Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Гамма-резонансная спектроскопия и радиационные эффекты в металлах 9
1.1. Введение 9
1.2. Данные мессбауэровских экспериментов на пучках заряженных частиц и нейтронов 10
1.3. Взаимодействие радиационных дефектов с резонансными атомами 15
1.4. Возможности мессбауэровской спектроскопии в исследованиях локальных изменений внутрикри-сталлических полей 25
1.4.1. Методические особенности наблюдения резонансного поглощения на уровне 6,2 кэВ в ICL 27
1.4.2. Изомерный сдвиг 29
1.4.3. Сверхтонкое расщепление спектров 37
1.5. Выводы и постановка задачи исследования 42
Глава 2. Экспериментальное оборудование, методы приготовления образцов и обработка результатов измерений 45
2.1. Спектрометрический комплекс 45
2.1.1. Гамма-резонансный спектрометр и ЭВМ 45
2.1.2. Лазерный калибратор скорости 48
2.1.3. Пропорциональный счетчик для регистрации мягкого гамма-излучения 52
2.2. Универсальная высокотемпературная вакуумная печь 56
2.2.1. Устройство ввода высокочастотного индуктора в вакуумную камеру 58
2.2.2. Нагреватели 61
2.3. Источники и поглотители 62
2.3.1. Приготовление радиоактивных препаратов, содержащих 63
2.3.2. Технология изготовления источников 65
2.3.3. Влияние подложки на характеристики источников 68
2.3.4. Поглотители из металлического тантала 72
2.3.5. Влияние деформации на ширину линии поглотителя .72
2.4. Облучение образцов 75
2.4.1. Расчеты температурных полей в циклотронных мишенях 76
2.4.2, Устройство для низкотемпературного облучения образцов 80
2.5. Обработка экспериментальных результатов 82
2.6. Выводы 88
Глава 3. Воздействие ионов водорода различных энер1ий на состояние мессеауэровских атомов в вольфраме и тантале 90
3.1. Имплантация ионов водорода в вольфрам 90
3.1.1. Релаксационный характер уширения резонансной линии 95
3.1.2. Коэффициент диффузии водорода в вольфраме . 107
3.1.3. Растворимость водорода в вольфраме
3.2. Радиационные эффекты ядерных реакций в металлическом тантале 111
3.2.1. Последствия реакции
3.2.2. Последствия реакции . 123
3.3. Комплексы "радиационный дефект - мессбауэровский атом" в облученном протонами тантале 126
3.4. Выводы 134
Заключение 136
Литература 139-150
- Возможности мессбауэровской спектроскопии в исследованиях локальных изменений внутрикри-сталлических полей
- Пропорциональный счетчик для регистрации мягкого гамма-излучения
- Расчеты температурных полей в циклотронных мишенях
- Комплексы "радиационный дефект - мессбауэровский атом" в облученном протонами тантале
Введение к работе
В последние годы наблюдается значительный прогресс в понимании закономерностей поведения различных материалов в поле ионизирующих излучений. Влияние облучения сказывается на макроскопических свойствах объектов, таких как твердость, хрупкость, пластичность и др. Однако природа процессов, протекающих в них, носит в конечном счете микроскопический характер.
Среди методов, способных давать непосредственную информацию о параметрах радиационных дефектов, важное место занимает ядерная гамма-резонансная (ЯГР) спектроскопия, основанная на эффекте Мессбауэра. Мессбауэровский атом-зонд сообщает нам сведения о совокупности динамических, электрических и магнитных свойств своего окружения. Структурные искажения кристаллической решетки и связанные с ними изменения электрического и магнитного полей вокруг мессбауэровского атома, возникающие в результате появления радиационных дефектов, адекватно влияют на все параметры резонансного спектра: может измениться интенсивность мессбауэровского поглощения, положение спектра величины сверхтонких расщеплений. В спектрах появляются компоненты, отвечающие новым фазовым или химическим состояниям вещества.
В некоторых случаях возможна вполне однозначная идентификация наблюдаемых явлений. Однако зачастую все эти изменения . встречаются одновременно и существенно затрудняют интерпретацию полученных результатов. Более того, чувствительности метода порой оказывается недостаточно, чтобы зарегистрировать появление и проследить за эволюцией образовавшихся радиационных дефектов.
Последнее замечание прежде всего касается чистых металлов, играющих важную роль в современной атомной технике. Благодаря своим физико-химическим и механическим свойствам - высокой температуре плавления, устойчивостью к агрессивным средам и др., тугоплавкие металлы занимают здесь особое место. На их основе создается специальный класс конструкционных материалов для термоядерной энергетики, способных выдерживать значительные механические, тепловые и радиационные нагрузки.
Облучение существенным образом влияет на механические свойства металлов, приводя обычно к повышению их твердости и хрупкости. Но не только собственные дефекты решетки определяют их механические свойства. При продолжительном нейтронном облучении металлы накапливают значительное количество продуктов ядерных реакций, в том числе такие примеси,как водород и гелий. Они могут объединяться, образуя газовые пузырьки, меняющие свойства материалов. Предполагается, что эти эффекты проявятся еще ярче в первой стенке будущих термоядерных реакторов вследствие более высокой энергии и плотности нейтронных потоков.
В связи с проблемой радиационной стойкости материалов для установок управляемого термоядерного синтеза определенный интерес представляет и взаимодействие ускоренных ионов водорода и гелия с различными материалами и, в частности, распыление их при бомбардировке легкими ионами. Как показано в работе /I/ из материалов, представляющих интерес в качестве конструкционных для различных элементов термоядерных реакторов, максимальными значениями пороговой энергии распыления характеризуются вольфрам, тантал, молибден и их карбиды. Вольфрам в настоящее время в проекте международного термоядерного реактора ИНТОР считается одним из перспективных материалов для диверторных пластин.
Для моделирования радиационных эффектов, вызываемых высокими нейтронными потоками, широко применяется облучение материалов заряженными частицами /2/, имеющими значительное большие сечения взаимодействия, чем. нейтроны. Это позволяет в ходе непродолжительного цикла облучения (несколько десятков часов) создать такую концентрацию дефектов, которую накапливали бы облучением материала в активной зоне атомного реактора в течение нескольких лет. Следовательно, имитация на ускорителях явлений, протекающих в материалах активной зоны атомных и термоядерных реакторов, способствует существенному сокращению сроков ресурсных испытаний и ускорению процессов разработки радиационно-стойких материалов.
Мессбауэровская спектроскопия относительно мало использовалась для исследования свойств тугоплавких металлов, поскольку резонансные уровни большинства изотопов имеют очень короткие времена жизни. Это существенно ограничивает их применение для изучения сверхтонких взаимодействий. Исключение, пожалуй, составляет / CL , обладающий уникальными ядерными параметрами, которые позволяют ему чувствовать малейшие изменения локальных внутрикристаллических полей на ядрах. Поэтому несмотря на экспериментальные трудности наблюдения резонансного поглощения на уровне 6,2 кэВ в Id t представляется перспективным использование этого резонанса для исследования дефектов кристаллической структуры твердых тел, в том числе и радиационных.
Из сказанного выше следует, что изучение процессов повреждаемости тугоплавких металлов при облучении заряженными частицами, а также разработка методических подходов, направленных на повышение чувствительности и информативности метода ЯІР, является в настоящее время актуальной проблемой ядерной гамма-резонансной спектроскопии и радиационной физики твердого тела в целом.
В связи с этим и были предприняты настоящие исследования, целью которых стало изучение воздействия протонов различных энергий на кристаллическую структуру и электронное состояние вольфрама и тантала методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые:
- разработаны технологические приемы и создана установка для изготовления мессбауэровских источников из радиоактивных препаратов с низкой удельной активностью;
- установлен релаксационный характер уширения мессбауэров-ской линии источника после имплантации в вольфрам ионов водорода. Определены предельная растворимость и коэффициент диффузии водорода в вольфраме;
- с помощью эмиссионной мессбауэровской спектроскопии наблюдалось образование в кристаллической решетке металлического тантала поврежденной зоны вокруг первично-выбитых атомов, возникающих в результате ядерных реакций с протонами и дейтронами;
- обнаружено возникновение нескольких конфигураций комплексов "радиационный дефект - примесный атом I/O " в облученном протонами тантале и их эволюция в процессе изохронного отжига. Установлено, что стадия отжига, обусловленная активацией процесса миграции вакансий, начинается при температурах выше 600 К.
Практическая ценность работы. Данные, полученные при гамма-резонансных исследованиях металлических вольфрама и тантала, использованных в качестве модельных систем для изучения природы радиационных дефектов, дают важную информацию об их поведении в поле ионизирующих излучений, необходимую, в частности, для прогнозирования радиационной стойкости конструкционных элементов ядерно-энергетических установок, изготовленных из этих материалов.
Созданные в ходе экспериментов устройства и разработанные методики имеют завершенную форму и могут быть рекомендованы для применения в мессбауэровской спектроскопии I CL , что способствовало бы более широкому привлечению этого важного резонанса к решению задач физики твердого тела. В результате существенно повышается чувствительность метода ЯГР к разного рода возмущениям внутрикристаллических полей на ядрах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, трех глав, заключения, списка используемой литературы из 115 наименований, содержит 115 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 33 рисунка, всего 150 страниц.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Индия, Джайпур, 1981 г., СССР, Алма-Ата, 1983 г.), Всесоюзном совещании по радиационным дефектам в металлах (Алма-Ата, 1980 г.), Всесоюзном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Киев, 1982 г.).
По проблемам физики твердого тела автором опубликовано 16 работ, из них 12 по теме диссертации.
На защиту выносятся следующие положения:
мессбауэровских источников
- экспериментальная установка и методика изготовления из радиоактивных препаратов с низкой удельной активностью;
- экспериментальные данные о поведении водорода, имплантированного в вольфрам;
- предложенная интерпретация наблюдаемого в имплантационных экспериментах уширения резонансной линии источника;
- результаты исследования радиационных эффектов ядерных реакций в металлическом тантале;
- сделанные на основании данных о взаимодействии примесных атомов с радиационными дефектами выводы относительно процесса миграции вакансий в облученном протонами тантале.
Возможности мессбауэровской спектроскопии в исследованиях локальных изменений внутрикри-сталлических полей
Уменьшение доли безотдачного излучения по сравнению с теоретически рассчитанным значением было обнаружено в эксперименте, в котором резонансный уровень 46,5 кэВ W заселялся в результате кулоновского возбуждения протонами с энергией 3,5 МэВ /8/. Авторы предлагают объяснить уменьшение фактора / тем, что многие из возбужденных атомов могут занимать позиции в кристаллической решетке со слабой энергией связи и, следовательно, с температурой Дебая много меньшей 320 К, либо тем, что тепло, выделяющееся в результате торможения возбужденного ядра, не успевает быстро диссипировать и-локальная температура существеннпревышает 77 К - температуру, для которой были выполнены расчеты вероятности безотдачного процесса.
С помощью кулоновского возбуждения cL- частинами с энергией 6 МэВ в работе /9/ удалось одновременно наблюдать мессбауэровские спектры первых возбужденных состояний \Д/ ,так как переходы четно-четных ядер имеют приблизительно одинаковые энергии, времена жизни и квадрупольные моменты. Обстоятельство, что у изотопов вольфрама примерно равное природное содергісание, позволило использовать одну металлическую мишень и поглотитель для всех изотопов. Следовательно, во время эксперимента все ядра находились в совершенно одинаковых условиях, что свело к минимуму систематические ошибки. Облучение проводили при температуре жидкого азота. Важным результатом этой работы следует счи-тать обнаружение в спектрах ЯІР \Д/ неразрешенного квадрупольного расщепления, вызванного тем, что атомы отдачи после кулоновского возбуждения стабилизировались в неправильном окружении с низкой симметрией.
Квадрупольное расщепление возникало в том случае, если ядро, обладающее квадрупольным моментом Ц и спином 1 оказывалось в окружении, симметрия которого отличалась от кубической. При этом энергетический уровень ядра расщеплялся на отдельные подуровни с энергиями: где /77 - магнитное квантовое число; ґі= . У- - параметр асимметрии; Vxx, Vyy, Vzz. - компоненты тензора градиента электрического поля Q. .
В дальнейшем /10/ исследования резонансного поглощения после кулоновского возбуждения были продоляюны в ряде соединений вольфрама, таких как W Ц, ,W 2. ,WC 7W8, Ж 671A4 BS. Определялись величины вероятности эффекта и ширины линий в не-облученных материалах, используя металлическую вольфрамовую мишень в качестве источника. Затем полученные данные сравнивали с измеренными величинами, когда соединения вольфрама служили мишенями, а поглотителем был металлический вольфрам. Наименьшей шириной мессбауэровской линии будет ее естественная ширина о t определяемая временем жизни данного уровня Аномальные сверхтонкие взаимодействия наблюдались во всех облученных соединениях. Было отмечено уменьшение вероятности эффекта для большинства из них. Результаты экспериментов на корот-коживущем ( Ъ = 0,174(6) не /9/) состоянии W показали, что уменьшение вероятности эффекта одинаково для времен 0,15 и 1,4 не с момента возбуждения, и не может быть приписано увеличению окружающей температуры. Наблюдаемое уменьшение вероятности эффекта и увеличение сверхтонких полей показывают, что через 1,3 не после первоначального каскада столкновений область, окружающая ядро, ответственное за повреждение, не кристаллизовалась. Сходство аномальных сверхтонких полей, наблюдаемых во всех соединениях после облучения, показывает, что конечные состояния одинаковы и не зависят от начальной, необлученной структуры материалов. Эти результаты авторы объясняют наличием локальной аморфной области, сохраняющейся по крайней мере 1,3 не после каскада столкновений. Аномальные сверхтонкие взаимодействия были обнаружены ив ряде соединений гафния, служивших мишенями в экспериментах по кулоновскому возбуждению ос- частицами с энергией 6 МэВ первых возбужденных состояний /II/. Результаты сравнивались с данными, полученными в абсорбционной геометрии. Обнаруженные отличия были приписаны разупорядочению решетки вблизи испытавших отдачу мессбауэровских атомов. В серии экспериментов с применением нескольких форм возбуждения резонансного уровня 14,4 кэВ в /в было показано /12,13/, что в металлическом железе параметры мессбауэровского спектра остались неизменными. Это свидетельствовало о быстром (за время 10 с) возвращении возбужденных атомов в свои нормальные позиции в узлах решетки. К аналогичным выводам пришли авторы /14-16/, использовавшие (d-,p) -реакцию для заселения этого уровня. Они не нашли ничего, что говорило бы о локализации возбужденных атомов в междоузлиях или вблизи дефектов. Радиационные эффекты кулоновского возбуждения в реакции Ге(р,р ) / были обнаружены при исследовании нержавеющей стали 310 /17/. Наблюдавшиеся изменения параметров спектров, свидетельствовали о накоплении радиационных дефектов, причем часть из них спонтанно отжигалась при комнатной температуре в течение нескольких дней. Кулоновское возбуждение резонансных уровней применяли и в исследованиях эффекта Мессбауэра на rli /18,19/, ив- /9/ U. /20/, редкоземельных элементах /21-23/.
Пропорциональный счетчик для регистрации мягкого гамма-излучения
Ядерный эффект Зеемана расщепляет возбужденное состояние тантала на десять подуровней, а основное состояние - на восемь. Вследствие этого в гамма-резонансных спектрах /а. может наблюдаться магнитная сверхтонкая структура. Она обусловлена взаимодействием дипольного магнитного момента ядра U- с магнитным полем на ядре. Правилами отбора разрешены 24 перехода, число которых может быть уменьшено до 16 наложением внешнего магнитного поля параллельно направлению вылета гамма-квантов. При этом все переходы с к fit = 0 становятся невидимыми, а спектр станет состоящим из переходов с А/72 =-1, относительные интенсивности которых будут определяться коэффициентами Клебша-Гордана. Для этого оказалось достаточным поле порядка 2 кэ /71/.
Двумя группами авторов /71,72/ были поставлены независимые эксперименты по определению гиромагнитного отношения Q Г/2)/0г/2) и магнитного момента уровня 6,2 кэВ в ICL . Влияние резонан сного радиочастотного поля на сверхтонкую структуру ядерных уровней I CL , расщепленных в постоянном магнитном поле напряженностью 3,4 кЭ, изучалось в работе /73/. Было показано, что радиочастотное поле резонансной частоты 3 Мгц напряженностью всего в 300 Э вызывает существенное уширение компонентов мес-сбауэровского спектра, обусловленное расщеплением подуровней возбуждеиного состояния ядра I CL .
Эффект Мессбауэра на уровне 6,2 кэВ в ICL позволил измерить сдвиг Найта в тантале и вольфраме /74/, в то время как исследования традиционным методом - ядерного магнитного резонанса в тантале столкнулись с рядом трудностей, вызванных, в частности, большим квадрупольным моментом ядра /QL и экзотермическим взаимодействием между танталом и газовыми примесями, которые существенным образом влияют на сигнал ЯМР. Из полностью разрешенных гамма-резонансных спектров источника W_ W и поглотителя из металлического тантала во внешних полях 2800 и 4400 Э, соответственно, была получена более точная величина О (9/2)/0 (7/2) = 1,797(3). Магнитный момент возбужденного состояния нашли равным /ice = +5,47(2)/fcy , Из сверхтонких по-леи, измеренных на ядрах /ав источнике и поглотителе были выведены сдвиги Найта, 2(1) и 1,7(8)$ для вольфрама и тантала, соответственно.
Как видно из обсуждавшихся в обзоре работ гамма-резонансная спектроскопия успешно применяется в радиационных исследованиях, давая определенную информацию о влиянии ионизирующих излучений на металлы, сплавы и химические соединения, недоступную другим методам.
Развиваются несколько направлений исследований, позволяющие получать различные сведения о процессах взаимодействия излучения с веществом. Эксперименты на пучках заряженных частиц и нейтронов, ставившие своей целью зафиксировать метастабильные состояния "горячего" атома, оказались достаточно информативными лишь в изучении динамических свойств резонансных атомов тугоплавких металлов /8,9,11/. В то же время из-за неблагоприятных ядерных параметров использовавшихся изотопов не удалось зарегистрировать изменения их электронного состояния. В подавляющем большинстве случаев в чистых металлах радиационных последствий кулоновского возбуждения обнаружено не было /12-16/. Имплантация ксенона в тугоплавкие металлы /30/ позволила проследить за взаимодействием внедренных атомов с вакансиями в молибдене и вольфраме. Результаты, полученные для тантала, были недостаточно определенными ввиду загрязнений материала в ходе эксперимента примесями внедрения, маскировавшими поведение металла при изохронном отжиге.
Полезным с точки зрения радиационного материаловедения оказалось применение мессбауэровской спектроскопии для исследования процессов образования и эволюции связанных состояний "радиационный дефект-примесный атом СО ". Такие комплексы наблюдали для ряда тугоплавких металлов:молибдена /39,42,43/, ниобия /40-42/, вольфрама и ванадия /42/. Существование больших квадрулольных расщеплений "дефектных" линий сделало возможным наблюдение различных конфигураций комплексов в этих ОЦК-металлах.
К сожалению, не было систематически последовательного изучения названных объектов в одинаковых условиях облучения и измерений, что сильно затрудняет обобщение результатов, полученных разными авторами. Данные по изучению связанных состояний в подвергнутом радиационным воздействиям тантале с помощью гамма-резонансной спектроскопии в литературе вообще отсутствуют.
Результаты мессбауэровской спектроскопии ICL , представленные в обзоре, указывают на очень высокую чувствительность этого резонанса к локальным изменениям электрического и магнит-ного полей на ядрах. Диапазон изомерных сдвигов для /а. как разбавленной примеси в матрицах переходных металлов превышает естественную ширину линии более чем на четыре порядка /54/. Температурный интервал, в котором возможны исследования, простирается от гелиевых температур до 2400 К /63,64/. В отличие от где наблюдаемые температурные сдвиги вызваны доп-леровским сдвигом второго порядка, на примесных атомах тантала в матрицах переходных металлов сдвиги имеют гораздо более сильную температурную зависимость /69/. Данные исследований статических и динамических свойств примесных атомов кислорода и водорода в металлическом тантале, полученные с помощью эффекта Мес-сбауэра на "То. , показывают его в качестве необходимого инструмента для изучения диффузионных свойств газовых примесей в металлах.
Таким образом, представляется перспективным применение ядерного гамма-резонанса на уровне 6,2 кэВ в /CL для изучения сверхтонких взаимодействий в твердых телах. Особенно он может оказаться полезным в исследованиях различного рода дефектов кристаллической структуры металлов, в том числе и радиационных. В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
Расчеты температурных полей в циклотронных мишенях
Значительным тепловым перегрузкам подвергался и комбинированный изолятор, металлические детали которого, сделанные из железо-никелевого сплава, разогревались в высокочастотном поле. Это также явилось одной из причин разгерметизации. Поэтому были приняты меры, позволившие защитить ввод индуктора в вакуумную камеру от перегрева.
Схематически устройство ввода показано на рис.2,7. Оно смонтировано на фланце Ду-70. Так как менее всего подвержены нагреванию в электромагнитном поле высокой частоты диамагнитные материалы, в качестве комбинированного изолятора (I) применили гермоввод, металлические детали которого были вьшолнены из меди. К фланцу (2) и штуцеру водяного охлаждения (3) он был приварен электронно-лучевой сваркой в вакууме.
Узел герметизации индуктора допускает при необходимости быструю его замену. К концам трубок индуктора (4) серебряным припоем ПСР-45 припаяли конусные наконечники (5) из нержавеющей стали, которые через медные прокладки (6) вакуумноплотно соединялись со штуцерами (3) завинчиванием болтов (7) в гайки (8). Весь узел поместили в разъемный медный кожух (9), который плотно прижали хомутиками (10) к штуцеру водяного охлаждения и трубке индуктора для создания электрического контакта.
Вследствие скин-эффекта распространение токов высокой частоты происходит только по очень тонкому поверхностному слою проводника, не затрагивая его внутреннего объема. Поэтому узел оказался экранированным, что предопределило его надежное функционирование при эксплуатации экспериментальной установки в течение шести лет. Отжигаемый образец помещали в центр петли индуктора в корзиночке, сделанной из вольфрамовой проволоки, которая легко крепилась к концу керамической трубки, установленной на фланце.
Устройство оказалось надежным и удобным в эксплуатации. Оно позволило нагревать массивные образцы тугоплавких металлов диаметром 12-14 мм до температур 2500 К в вакууме 10 торр; применялось обычно для отжига подложек источников.
Устройство для отжига образцов непосредственным пропусканием через них электрического тока смонтировано на фланце Ду-100 и представляет собой герметичный электрический ввод в центре фланца, на котором с помощью винта закреплен электрод, сделанный из тантала сечением 2x4 ммг. Второй такой же электрод крепится непосредственно к фланцу. Герметичный ввод имеет тепловой экран. Между электродов точечной сваркой приваривается образец, обычно полоска танталовой фольги 16x20 ммг толщиной 3-5 мг«см . При пропускании через образец тока силой до 100 А он нагревался до температур 2300-2500 К в вакууме 10 торр. Описанное устройство чаще всего использовалось для отжига поглотителей. Однако с его помощью можно проводить и термодиффузию мессбауэровских источников, если подложкой будет полоска тонкой фольги.
Устройство косвенного нагрева образца смонтировано на фланце Ду-70 и представляет собой электрическую печь сопротивления, вовнутрь которой помещен контейнер, сделанный из тантала. Контейнер жестко закреплен, но имеет съемную крышку для загрузки образцов. С помощью термопары осуществляется контроль за температурой стенки контейнера. Вторая термопара, введенная в центр контейнера, может измерять температуру образца. Управлениє этим устройством производится блоком цифрового регулирования температуры /ViC -663/1 от комнатной до 1273 К с точностью -0,1 К. Вакуум при максимальной температуре составил ІСГ8 торр. Описанное устройство предназначено для изохронного и изотермического отжига образцов с высокой точностью поддержания заданной температуры.
Имеющиеся в литературе данные о методических особенностях наблюдения эффекта Мессбауэра на IOL свидетельствуют о том, какую важную роль играет предварительная обработка исходных материалов, используемых в исследованиях. Кроме того особо отмечается, что для получения высококачественных мессбауэровских источников следует применять радиоактивные препараты W как можно более высокой активности. Но выполнить это существенное требование очень часто не представляется возможным, если в распоряжении экспериментатора нет циклотрона с интенсивным, более 10 мкА СМ пучком дейтронов или ядерного реактора с потоком тепловых нейтронов около 10 см .с , которые позволили бы в разумное время набрать нужную активность.
Все это в значительной степени затрудняет проведение ши 484-г рокомасштабных мессбауэровских исследований на Id . Становится понятным, почему работа на нем - привилегия лишь нескольких исследовательских групп, хотя тантал по всем параметрам значительно превосходит традиционные изотопы железа и олова как инструмент исследования сверхтонких взаимодействий в твердых телах.
Комплексы "радиационный дефект - мессбауэровский атом" в облученном протонами тантале
Видно, что источники на подложках из поликристаллического и монокристаллического вольфрама имеют в пределах погрешности одинаковые параметры. По-видимому параметры спектра определяются не подложкой, а структурой нанесенного на нее слоя, в кото-ром в основном остается радиоактивный изотоп Vv . Толщина активного слоя в наших образцах могла достигать до I мкм. Из-за сильного фотопоглощения в этом слое резонансного излучения, испускаемого ядрами W , продиффундировавшими в материал подложки, вклад его в общий сигнал оказывается ослабленным.
Однако при меньших толщинах слоя активность источника уменьшалась и становилась недостаточной для выполнения измерений в разумные сроки. Пленка вольфрама на поверхности подложки имела достаточно совершенную структуру. Об этом можно судить из полученных мессбауэровских спектров. Происходящая при напылении активного слоя фракционная возгонка способствует дополнительной очистке материала источника от примесей.
Существенное улучшение параметров источника было получено когда температуру термодиффузионного отжига повысили до 2773 К и поддерживали ее такой в течение 30 мин. Спектр, снятый с тем же поглотителем показал ширину линии в полтора раза меньшую, чем в предыдущих экспериментах. Этот режим отжига источников в дальнейшем стал стандартным при их изготовлении с использованием радиоактивных препаратов с низкой удельной активностью.
Отжиг источников при одной и той же температуре, но при различном остаточном давлении в камере, которое меняли от 10 до IGH9 торр не дал заметных изменений мессбауэровских параметров. Такое поведение можно легко объяснить, если принять во внимание очень низкую, порядка 10 а.т.%, растворимость остаточных газов азота и кислорода в вольфраме /80/. В противоположность этому тантал, как было показано Зауэром /44/, весьма чувствителен к давлению в камере, в которой проводился отжиг.
Для проверки предположения о том, что основным источником информации является тонкая пленка вольфрама, нанесенная на подложку, а не изотоп, продиффундировавший во внутрь ее, был поставлен следующий эксперимент.
На подложку из золота напылением в вакууме нанесли слой радиоактивного оксида вольфрама. Выбор золота был обусловлен в первую очередь тем, что оно даже при температуре плавления не образует с вольфрамом интерметаллических соединений или твердых растворов /80/. После отжига в водороде в течение 16 часов был снят мессбауэровский спектр, показавший сильно уширенную линию с / =1,1(1) мм»с и изомерным сдвигом Р = = 1,2(1) ш с , что совпадает с данными авторов /48/, получивших подобные параметры для источника }N_ W после его восстановления в водороде.
После часового отжига в вакууме 10 торр при температуре 1273 К линия несколько сузилась, / =0,72(8) мм с" , а изомерный сдвиг уменьшился до р =0,96(8) мм.с"" , что, вероятно, обусловлено частичной дегазацией образца. Последующий отжиг в течение 25 часов при тех же условиях не дал нового улучшения параметров. После деформации источника, при которой относительное удлинение составило 50%, было отмечено существенное сужение линии до / = 0,40(8) мм»с и дальнейшее уменьшение изомерного сдвига, р =0,90(8) мм»с . Изменение параметров спектра в сторону их улучшения объясняется тем, что при деформации происходит отслоение верхней, наиболее загрязненной части активного пятна.
Поскольку температура отжига образца была ограничена температурой плавления подложки, 1336 К, не удалось получить источник, полностью идентичный источнику в вольфрамовой матрице. Однако наблюдение резонансного спектра от пленки вольфрама, образовавшейся на подложке из золота после восстановления напыленного на нее слоя окисла, служит доказательством возможности создания таким способом достаточно совершенных в структурном отношении покрытий из вольфрама.
Полученные данные свидетельствуют о том, что при изготовлении источников для гамма-резонансной спектроскопии IDL из радиоактивных препаратов с низкой удельной активностью основное влияние на параметры мессбауэровского спектра оказывает не подложка, а химическая чистота и совершенство кристаллической структуры нанесенного слоя,
Для экспериментов был взят металлический тантал марки ТВЧ с номинальной чистотой 99,97 ат.% фольги исходной толщины от 10 до 50 мкм площадью 4 сиг были прокатаны в несколько стадий до требуемой толщины, 2-3 мкм, с промежуточными отжигами в высоком вакууме порядка 10 торр при температурах около 2300 К в течение нескольких часов. Время отжига обычно лимитировалось прогоранием фольги в месте контакта с электрическим вводом.
Из фольги с исходной толщиной 10 мкм были получены образцы толщиной 2-3 мкм травлением ее в смеси равных частей концентрированных кислот HF, HN0, и воды. Однако, как показал опыт более предпочтительньм следует считать первый" способ. При многостадийной технологии происходит более глубокая очистка металла от растворенных примесей. Наилучшие результаты, / =0,085(5) были получены нами с поглотителем толщиной 5 мкм, изго товленным из 50 мкм танталовой фольги после трехстадийной ее прокатки с промежуточными отжигами. Окончательный отжиг был проведен при температуре 2470 К в течение 10 часов. Конечный вакуум в системе был 1,5»І0Г9 торр.
По данным Зауэра /44/ в результате пластической деформации тантала наблюдается резкое увеличение ширины резонансной линии поглотителя, выходящее на насыщение при деформации около Ь%, выраженной в относительном удлинении образца A /f В процессе изготовления нами поглотителей деформация материала достигала 100$, т.е. такой степени, когда ее уже нельзя было считать пластической. При этом происходило перемещение одних зерен относительно других. Выяснению характера влияния таких перемещений на параметры резонансного спектра посвящен настоящий параграф.
В качестве стандартного был использован источник W_ W Поглотителем служила тщательно отожженная в условиях высокого вакуума танталовая фольга с исходной толщиной 5 мкм. Деформацию поглотителя осуществляли прокаткой между двумя отожженными фольгами из того же материала толщиной 50 мкм.
Как показали наблюдения, с ростом деформации растет ширина резонансной линии поглотителя; изомерный сдвиг при этом остается практически неизменным. Кривая зависимости ширины линии от относительного удлинения поглотителя после деформации, показана на рис.2,8.
