атомов.

В диссертационной работе рассматриваются четыре основных направления исследований:

1. Получение увеличенных изображений в магнитном микроскопе и получение уменьшенных изображений в магнитовизоре.

2. Исследование условий достижения максимальной разрешающей способности метода магнитной микроскопии.

3. Исследование условий формирования изображений поверхностей материалов с различной электронной эмиссионной способностью.

4. Исследование процессов насыщения и диффузии водорода (трития) в металлах, использующихся в ядерной и термоядерной энергетике.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Представлен способ визуализации поверхности объекта, эмитирующей заряженные частицы – магнитный микроскоп, изобретенный автором (с соавторами Е.Г. Утюговым и В.Е. Черковцом). Проведено его аналитическое и экспериментальное рассмотрение.
  2. Разработан, теоретически обоснован и создан новый тип микроскопа – магнитный микроскоп, получены изображения с увеличением ~50.
  3. Теоретически обосновано, разработано и создано новое устройство (магнитовизор) для получения уменьшенных изображений, получены изображения больших поверхностей.
  4. Разработана с применением магнитного микроскопа новая методика подробного исследования детальной структуры диффузионного распределения трития в металлах. Проанализирована структура распределения, состоящая из приповерхностного слоя, следующего за ним провала, участка классического диффузионного распределения и далее подножия межзёренной диффузии.
  5. Установлена общая модель диффузионного распространения водорода по глубине для ряда металлов.
  6. Установлено существенное влияние плёнок из металлов с отрицательной энергией активации на уровень насыщения водородом металла с положительной энергией активации.
  7. Установлено взаимодействие изотопов водорода (протий-тритий) в поликристаллической структуре металлов, что открывает новые возможности в экологии трития, в том числе для ограничения его выхода в окружающую среду.
  8. Проведено изучение возможностей новых способов удаления (дезактивации) трития из металла: метод лазерного импульсного удаления из поверхностного слоя и способ предварительного насыщения нерадиоактивным изотопом водорода.

Научное и практическое значение работы:

Показано, что использование принципа адиабатически инвариантного движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле позволяет создать метод транспортировки изображений на значительные (в выполненных экспериментах до 1 м) расстояния и без применения высоковольтного оснащения.

Применение магнитного микроскопа позволяет проводить детальные исследования распределения эмитирующей способности поверхности с разрешением ~30 мкм и чувствительностью до 1 эл/см2сек

Разработанный способ получения уменьшенных изображений в магнитовизоре позволяет применять его в замкнутых сосудах – оборудование вакуумной камеры термоядерного реактора или в космосе (в вакуумных условиях) - для получения информации о распределении радиоактивных загрязнений.

Комплексное применение методов магнитной микроскопии и авторадиографии или радиолюминографии позволяет получать дополнительную информацию о распределении трития при исследовании его распределения в приповерхностном слое и по глубине материалов.

При помощи магнитного микроскопа можно получать информацию о распределении в поверхностном слое для всех - и - радиоактивных изотопов в виде двумерных изображений.

Применение магнитного микроскопа дает возможность изучать детальную структуру распределения трития по глубине материалов.

Применение напыленных пленок с отрицательной энергией активации дает возможность насыщать металлы водородом до концентрации твердого тела.

Применение магнитного микроскопа открывает новые возможности для получения количественных характеристик насыщения и диффузии водорода в металлах и сплавах.

Предварительное внедрение одного изотопа водорода (на примере протия) в металле ограничивает внедрение трития в первую стенку термоядерного реактора.

Метод насыщения металлов водородом (тритием) является новым диагностическим средством для изучения структуры поверхности и приповерхностного слоя в микро- и нано- диапазоне.

Достоверность и обоснованность результатов исследований обусловлена тем, что анализ базируется на хорошо известных в физике плазмы условиях адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле и экспериментальном подтверждении результатов проведенного анализа условий получения как увеличенных (магнитный микроскоп), так и уменьшенных (магнитовизор) изображений. Экспериментальные данные по детальному распределению трития в различных металлах и его диффузионным характеристикам нашли подтверждение в работах как российских, так и зарубежных авторов. Полученные автором материалы прошли апробацию на видных российских и международных форумах, опубликованы, в том числе, и в ведущих журналах по физике, энергетике, приборостроению и материаловедению, что также подтверждает обоснованность и надежность полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Возможность формирования увеличенных (уменьшенных) изображений плотности эмиссии заряженных частиц из поверхностного слоя в убывающем (возрастающем) магнитном поле магнитного микроскопа (магнитовизора) показана. Результаты анализа механизма транспортировки формируемого заряженными частицами изображения. Достигнуто максимальное увеличение изображения (~50 в магнитном микроскопе) и максимальное уменьшение изображения (~1/40 в магнитовизоре).
  2. Способы реализации увеличенных и уменьшенных изображений распределения эмиссии заряженных частиц в методах магнитной микроскопии.
  3. Определена разрешающая способность метода магнитной транспортировки изображений, определяемая ларморовским радиусом заряженных частиц в магнитном поле и распределением плотности вероятности их нахождения в магнитной силовой трубке. Установлено, что для толстого источника бета-частиц с их изотропной эмиссией из ядер реальное разрешение составляет долю ларморовского радиуса.
  4. Методики поперечного среза и последовательного снятия слоёв образцов с их исследованием в магнитном микроскопе для определения активности трития по глубине материалов.
  5. Определение детальной структуры распределения трития в поликристаллической структуре металлов, представляющей совокупность участков: погранслоя, спада за погранслоем, область классической диффузии и область межзёренной диффузии.
  6. Обнаружение взаимодействия диффузионных потоков изотопов водорода в металле, что приводит к: существенному ограничению внедрения трития в нержавеющую сталь при предварительном насыщении его протием; более эффективному удалению трития из зоны насыщенной протием образца при проведении его термической дегазации.
  7. Возможность насыщения водородом металлов с положительной энергией активации через напылённые тонкие плёнки с отрицательной энергией активации. Установлен факт водородного насыщения металла за напылённой плёнкой до его концентрации в плёнке с отрицательной энергией активации и его проникновение на глубину внедрения в соответствии с законом Фика.
  8. Экспериментальное подтверждение возможности исследования приповерхностного слоя материалов методом меченых атомов водорода с применением методов магнитной микроскопии с разрешением по глубине поверхностного слоя менее 1 мкм.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях: взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2001, Звенигород, 2001; физико-химические процессы при селекции атомов и молекул, Звенигород, 2003; 2004; 2005; 2006; 2008; 2009 тритиевая наука и технологии: “Tritium 2004”, Баден-Баден, Германия, 2004; “Tritium 2007”, Нью Йорк, США, 2007; на конференциях: по радиоэкологии, Обнинск-1996; по физическим проблемам экологии (физическая экология), МГУ, Москва, 1997; по физике плазмы и УТС, Звенигород 2002; по материалам ядерной техники МАЯТ, Агой, Краснодарский край, 2003; Звенигород, 2007; на отраслевом семинаре Росатома по физическому моделированию изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях, 2005, а также на научных семинарах ТРИНИТИ (Троицк 1998-2009).

Получены патенты на метод визуализации изображений: магнитный микроскоп, магнитовизор и на метод сохранения водорода: аккумулятор водорода.





Модель магнитного микроскопа была представлена на нескольких выставках: на Всемирном салоне изобретений и инноваций - Брюссель – Эврика – 2000, где была отмечена дипломом с присуждением ей международным жюри «Золотой медали»; на

выставке Интеллектуальная собственность России, организованной в г. Москва, 2002 г. министерством промышленности, науки и технологий РФ и отмечена дипломом; на Международной универсальной выставке «Ресурсы, идеи, технологии– взгляд в Экспо - 2010», г. Москва, Всероссийский выставочный центр, 2002 г. и отмечена дипломом; на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций, организованном в г. Москва, ВВЦ, 2004 г. и отмечена дипломом.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 41 научных работ, из них 23 в реферируемых изданиях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации составляет страниц. Диссертация содержит 104 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 205 наименований.

ІІ. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, дается описание содержания диссертации и основных результатов, выносимых на защиту.

Первая глава диссертации – вводная.

Проведено обоснование применения методов магнитной микроскопии: разрешение определяется радиусом вращения зарядов в магнитном поле rл = mv/eB при начальном rл0 = mv0/eB0; увеличение изображений осуществляется в убывающем магнитном поле; при этом выполняется условие сохранения магнитного потока В0S0 = B1S1 и, что особенно важно, условие адиабатически инвариантного движения зарядов mv20/B0 = mv21/B1. Отсюда следует, что ларморовские радиусы частиц вблизи образца и вблизи экрана имеют такое же соотношение, как и линейные поперечные размеры образца r0 и экрана r1: (S1/S0)= rл1/ rл0 = r1/ r0 = (B0/B1). Этот результат теории, описывающий адиабатическое движение заряженных частиц в магнитном поле, лежит в основе обсуждаемой возможности получения увеличенных изображений структур поверхности с размером ~ rл0. Представлены экспериментальные результаты и получены изображения, характеризующие возможности и области применения магнитного микроскопа. Рассмотрено влияние неоднородной структуры магнитного поля, объемного заряда, продемонстрирован визуально результат нарушения адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле. Описана экспериментальная установка, представляющая собой макет магнитного микроскопа.

Действующая модель магнитного микроскопа. Принципиальная схема: 1 – фотопленка, область магнитного поля В1, 2 – траектории движения заряженных частиц (c радиусом вращения rл) между источником и экраном с расстоянием L, 3 – источник эмиссии заряженных частиц, область магнитного поля В0, 4 – вакуумная камера, 5 – магнитная система.

Во Второй главе исследуются методы получения изображений поверхностей, эмитирующих заряженные частицы.

Метод получения увеличенных изображений в неоднородном (убывающем) – магнитном поле микроскопа. Получены первые результаты, подтверждающие возможность получения увеличенных изображений, формируемых и транспортируемых магнитным полем. Рассмотрены вопросы разрешения и чувствительности метода.

Увеличенные изображения тритиевого источника -частиц, закрытого маской с отверстиями, на различных расстояниях от источника. Увеличение : 2,6; 3,9; 7,3; 15,8.

10мм

Изображение эмиссии -электронов открытого тритиевого источника.

Метод авторадиографии, широко известный способ получения изображений слоев поверхности радиоактивных изотопов, используемый для сравнения с методом магнитной микроскопии.

Метод получения уменьшенных изображений (больших поверхностей объектов) – метод магнитовизора с применением возрастающего магнитного поля вдоль направления движения заряженных частиц от объекта к регистрирующему экрану.

Принципиальная схема магнитовизора:
1- система магнитного поля (СМП),
2- вакуумная камера,
3- вакуумная откачка,
4- фотопленка,
5- силовые линии магнитного поля,
6- подставка для крепления исследуемого объекта,
7- поверхность, эмиттирующая заряженные частицы,
8- исследуемый объект.


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.