Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 1.16 Mb.
|
| 1.9.4 Аналитическая модель Полученные выше результаты качественно подтверждаются в рамках аналитически решаемой модели «кулон + сферически симметричный потенциальный слой» (рис.1.9.4.1).  Рисунок 1.9.4.1 Уровни энергии, электронные ВФ и плотности 2s и 3s состояний в: (a) кулоновском потенциале; (b) объединенном кулоновском потенциале со сферически симметричным потенциальным слоем. (c) Энергия уровня и ВФ 1s состояния в одиночном сферически симметричном потенциальном слое. На рис. 1.9.4.1 хорошо прослеживается плавная «замена» ВФ 2s состояния атома Ве на ВФ 3s состояния в новом объединенном потенциале при увеличении глубины потенциала сферического слоя, имитирующего потенциал, создаваемый стенкой фуллерена С60. На рис. 1.9.4.2 представлены графики изменения электронных плотностей 2s и 3s состояний при увеличении глубины сферического слоя.  Рисунок 1.9.4.2 Изменения электронных плотностей 2s и 3s состояний при увеличении глубины сферического слоя. Видно, что имеющее место небольшое увеличение электронной плотности на ядре Ве в комплексе Ве@C60 носит достаточно случайный характер. В сферической яме меньшей глубины это увеличение могло бы быть существенно бóльшим, а в более глубокой яме электронная плотность на ядре Ве могла быть и значительно меньше. Механизм изменения электронной плотности 3s состояния на ядре Ве связан, с одной стороны, с ростом электронной плотности в нуле при увеличении модуля энергии состояния, а с другой – с уменьшением (0), вызванным постепенным перераспределением электронной плотности между кулоновской ямой и сферическим слоем в пользу последнего. Это является следствием большой энергетической щели между 1s и 2s состояниями в кулоновском потенциале. Здесь нет уровней. В то же время в сферическом слое такие связанные состояния есть. На рис. 1.9.4.2 видно, как трансформируется 2s состояние Ве по мере приближения его энергии к энергии уровня 1s в сферическом слое. Происходит значительный переток электронной плотности в область сферического слоя. Отметим в заключение, что рассмотренная в настоящей работе ситуация с узлом волновой функции в потенциале притяжения качественно не нова и имеет некоторое сходство с известной проблемой отталкивающего кора в ядерной физике. В 70-80-х годах прошлого века было установлено, что концепция отталкивающего кора на малых расстояниях вследствие принципа запрета Паули в - и N-N взаимодействиях является упрощенной, и в ряде случаев может быть заменена концепцией узловой ВФ относительного движения в потенциале притяжения. 1.9.5 Заключение Суммируем результаты. 1. Согласно расчетам по методу Хартри-Фока с учетом электронных корреляций (МР2) атом Ве находится в центре комплекса Ве@С60, что согласуется с DFT расчетом. 2. Атом Ве оказывается связанным в комплексе Ве@С60 с энергией около -0.6 эВ, а сам комплекс оказывается стабильным относительно распада на Ве и С60, в отличие от DFT расчета, где основное состояние имело энергию +1 эВ. 3. Электронная плотность на ядре Ве в комплексе 7Ве@С60, примерно, на 2% превосходит (0) в металлическом 7Ве. Этот результат согласуется с DFT оценкой и экспериментальными данными. 4. Электронная плотность на ядре Ве в комплексе 7Ве@С60 превосходит электронную плотность на ядре Ве в изолированном атоме Ве. Это – результат «превращения» атомной 2s орбитали в 3s орбиталь в общем потенциале притяжения «кулон + притягивающий потенциал стенки фуллерена». 3s орбиталь имеет дополнительный узел на расстоянии 5 аВ от центра. Этот узел имитирует отталкивание электронов Ве от стенки фуллерена С60. То_есть, отталкивающий кор между оболочками Be и C60 имитируется нулевой вероятностью пребывания валентных 2s электронов атома бериллия в окрестности узла волновой функции. Данный механизм имеет прямую аналогию в теории - и N-N взаимодействий. 1.10 Разработка методики ядерного обратного рассеяния для анализа содержания легких элементов в перспективных материалах 1.10.1 Введение В ядерной энергетике нового поколения широкое применение находят циркониевые сплавы. Для нахождения оптимальных способов обработки поверхностных слоев, разработки методов их модифицирования и технологий нанесения покрытий на циркониевые сплавы в настоящей работе разработан метод неразрушающего анализа поверхностных слоев с повышенной чувствительностью к углероду, азоту, кремнию и другим легким элементам. Метод основан на измерении спектров ядерного обратного рассеяния (ЯОР) протонов (Ер ~ 7.7 МэВ) образцами циркониевых сплавов с модифицированными поверхностными слоями и последующей компьютерной обработке, в результате которой определяются профили концентрации элементов. Исследованы составы поверхностных слоев циркониевых сплавов модифицированных в результате струйно-абразивной, магнито-абразивной обработки, с помощью методов электроискрового легирования, термоокисления и нанесения покрытий. Определен состав и структура поверхностных слоев циркониевых сплавов. Погрешности в определении толщин модифицированных слоев ~0.5 мкм, а определения содержания легких элементов около 10 ат.%. 1.10.2 Полученные результаты В настоящей работе для исследования модифицированных поверхностных слоев циркониевых изделий применен неразрушающий образец безэталонный метод, основанный на использовании закономерностей ядерного обратного рассеяния протонов атомными ядрами. Исследуемый образец помещают в вакуумную камеру и облучают пучком протонов, ускоренных циклотроном до энергии 5-8 мегаэлектронвольт. Частицы, испытавшие обратное рассеяние на ядрах атомов, регистрируются с помощью детектора заряженных частиц и сортируются по кинетической энергии. Спектр ядерного обратного рассеяния (спектр ЯОР) протонов далее сопоставляется с расчетным. На основе сопоставлений спектров определяется элементный состав поверхности. Этот метод особенно эффективен для определения легких элементов. При этом глубина анализа поверхности достигает несколько десятков микрометров, а сам образец не разрушается. Это позволяет проводить последующий дополнительный анализ образца другими методами. Такие характеристики обеспечивают высокую эффективность метода для решения многих задач современного материаловедения, возникающих при разработке технологий нанесения защитных покрытий, модификации поверхностного слоя металлов, сплавов и др. Измеренные спектры ЯОР сопоставлены со спектрами ЯОР, полученными методом компьютерного моделирования. Для получения количественной информации о концентрационных профилях элементов в поверхностных слоях материала безэталонным методом использован программный комплекс «NBS». Пакет универсального программного обеспечения «NBS» позволяет проводить элементный послойный анализ спектров ЯОР. Пакет программ содержит несколько взаимосвязанных модулей, основным из которых является модуль, генерирующий спектр ЯОР для модельной структуры поверхности. Для определенной модельной структуры поверхности вычисляется модельный спектр ЯОР, который наилучшим образом совпадает с экспериментальным спектром ЯОР. При таком сопоставлении определяется толщина и состав модифицированных слоев на поверхности циркониевых изделий. На рис. 1.10.2.1 отображен спектр от образца из циркониевого сплава, зачищенного «штатным методом», т.е. с использованием методов завода-изготовителя циркониевых изделий. Далее данный спектр используется как исходный для сравнения или же для применения разностного метода.
На рис. 1.10.2.2а показан спектр от образца циркония, подвергнутого струйно-абразивной обработке (САО) стеклошариками, в сравнении с исходным образцом. Перед измерениями образцы были покрыты танталовой фольгой Та, с целью мониторирования пучка и последующей нормировки спектров. Как видно из сопоставления спектров, после применения САО на поверхности циркония обнаружено наличие атомов O и Si. Дальнейший анализ спектров ЯОР разностным методом (рис. 1.10.2.2.б) показал, что общая толщина модифицированного слоя составила ~4.6 мкм, процентное соотношение примесей – О 6%, Si 4%.
На рис. 1.10.2.3а представлены спектры циркониевого образца до и после его магнитно-абразивной обработки с использованием колотой стальной дроби (ДСК) в качестве абразива. Как видно из разностного спектра (рис. 1.10.2.3б), данный вид обработки привел к окислению поверхности образца, процентное содержание O составило 12%, а глубина окисленного слоя – 3 мкм.
На рис. 1.10.2.4а представлены спектры циркониевого образца до и после его магнитно-абразивной обработки с использованием колотой чугунной дроби (ДЧК) в качестве абразива. По сравнению с обработкой ДСК этот процесс привел к более слабому окислению (8% О) на большую глубину (4 мкм) , а также образованию карбидированного слоя на поверхности(4% C) (см разностный спектр на рис. 1.10.2.4б).
На рис. 1.10.2.5 показан разностный спектр ЯОР от образца, обработанного сухим льдом. Как и ожидалось, изменений в структуре поверхностного слоя образца не произошло.
На рис. 1.10.2.6 представлены спектры от образца, подвергнутого термическому оксидированию (ТО). Процентная доля O после ТО составила примерно 62%, что привело к сильному «проседанию» правого края спектра. Толщина окисленного слоя Zr составила 3 мкм, причем, как видно из процентного соотношения (Zr – 38%), не все атомы циркония на поверхности успели окислиться. Присутствие примесей C, N, S и Fe, не было обнаружено.
На рис. 1.10.2.7 отображены спектры циркониевого образца до и после последовательно проведённых струйно-абразивной обработки и термического оксидирования. После этой процедуры на поверхности не осталось пика Si, характерного для САО, а процентное соотношение O осталось таким же, как и после просто ТО (62 %). В то же время толщина слоя окисленного слоя увеличилась вдвое (6 мкм) при тех же параметрах ТО.
На рис. 1.10.2.8 представлены экспериментальный и моделированный спектры образца после электроискрового легирования (ЭИЛ). Процедура ЭИЛ привела к достаточно неравномерному распределению примесей по поверхности – на глубине до 2 мкм содержится 11% N и 6% O, а на глубине от 2 мкм до 5 мкм содержится 3% N и 3% O.
На рис. 1.10.2.9 представлены экспериментальный и моделированный спектры образца циркония, на поверхность которого электродуговым методом нанесено покрытие, состоящее из Al и Cr (состав смеси порошков в источнике – 50% Cr и 50 % Al). При этом обработка показала, что состав покрытия оказался другим – 40% Al и 60% Cr при общей толщине слоя в 1 мкм.
На рис. 1.10.2.10 изображены экспериментальный и моделированный спектры от образца циркония, на поверхность которого электродуговым способом наносились поочередно 8 раз слои из смеси Cr и Al (в пропорции 50% Cr и 50% Al) и слои из Al. При этом образовалось покрытие толщиной 2,5 мкм, в состав которого входит Al (65%) и Cr (35%).
На рис. 1.10.2.11 показаны спектры образца до и после нанесения магнетронным методом 5 слоев Zr и 4 слоев ZrN. Обработка показала, что на поверхности образовался защитный слой толщиной 4.0 мкм и процентным содержанием N 50%.
|
Похожие:
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
 | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Санкт-петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им. В. И. Ульянова (ленина) | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... «Разработка новых методов индивидуальной коррекции сводно-радикального статуса при бактериальных инфекциях» |
