Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных направлений физики твердого тела является исследование влияния радиации на физические свойства оксидных магнетиков, что обусловлено их широким применением в различных приборах и устройствах, эксплуатирующихся в поле ядерных излучений. В большом числе экспериментов было показано, что радиационные дефекты в зависимости от их характера могут существенно изменить тип спинового упорядочения и, соответственно, всю совокупность магнитных свойств оксидов. Поэтому такие кристаллы являются уникальными модельными объектами для экспериментального и теоретического изучения магнетизма неупорядоченных систем, процессов возникновения и эволюции радиационных повреждений в твердом теле. Появление структурных дефектов прежде всего отражается на магнитной анизотропии кристалла, т.к. величины полей магнитной анизотропии относительно небольшие из-за их релятивистской природы и зависят от значений решеточных сумм, которые весьма чувствительны к наличию дефектов. Изменение магнитной анизотропии в свою очередь приводит к изменению спин-ориентационных процессов в кристалле. Поэтому представляет определенный научный и практический интерес исследование воздействия радиации на характер спин-ориентационных переходов.
При воздействии облучения в веществе возникают дефекты структуры и состава, химические изменения и фазовые переходы. Каждое из этих явлений оказывает свое специфическое действие на формирование свойств твердого тела. Кроме того, в реальных ядерноэнер-гетических установках радиационный эффект создается комбинированным воздействием многих видов излучения. Такое многократное наложение воздействий затрудняет выявление физической природы наблюдаемых изменений. Поэтому для систематического изучения радиационных процессов желательно использовать модельные образцы, последовательно переходя от простых составов к более сложным.
Классическим представителем оксидных систем, претерпевающих спин-переориентационные переходы, является гематит (а — FejOj), который при охлаждении ниже 260 К переходит из слабоферромагнитного состояния в чисто антиферромагнитное состояние (переход Морина). Изучению перехода Морина как в чистых, так и в содержащих примеси или подвергнутых механической обработке образцах, по-
священы сотни работ. Такой интерес к изучению физических свойств гематита, в частности, обусловлен его широким применением в технике. Гематит в слабоферромагнитном состоянии характеризуется аномально высоким значением магнитоупругой связи. Это обстоятельство делает его перспективным для использования в таких магнитоакусти-чсских устройствах, как управляемые линии задержки, конвольверы, измерители параметров магнитных полей, первичные преобразователи угловых перемещений, давления и т.д. Выбор гематита объектом исследования обусловлен еще одним обстоятельством. А именно, благодаря особенностям своей кристаллической и магнитной структуры, ' гематит является чрезвычайно удобным объектом для изучения такими мощными ядерно-физическими методами как магнитная нейтронография и ядерная гамма-резонансная спектроскопия.
Цель работы состояла в выявлении механизмов воздействия радиационных повреждений на магнитную анизотропию гематита.
Для достижеі ія этой цели необходимо было:
создать комплекс оборудований, который позволил бы расширить температурный интервал исследований до 4,2 К как методом магнитной нейтронографии, так и методом мессбауэровской спектроскопии;
провести систематическое исследование влияния облучения нейтронами и ускоренными заряженными частицами на характер спнн-ориентацчонных процессов в моно- и поликристалличеекмх образцах гематита вышеуказанными методами;
провести селективное изучение окружения первично выбитых атомов, локализованных в зоне повреждения, методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии;
провести исследования облученного гематита во внешнем магнитном поле;
изучить характер восстановления магнитных свойств моно- и поликристаллических образцов гематита, подвергнутых различного рода воздействиям при изохронном отжиге на воздухе;
провести теоретическую интерпретацию полученных данных и поставить специальные эксперименты для проверки корректности
редполагаемых механизмов наблюдаемых і «вых явлений.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
-
Установлен характер изменения магнитной анизотропии гематита при наличии радиационных повреждений в зависимости от его кристаллического состояния и от типа и энергии налетающих частиц, определены природа и механизмы спин-переориентационных процессов путем выполнения широкого круга исследования моно- и поликристаллических образцов, подвергнутых облучению нейтронами и ускоренными заряженными частицами.
-
Экспериметально обнаружен новый спин-переориентационный переход в облученном гематите, который характеризуется тем, что при понижении температуры восстанавливается слабоферромагнитная фаза. Температурная область нового перехода лежит ниже температурной области перехода Морина.
-
Получена теоретическая зависимость температуры перехода Морина (Тм) от степени радиационного повреждения гематита. При достижении некоторой критической дозы облучения Тм стремительно падает до нуля, что прямо указывает на экспериментально наблюдаемую сильную зависимость температуры перехода от дозы в монокристаллах гематита, облученных нейтронами.
4. Показано существенное увеличение вероятности эффекта
Мессбауэра в температурной области переходов в облученном гема
тите, которое является признаком фазового перехода I рода. В при
ближении дебаевской модели твердого тела вычислена теоретическая
зависимость вероятности безотдачных процессов от темлературы для
данного образца и определена его температура Дебая.
-
Установлено, что в облученных монокристаллах как переход Морина, так и низкотемпературный (НТ) переход происходят путем фазового перехода I рода. Т.е. при облучении в монокристаллах существенное изменение претерпевает только первая константа магнитной анизотропии. В облученном поликристаллическом гематите наблюдаются смешанные фазовые переходы (I и П рода), что свидетельствует о существенном изменении второй константы магнитной анизотропии кристалла. В частности, она меняет знак в значительной части образца, что объясняется влиянием границ зерен на распределение радиационных повреждений.
-
Разработана гипотеза, которая предполагает, что новый низкотемпературный переход обусловлен супернарамагнитным поведени-
ем магнитных моментов разупорядоченных микрообластей (РМ). При понижении температуры уменьшается частота тепловых флуктуации направлений магнитных моментов РМ, что приведет к усилению поля магнитно-дипольной анизотропии, и как следствие, к расширению границ слабоферромагнитной (СФ) области.
-
Развита термодинамическая теория однонаправленной анизотропии р гематите, где сосуществуют ферро- и антиферромагнитные подсистемы. Показана возможность упорядочения магнитных моментов РМ в облученном гематите в направлении поля магнитно-дипольной анизотропии из-за обменных взаимодействий.
-
Проведен ряд специальных экспериментов, результаты которых надежно подтверждают суперпарамагнитный механизм перехода:
При исследовании гематита во внешнем магнитном поле установлено, что при низких температурах облученные образцы переходят в СФ состояние при существенно меньшем значении приложенного ПОЛЯ, чем иеоблученный.
Установлены закономерности изменения параметров НТ перехода от типа и энеогии налетающих частиц, которые подтверждают вышеуказанный механизм перехода.
Результаты изохронного отжига образцов гематита, подвергнутых различного рода воздействиям, показали, что низкотемпературный переход обусловлен определенным классом повреждений, которые отжигаются при температурах 160...170С
С помощью эмиссионной мессбауэровской спектроскопии впервые непосредственно показано наличие суперпарамагнитных областей в облученном гематите, что является прямым доказательством правильности выбранного подхода.
Низкотемпературный переход не обнаружен в серии моно- и поликристаллических образцов гематита, подвергнутых обработке нерадиационного характера или легированию.
9. Основную ценность представляет обнаруженный в работе но
вый стш-переориентационный переход, который является существен
ным вкладом в развитие физики магнетизма неупорядоченных систем.
Физический механизм низкотемпературного перехода, предложенный в
работе, носит вполне общий характер и может быть использован при
исследовании влияния облучения на другие магнитные материалы.
10. Важное значение для радиационной физики магнитных мате-
риалов имеет непосредственное экспериментальное наблюдение супер-парамагнитного поведения разупорядоченных микрообластей.
Практическая значимость работы.
Ряд результатов может быть использован в следующих областях:
Разработанная в работе теория однонаправленной анизотропии в гематите, где сосуществуют ферро- и антиферромагнитные подсистемы — при исследовании влияния ферромагнитных примесей на магнитную анизотропию антиферромагнитного кристалла;
Установленные закономерности изменения магнитного состояния гематита под воздействием радиации — в радиационной физике твердого тела для дальнейшего углубления теоретических представлений о механизмах радиацмонно-стимулированной перестройки структуры материалов;
Устойчивые изменения сверхтонких параметров гематита при облучении, наблюдавшиеся в экспериментах, — для прогнозирования поведения гематита и основанных на нем приборов в поле ионизирующего излучения. Обнаруженная зависимость соотношения антиферромагнитной (АФ) и СФ фаз и температуры перехода Морина от дозы облучения позволяет рекомендовать гематит в качестве индикатора сопровождения при облучательских работах;
Результаты исследования влияния легирования на ориентацию магнитных моментов Fe3+ в гематите — в технологии выращивания монокристаллов с заданными магнитными свойствами;
Созданные в ходе экспериментов приборы и приспособления, позволяющие проводить низкотемпературные измерения (5...300 К) облученных образцов как методом мессбауэровской спектроскопии, так и нейтронографией — для дальнейших исследований.
Положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментально установленные закономерности изменения магнитной анизотропии облученного і^магига в зависимости от его кристаллического состояния, от дозы облучения, от типа и энергии налетающих частиц.
2. Результаты исследования облученного гематита при низких
температурах методом магнитной нейтронографии (5 ... 300 К).
-
Открытие нового низкотемпературного спин-переориентацион-ного перехода в облученном гематите и определение его параметров. Гипотеза о суперпарамагнитном механизме низкотемпературного перевода и ее экспериментальное подтверждение. Непосредственное экспериментальное наблюдение суперпарамагнитного поведения раэупо-рядоченных микрообластей в монокристалле гематита, облученном а-частицами.
-
Результаты исследования поликристаллического гематита при наличии структурных дефектов нерадиашюнного происхождения. Результаты низкотемпературных мессбауэровских исследований серии монокристаллов, легированных примесями СиО, АІгОз, Мп20з, SnOj, ТЮ,.
-
Результаты изохронного отжига моно- и поликристаллических образцов гематита облученных нейтронами, заряженными частицами и подвергнутых механической обработке.
Совокупность лолученных в работе результатов можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы - обнаружения ранее неизвестного явления - низкотемпературного возврата слабого ферромагнетизма в облучённом гематите (спин-переориентационного перехода обратного переходу Морина), экспериментального и теоретического обоснования его физического механизма.
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на Международных конференциях по применению эффекта Мессбауэра (Алма-Ата, 1983; Леувен, Бельгия, 1985; Нанкин, Китай, 1991; Ванкувер, Канада, 1993; Римини, Италия,1995), на втором Международном семинаре "Высокодисперсные частицы и коррозия" (Ленинград,1983), на Всесоюзном совещании по координации НИР на исследовательских реакторах (Томск, 1984), на VIII Всесоюзном совещании по использованию рассеяния нейтронов в физике твердого тела (Юрмала, 1985), на I и III Всесоюзных совещаниях по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Москва, 1985; Алма-Аты, 1989), на I Республиканской конференции "ФТТ и новые области ее глэименения" (Караганда, 1986), на Международных конференциях по
сверхтонким взаимодействиям (Бангалор, Индия, 1986; Дубна, 1993; Леувен, Бельгия, 1995), на 38 Совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Баку, 1988), на Международной конференции "Ядерные методы в магнетизме" (Мюнхен, Германия, 1988), на II Всесоюзной конференции но модификации снойств конструкционных материалов лучками заряженных частиц (Свердловск, 1991), на II Всесоюзном семинаре по радиационной физике и химии твердых тел (Рига, 1991), на конференции "Ядерная энергетика в республике Казахстан: концепции развития, обоснованность, безопасность" (Семипалатинск, 1993).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 печатных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Содержит 243 страницы машинописного текста, 28 таблиц, 83 рисунка и списка литературы из 268 наименований, всего 317 страниц.
