Методы магнитной микроскопии и их применение в экспериментальной физике
Скачать 268.36 Kb.
|
На правах рукописи УДК 539.1.07 Маркин Александр Иванович МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ МИКРОСКОПИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Троицк – 2013 Подписано в печать __ __ __. Формат 60х90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л.1,75 Тираж 65. Заказ 54 Отпечатано в ХХХХХХХХ ХХХХХХХХХХХХХХХХ На правах рукописи Маркин Александр Иванович МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ МИКРОСКОПИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Троицк – 2013 Работа выполнена в Отделении физики токамаков реакторов Государственного научного центра Российской Федерации Троицкого института инновационных и термоядерных исследований. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Д.Д. Малюта, директор ОИП, ГНЦ РФ ТРИНИТИ доктор физико-математических наук, профессор Л.Б. Беграмбеков, профессор НИЯУ МИФИ Доктор технических наук, профессор Б.А. Гурович, Ведущая организация: ВНИИНМ имени А.А. Бочвара Защита состоится «» «………..» 2013 г. в ____________ на заседании диссертационного совета ДС 520.009.06 по адресу: С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке . Автореферат разослан « » 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета ___________ доктор физико-математических наук ФИО І. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность проблемы. Методы получения увеличенных или уменьшенных изображений поверхностей объектов в течении длительного времени являлись и являются одним из основных способов изучения структуры материалов, происходящих в них процессов, вызывают наибольший интерес в связи с развитием и разработкой нанотехнологий и вносят существенный вклад в исследования. Современный этап исследований и проводимых физических экспериментов по изучению структуры различных объектов предполагает комплексный подход с одновременным использованием нескольких методов наблюдения физических процессов в том числе и по эмиссионной способности поверхностей и тонких пленок для получения более точной и достоверной информации. Особую значимость для развития атомной, термоядерной и водородной энергетики получили исследования распространения и удержания изотопов водорода (протия, дейтерия и трития) в материалах, представляющих наибольший интерес для энергетики будущего. Исследования процессов насыщения и диффузии водорода в перспективных металлах методами магнитной микроскопии с высоким разрешением и чувствительностью позволяют расширить наши представления о структуре поверхностей и приповерхностных слоев и направить усилия на совершенствование их характеристик. Таким образом, рассмотренная в диссертации тема является актуальной. Задачей диссертационной работы является экспериментальное изучение и описание физических механизмов формирования и транспортировки увеличенных и уменьшенных изображений поверхностей объектов, эмитирующих заряженные частицы от исследуемой поверхности к регистрирующему экрану, а также разработка нового способа исследования насыщения и диффузии изотопов водорода в металлах с применением метода меченых атомов. В диссертационной работе рассматриваются четыре основных направления исследований: 1. Получение увеличенных изображений в магнитном микроскопе и получение уменьшенных изображений в магнитовизоре. 2. Исследование условий достижения максимальной разрешающей способности метода магнитной микроскопии. 3. Исследование условий формирования изображений поверхностей материалов с различной электронной эмиссионной способностью. 4. Исследование процессов насыщения и диффузии водорода (трития) в металлах, использующихся в ядерной и термоядерной энергетике. Научная новизна работы заключается в следующем:
Научное и практическое значение работы: Показано, что использование принципа адиабатически инвариантного движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле позволяет создать метод транспортировки изображений на значительные (в выполненных экспериментах до 1 м) расстояния и без применения высоковольтного оснащения. Применение магнитного микроскопа позволяет проводить детальные исследования распределения эмитирующей способности поверхности с разрешением ~30 мкм и чувствительностью до 1 эл/см2сек Разработанный способ получения уменьшенных изображений в магнитовизоре позволяет применять его в замкнутых сосудах – оборудование вакуумной камеры термоядерного реактора или в космосе (в вакуумных условиях) - для получения информации о распределении радиоактивных загрязнений. Комплексное применение методов магнитной микроскопии и авторадиографии или радиолюминографии позволяет получать дополнительную информацию о распределении трития при исследовании его распределения в приповерхностном слое и по глубине материалов. При помощи магнитного микроскопа можно получать информацию о распределении в поверхностном слое для всех β- и α- радиоактивных изотопов в виде двумерных изображений. Применение магнитного микроскопа дает возможность изучать детальную структуру распределения трития по глубине материалов. Применение напыленных пленок с отрицательной энергией активации дает возможность насыщать металлы водородом до концентрации твердого тела. Применение магнитного микроскопа открывает новые возможности для получения количественных характеристик насыщения и диффузии водорода в металлах и сплавах. Предварительное внедрение одного изотопа водорода (на примере протия) в металле ограничивает внедрение трития в первую стенку термоядерного реактора. Метод насыщения металлов водородом (тритием) является новым диагностическим средством для изучения структуры поверхности и приповерхностного слоя в микро- и нано- диапазоне. Достоверность и обоснованность результатов исследований обусловлена тем, что анализ базируется на хорошо известных в физике плазмы условиях адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле и экспериментальном подтверждении результатов проведенного анализа условий получения как увеличенных (магнитный микроскоп), так и уменьшенных (магнитовизор) изображений. Экспериментальные данные по детальному распределению трития в различных металлах и его диффузионным характеристикам нашли подтверждение в работах как российских, так и зарубежных авторов. Полученные автором материалы прошли апробацию на видных российских и международных форумах, опубликованы, в том числе, и в ведущих журналах по физике, энергетике, приборостроению и материаловедению, что также подтверждает обоснованность и надежность полученных результатов. Основные положения, выносимые на защиту:
Апробация работы: Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях: взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2001, Звенигород, 2001; физико-химические процессы при селекции атомов и молекул, Звенигород, 2003; 2004; 2005; 2006; 2008; 2009 тритиевая наука и технологии: “Tritium 2004”, Баден-Баден, Германия, 2004; “Tritium 2007”, Нью Йорк, США, 2007; на конференциях: по радиоэкологии, Обнинск-1996; по физическим проблемам экологии (физическая экология), МГУ, Москва, 1997; по физике плазмы и УТС, Звенигород 2002; по материалам ядерной техники МАЯТ, Агой, Краснодарский край, 2003; Звенигород, 2007; на отраслевом семинаре Росатома по физическому моделированию изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях, 2005, а также на научных семинарах ТРИНИТИ (Троицк 1998-2009). Получены патенты на метод визуализации изображений: магнитный микроскоп, магнитовизор и на метод сохранения водорода: аккумулятор водорода. Модель магнитного микроскопа была представлена на нескольких выставках: на Всемирном салоне изобретений и инноваций - Брюссель – Эврика – 2000, где была отмечена дипломом с присуждением ей международным жюри «Золотой медали»; на выставке Интеллектуальная собственность России, организованной в г. Москва, 2002 г. министерством промышленности, науки и технологий РФ и отмечена дипломом; на Международной универсальной выставке «Ресурсы, идеи, технологии– взгляд в Экспо - 2010», г. Москва, Всероссийский выставочный центр, 2002 г. и отмечена дипломом; на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций, организованном в г. Москва, ВВЦ, 2004 г. и отмечена дипломом. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 41 научных работ, из них 23 в реферируемых изданиях. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации составляет страниц. Диссертация содержит 104 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 205 наименований. ІІ. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, дается описание содержания диссертации и основных результатов, выносимых на защиту. Первая глава диссертации – вводная. Проведено обоснование применения методов магнитной микроскопии: разрешение определяется радиусом вращения зарядов в магнитном поле rл = mvㅗ/eB при начальном rл0 = mv0/eB0; увеличение изображений осуществляется в убывающем магнитном поле; при этом выполняется условие сохранения магнитного потока В0S0 = B1S1 и, что особенно важно, условие адиабатически инвариантного движения зарядов mv20/B0 = mv21/B1. Отсюда следует, что ларморовские радиусы частиц вблизи образца и вблизи экрана имеют такое же соотношение, как и линейные поперечные размеры образца r0 и экрана r1: (S1/S0)½= rл1/ rл0 = r1/ r0 = (B0/B1)½. Этот результат теории, описывающий адиабатическое движение заряженных частиц в магнитном поле, лежит в основе обсуждаемой возможности получения увеличенных изображений структур поверхности с размером ~ rл0. Представлены экспериментальные результаты и получены изображения, характеризующие возможности и области применения магнитного микроскопа. Рассмотрено влияние неоднородной структуры магнитного поля, объемного заряда, продемонстрирован визуально результат нарушения адиабатической инвариантности движения заряженных частиц в неоднородном магнитном поле. Описана экспериментальная установка, представляющая собой макет магнитного микроскопа.   Действующая модель магнитного микроскопа. Принципиальная схема: 1 – фотопленка, область магнитного поля В1, 2 – траектории движения заряженных частиц (c радиусом вращения rл) между источником и экраном с расстоянием L, 3 – источник эмиссии заряженных частиц, область магнитного поля В0, 4 – вакуумная камера, 5 – магнитная система. Во Второй главе исследуются методы получения изображений поверхностей, эмитирующих заряженные частицы. Метод получения увеличенных изображений в неоднородном (убывающем) – магнитном поле микроскопа. Получены первые результаты, подтверждающие возможность получения увеличенных изображений, формируемых и транспортируемых магнитным полем. Рассмотрены вопросы разрешения и чувствительности метода.   Увеличенные изображения тритиевого источника β-частиц, закрытого маской с отверстиями, на различных расстояниях от источника. Увеличение α: 2,6; 3,9; 7,3; 15,8. ← 10мм → Изображение эмиссии β-электронов открытого тритиевого источника. Метод авторадиографии, широко известный способ получения изображений слоев поверхности радиоактивных изотопов, используемый для сравнения с методом магнитной микроскопии. Метод получения уменьшенных изображений (больших поверхностей объектов) – метод магнитовизора с применением возрастающего магнитного поля вдоль направления движения заряженных частиц от объекта к регистрирующему экрану.
В Третьей главе изучаются методы и экспериментальные результаты исследования в магнитном микроскопе поверхностей, эмитирующих заряженные частицы, и экспериментальные данные о распределении трития в образцах. Разработана методика получения изображений распределения плотности эмиссии электронов для поверхностей и срезов образцов, насыщенных радиоактивным изотопом водорода - тритием, который при β-распаде эмиттирует электроны с мягким спектром энергии (18,6 кэВ). Анализируются результаты проведённых экспериментов: при регистрации широкого спектра электронной эмиссии лучшее разрешение в микроскопе достигается за счет возрастания локальной плотности эмиссии частиц с малым ларморовским радиусом (площадь ларморовского кружка).   |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Темы курсовых работ на кафедре физики Земли для студентов 2 курса Применение магнитосиловой микроскопии для исследования структуры ферримагнитных зерен горных пород | | Рабочая программа дисциплины дисциплина дв методы световой микроскопии Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 020000 – Естественные... |
| Название раздела, темы урока Взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции | | Александр Александрович Зиновьев На пути к сверхобществу Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции. Правило буравчика (правой руки) |
| Учебник для 11 классов общеобразовательных учреждений", М.,"Просвещение", 2006 Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции. Правило буравчика (правой руки) | | Анализ воспитательной работы Бакаевской средней школы за 2010-2011 уч год Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции. Правило буравчика (правой руки) |
| Реферат Тема: применение электронной микроскопии в микробиологии... Электронная микроскопия – метод морфологического исследования объектов с помощью потока электронов, позволяющих изучить структуру... | | Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и... При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц, неускорительной... |
| Методические указания для студентов по дисциплине патофизиология... Уметь характеризовать цель и основные задачи, методы и структуру патофизиологии как учебной дисциплины. Изучить принципы моделирования... | | Исследовательская работа на тему: «Повышение эффективности компьютерных... Уметь характеризовать цель и основные задачи, методы и структуру патофизиологии как учебной дисциплины. Изучить принципы моделирования... |
 | Конспект интегрированного урока по физике и математике для 11 класса Аналитический отчет по итогам работы Городской экспериментальной площадки по информатизации над проектом «Маленькие художники» в... | | ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ К Экзаменам ДОКЛАД “ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ К ЕГЭ ФИЗИКЕ” Подготовил учитель физики Кюкяйской СОШ |
| Список литературы а основная литература Литвицкий П. Ф. Патофизиология... Уметь характеризовать цель и основные задачи, методы и структуру патофизиологии как учебной дисциплины. Изучить принципы моделирования... | | Рабочая программа элективного курса «Методы решения задач по физике» С. А. Тихомировой, Б. М. Яворского, и примерной программы среднего (полного) образования по физике базовый уровень Х – ХI классы,... |
| Применение икт на уроках английского языка для повышения мотивации обучающихся Применение новых информационно-коммуникационных технологий в учебном процессе, позволяет направить интеллектуальный потенциал учащихся... | | Радиофизический факультет Лекционные занятия по курсу дополняются работами спецпрактикума по физике твердого тела, выполняемому студентами на экспериментальной... |
