• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Поведение конструкционных и функциональных материалов в экстремальных условиях

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2016
Подразделение: Лаборатория "Радиационная физика твердого тела"

Цель работы: получение новых знаний о физических процессах, определяющих поведение ряда конструкционных и функциональных материалов в экстремальных условиях, установление механизмов наблюдаемых явлений.

Используемые методы: облучение протонами на ускорителе и потоками плазмы на установках типа «Плазменный фокус», рентгеновская дифрактометрия, трансмиссионная электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия и элементный анализ, оптическая микроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия, диаграммная техника Абрикосова-Горькова.

Эмпирическая база исследования: разработанная в ходе выполнения проекта оригинальная методика диффузного рассеяния рентгеновских лучей для исследования характеристик и определения концентрации микродефектов в облученных монокристаллах кремния; обобщенная примесная («крестовая») техника Абрикосова-Горькова для сверхпроводящих сплавов на случай наличия решётки (в частности, гексагональной решётки графена), дираковского (квазилинейного) спектра электронов и аномальной сверхпроводимости (p-, d- и f-типа) с нулями сверхпроводящей щели; экспериментальные данные о природе, характеристиках и эволюции микродефектов, формируемых в кристаллах кремния при облучении протонами в широком интервале температур; влиянии сверхмощных плазменных импульсов в режимах экстремальных энергетических воздействий (до 1012 Вт/см2) на структуру и элементный состав ряда конструкционных материалов (вольфрама, сплавов на основе железа и на основе титана).

Результаты работы:

  • показано, что в облученных протонами образцах кремния, не подвергнутых термической обработке, формируется дефектный слой, параметр решетки которого преимущественно увеличен, с преобладанием дефектов вакансионного типа и междоузельного типа, средний размер которых составляет ~ 10 нм, с эффективной мощностью 9×10-5 мкм3;
  • экспериментально установлено, что в ходе пострадиационного отжига размер дефектов увеличивается. При температуре 300°С обнаружено наличие дефектов: мелких, размером 0,05 мкм, мощность которых составляет 5×10-5 мкм3, и крупных, размером около 0,3 мкм, мощностью порядка 6×10-4 мкм3. При этом преобладают микродефекты с отрицательным знаком дилатации;
  • установлен рост размеров и мощности микродефектов, как вакансионного (поры), так и междоузельного типа (дислокационные петли) с увеличением температуры термического отжига до 500°С. При этом мощность дефектов увеличивается до значения 15×10-4 мкм3;
  • выявлено, что структура дефектного слоя в образцах сильно нарушается при последующей термической обработке при температурах до 1100°С. Это связано с выходом водорода из кристалла, с последующим схлопыванием крупных пузырей и образованием насыщенных более мелкими петлями и порами областей. Кроме того, были обнаружены дислокационные петли с радиусом порядка 0,4 мкм и мощностью 6,4×10-4 мкм3;
  • в рамках примесной (крестовой) диаграммной техники обобщен подход Абрикосова-Горькова на случай немагнитных примесей и аномального спаривания на квадратной и гексагональной решётках. Показано, что при определении критической температуры в пределе слабой связи можно пренебречь примесными  поправками к поляризационному оператору и эффективному взаимодействию как в 3D, так и в 2D случаях для квадратной и гексагональной решёток. В результате подавление аномальной сверхпроводимости на решётке немагнитными примесями качественно эквивалентно подавлению обычной сверхпроводимости с s-спариванием и изотропной сверхпроводящей щелью магнитными примесями по механизму Абрикосова-Горькова. Обосновано, что различие ситуаций с немагнитными примесями и аномальным спариванием на решётке может быть связано лишь со структурой и протяжённостью «хвостов Лифшица» в одночастичной плотности состояний и большей протяжённостью бесщелевой области;
  • в рамках обобщённой модели Хаббарда-Андерсона с конкуренцией кулоновских корреляций на одном и соседних узлах и диагонального беспорядка на гексагональной решётке разработана физическая модель и построена фазовая диаграмма реального монослоя и бислоя графена в реальном (умеренно-чистом) пределе, на которой определены границы сверхпроводящих доменов с различными типами симметрии параметра порядка. Установлено, что сверхпроводящие области фазовой диаграммы реального графена находятся внутри фазы коррелированного металла. Показано, что в отличие от случая сверхчистого графена (когда фазовые диаграммы монослоя и бислоя графена содержат области p-,d-,f- и аномального s-спаривания) и случая, соответствующего «грязному» пределу (когда фазовые диаграммы монослоя и бислоя графена  соответствуют нормальному  несверхпроводящему состоянию), в промежуточной области умеренно-чистого графена (когда затухание и критическая температура становятся одного порядка) возможно наличие промежуточной бесщелевой фазы;
  • разработана физическая модель таунсендовского разряда в газовой смеси при наличии на поверхности мишени тонкой диэлектрической пленки и проведена оценка ее влияния на напряжение зажигания разряда при различных температурах газовой смеси в газоразрядных приборах. Установлено, что равновесное значение ионизационного коэффициента в газовой смеси аргон-ртуть существенно падает с уменьшением температуры вследствие снижения роли пеннинговской ионизации;
  • с использованием разработанной модели таунсендовского разряда рассчитаны зависимости напряжения зажигания разряда от длины разрядного промежутка (кривые Пашена) для нескольких разрядных условий. Показано, что теоретическая зависимость, соответствующая разряду в чистом аргоне с катодом без оксидной пленки, удовлетворительно согласуется с экспериментально полученной зависимостью. Наличие же оксидной пленки на катоде приводит к увеличению эффективного коэффициента ионно-электронной эмиссии и, вследствие этого, к существенному (на 40-50%) уменьшению напряжения зажигания разряда;
  • при исследовании взаимодействия высокотемпературной плазмы, генерируемой в установках плотного плазменного фокуса ПФ-6 и ПФ-1000, с материалами, перспективными для использования на первой стенке реакторов ядерного синтеза, установлено, что плазменное воздействие состоит из нескольких этапов: а) разлет плазменной струи на мишень и собирание горячей плазмы с мощностью Р ~ 1010 Вт/см2 вблизи поверхности; б) образование вторичной плазмы, обладающей относительно низкой температурой (несколько эВ); в) воздействие потока быстрых ионов с энергией ~ 100 кэВ при мощности воздействия Р ~ 1012 Вт/см2 и образование вторичной горячей плазмы с температурой выше 100 эВ; г) генерация ударной волны внутри твердотельной мишени и последующей разгрузочной волны. Полученные условия облучения сравнимы с условиями, ожидаемыми для материалов первой стенки в реакторах с магнитным (ITER) и инерционным удержанием плазмы (NIF);
  • при исследовании методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии, атомно-эмиссионной спектроскопии, рентгеновского элементного анализа, проведенном на малоактивируемой ферритной и аустенитной нержавеющих сталях, β-сплаве титана, а также двукратно-прокованном вольфраме (кандидатном материале дивертора в ITER) было установлено, что при увеличении плотности потока энергии горячей плазмы и потоков быстрых ионов, облучающих поверхность образцов, ее морфология изменяется - от слабой волнисто-подобной до сильно развитой структуры поверхности. Мишень плавится с появлением трещин – сначала они появляются вдоль границ зерен, а затем формируется внутризеренная сетка микротрещин. При максимальных значениях плотности потока мощности на поверхности наблюдается высокая концентрация газонаполненных пузырей - блистеров. При этом для облученного вольфрама характерна повышенная эрозия поверхности вследствие разрушения оболочек блистеров с размерами кратеров 10-100 мкм. Аустенитные стали были подвержены наименьшей эрозии при блистеринге (при размерах блистеров менее, чем 0,1-1,0 мкм), но из-за микронапряжений при затвердевании расплава эти материалы склонны к трещинообразованию;
  • экспериментально установлено, что после облучения ферритной стали потоками дейтериевой плазмы имеет место эффект захвата дейтронов в поверхностных нанослоях образца. Сделан вывод, что обнаруженный захват дейтронов является результатом их взаимодействия с решеточными дефектами типа примесных атомов, пор и оксикарбонитридных частиц, присутствующих в данном материале.

Рекомендации по использованию результатов НИР включают в себя: режимы облучения протонами и пострадиационной обработки кристаллов кремния для управления диффузией структурных микродефектов, условия повышения эмиссионных характеристик катодов газоразрядных приборов, данные о поверхностной эрозии ряда кандидатных материалов для реакторов ITER и NIF под действием сверхмощных импульсов высокотемпературной плазмы.

Область применения полученных результатов: полученные результаты могут быть использованы при производстве газоразрядных приборов, pin-фотодиодов на основе высокоомного кремния, выборе материала первой стенки термоядерного реактора.

Публикации по проекту:


Дьячкова И. Г., Новоселова Е. Г., Смирнов И. С. Трансформация радиационных дефектов в кремнии, имплантированном протонами, при низкотемпературной термообработке // В кн.: Труды XXVI Международной конференции "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 4-9 июля 2016г.) / Под общ. ред.: Г. Г. Бондаренко; науч. ред.: Г. Г. Бондаренко. М. : ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2016. С. 362-370.
M.Yu. Kagan, Mitskan V., Korovushkiin M. Effect of the long-range Coulomb interaction on the phase diagram of the Kohn-Luttinger superconducting state in idealized graphene // Journal of Low Temperature Physics. 2016. Vol. 185. No. 5. P. 508-514. doi
Kagan M., Mitskan V., Korovushkiin M. High-T-c and low T-c superconductivity and superfluidity in Fermi-systems with repulsion // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 2016. Vol. 29. No. 4. P. 1043-1048. doi
Chernyshova M., Gribkov V. A., Kowalska-Strzeciwilk E., Kubkowska M., Miklaszewski R., Paduch M., Pisarczyk T., Zielinska E., Demina E. V., Pimenov V. N., Maslyaev S. A., Bondarenko G., Vilemova M., Matejicek J. Interaction of powerful hot plasma and fast ion streams with materials in dense plasma focus devices // Fusion Engineering and Design. 2016. Vol. 113. P. 109-118. doi
Demishev S. V., Samarin A., Huang J., Glushkov V., Lobanova I., Sluchanko N., Chubova N., Dyadkin V., Grigoriev S., Kagan M., Vanacken J., Moshchalkov V. Magnetization of the Mn1−xFexSi in high magnetic field up to 50 T: Possible evidence of a field-induced Griffiths phase // JETP Letters. 2016. Vol. 104. No. 2. P. 116-123. doi

См. также

Ключевые слова