Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
УДК 537.533.2 Рухляда
Николай Яковлевич ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА АЛЛОТРОПНЫХ МЕТАЛЛОВ И ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕРМОКАТОДОВ
Специальность 01.04.04. - Физическая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Обнинск 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования УОбнинский государственный технический университет атомной энергетики (ИАТЭ)Ф
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Цыбин Олег Юрьевич доктор технических наук, профессор Марин Владимир Петрович доктор физико-математических наук, профессор Шешин Евгений Павлович
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие УНПП ТорийФ
Защита состоится 24 марта 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.156.01 в Московском физико-техническом институте, комната 204НК, по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9, МФТИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физикотехнического института.
Автореферат диссертации разослан __________________ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Батурин А.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Фазовые переходы 1-ого рода типа твердое тело - твердое тело, а также плавление и кристаллизация изменяют свойства поверхности. Претерпевают изменения термоэлектронная эмиссия, вторичная электронная эмиссия, коррозионная стойкость, адгезия, твердость и другие свойства. Фазовые переходы могут вызываться различными внешними воздействиями, например, нагреванием, давлением, излучением. В работе рассмотрены фазовые переходы, вызванные тепловым нагревом.
Одним из конкурентно-способных направлений современной российской электроники является вакуумная электроника и, в частности, электроника вакуумных сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов, работоспособность которых в первую очередь определяется эмиссионной способностью термокатодов.
В технологии производства эффективных термокатодов широко используются аллотропные металлы, например, Hf и Zr для подавления эмиссии; Ru - как добавка к металлопористым катодам (МПК), приводящая к увеличению эмиссии при наличии бария. При нагреве в этих металлах могут происходить фазовые переходы, которые изучены недостаточно. Поэтому исследование фазовых превращений аллотропных металлов является актуальной проблемой, так как в технологических процессах при изготовлении деталей из них необходимо учитывать изменения их свойств, таких как пластичность, деформация формы при переходе через точку фазового превращения. Для рутения в отношении существования в нем фазовых переходов имеются противоречивые данные и более тщательное исследование фазовых переходов в этом металле имеет как научный, так и практический интерес.
В явлениях, происходящих на поверхности, важную роль играет работа выхода Ч фундаментальная характеристика поверхности. Теоретическое решение проблемы физики поверхности, в частности, вычисление работы выхода (РВ) и разделение ее на две части Ч объемную и поверхностную Ч встречает затруднение, связанное с резкой неоднородностью поверхностного слоя. Экспериментальное определение РВ веществ со сложной электронной структурой является актуальной задачей.
Важнейшим методом исследования твердых тел и их поверхностей является электронная микроскопия. Методы электронной микроскопии широко используются при исследовании фазовых переходов. Как правило, электронно микроскопические исследования фазовых превращений относились к многокомпонентным системам. Однако имеется ограниченное число работ, связанных с электронномикроскопическими исследованиями фазовых переходов монокристаллов чистых металлов. Аномалии температурной зависимости работы выхода обнаружены только для железа, кобальта, урана.
Наиболее эффективным для изучения эмиссионных свойств материалов и кинетики фазовых переходов является метод термоэлектронной эмиссионной микроскопии (ТЭЭМ). Преимущество применения ТЭЭМ для изучения кинетики фазовых переходов связано с тем, что контраст возникает из-за различия числа электронов, эмитируемых отдельными участками образца. Различие в эмиссии в основном обусловлено отличием кристаллографических свойств различных участков. При структурном фазовом переходе изменяется тип плоскости на поверхности, а, следовательно, и работа выхода. На экране микроскопа это проявляется в изменении яркости, т.е. в появлении контраста - процесс превращения легко наблюдаем. Кроме того, можно измерять токи и температуры, изучать фазовые превращения количественно. Так как при фазовом переходе изменяется плотность упаковки атомов на поверхности, изменяется и поверхностный вклад в РВ. Появляется возможность полуэмпирически определить вклад поверхностного барьера в работу выхода.
Важнейшей характеристикой фазовых переходов является скрытая теплота фазового превращения. Имеется ограниченное число способов определения этой величины. Используя экспериментальные данные о кинетике фазовых переходов, полученные с помощью ТЭЭМ, можно определить скрытую теплоту фазового превращения.
В связи с развитием радиолокационной техники, в особенности СВЧ- приборов, возникает потребность в совершенствовании технологии изготовления эффективных термокатодов. В данной работе предложен и реализован нетрадиционный в области производства электровакуумных приборов (ЭВП) способ воздействия мощных импульсных потоков плазмы и электронов на поверхностные слои эффективных термокатодов с целью улучшения их эмиссионных характеристик. Это Ч новое направление в изготовлении термокатодов.
Цель работы Ч установление влияния фазовых превращений на термоэлектронную эмиссию аллотропных металлов и развитие способов модификации поверхностных слоев эффективных термокатодов.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
- разработать и реализовать новый метод прецизионного измерения работы выхода при нулевом электрическом поле на катоде;
- исследовать температурную зависимость работ выхода аллотропных металлов Hf, Ru, Tb, Y, Sc, широко используемых в технологии изготовления ЭВП, и изучить влияние поглощения водорода на работу выхода рутения;
- на основе термоэлектронной эмиссионной микроскопии разработать методы изучения кинетики фазовых переходов и определения скрытой теплоты фазовых превращений;
- создать теоретическую модель образования поверхностных структур при обработке материалов импульсной плазмой;
- разработать способы, изготовить установки и применить их для модификации поверхностных слоев материалов импульсной плазмой и импульсными электронными потоками.
Научная новизна работы определяется следующими впервые полученными результатами:
1. Проведены детальные исследования температурной зависимости эффективных работ выхода при фазовых переходах в аллотропных металлах Hf, Ru, Tb, Y, Sc с помощью разработанного метода термоэлектронной эмиссионной микроскопии. Установлены скачкообразные изменения эффективных РВ этих веществ и измерены РВ высокоиндексных граней Hf и Ru. Показано, что чем больше отклонение грани от базисной ((1122) для Ru и (0001) для Hf), тем меньше работа выхода.
2. С помощью ТЭЭМ обнаружены аномалии в температурной зависимости эффективной РВ в Ru при температурах 1500 и 1530 К, что свидетельствует о наличии в Ru двух фазовых переходов 1-ого рода и существовании в нем трех Ц, - и - модификаций. Теоретически и экспериментально реализован метод определения скрытой теплоты фазового превращения по скорости движения границы раздела фаз. Определена скрытая теплота превращения в Ru.
3. Показано, что высокотемпературный отжиг Ru в водороде приводит к водородофазному наклепу, уничтожает аномалии в температурной зависимости РВ, снижает РВ всех граней, вызывает пористую структуру. Отжиг в вакууме восстанавливает аномалии в температурной зависимости РВ. На основании оценки деформационных потенциалов сжатия и растяжения объяснен экспериментально установленный факт Ч термоциклирование сдвигает критические точки в Ru в область низких температур, а отжиг в водороде Ч в область высоких температур.
4. Определены поверхностные барьеры в работах выхода Hf, Ru, Tb, Y и Sc.
5. Показано, что при обработке поверхностных слоев эффективных термокатодов импульсной плазмой происходит переплавление поверхностного слоя и последующая его кристаллизация. На основе модели дефектнодеформационной неустойчивости теоретически объяснено возникновение ячеистой структуры. В результате повышаются эмиссионные характеристики термокатодов: снижается их эффективная РВ, улучшается равномерность эмиссии по поверхности, растет коэффициент вторичной электронной эмиссии, увеличивается срок службы катода. Обработка поверхностей материалов импульсной плазмой улучшает их коррозионную стойкость.
Практическая значимость работы.
1. Разработан и применен способ обработки эффективных термокатодов импульсной плазмой, который позволяет улучшить их эмиссионные характеристики и долговечность, что, в конечном счете, улучшает выходные характеристики ЭВП - их надежность и срок службы.
2. Разработанный метод определения РВ при нулевом поле на катоде позволяет получать более точные значения, важные при производстве ЭВП.
3. Установленный в работе результат достаточно низких РВ высокоиндексных граней Hf дает возможность использовать выведенные плоскости в катодных узлах некоторых классов ЭВП как антиэмиссионное покрытие (при адсорбции бария), что приводит к улучшению выходных характеристик.
4. Пористые структуры, возникающие при поглощении рутением водорода, могут быть использованы в технологии изготовления термокатодов ЭВП.
В диссертации защищаются следующие научные положения:
1. Использование комбинации термоэлектронного эмиссионного микроскопа и трехэлектродной ячейки в магнитном поле для измерения эмиссионных токов при нулевом электрическом поле на катоде приводит к увеличению точности измерения работы выхода.
2. При фазовых превращениях в аллотропных металлах Hf, Ru, Tb, Y, Sc наблюдаются аномально высокие по сравнению с обычной температурной зависимостью скачкообразные изменения работ выхода.
3. В рутении при температурах 1500 и 1530 К обнаружены фазовые переходы, которые свидетельствуют о существовании в нем Ц, - и - модификаций.
4. Высокотемпературный отжиг рутения в водороде приводит к водородофазному наклепу, создает пористую структуру, снижает работу выхода исследованных граней. Экспериментально установленный сдвиг критических точек в рутении обусловлен термоциклированием и поглощением водорода в низкотемпературную и высокотемпературную области соответственно. Противоположные сдвиги фазового перехода объясняются уменьшением объема элементарной ячейки при термоциклировании, вследствие генерации вакансий, и его увеличением под действием высокотемпературного отжига в водороде, обусловленным образованием междоузлий.
5. Модификация поверхностных слоев эффективных термокатодов импульсной плазмой (длительность импульса - 0,51,0 мкс, плотность мощности - 10810Вт/м2) приводит к возникновению ячеистой микроструктуры, обуславливающей увеличение равномерности эмиссии по поверхности, снижение эффективной работы выхода и увеличение коэффициента вторичной эмиссии. Численное решение уравнения теплопроводности подтверждает экспериментальную зависимость глубины проплавления поверхностного слоя от величины вкладываемой мощности (числа импульсов).
6. Разработанная теоретическая модель поверхностной дефектнодеформационной неустойчивости, вызванной обработкой импульсной плазмой, объясняет основные экспериментальные данные: образование и величину двух характерных размеров в ансамбле пор и время образования этого ансамбля. Основным предсказанием модели дефектно-деформационной неустойчивости является пропорциональность латерального размера микроструктуры пор толщине поверхностного дефектно-обогащенного слоя и возрастание характерного размера пор при уменьшении дозы облучения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: ХVI, XVII, XIX, XXI, XXII Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Махачкала, 1976; Ленин град,1979; Ташкент, 1984; Ленинград, 1991; Москва, 1994); Всесоюзном симпозиуме УПрименение электронной микроскопии в современной техникеФ (Москва, 1978); IV Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел УРЭМ - 84Ф (Звенигород, 1984); XII и XIII Всесоюзных совещаниях УПолучение, структура, физические свойства и применение высокочистых монокристаллических тугоплавких и редких металловФ (Суздаль, 1987, 1990); I, II, III, V, VII Всесоюзных семинарах УСтруктурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологийФ (Обнинск, 1991, 1993,1995, 1999, 2001); II и III Белорусских семинарах по сканирующей зондовой микроскопии (Минск,1997; Гродно,1998); второй региональной научно-технической конференции УСовременная электротехнология в промышленности центра РоссииФ (Тула, 1999); международной научно-технической конференции УНовые материалы и технологии на рубеже вековФ (Пенза, 2000); Fourth IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC 2003( Seoul, Korea, 2003); XI, XII, XIII, XIV, XVI научно-технических конференциях УВакуумная наука и техникаФ, (2004 - 2009 годы), (Судак, 2004, 2005; Сочи, 2006Ц2009 ); X, XI международных конференциях по ядерной безопасности УБезопасность АЭС и подготовка кадровФ (Обнинск, 2007, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ в реферируемых научных изданиях, в том числе 14 статей в отечественных и зарубежных научных журналах, рекомендуемых ВАК; более 20 тезисов докладов и 3 авторских свидетельства. Список основных публикаций по теме работы приведен в конце автореферата.
ичный вклад автора. Личный вклад автора в работах, опубликованных с соавторами, заключается в постановке задач, формулировке основных экспериментальных методов; в создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований; в анализе полученных результатов и их интерпретации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и выводов, приложения. Все главы имеют выводы, в которых сформулированы основные результаты по данной главе. В конце диссертации приведен библиографический список из 422 наименований. Объем диссертации составляет 300 страниц, включая 109 рисунков и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, выбор аллотропных металлов Hf, Ru, Tb, Y, Sc и эффективных термокатодов в качестве объектов исследования; формулируются цели и задачи; приводятся основные положения, выносимые на защиту; отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе диссертации дан обзор литературы по физике поверхности. Подробно проанализирована фундаментальная характеристика поверхности Ч работа выхода. Приведена теоретическая концепция работы выхода.
Сформулировано определение РВ. По современным представлениям работа выхода состоит из двух частей Ч поверхностной и объемной.
= D - . (1) В выражении (1) - объемный химический потенциал, отсчитанный от среднего электростатического потенциала кристалла; D - поверхностный барьер.
Все многочастичные эффекты содержатся в обменно-корреляционных вкладах в . Величины D и оцениваются независимо. Величину можно получить из вычисления зонной структуры металлов. Дипольный член D рассчитывают теоретически, но его можно получить полуэмпирически, зная и экспериментальные значения РВ. Обсуждены различные точки зрения относительно величин вкладов поверхностного барьера и химического потенциала в работу выхода.
Впервые систематизированы литературные данные о фазовых перехо- дах простых веществ, охватывающих 63 химических элемента Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Рассмотрены методы ТЭЭМ для изучения фазовых переходов. Проанализированы способы создания поверхностных слоев с целью получения заданных свойств материалов. Проведен анализ литературных данных о физико-химических процессах, протекающих на поверхностях металлопористых катодов. Рассмотрено влияние водорода на физические свойства кристаллов. Сделан литературный анализ коррозионной стойкости материалов.
Во второй главе диссертации рассмотрен метод термоэлектронной эмиссионной микроскопии для исследования поверхностных свойств твердых тел. Эффективным прибором, с помощью которого можно изучать количественно и качественно кинетику высокотемпературных фазовых переходов, явля ется термоэлектронный эмиссионный микроскоп (ТЭЭМ). Схема ТЭЭМ показана на рис.1.
Рис.1. Схема ТЭЭМ: 1 - электронная пушка, 2 - образец, 3 - полюсные наконечники, 4 - экран, 5 - цилиндр Фарадея, 6 - видеокамера, 7 - компьютер Увеличенное изображение образца (2) создается с помощью иммерсионного объектива c магнитным полем на катоде (3) собственными электронами, которые испускаются с поверхности объекта, нагретого до температуры термоэлектронной эмиссии. Образец нагревается ускоренными электронами пушки (1). В экране (4) имеется отверстие для измерения локальных токов с помощью цилиндра Фарадея (5). С экрана (4) снимается изображение образца видеокамерой (6) и передается на компьютер (7).
Контраст изображения на экране микроскопа формируется за счет различия плотностей токов с различных участков поверхности образца. Плотность локального тока определяется работой выхода данного участка (основной вклад), микрорельефом, полем пятен и т.д. При фазовых переходах типа твердое тело - твердое тело скачком изменяется работа выхода и резко изменяется контраст изображения поверхности исследуемого полиморфного материала.
Таким образом, ТЭЭМ, совмещенный с видеокамерой и компьютером, дает возможность по изменению контраста изображения наблюдать и изучать кинетику фазового перехода.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии определяется формулой j = A0T2 exp (Цe/kT), (2) где j - плотность тока, А0 = 120,2 А/см2К2 Ч постоянная Зоммерфельда, Т Ч абсолютная температура, - работа выхода.
Измерив j и Т, можно найти работу выхода = Т/5040 (6,079 - log j/T2). (3) Известно, что работа выхода определяется состоянием поверхности, природой самого материала и состоит из двух частей: поверхностной и объемной.
Поверхностная часть обусловлена двойным электрическим слоем, зависящим от плотности упаковки атомов. При фазовом превращении изменяется плотность упаковки, а, следовательно, и двойной электрический слой, что может привести к скачкообразному изменению работы выхода.
В режиме интегральных измерений автором разработан прецизионный метод измерения термоэлектронной эмиссии при нулевом электрическом поле на катоде, заключающийся в том, что в трехэлектродной системе в магнитном поле, подавая положительный потенциал на средний электрод относительно катода, добиваются смещения минимума потенциала, обусловленного пространственным зарядом, на поверхность катода.
Определение скорости движения границы раздела фаз. В данной работе теоретически получена формула для скорости движения границы раздела фаз (4).
, (4) V = V0 [1 - exp(- BT )] L где B =. (5) kTTc Измерив экспериментально скорость движения границы раздела фаз V, можно построить график зависимости V от перегрева Т (рис. 2).
V, m/c V ErVm ErVn Vt 20 40 60 5T, T, T, t T,K Рис. 2. Экспериментальная зависимость скорости V движения границы раздела фаз в Ru от степени перегрева Т Полученную экспериментальную кривую аппроксимируют теоретической формулой (4) путем подбора коэффициентов V0 и В. Зная В, критические температуры Т и Тс, можно из формулы (5) найти скрытую теплоту превращения. Были получены предельные значения коэффициентов Вmin и В max, при которых точки аппроксимированной кривой попадали в доверительный интервал измеряемых величин. Зная эти коэффициенты, по формуле (5) была вычислена скрытая теплота фазового превращения в рутении:
Lmin = 3,9 кДж/моль, Lmax = 6,5 кДж/моль.
В третьей главе диссертации описаны методы контроля и объекты исследования. Наряду с основным прибором ТЭЭМ применялись следующие методы исследования объемных и поверхностных свойств материалов.
Рентгеноструктурный анализ (РСА) (ДРОНЦ3М) - для определения ориентации монокристаллических блоков в образцах. Электронная ожеЦспектроскопия (ЭОС) (приборы фирмы VARIAN, KRATOS) Ч для анализа элементного состава поверхностей. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) (РЭМ - 200) - для контроля топографии поверхности. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) Ч для изучения электронной структуры поверхностей. Туннельный сканирующий микроскоп (СТМ) Ч для исследования микроструктуры поверхности на наноуровне. Лазерная масс-спектрометрия (ЛМС) Ч для анализа масс-состава приповерхностных слоев.
Измерялись коэффициенты монохроматического излучения аллотропных металлов Hf, Ru, Y, Tb, Sc с целью определения истинной температуры изучаемых объектов для определения работ выхода.
В качестве объектов исследования выбраны аллотропные металлы Hf, Ru, Tb, Y и Sc; эффективные термокатоды. К металлопористым катодам были применены нетрадиционные элементы технологии изготовления Ч обработка поверхностей импульсной плазмой, при этом переплавляется поверхностный слой и происходит реконструкция поверхности. Катоды ламп накачки лазеров обрабатывались импульсными электронными потоками, чтобы улучшить их вторичноэмиссионные свойства. Элементы конструкций ЭВП подвергались воздействию импульсной плазмы для улучшения их характеристик Поверхности трубок теплоносителей парогенераторов подвергались обработке импульсной плазмой для улучшения их коррозионной стойкости.
В четвертой главе диссертации изложен метод обработки поверхностей материалов импульсными потоками частиц. Для обработки материалов импульсными потоками частиц была использована плазма, образующаяся в результате Z - пинча. Принципиальная схема установки для обработки материалов импульсной плазмой (ОМИП) приведена на рис.3.
ГПИ Lзар.
РК C К АИИ-70 rзар 220 В Рис. 3. Принципиальная схема установки ОМИП При включении тумблера управления (К) замыкается контакт первичной цепи высоковольтного трансформатора. Выпрямленное напряжение заряжает конденсатор Со. Индуктивность Lзар. подключена параллельно разрядной камере (РК) и она должна быть больше Lо - индуктивности, обусловленной собственными индуктивностями подводящих проводов и самой камеры. При разряде, так как Lзар. > Lо, разряд идет через камеру, а не через Lзар., которое для импульса представляет высокое сопротивление. Разрядная камера заполнялась аргоном до давления 0,1 тор. Газовый разряд начинался на периферии и под действием собственного магнитного поля сжимался до диаметра 510 мм, а затем разрушался вследствие неустойчивости.
В диссертации подробно рассмотрены физические основы формирования ZЦпинча, приведены основные параметры плазмы. Электронная температура составляет величину Те = 9 эВ, ионная Тi = 70 эВ, концентрация частиц n ~ 10см-3, длительность импульса 0,51,0 мкс.
В центрах электродов разрядной камеры после нескольких разрядов наблюдались светлые пятна оплавленного металла диаметром ~ 510 мм. Поместив в это место материал, можно добиться его оплавления.
Схема крепления образца в разрядной камере показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема прикрепления образца в разрядной камере Метод обработки импульсной плазмой в виде ZЦпинча позволяет обрабатывать эмитирующие поверхности катодов с плоской и цилиндрической геометрией.
На рис.4 показана схема крепления в разрядной камере катода с цилиндрической эмитирующей поверхностью. Торец катода был защищен от разряда керамическим колпачком из Al2O3. Плазма воздействовала на боковую эмитирующую поверхность во время сжатия шнура и его разрушения Разрушающийся шнур воздействует на электроды разрядной камеры, при этом наблюдается несколько типов воздействия: джоулево тепло, выделяющееся в тонком поверхностном слое обрабатываемого образца (ток разряда ~ 105 А); ионная бомбардировка, световое излучение. Можно предположить, что на поверхности электрода в момент времени = 0 начинает действовать мощный тепловой источник. Тепло распространяется вглубь электрода и рассеивается, причем поверхностный слой толщиной в единицы мкм разогревается до температуры плавления материала электрода и выше. Таким образом, возникает возможность модификации поверхностей материалов, вызывая в тонких слоях фазовые превращения.
После плазменной обработки катода мощными короткими импульсами поверхностный слой оплавляется и в нем формируется сетчатая или ячеистая структура, прочно сплавленная с матрицей катода. Подобная ячеистая структура способствует тому, что активное вещество через отверстия растекается по поверхности. На рис.5 представлена схема конструкции МПК.
Рис. 5. Схема конструкции МПК На рис. 6 показаны эмиссионные изображения МПК, полученные с помощью ТЭЭМ. Видно, что необработанный катод имеет неравномерную эмиссию. Обработка импульсной плазмой (рис.6б) привела к более равномерному распределению эмиссии по поверхности. Работа выхода уменьшилась с 2,1 эВ до 1,9 эВ.
а) 40х б) 40 х Рис. 6. Эмиссионные микрофотографии изображений поверхности МПК (ТЭЭМ): а) необработанный катод, б) после облучения импульсной плазмой Для улучшения свойств МПК используются металлы платиновой группы, которые в виде пленки наносятся на поверхность катода. На рис. 7 приведены микрофотографии изображений поверхности МПК с нанесенной пленкой сплава (Os + 30% W) толщиной 10 мкм.
а) 600Х б) 600Х в) 1000Х г) 1000Х а), в) - Исходный б), г) - Облученный Рис. 7. Микрофотографии изображений поверхности МПК с нанесенной пленкой сплава (Os + 30% W) Необработанная поверхность катода (рис. 7 а) обладает значительным микрорельефом. Обработка импульсной плазмой (рис. 7 б) приводит к сглаживанию микрорельефа и образованию ячеистой структуры с улучшенными термоэмиссионными свойствами: РВ снижается на 0,20 эВ, а коэффициент вторичной электронной эмиссии возрастает в 1,5 раза. На рис. 7 (г) отчетливо видны каналы для выхода активного вещества (Ва, ВаО) из глубины катода и растекания его по гладкой поверхности, которая улучшает поверхностную диффузию, что обеспечивает более равномерную эмиссию. Обработкой эффективных термокатодов импульсной плазмой получены поверхностные структуры WЦOsЦW, WЦNi, WЦHf c лучшими эмиссионными характеристиками.
Для интерпретации полученных экспериментальных результатов в данной работе использован механизм дефектно-деформационной (ДД) неустойчивости [1]. ДД механизм основан на том факте, что процессы самоорганизации поверхностных микроструктур под действием внешних потоков энергии начинаются с создания на поверхности слоя с подвижными точечными дефектами:
междоузлиями, вакансиями и допированными атомами [2]. Воздействие плазмы также приводит к образованию дефектно-обогащенного слоя. Возникающий в результате облучения поверхностный слой, насыщенный дефектами, имеет постоянную решетки, отличную от постоянной решетки в нижележащем слое кристалла (УподложкеФ). Это приводит к возникновению механического напряжения в поверхностном слое.
В работе [3] показано, что, если плоский напряженный (растянутый) поверхностный слой насыщен подвижными точечными дефектами, то при превышении критического значения напряжения, или критической концентрации дефектов, плоское состояние становится неустойчивым и слой переходит в периодически-изгибное состояние с одновременным скоплением дефектов в экстремумах рельефа. При этом смещения среды внутри слоя задаются также как и в изгибной волне Лэмба, а в подложке - как в волне Рэлея. Возникающие в результате спаренные статические лэмбовско-рэлеевские деформации в слое и подложке поддерживаются самосогласованным распределением точечных дефектов, деформирующих упругий континуум. Такое деформационное состояние слоя и подложки представляет собой статический аналог динамической лэмбовско-рэлеевской волны, распространяющейся в тонком поверхностном слое с плотностью, превосходящей плотность подложки [4].
Возникновение периодического рельефа поверхности сопровождается образованием скоплений дефектов в экстремумах рельефа. При этом междоузлия скапливаются в выступах рельефа, а вакансии - во впадинах рельефа. Такая периодическая модуляция поверхностного рельефа со спаренной с нею решеткой скоплений дефектов составляют поверхностную ДД решетку, которая характеризуется волновым вектором q. В течение развития ДД неустойчивости амплитуды ДД решеток растут во времени как exp qt, где q - инкремент на( ) растания. Значение q = qm, при котором достигается максимум инкремента, определяет период доминирующих решеток, m = 2 qm, которые и выделяются в Фурье-спектре поверхностного рельефа.
Суперпозиция поверхностных ДД решеток с различными q образует ячеистую затравочную ДД структуру на поверхности. Характерный масштаб неоднородности в ней определяется значением m, а симметрия определяется селекцией направлений векторов q. В случае достаточно интенсивного плазменного воздействия эта затравочная структура подвергается УтравлениюФ, причем области скоплений дефектов травятся со скоростью, отличной от скорости травления других областей. Травление УвизуализируетФ затравочную ДД струк туру, которая, таким образом, навязывает свою периодичность и симметрию результирующей структуре рельефа поверхности.
Учет нелокальности деформационно-индуцированной силы, действующей на дефект при изгибе пленки с одновременным учетом обеих (нормальной и латеральной) дефектно-индуцированных сил, изгибающих слой, приводят, при достаточно большом превышении над порогом неустойчивости (при достаточно большом превышении критической концентрации дефектов), к наличию двух максимумов в зависимости инкремента неустойчивости от периода возникающего рельефа . При меньших превышениях над порогом инкремент имеет лишь один максимум. В случае образования периодического рельефа поверхности под действием пучка энергии наличие двух максимумов инкремента должно приводить к образованию двух масштабов модуляции рельефа. В результате развития теории ДД неустойчивости напряженного слоя с подвижными дефектами на подложке получена формула (6) для зависимости инкремента q от l02q2 1+ 12 1- ld q2 + Ld q4 Nd q =-Dd q2 + Dd q2 0 , (6) Nc 1+ l qkBT где введена критическая концентрация дефектов Nc = , Nd0-концентрация d в пространственно однородной части, kB - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, - латеральное напряжение, d - деформационный потенциал, = 1 - 2p/1 - p, где Цp - коэффициент Пуассона. Коэффициенты, пропорциональные ld2 и Ld4, учитывают нелокальность силового воздействия упругого континуума на дефект, l0 = h/12, где h - толщина пленки, l - коэффициент, учитывающий изгибную жесткость пленки.
Первый и второй члены в круглой скобке в числителе (6) отражают, соответственно, действие на пленку нормальной и тангенциальной дефектноиндуцированных изгибных сил. Первый член в квадратной скобке в числителе (6) учитывает локальное силовое воздействие деформации упругого континуума на дефект, а два других (~ld и Ld 4 ) учитывают нелокальность этого воздействия. График зависимости инкремента q (), (6), при значении контрольного параметра Nd 0 Nc = 150 приведен на рис. 8.
Рис.8. Зависимость инкремента ДД неустойчивости(),s-1 от характерного размера структуры , cm. Построена по формуле при значениях параметров, указанных в тексте. Правый максимум достигается при =m. Максимум слева достигается при = c = 2h = 2*10-4, что соответствует предельной изгибной моде.
Из рис. 8 видно, что при достаточно больших концентрациях дефектов, превышающих пороговые значения, инкремент имеет один максимум с =m = 9 мкм и дополнительный максимум в коротковолновой области, который достигается при = = 2 мкм. Данные для периодов совпадают с размерами с ячеек (рис.7г), равных соответственно 9 и 2 мкм.
При построении графика использованы следующие характерные значения параметров: Dd = 10-6 cм2*с-1, h = 10-4 cm, c2 = 1012 erg *cm-3, = 1010 erg * cm-3, f = 0.35, f = 4, при этом ld = 6*10-5 см, Ld = 4.4 *10-5 cм.
p Оптимальные эмиссионные характеристики катодов с цилиндрической эмитирующей поверхностью достигались путем варьирования числа импульсов при сохранении остальных параметров установки: давления аргона (p=0,1 тор), напряжения на электродах разрядной камеры (U=20 кВ), длительности импульса(д = 1 мкс). Степень обработки и достижение ячеистой структуры контролировались с помощью РЭМ. В диссертации приведены изображения поверхностей катодов, облученных 6, 7, 10 и 20 импульсами. Облучение 10 импульсами оказалось оптимальным. Эффективная работа выхода снизилась до 1,90 эВ, коэффициент вторичной электронной эмиссии возрос в 1,5 раза. На рис. 9 при ведены микрофотографии шлифа и скола сечений цилиндрического катода, полученные в РЭМ. Глубина проплавления составила 5Ц10 мкм.
а) б) Рис.9. Микрофотографии сечений МПК, полученные в РЭМ: а) обработанный импульсной плазмой, б)исходный Для расчета температурного поля катода с цилиндрической эмитирующей поверхностью, на который действует импульсная плазма, решалось нестационарное трехмерное уравнение теплопроводности, записанное в цилиндрических координатах.
1 T T T r r (cT) = r r + r + z + qS L r z Здесь =(, r, , T) - коэф. теплопроводности: 1=Mo(T), 2=W(T), 3=Al2O3(T);
- время [c]; T - температура [C]; x, r, - координаты [м, м, рад]; - коэффициент теплопроводности [Вт/(мК)]; qS - плотность потока тепла [Вт/м2]; - плотность [кг/м3]; c - удельная теплоемкость [Дж/(кгК)]. Постановка начального условия осуществлялась следующим образом: в начальный момент времени ко всей поверхности цилиндрического катода вкладывался импульс энергии с плотностью потока величиной qs = 1,21,41011 Вт/м2, который действовал в течение 1 мкс. По истечении выше указанного времени он обращался в ноль, что соответствовало окончанию процесса нагрева. На оси 0Ц0 задавалось условие симметрии Т/r =0. В местах контакта материалов с различными коэффициентами теплопроводности задавалось условие равенства тепловых потоков:
T T 1 = 2.
z z На границе твердая стенка-жидкость граничное условие задавалось с помощью закона Ньютона-Рихмана T - = (TСТ - TЖ ) X Решение поставленной задачи проводилось численным способом. Дискретизация исходного уравнения осуществлялась с помощью метода контрольных объемов. Линеаризация осуществлялась методом Ньютона с итерационным пересчетом коэффициентов. Решение системы линейных уравнений проводилось методом неполной факторизации. Вся расчетная область разбивалась на 571расчетных элементов. При проведении расчетов, температурные зависимости коэффициента теплопроводности для всех материалов были взяты из литературных источников. Время расчета одного типового варианта занимало 480 с.
На рис. 10 показано изменение максимальной температуры эмитирующего катода в зависимости от времени для различных величин плотности теплового потока, из которого видно, что после окончания воздействия нагревающего катод импульса начинается процесс его охлаждения. Процесс имеет явно выраженный экспоненциальный характер, при этом показатель экспоненты является отрицательной величиной.
Tмакс, C 4540353025201 - Qs = 2,2 - Qs = 2,95 Вт 15QS 1011, 3 - Qs = 3,4 - Qs = 3,25 м 1000 5 - Qs = 3,50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , мкc Рис.10. Изменение максимальной температуры катода во времени при различных плотностях теплового потока На рис. 11 приведены результаты расчета поля температур по глубине катода при различных плотностях потока, который показывает, что температура на поверхности образца превосходит температуру плавления вольфрама при плотности теплового потока 1,31011 Вт/м2. Получена хорошая корреляция между расчетными и экспериментальными данными для глубины проплавления катода в зависимости от плотности потока энергии (рис. 12).
T, C 4500,4000,3500,3000,1- Qs = 2,2 - Qs = 2,95 Вт Q 10, 3 - Qs = 3,S 2500,4 - Qs = 3,25 м 5 - Qs = 3,2000,0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 l, м к м Рис.11.Результаты расчета поля температур по глубине катода при различных плотностях потока Рис.12. Расчетные и экспериментальные данные глубины проплавления катода в зависимости от плотности потока энергии.
Обработка поверхностей деталей импульсной плазмой может применяться для создания защитных коррозионных покрытий. В диссертации приведены результаты обработки импульсной плазмой поверхностей трубок парогенераторов и стали армко.
Пятая глава диссертации посвящена исследованию влияния фазовых превращений на эмиссионные свойства аллотропных металлов.
Рутений. По литературным данным фазовые переходы в рутении отсутствуют. В настоящей работе с помощь ТЭЭМ установлены особенности в формировании контраста и количественно определены скачки в температурной зависимости эффективной работы выхода, свидетельствующие о наличии фазовых переходов в рутении. На рис. 13 представлены эмиссионные изображения гра ни (1122 ) рутения при различных температурах. Процесс носит мартенситный характер. Температурная область существования Цфазы всего 30 К. В высокотемпературных измерениях это Ч небольшой интервал.
А Б В Г Д Е 50 мкм Рис. 13. (А-Е). Эмиссионные изображения грани (1122 ) Ru при различных температурах: (А) Ч - фаза, 1620 К; (Б)-(В) Ч - переход, 1530 К, процесс вытеснения - фазы (темные участки) - фазой (светлые участки); (Г) Ч - фаза, 1520 К; (Д) Ч переход, 1500 К, процесс вытеснения - фазы (светлые участки) - фазой (темные участки); (Е) Ч - фаза, 1490 К На рис. 14 показана температурная зависимость эффективных РВ для граней Ru (1122 ) и (1125).
Для граней (1122 ) скачок РВ составил 0,33 эВ, для грани (1125) - 0,55 эВ.
Р А Б О Т А -фаза -фаза -фаза Т Е М П Е Р А Т У Р А Рис. 14. Температурная зависимость эффективной работы выхода граней (1122 ) и (1125) монокристалла Ru Гафний. С помощью ТЭЭМ изучена кинетика фазовых превращений в гафнии.
Особенностью фазового превращения в Hf является обнаруженное в нем пред- переходное состояние в виде полосчатой структуры (рис. 15 -2,3). Температура фазового перехода 2050 К.
Ц - 50мкм Рис. 15. Микрофотографии эмиссионных изображений грани (0001) монокристалла гафния: 1 - Цфаза, Т=1950 К; 2 - предпереходное состояние, Т= 2020 К;
(3 - 8) - кинетика процесса превращения, Т=2050 К Ход зависимости эффективной локальной РВ Hf от температуры показан на рис. 16. Резкий скачок РВ соответствует точке аллотропного превращения Тф.
Рис. 16. Температурная зависимость эффективной работы выхода грани (0001) монокристалла Hf Эффективные РВ в различных фазах Hf составили величины: = 4,Hf 00 0,05 эВ, Hf 0001 = 3,90 0,05 эВ. Скачок РВ - 0,20 эВ.
Тербий. Иттрий. Скандий. C помощью ТЭЭМ изучена кинетика фазовых превращений в Tb, Y, Sc. В диссертации приведены микрофотографии эмиссионных изображений граней монокристаллов Tb, Y и Sc в различных фазах и тем- пературные зависимости их эффективных РВ. В таблице даны экспериментально полученные значения эффективных РВ в - и Цмодификациях и температуры фазовых переходов, которые совпадают с литературными данными, найденными методом высокотемпературного рентгеноструктурного анализа.
Таблица Элемент Т, К , эВ , эВ - , эВ Tb 1500 3,19 3,01 0,Y 1540 3,27 3,17 0,Sc 1660 3,62 3,46 0, Для Ru и Hf исследовалась анизотропия работы выхода. Экспериментально установлено, что чем больше эмитирующая грань отклоняется от базисной плоскости - (1122 ) для Ru и (0001) для Hf, тем меньше работа выхода.
При производстве ЭВП часто используется отжиг деталей в водороде, который может приводить к изменению свойств материалов. Как показал литературный анализ, водородная обработка металлов позволяет обратимо регулировать их лестественный полиморфизм: снижать критические температуры фазовых переходов, изменять их кинетику. В данной работе исследовано влияние высокотемпературного поглощения водорода на фазовые превращения в Ru.
Отжиг рутения в водороде при давлении 105 Па и температуре 2300 К в течение 2-х часов привел к исчезновению аномалий в температурной зависимости работы выхода и образованию пористой структуры. Работы выхода всех граней снизились. На рис. 18 приведена микрофотография изображения поверхности Ru, полученная с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
В наномасштабе вся поверхность рутения покрыта кавернами (порами), в которых скапливался водород после отжига в вакууме. Продольный размер поры 80 нм.
Рис. 18. Микрофотография поверхности образца Ru, отожженного в водороде, а затем в вакууме, полученная с помощью СТМ Необходимо отметить очень важный экспериментальный результат. Отжиг в водороде приводит к уничтожению фазовых переходов в Ru, не наблюдается скачкообразное изменение РВ во всей температурной области. Однако двукратный двухминутный прогрев при температуре 2300 К приводит к восстановлению фазового перехода в Ru. Фазовый переход фиксировался в интервале температур 1613 - 1623 К. Предложена модель механизма сдвига критических точек в температурной зависимости РВ рутения, вызванного отжигом в водороде и термоциклированием, на основе оценки деформационных потенциалов сжатия и растяжения.
В шестой главе диссертации определены поверхностные барьеры в работах выхода аллотропных металлов. Как показано в литературном обзоре диссертации, имеется ограниченное число работ по определению РВ высокоиндексных граней монокристаллов, для которых распределение заряда на поверхности отличается от распределения заряда вдоль плотноупакованных плоскостей. Поэтому РВ могут заметно отличаться от значений РВ, приводимых в справочниках.
В настоящей диссертации представлены экспериментально измеренные РВ высокоиндексных граней рутения и гафния. Для граней Ru (3144), (2136), (0112) и (5613), которые отклоняются от базисной (1122 ) на углы 13,70; 21,00;
24,60 и 26,00, эффективные РВ равны 4,39 эВ; 4,26 эВ; 4,07 эВ и 4,02 эВ соответственно. Определены поверхностные барьеры в Цфазе Ru, используя значение уровня Ферми, равного 11,83 эВ (литературные данные): D3144 = 7,44 эВ;
D 2136 = 7,57 эВ; D 0112 = 7,76 эВ; D 5613 = 7,81 эВ. Величина поверхностного 11барьера по мере отклонения от плотноупакованной грани ( ) растет от 7,эВ до 7,81 эВ. Средняя величина поверхностного барьера 7,60 эВ отличается от теоретически вычисленных (7,00 эВ и 6,87 эВ), в среднем на 10%. Рост барьера можно объяснить большим расплыванием отрицательного заряда по мере уменьшения плотности эмитирующей грани.
В работе получены экспериментальные данные по трем граням гафния - (1,2,3,13), ( 2,1,3,13), (6,2,8,33) с отклонением от базисной грани (0001) на углы 18,550; 20,10 и 21,510. В - фазе РВ указанных граней соответственно равны 3,89 эВ; 3,83 эВ и 3,58 эВ. Сохраняется тенденция, установленная для рутения:
по мере отклонения от базисной плоскости (0001) работа выхода уменьшается.
Для - фазы гафния при соответствующих плоскостях определены величины поверхностных барьеров, используя значение энергии Ферми 8,79 эВ (литературные данные): D = 4,90 эВ; D = 4,96 эВ; D = 5,21 эВ.
1 2 3 13 2 1 3 13 6 2 8 Таким образом, величина поверхностного барьера, как и для Ru, по мере отклонения грани от базисной плоскости возрастает.
Для грани (0001) Tb в Цфазе экспериментально измеренное значение работы выхода =3,19 эВ. Величина поверхностного барьера в Цфазе 00для тербия, принимая энергию Ферми, равной ЕF=6,57 эВ (литературные данные) составляет D = 3,38 эВ.
00 Для неустановленной грани иттрия работа выхода равна = 3,27 эВ.
Y Величина поверхностного барьера для иттрия в Цфазе, используя литературные данные об энергии Ферми (ЕF=8,02 эВ): D = 4,75 эВ.
Y Для скандия эффективная работа выхода в Цфазе составила величину 3,62 эВ. По литературным данным эффективная работа выхода для поликристалла скандия в - фазе равна 3,45 эВ. Величина поверхностного барьера в - фазе для Sc (ЕF = 5,67 эВ - литературные данные) составляет D = 2,05 эВ.
Sc Сравнивая величины поверхностного барьера для Hf, Ru, Tb, Y и Sc, можно видеть, что скандий имеет наименьшее значение Ч 2,05 эВ. Возможно, что небольшая величина поверхностного барьера обуславливает высокую эмиссионную способность скандатных катодов.
В седьмой главе диссертации рассмотрены предпереходные состояния при фазовых превращениях. Возникновение полосчатой структуры на поверх ности монокристалла гафния предшествует наступлению непосредственно самого фазового превращения (рис. 19). Полосчатая структура в гафнии является предвестником (precursor) появления новой фазы. По всей видимости, полосчатая структура является некоторым флуктуационным комплексом, подготавливающим перестройку ГПУ - решетки ЦHf в ОЦК - решетку ЦHf.
а) б) 10 мкм 50 мкм Рис. 19. Появление промежуточных состояний при фазовом переходе в монокристалле гафния: а) - (грань (0001), (ТЭЭМ); б) - грань (1100), (РЭМ) Полосчатые структуры, подобные структурам, показанным на рис. 19, получались как стадии мартенситного превращения в сплавах на основе титана и циркония - аналогов гафния. Образование полосчатой структуры можно объяснить механическими напряжениями в кристаллической решетке. Объем Цфазы Hf (решетка ОЦК) больше, чем Цфазы (решетка ГПУ). Следовательно, при переходе через точку превращения - Hf - Hf в образце возникают механические напряжения. Избыточная объемная энергия этих напряжений может трансформироваться в поверхностную энергию, что и ведет в конечном счете к возникновению той или иной структуры: полосчатой, пластинчатой и т.д. Полосчатая структура обнаружена также в скандии.
Ступенчатая структура поверхности наблюдалась на грани (1122) рутения. Такая структура возникала после нескольких термических циклов повышения и понижения температуры при прохождении критических точек 1500 и 1530 К (рис. 20). Наличие микрорельефа ступенчатого типа на поверхности рутения свидетельствует о существовании в нем фазовых переходов.
250 мкм 170 мкм 100 мкм 50 мкм Рис. 20. Ступенчатая структура поверхности рутения ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана прецизионная методика измерения фундаментальной характеристики поверхности твердого тела - РВ - при нулевом электрическом поле на катоде на основе термоэлектронного эмиссионного микроскопа в режиме интегральных и локальных измерений. С помощью разработанной методики впервые установлены аномалии - скачки в температурной зависимости эффективных работ выхода аллотропных металлов гафния, тербия иттрия и скандия при - превращениях: = 4,10 0,05 эВ, Hf 0001 = 3,90 Hf 000,05 эВ; = 3,19 0,05 эВ, Tb 0001 = 3,01 0,05 эВ; = 3,27 0,05 эВ, Tb 0001 Y Y = 3,17 0,05 эВ; = 3,62 0,05 эВ, Sc = 3,46 0,05 эВ.
Sc По аномалиям в температурной зависимости эффективной работы выхода при 1500 и 1530 К сделано заключение о фазовых переходах в рутении и существовании в нем Ц, - и - модификаций. Область существования - фазы - 30 К. Эффективные работы выхода в различных фазах рутения составили величины:
= Ru1122 = 4,45 0,05 эВ; Ru1122 = 4,12 0,05 эВ.
Ru11 = Ru1125 = 4,65 0,05 эВ; Ru1125 = 4,10 0,05 эВ.
Ru112. Теоретически разработан и экспериментально реализован метод определения скрытой теплоты фазового превращения типа твердое - твердое тело по скорости движения границы раздела фаз. Впервые определена скрытая теплота - превращения в рутении и ее величина находится в пределах от 3,кДж/моль до 6,5 кДж/моль.
3. Экспериментально для рутения и гафния установлено, что работа выхода уменьшается по мере отклонения эмитирующей грани от базисной - (1122) для Ru и (0001) для Hf. Обнаруженный в работе факт достаточно низких РВ высокоиндексных граней Hf позволяет использовать выведенные плоскости в катодных узлах некоторых классов ЭВП как антиэмиссионное покрытие (при наличии бария). Впервые установлено, что высокотемпературный отжиг рутения в водороде приводит к водородофазному наклепу, устраняет аномалии в температурной зависимости работы выхода, вызывает пористую структуру, снижает работу выхода всех граней. Последующий отжиг в вакууме насыщенного водородом рутения вызывает увеличение работы выхода и приводит к появлению фазовых переходов. Пористая структура, возникающая при поглощении рутением водорода, может быть использована в технологии изготовления эффективных термокатодов. Предложена модель механизма сдвига критических точек в температурной зависимости работы выхода рутения, вызванного отжигом в водороде и термоциклированием. Сделана оценка деформационных потенциалов сжатия и растяжения, обусловленных соответственно термоциклированием и поглощением водорода.
4. Полуэмпирически оценены величины поверхностных барьеров в работах выхода Hf, Ru, Tb, Y и Sc. Для рутения в - фазе величины поверхностных барьеров для следующих плоскостей равны: D3144 = 7,44 эВ; D2136 = 7,эВ; D0112 = 7,76 эВ; D5613 = 7,81 эВ. Для - фазы гафния поверхностные барьеры для следующих плоскостей составляют величины: D = 4,90 эВ;
1 2 3 D = 4,96 эВ; D = 5,21 эВ. В - фазах Tb, Y и Sc: D0001 Tb = 3,2 1 3 13 6 2 8 эВ, D Y = 4,75 эВ, D Sc = 2,05 эВ. Сделано предположение, что низкие эффективные работы выхода скандатных катодов могут быть объяснены малым значением величины поверхностного барьера в Sc.
5. Разработан способ и на его основе изготовлена и применена установка для модификации поверхностных слоев материалов импульсными потоками плазмы и электронов. Импульсная обработка плазмой аргона приводит к улучшению эмиссионных свойств эффективных термокатодов, снижая эффективную работу выхода, обуславливает более равномерную эмиссию по поверхности, повышает коэффициент вторичной электронной эмиссии, увеличивает срок службы. Методом обработки импульсной плазмой получены поверхностные структуры на эффективных термокатодах: W - Os - W, W - Ni, W - Hf, а также поверхностные структуры с содержанием платины. На основе дефектнодеформационной теории объяснено образование сетчатой структуры с двумя масштабами пор, возникающей при обработке поверхностных структур эффективных термокатодов импульсной плазмой. Дефектно-деформационная теория способна описать основные экспериментальные данные: образование и симметрию ансамбля пор, наличие и величину двух характерных размеров в ансамбле пор и время образования этого ансамбля. Основным предсказанием модели дефектно-деформационной неустойчивости является пропорциональность латерального размера микроструктуры пор толщине поверхностного дефектнообогащенного слоя и возрастание характерного размера пор при уменьшении дозы облучения. Теоретически решена задача распределения температурного поля по глубине детали при воздействии на поверхность импульсного потока частиц. Проведено сравнение расчетных данных с экспериментальными на примере металлопористого катода.
6. Фазовые переходы сопровождаются тепловыми волнами, акустической эмиссией, скачкообразным изменением физических свойств кристаллов, таких как твердость, удельное электросопротивление, коэффициент диффузии водорода и, как установлено в данной работе, термоэлектронной эмиссии для Hf, Ru, Tb, Y и Sc. Показано, что фазовому переходу в Hf, Ru и Sc предшествует предпереходное состояние в виде полосчатой или ступенчатой структур, связанных со структурной перестройкой. В тербии и иттрии на микронном уровне предпереходные состояния не обнаружены.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Рухляда Н.Я., Гостев А.В., Шишкин Б.Б. Модификация высоковакуумного электронного эмиссионного микроскопа для одновременного измерения локальных и интегральных эмиссионных характеристик электронных эмиттеров // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1977. - Т. 41. - N 5. - С. 1055-1058.
2. Гостев А.В., Рейхрудель Э М., Рухляда Н.Я., Шишкин Б.Б. Универсальный прибор дл исследования локальной и интегральной эмиссии // ПТЭ. - 1978. - N 4. - С. 192-194.
3. Рухляда Н.Я., Трефилов А.Г., Шишкин Б.Б. Термоэлектронная эмиссия и структура гафния // Изв. АН СССР, сер физ.Ц1979. - Т. 43. - N 9. - С. 1837-1842.
4. Рухляда Н.Я., Дубский Г.А., Ли И.П., Шишкин Б.Б. Температурная зависимость теплоемкости и термоэмиссии гафния // Сб. УСплавы редких и тугоплавких металлов с особыми физическими свойствамиФЦМ.:Наука,1979.ЦС. 226-229.
5. Рухляда Н.Н., Трефилов А.Г., Шишкин Б.Б. Полиморфное превращение в монокристалле гафния // Вестник Московского университета, сер. III. - 1979. - N 2. - С. 70-72.
6. Рухляда Н.Я., Комолова Л.Ф., Маштакова В.А., Разумовская В.Н., Шишкин Б.Б. Влияние способов обработки поверхностей на эмиссионные свойства сплавов на основе ниобия и молибдена // Физика и химия обработки материалов - 1984. - Т 5. - C. 94-99.
7. Гостев А.В., Рухляда Н.Я.. Шишкин Б.Б. Метод измерения термоэлектронной эмиссии УпятнистыхФ катодов // Радиотехника и электроника. - 1985. - Т.
XXX. - Вып. 4. - С. 788-792.
8. Гостев А.В., Маштакова В.А., Рухляда Н.Я., Шишкин Б.Б. Метод измерения эмиссионного тока при нулевой напряженности электрического поля на катоде // Радиотехника и электроника. - 1986. - Т. XXXI. - Вып. 10. - С. 2052-2055.
9. Рухляда Н.Я., Шишкин Б.Б., Маштакова В.А., Воронков С.Н. Эмиссионные свойства сплавов системы ниобий-рутений // Сб. XII Всесоюз. совещания УПолучение, структура, физические свойства и применение высокочистых и монокристаллических тугоплавких и редких металловФ. - Суздаль, 1987. - С. 56-58.
10. Волков Л.П., Рухляда Н.Я., Белоголовцев Г.И. Снижение склонности к межкристаллитной коррозии стали 12Х18Н9 при импульсной обработке поверхности // Физика и химия обработки материалов. - 1988. - N 1. - С. 57-60.
11. Рухляда Н.Я., Брюханов С.А., Ли И.П., Новиков А.Н., Храмушин Н.И., Шакиров В.А. Создание и исследование поверхностных структур, содержащих тугоплавкие и редкоземельные элементы // Сб. XIII Всесоюз. совещания УПолучение, структура, физические свойства и применение высокочистых и монокристаллических тугоплавких и редких металловФ. - М.: Информэнерго, 1990. - С. 54-55.
12. Рухляда Н.Я. Аллотропические превращения в рутении // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 1997. - N 1. - С. 46-50.
13. Рухляда Н.Я. Предпереходное состояние при фазовом переходе в монокристалле гафния // Сб. трудов II Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии. - Минск, 1997. - С. 67-70.
14. Рухляда Н.Я. Структурные превращения и работа выхода рутения // Сб.
докладов III Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии. - Гродно, 1998. - С. 102-104.
15. Рухляда Н.Я., Рухляда Н.Н., Ли И.П. Совершенствование технологии обработки деталей электровакуумных приборов путем использования импульсной плазмы // Сб. трудов II региональной научно-технич. конф. УСовременная электротехнология в промышленности центра РоссииФ. - Тула, 1999. - С. 95-100.
16. Рухляда Н.Я., Рухляда Н.Н., Ли И.П. Создание поверхностных структур с заданными свойствами с помощью концентрированных потоков частиц // Сб.
материалов Международной научно-технич. конф. УНовые материалы и технологии на рубеже вековФ. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2000. - С. 60-65.
17. Roukhlyada N.Ya., Samoilov S.G. Anomalies in the Temperature Dependence of the Work Function of Ruthenium Faces (1122) and (1125) // Physica Scripta. - 2000.
- Vol. 62. - N. 4. - P. 341-344.
18. Рухляда П.Н., Рухляда Н.Я., Типикин Е.Г. О возможности использования в технических устройствах резкого изменения физических величин при фазовых переходах в твердых телах // Сб. материалов Международной научнотехнической конференции УНовые материалы и технологии на рубеже вековФ. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2000. - Ч. 1. - С. 145-147.
19. Рухляда П.Н., Рухляда Н.Я., Типикин Е.Г. Фазовые переходы и поверхностные свойства твердых тел // Сб. материалов Всероссийской научнотехнической конференции УМатериалы и технологии XXI векаФ. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2001. - Ч. 1. - С. 100-105.
20. Рухляда Н.Я., Рухляда П.Н., Типикин Е.Г. Способ обработки трубок теплоносителя парогенератора с целью улучшения их коррозионных свойств // Сб.
материалов Всероссийской научно-технической конференции УМатериалы и технологии XXI векаФ. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2001 ЦЧ. 1 - С. 62-66.
21. Масленников О.Ю., Рухляда Н.Я., Рухляда П.Н., Самойлов С.Г. Анизотропия работы выхода рутения // Материалы IX научно-технической конференции УВакуумная наука и техникаФ - М.: МИЭМ, 2002. - С. 327-330.
22. Li I.P., Maslennikov O.Yu., Roukhlyada N.Ya. Modification of the dispenser cathode surface with a pulse plasma // Fourth IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC 2003, May 28-30. - Seoul, Korea, 2003. - P. 313-314.
23. Ли И.П., Рухляда Н.Я., Масленников О.Ю.. Комиссарчик С.В. Модификация поверхности катодов с заданными свойствами с помощью концентрированных потоков частиц // Материалы XI научно-технической конф. УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2004. - С. 300-304.
24. Ли И.П., Рухляда Н.Я. Создание поверхностных структур с заданными свойствами с помощью концентрированных потоков частиц // Физика и химия обработки материалов. - 2005. - N 1. - С. 61-65.
25. Ли И.П., Комиссарчик С.В., Рухляда Н.Я., Масленников О.Ю. Модификация поверхностей деталей и узлов электровакуумных приборов импульсными потоками плазмы // Материалы XII научно-технической конф. УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2005. - С. 225-228.
26. Ли И.П., Масленников О.Ю., Рухляда Н.Я. Адсорбция меди и водорода на рутении // Материалы XII научно-технической конференции УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2005. - С. 280-282.
27. Рухляда Н.Я., Ли И.П., Масленников О.Ю. Аномалии в температурной зависимости эффективных работ выхода тербия, иттрия, скандия // Материалы XIII научно-технической конференции УВакуумная наука и техникаФ / Под ред.
профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2006. - С. 347-351.
28. Емельянов В.И., Рухляда Н.Я. Влияние термоциклирования и поглощения водорода на сдвиг критических величин в температурной зависимости эффективной работы выхода рутения // Материалы XIV научно-технической конференции УВакуумная наука и техникаФ - М.: МИЭМ, 2007. - С. 314-315.
29. Рухляда Н.Я. Анализ дефектных трубок парогенератора и способ их обработки с целью улучшения коррозионной стойкости // Материалы X Международной конференции УБезопасность АЭС и подготовка кадровФ. - Обнинск, 2007. - С. 116-117.
30. Рухляда Н.Я. Обработка поверхностей деталей импульсным электронным потоком // Материалы XV научно-технической конференции УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В. Быкова. - М.: МИЭМ, 2008. - С.246-251.
31. Рухляда Н.Я. Анализ дефектных трубок теплообменника с натриевым теплоносителем // Материалы XV научно-технической конф. УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2008. - С. 251-255.
32. Рухляда Н.Я. Импульсная плазменная обработка трубок теплоносителя парогенератора с целью улучшения их коррозионной стойкости // Наукоемкие технологии. - 2008. - Т. 9. - N 8. - С. 9-11.
33. Рухляда Н.Я., Масленников О.Ю., Ли И.П., Чусов И.А., Шелегов А.С. Мо- дификация цилиндрических эмитирующих поверхностей эффективных термокатодов импульсной плазмой с целью улучшения их эмиссионных параметров //Материалы XVI научно-технической конф. УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2009. - С. 350-358.
34. Емельянов В.И., Рухляда Н.Я. Дефектно-деформационный механизм образования структур с двумя масштабами при обработке поверхности плазмой // Материалы XVI научно-технической конф. УВакуумная наука и техникаФ / Под ред. профессора Д.В.Быкова. - М.: МИЭМ, 2009. - С. 372-378.
35. Масленников О.Ю., Рухляда Н.Я., Ли И.П., Чусов И.А., Шелегов А.С. Модификация поверхностных слоев импульсными потоками плазмы как одно из направлений совершенствования технологии изготовления эффективных термокатодов // Наукоемкие технологии. - 2009. - Т. 10. - N 5. - С. 28-35.
36. Емельянов В.И., Рухляда Н.Я. Дефектно-индуцированная неустойчивость и образование поверхностных структур с двумя масштабами при обработке поверхности плазмой // Наукоемкие технологии. - 2009. - Т. 10. - N 6. - С.3-13.
АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА 1. Шишкин Б.Б., Рухляда Н.Я., Маштакова В.А., Голоскокова Л.Ю. Способ изготовления катодного узла. - А. С. N 1245147 от 15 марта 1986 г.
2. Семенов Л.А., Ли И.П., Рухляда Н.Я., Холев С.Р., Белоголовцев Г.И., Еремеева Г.А. Способ изготовления металлопористого катода. - А.С. N 1299376 от ноября 1986г.
3. Рухляда Н.Я., Ли И.П., Брюханов С.А., Новиков А.Н., Евграшкин А.А. Способ улучшения поверхностей деталей. - А.С. N 1760777 от 21 декабря 1989 г.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Emel`yanov V.I. Defect-Induced Instability of the Surface Layer Involving Static Coupled Lamb and Rayleigh Waves as a Universal Mechanism of the Formation of an Ensemble of Nanodot Nucleation Centers // Laser Physics. - 2008. - Vol. 18. - N 12. - P. 1435Ц1446.
2. EmelТyanov V.I. Self-Organization of Ordered Nano- and Microstructures on the Semiconductor Surface under the Action of Laser Radiation // Laser Physics. - 2008.
- Vol. 18. - N 6. - P.682 - 718.
3. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. - М.: Наука, 1981.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. - М.: Наука, 1965. - 202 с.