Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
І.МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ ФЕРРОШПИНЕЛЕИ 14
I. I. Структура ферритов типа шинели 14
1.1.1. Элементарная ячейка структуры 14
1.1.2. Дефекты структуры в ферритах
1.2. Теория кристаллического поля 21
1.3. Магнитокристаллографическая анизотропия ферритов -. 24
1.4. Наведенная магнитная анизотропия ферритов
1.4.1. Феноменологическое описание наведенной магнитной анизотропии. 30
1.4.2. Модельные теории наведенной магнитной анизотропии 33
1.4.3. Кинетика процессов образования наведенной магнитной анизотропии..38
1.4.4. Влияние наведенной магнитной анизотропии на процессы намагничивания 42
П.РАДШЩИОННЫЕ.ДЕФЕКТЫ.В ФЕРРИТАХ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕВТА 47
2.1. Образцы стр.
2.2. Источники излучения, дозиметрия и техника. облучения 49
2.3. Метода исследования магнитных свойств 57
2.3.1. Анизометр 57
2.3.2. Баллистический метод измерения в постоянных полях 63
2.3.3. Вибрационный магнитометр 66
2.3.4. Установка для исследования параметров и формы петель гистерезиса 71
С 2,4. Радиационные дефекты в ферритах 73
2.4.1. Создание радиационных дефектов в ферритах 73
2.4.2. Радиационно-стимулированная диффузия 84
ІІІ.В03ДЕЙСТВИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРРИТОВ В РАЗМАГНИЧЕННОМ СОСТОЯНИИ 92
3.1. Параметры петли гистерезиса 92
3.2. Магнитная проницаемость .106
3.3. Температура Кюри .119
3.4. Намагниченность насыщения 121
ІУ. СОЗДАНИЕ НАВЕДЕННОЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ В ПРОЦЕССЕ РАДИАЦИОННОЙ ТЕРМОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ
4.1. Термомагнитная обработка ферритов 125
4.2. Радиационная термомагнитная обработка ферритов 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 174
ВЫВОДЫ 180
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Актуальность работы. Ядерная энергетика и радиационная технология полупроводников и твердотельной электроники требует материалов с заданными параметрами и радиационной стойкостью. То же самое относится к материалам для космической техники. Поэтому требуется систематическое исследование радиационных процессов в различных классах твердого тела, в том числе ферритов.
Необходимо заранее знать поведение ферритов в условиях, соответствующих их эксплуатации, чтобы устройства автоматики, вычислительной техники и средства связи работали без отказов. Из литературных данных по воздействию облучения на магнитные свойства, созданию и диффузии радиационных дефектов, известно, что ферриты являются весьма устойчивыми по отношению к облучению. Зффект воздействия облучения заключается в: а) повышении температуры образца из-за радиационного нагрева, б) создании дефектов в кристаллической решетке феррита, в)радиаци-онно-стимулированной диффузии ионов, г) протекании ядерных реакций. Остаточные изменения свойств ферритов обусловлены в основном выбиванием ионов из узлов кристаллической решетки при воздействии быстрых нейтронов. Влиянию очень больших нейтронных флюенсов порядка. 10 и+10 см , при которых достигается полностью разупорядоченное состояние, посвящены работы Гощицкого, Чукалкина и др. (ИФМ УНЦ АН СССР).
Проведенные исследования по воздействию облучения на магнитные свойства ферритов не позволяют прогнозировать надежность и работоспособность изделий в условиях эксплуатации. Несмотря на большой интерес к ферритам, не была выяснена роль магнитного состояния во время облучения на характер изменения магнитных свойств. Не достаточно экспериментальных исследований по составу и различным примесям для получения ферритов со свойствами, мало чувствительными к облучению. Температура, во время облучения только измерялась, нет систематических данных о роли температурі при изменении магнитных свойств, хотя температура ускоряет процессы рекомбинации и диффузии.
Некоторые системы ферритов с низкой температурой Кюри (Тс) , в частности марганец-цинковые с примесью кобальта, слабо реагируют на окончательную термомагнитную обработку (ТМО) По имеющимся литературным сведениям, а также нашим экспериментальным результатам, некоторые магнитные свойства магнито-мягких сплавов улучшаются после радиационной магнитной обработки (РМО). Учитывая роль ионов Со + при создании наведенной магнитной анизотропии (НМА), а также экспериментальные результаты по ТМО Со содержащих ферритов, можно предполагать, что РМО Л7/7- 2п ферритов с примесью Со должна быть эффективна. Направленное упорядочение Со , при облучении в магнитном поле, в ферритах должно стимулироваться созданием радиационных дефектов (катионных вакансий). Ионизирующее излучение может влиять на скорость изменения, состояния, которое связано с диффузионными процессами.
Исходя из приведенного анализа общего состояния проблемы надежности и работоспособности ферритовых изделий в условиях радиации основной задачей работы явилось: а) систематическое исследование ряда основных магнитных свойств Мп- 2/7 ферритов, содержащих ионы Со , облученных в разных магнитных состояниях, в широком диапазоне температур, электронами, іА-кван -7-тами и быстрыми нейтронами; б) исследование условий создания наведенной магнитной анизотропии в ферритах во время облучения и условий радиационно-стимулированной диффузии; в)выяснение вклада ионов Со в системе /У/7- 2/1 ферритов в процессе радиационной магнитной обработки и оценка роли созданных радиационных дефектов . в процессе намагничивания. При этом главное внимание уделялось выяснению механизма создания ШЛА ионизирующим излучением в ферритах и условий эффективной РМО ферритов с низкой Тс.
Поликристаллические образцы получены керамической технологией. Использованные в работе методики измерения константы НМА, намагниченности насыщения, параметров и формы петли гистерезиса, магнитной проницаемости и температуры Кюри описаны во второй главе.
Научная новизна. В диссертации впервые получены сведения о влиянии облучения электронами, V -квантами и быстрыми нейтронами на свойства ферритов в намагниченном состоянии. Характер изменения некоторых магнитных свойств (проницаемости, остаточной индукции, прямоугольности петли гистерезиса) после РМО качественно отличается от имеющихся литературных данных по радиационной стойкости ферритов. новые данные по изменению основной кривой намагничивания, магнитной проницаемости (М ), остаточной индукции ( А-), коэрцитивной силы (Нс), намагниченности насыщения ( Ms ), температуры Кюри (Тс) и формы петли гистерезиса (ПГ) при облучении феррошпинелей в магнитном поле, достаточном для достижения технического насыщения.
Если облучение в размагниченном состоянии и в состоянии остаточной намагниченности приводит к уменьшению /5Ґ, начальної (м0 ) и максимальной проницаемости ( Мм), росту Нс, Тс и появлению перетянутых петель гистерезиса, облучение в магнитном поле приводит к росту Вґж Мм , а ПГ становится более прямоугольной, что показано впервые.
Эффект РМО зависит от температуры во время облучения и растет с увеличением флюенса. Максимальная цроницаемость растет с увеличением температуры, достигая максимума при температуре &25% ниже температуры Кюри, а при приближении к Тс уменьшается.
Проведен анализ влияния магнито-активных ионов и радиационных дефектов на процесс создания ШЛА в /Уп-Zn ферритах с примесью кобальта в условиях облучения.
Значительно меньше изучена НМА в поликристаллических м-2п ферритах с добавками кобальта. Во многих случаях, создавая в ферритах наведенную магнитную анизотропию (НМА), можно улучшить параметры петли гистерезиса, повысить их магнитную проницаемость.
Как следует из экспериментальных результатов по изменению В /д и Нс при периодическом облучении в магнитном поле и без него, соотношение эффектов упорядочения (радиаци-онно-стимулированные процессы) и разупорядочения (простые и сложные радиационные дефекты) меняется при увеличении флюенса быстрых нейтронов и зависит от концентрации ионов Со .
Таким образом показано, что НМА возникает основному результате упорядочения ионов Со . Энергия активации этого диффузионного процесса составляет 1,3+1,4 эВ. Некоторое уменьшение времени релаксации и энергии активации облученных образцов вероятно связано с радиационными дефектами (дополнительными катионными вакансиями), способствующими миграции ионов.
Исследуемые Мґі-2/і ферриты содержат небольшое количество ионов Со +(менее 0,02$), что позволяет применить одноион-ную модель для объяснения НМА. при облучении. _ Во внешнем -магнитном поле энергетическое состояние ионов Со , находящихся в октаэдрических позициях с различным направлением тригонального поля, различно.
Локальная тригональная ось таким образом является направлением легкого намагничивания для каждого отдельного иона Со . При произвольном направлении намагниченности некоторые октапозиции для иона Со2+ оказываются энергетически более выгодными. Такие позиции, очевидно, занимают ионы Со + при ТМО во время облучения. В этих позициях направление тригонального поля (т.е. соответствующее направление flllj ) ближе к направлению намагниченности.
Полученные экспериментальные данные подтверждают идею, что облучение материалов в условиях, соответствующих их функциональному назначению (магнитные материалы в намагниченном состоянии, металлы в напряженном состоянии), могут дать совсем другие результаты, [чем]обычные испытания до и после облучения.
Изменением магнитного состояния Мл- 2п ферритов с примесью кобальта в полях ионизирующего излучения можно значительно повысить устойчивость изделий к облучению.
Практическая ценность работы. Исследования влияния радиационных дефектов на магнитные свойства ферритов с разными составами и концентрацией примесей расширит наши знания о протекании физических процессов, помогут получить научно обоснованные рекомендации по составу, добавкам, окончательной, обработке ферритовых изделий для успешного применения их в условиях облучения.
Проведенный анализ влияния магнитного поля, температуры во время облучения и состава ферритов на их магнитные свойства, позволяет прогнозировать эксплуатационные свойства ферритовых изделий, работающих в полях ионизирующего излучения.
Ддя улучшения характеристик магнитных сплавов и ферритов применяют термообработку и термомагнитную обработку (ТМО). Во многих случаях из-за состава феррита и низкой температуры Кюри ТМО не дает желаемого эффекта. Ярким примером являются Mft- 2/7 ферриты, ТМО которых является неэффективной.
Получены рекомендации по РМО ///?- Zn ферритов с добавками Со с низкой температурой Кюри. Показана значительная эффективность РМО по сравнению с обычной ТМО.
Показано, что периодическое нахождение Мп- 2п ферритов с добавками кобальта до определенных концентраций, в магнитном поле во время облучения, стабилизируют параметры петли гистерезиса.
В первой главе обсуждаются вопросы, связанные со структурой ферритов, локализацией и стабильностью дефектов рещетки шпинели.
Даны представления о роли кристаллического поля при возникновении кристаллографической магнитной анизотропии в фер-ритах содержащих магнитные ионы re и Go .
Рассматриваются воздействие кристаллического поля на состояние ионов и их энергетический спектр, зависимость расщепления энергетических уровней от симметрии кристаллического поля, предпочтительное распределение катионов Со + по октаэдрическим позициям, учитывая стабилизирующее действие этого поля.
Рассматриваются теоретические модели для объяснения наведения магнитной анизотропии в ферритах и вклады отдельных ионов, ионных пар и более сложных конфигураций в создании НМА.
Рассмотрена кинетика процессов образования НМА, её диффузионный характер, роль вакансий при миграций ионов.
Обсуждается влияние НМА на процессы намагничивания.
Во второй главе приводятся сведения об исследуемых образцах, критерии выбора систем Mh- 7п и А/с ферритов.
Приведены характеристики использованных источников ядерного излучения: реактор ИРГ, гамма-контур РК-ЛМ, электронный ускоритель. Описана методика измерения флюенсов нейтронов и определения энергетического спектра нейтронов. Приведены полученные зависимости распределения величины флюенса нейтронов по высоте и длине экспериментальных каналов.
Описана методика облучения, измерения и поддержания необходимой температуры от 90 К до 650 К и создания магнитного поля во время облучения.
Описаны экспериментальные установки для измерения магнитных свойств ферритов: анизометр, баллистическая установка, установки для исследования параметров петли гистерезиса и формы петли гистерезиса (дифференциальная петля гистерезиса), вибрационный магнитометр.
Рассмотрены особенности создания радиационных дефектов в ферритах электронами, И" -квантами и нейтронами. Приведены соотношения для рассчета числа смещенных атомов, учитывая поперечное сечение столкновений, создающих смещение атомов.
Учитывая природу радиационных нарушений, сравнивается эффективность радиационно-стимулированной диффузии с обычной термической диффузией.
В третьей главе изложены экспериментальные результаты измерения магнитных свойств ферритов при облучении в размагниченном состоянии. Показано, что происходит ТМО в каждом домене, приводящая к стабилизации доменов и их границ. Стабилизация обусловлена наведением одноосной анизотропии.
В четвертой главе отражена роль магнитного поля во время облучения. Показана значительная эффективность РМО ферритов с низкой Тс по сравнению с обычной ТМО. Эффект создания НМА ионизирующим излучением объясняется направленным упорядочением магнитоактивных ионов в процессе радиационно-стимулированной диффузии.
В заключение изложены основные результаты и выводы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по физическим свойствам монокристаллов, г. Красноярск 1969 г., Всесоюзной конферении "Радиационные эффекты в твердом теле", г. Ашхабад, 1977 г., 17 Всесоюзном совещании РФ и ХИК г. Рига, 1978 г., У Всесоюзной конференции "Термодинамика и технология ферритов", г. Ивано-Франковск, 1981 г., Выездных сессияхЬомиссии по термодинамике и технологии ферритов НС "Неорганическая химия" АН СССР , 1983 г. , Ивано-Франковск, 1984 г. Рига.
По материалам диссертации опубликовано и основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах. В работах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат результаты и выводы.
