О применении явления электрон-позитронной

Аннигиляции для изучения дефектной структуры

Металлов и сплавов

До середины 60-х годов прошлого века о возможности изучения структурных нарушений кристаллов методами ЭПА и не предполагали, допуская, что параметры аннигиляции практически не чувствительны к этим изменениям. Первые эксперименты, посвященные изучению дефектной структуры в Ni и его сплавах с Fe, созданной пластической деформацией, показали перспективность использования явления аннигиляции для этой цели. При этом предполагалось, что вакансионные и дислокационные дефекты, возникающие в металлах, обладают избыточным отрицательным зарядом, которые, благодаря обеднению ионами представляют для позитронов глубокие потенциальные ямы. Впервые идея локализации позитрона в такого рода дефектах была высказана авторами работ и в последующем она нашла свое теоретическое и экспериментальное подтверждение. Безусловно, приоритет решения этой проблемы при этом принадлежит Дехтяру И.Я. и его сотрудникам. В качестве принципиальных факторов, приводящих к изменению формы УРАФ и спектра времени жизни позитрона, можно отметить следующие: изменение плотности электронов в дефектах; изменение перекрытия волновых функций электрона и позитрона; размытие Ферми-уровня электронов.

Открытие явления локализации позитрона в области структурных нарушений вызвало резкое повышение интереса исследователей к этому методу. Спустя некоторое время после первых опытов с деформацией, Маккензи с сотрудниками, изучая влияние нагрева металлических материалов на характеристики УРАФ, обнаружил аналогичные их изменения. Расчеты показали, что изменение формы кривой при этом значительно превосходит возможный вклад от термического расширения кристаллической решетки. Позже это явление тоже нашло свое объяснение, как локализация и аннигиляция позитронов в термических вакансиях, когда удалось исключить влияние термического расширения решетки путем закалки с высокой температуры. При этом в металлах сохраняется повышенная концентрация вакансии при комнатной температуре. Главным результатом подобных температурных исследований явилась возможность определения энергии образования вакансии Е_V в металлах:

,

(5.46)

где h_c, h, h_¶ – параметры аннигиляции соответственно для случаев аннигиляции позитрона из свободного, частично и полностью захваченного состояний; n - удельная скорость захвата позитронов; l_С – скорость аннигиляции свободного позитрона; C₀ – константа перед экспонентой; k- постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

К настоящему времени методом ЭПА с большой точностью и в широком интервале температур определены энергии образования вакансии для большинства металлов. В этих условиях естественно было предположить возможность изучения возврата дефектной структуры к исходному состоянию методами ЭПА путем последовательного нагрева материала и измерения параметров позитронной аннигиляции. Первые эксперименты в этом направлении были выполнены так же на сплавах никеля [72]. Отжиг деформированного на e = 85% сплава до 973 К в течение 1 часа привел к полному возврату углового распределения к первоначальной. Одновременно было установлено, что низкая температура отжига снижает эффект от деформации лишь частично. Следовательно, полный возврат возможен лишь при температурах выше температуры рекристаллизации металла. Разделить вклад вакансионных и дислокационных дефектов в параметры позитронной аннигиляции методом последовательного изохронального отжига дефектного материала и путем тщательного сопоставления различных спектров, как по форме, так и в количественном отношении и одновременно сделать определенные выводы о природе III и IV стадии возврата удалось автором работы. Эти и последующие эксперименты в этом направлении окончательно подтвердили обратимый характер изменения формы угловых и временных распределений аннигиляционного излучения, вызванной дефектной структурой материала.

Изучение кинетических процессов, связанных с температурными изменениями структуры, лучше всего проводить методом измерения ДУАЛ, обеспечивающего хорошую статическую точность при высокой экспресности. Примером эффективного использования этого метода является работа, в которой исследовался процесс рекристаллизации ультрадисперсных порошков Мо. Было обнаружено постоянство аннигиляционного параметра S₁/S₀ при нагреве до 850°С и последующее резкое возрастание его в интервале до 1000°С, свидетельствующее о происходящих структурных перестройках в материале, вызванных генерацией неравновесных вакансий и, возможно, процессом спекания.

На сегодняшний день с достаточной полнотой, как в экспериментальном, так и теоретическом плане изучены процессы взаимодействия позитрона с вакансиями и их скоплениями. В ходе этих исследований была установлена нелинейная зависимость вероятности захвата позитронов дефектами от концентрации вакансии. Так в работе методами ЭПА и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) выполнена идентификация размеров вакансионных кластеров и времени жизни позитронов для разных металлов. Было установлено, что насыщение в изменениях времени жизни наступает при 50 вакансиях в кластере, достигая значения 500 пс (рис. 43). Такую величину среднего времени жизни можно получить при аннигиляции позитронов на плоской поверхности тела.

Получение необходимой информации о дефектной структуре твердого тела непосредственно связано с изучением его электронной структурой, определяющей многие физические свойства материала

Рис. 5.11. Среднее время жизни позитронов в Fe (1) и Mo (2) в зависимости от размера кластера

Теоретические расчеты процессов взаимодействия позитронов с дефектами с учетом электронной структуры и геометрии его окружения достаточно сложны. Несмотря на это, главным результатом работы является установление того факта, что энергия связи позитрона с дефектом оказывается более чувствительной к перераспределению заряда, чем его время жизни. Например, в случае Мо переход из электронной конфигурации 4d⁵5s¹ в конфигурацию 4d⁴5s² приводит к уменьшению времени жизни всего на 3 пс, тогда как энергия связи возрастает от 3.6 до 5.2 эВ. Следовательно, полноценная информация об электронной структуре переходных металлов нужна прежде всего для понимая природы межатомной связи элементов с недостроенными внутренними оболочками. Поэтому совершенно небезразлично, в каком состоянии находятся электроны незаполненной оболочки - коллективизированы и равномерно распределены по объему кристалла, или же локализованы возле ядер и имеют ярко выраженную направленность в распределении электронной плотности в кристалле. Современный уровень электронной теории вещества еще не позволяет описать всю совокупность строения дефектной области, под которым понимают структуру, взаимное расположение и атомное окружение, чтобы по этим данным можно было построить универсальную теорию конденсированного состояния. Последнее необходимо для безошибочного выбора направления поиска новых композиций, имеющих первостепенное значение для современной науки и техники.

Как было отмечено выше, метод ЭПА, будучи практически не чувствительным к межузельным атомам, предоставляет возможность выявлять и избирательно изучать поведение вакансионных дефектов, а также исследовать процесс их кластеризации с образованием комплексов. Последнее легко устанавливается из результатов измерения времени жизни, численное значение которого дает представление о размерах, а интенсивность - о концен-трации кластеров. Например, в облученном электронами с Е=3 МэВ ниобие кластеризация вакансии начинается уже при Т³200К и продолжается до 380 К. Наличие примесей водорода приводит к смещению ее границы в сторону более высоких температур из-за образования связанного состояния вакансия-водород. Следовательно, если вблизи или внутри дефектной области находится примесный атом, меняется его электронное строение, что приводит к соответствующему изменению скорости аннигиляции. Образование комплекса вакансия - примесь вызывает уменьшение скорости захвата позитрона практически до полного экранирования вакансии. Распад таких комплексов происходит при более высоких температурах и всегда сопровождается появлением долгоживущих компонентов в спектре временных распределений.

Приведенный краткий анализ различных сторон приложения методов ЭПА к исследованию структурных нарушений твердого тела свидетельствует о широких, иногда до сих пор еще не востребованных, ее возможностях. Тем не менее, они не будут полными, если не коснуться проблем, связанных с изучением полиморфных, магнитных, мартенситных и других превращений, сопровождающих изменение структуры металлов и сплавов на их основе при различных внешних воздействиях, вызванных пластической деформацией, ионизирующим и лазерным излучениями, сложной химико-термической обработкой, в том числе, в высоко-температурной и жидкометаллической среде, кристалличности и ультрадисперсности, а так же предысторией материалов. Несмотря на значительные сложности, связанные с решением и реализацией данной проблемы, она все же является достижимой и представляет предмет обсуждения других разделов настоящей работы. При этом, в отличие от других методов, в том числе измерения удельной теплоемкости или парамагнитной восприимчивости, которые также дают сведения о плотности электронных состояний на уровне Ферми, изучение аннигиляционных характеристик позволяет исследовать весь энергетический спектр электронов металлических материалов, а в случае сплавов - раздельно электронную структуру каждой из компонент, что не может быть осуществлено ни одним из известных физических методов, кроме, разве что, изучения распределения интенсивностей в рентгеновских эмиссионных спектрах. Не секрет, что экспериментальные исследования конденсированного состояния далеко опередили теоретические изыскания. Последнее обстоятельство иногда является причиной неоднозначного трактования полученных результатов, что создает ощущение недостоверности последних. В этих случаях с целью дополнения, иногда подтверждения первоначальных данных, по – возможности, привлекают и другие экспериментальные методы или моделируют сам физический процесс, используя для этой цели какой - либо математический аппарат. Решение задачи о поведении позитрона в конденсированной среде со структурными нарушениями фактически является частным случаем приложения квантовой теории твердого тела и моделирование процесса захвата и аннигиляции позитронов, локализованных в дефектных областях среды, по сути своей, соответствует ее духу, о чем пойдет речь в следующем параграфе.