Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Измерение концентрации вакансий

Измерение концентрации вакансий

26.07.2017

Прямой метод измерения концентрации вакансий - по разности теплового расширения кристалла и сопутствующего изменения периода решетки а(Т) (Симмонс и Баллуффи, 1963 г.). Если Q - объем на один узел в решетке, то кристалл из N атомов при нагреве увеличивает свой объем на 3(Аа/а)NQ за счет увеличения межатомных расстояний а и еще на nQ — от рождения n вакансий. Поэтому если макроскопически наблюдаемое изменение длины AL, то объема 3(AL /L)NQ = 3(Aa/a)NQ + nQ, откуда AcV = n/N = 3[(AL/L) — (Аа/а)]. При измерении в широком интервале температур от T0 до T концентрация вакансий много выше начальной cV(T) >> cV(T0), так что Ac = cV0(T) и

Один эксперимент заключается примерно в 100 синхронных измерениях а и L на одном образце от 20°С до 0,995 Tпл. (В гексагональных металлах эксперимент еще усложняется измерением длины по двум осям монокристалла, поскольку и тепловое расширение, и “объем вакансии” анизотропны: разность [(AL/L) - (Аа/а)] по осям с и а в цинке различается почти в шесть раз).
Хотя относительные изменения длины AL/L и периода решетки А а/а вычитаются, ошибки их измерения bL/L и bа/а складываются (а при переходе к cV0 по (1) еще умножаются на три). Равновесная концентрация вакансий всегда не более чем cV0 ~ 10в-4. Чтобы измерить ее с ошибкой bcv0 < 10в-5 (с точностью до 10%), понадобится bL/L = bа/а < 2*10в-6. Если ошибка bа/а и bL/L окажется больше, измерения вообще потеряют смысл — принципиально простой эксперимент требует рекордной точности измерений.
Так, чтобы не смять образец, необходимо бесконтактное оптическое измерение длины. Его ошибка не менее длины волны: bL ~ Л = 0,6 мкм, и чтобы получить bL/L < 1*10в-6, нужен образец длиной L > 0,6 м. Если погрешность L от колебания температуры тоже bL/L < 1*10в6, то при коэффициенте теплового расширения aL ~ 2*10в-5 К-1 допустимые колебания температуры bТ < aL(bL/L) ~ 0,05 К (на два порядка меньше, чем обеспечивает при T ~ 1000 °С обычная автоматика лабораторных печей). За все время съемки рентгенограммы (~10 мин) температура должна быть еще и однородна по всей длине L. Поэтому строят печь рабочей длиной 3 м с секционными нагревателями. Вклад bL/L ~ 1*10в-6 даст “привес” образца от поглощения ~ 3*10в-4 % газов, так что нужна инертная атмосфера специальной очистки. Чтобы не было изменений объема от испарения примесей или растворения включений, нужна чистота образца не ниже 99,999%. Чтобы образец не прогибался от собственного веса, он должен лежать на теплопроводной плите из инертного материала (спектрально чистого графита).
Отсутствие других ошибок подтвердит перекрестный контроль. Делают несколько полных циклов измерений на образце “с одного установа”, чтобы убедиться в исключении помех от коробления, газопоглощения, “гистерезиса” температуры при нагреве — охлаждении, и доводят в конце концов образец до плавления, чтобы проверить правильность показаний всех термопар.
При несоблюдении хотя бы одного из всех перечисленных условий работа делается впустую. Подобный эксперимент — вполне типичный для физики твердого тела. Без детального анализа возможных ошибок на принципиальной схеме — еще до конструирования установки — эксперимент заведомо будет бесполезным.
Этот метод измеряет равновесную концентрацию вакансий cV > 10в-5, достигаемую по (2.1.9) при Т > 0,9 Tпл. Из температурной зависимости cv0(T) по (2.1.8) определяют энергию вакансии UW (с ошибкой в 5...10%), а по сV0(Тпл) - и колебательную энтропию вакансии (с погрешностью в 30 % и более).
Прямые измерения этим методом удалось выполнить для 11 металлов. Для переходных металлов с ОЦК решеткой измерений нет: задача осложняется высокой температурой, худшей собственной чистотой металла и загрязнением из-за реакций с конструкцией и средой.
Метод позволяет измерять концентрации вакансий и в твердых растворах. Однако он непригоден для измерения концентрации неравновесных вакансий (после деформации, облучения), так как при этом на а и L влияют также и другие дефекты решетки (дислокации, межузельные атомы).