Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Наконец, заметим, что из-за очень большой сдвиговой анизотропии плутония измерения упругости на поликри-сталлических образцах дадут средние значения сильно меняющихся величин, маскирующие лежащие в их основе физические процессы. Чтобы разобраться в этих деталях, следует произвести
Упругость, энтропия и фазовая устойчивость плутония
Образец А
Синтезатор
Компьютер
^^^вадратурный^сигнал^
Датчики
Сдвиг по фазе на 90°
Усилитель
Фазовый детектор и процессор цифровой обработки сигналов
Рис. 8. Блок-схема и фотоснимок резонансного ультразвукового спектрометра
Резонансным ультразвуковым спектрометром производится измерение образца А (в форме прямоугольного параллелепипеда); он размещен между двумя датчиками, один из которых обеспечивает на образце непрерывный ряд частот мегагерцового диапазона. Поддерживается фиксированная температура, а генератор электронных сигналов (или синтезатор) постепенно автоматически меняет частоту вышеуказанного датчика. Прилагаемый сигнал усиливается при прохождении через области, в которых образец резонирует. Усиленный сигнал принимается вторым датчиком и автоматически регистрируется специальным электронным фазовым детектором. Необходимый резонансный спектр при заданной температуре измеряется в течение секунд и воспроизводится на мониторе компьютера. Очень важно, что компьютер рассчитывает упругие постоянные
как можно больше измерений на монокристаллах. Эта информация необходима для проверки расчетов электронной структуры и развития фундаментальных представлений о плутонии. На рис. 7 показаны кристаллические структуры пяти из шести твердых фаз плутония (6'-фаза, которая имеет вид слегка сжатой решетки гцк 6-фазы, не показана). У кубических фаз имеются лишь три независимых модуля упругости, в то время как у моноклинных фаз -13 таких модулей.
Резонансная ультразвуковая спектроскопия. В связи со строгим регулированием и вопросами безопасности в ближайшие годы, по-видимому, можно будет выращивать лишь кристаллы стабилизированного галлием 6-плутония
размером в несколько миллиметров. Однако небольшие образцы трудно исследовать с помощью традиционных импульсных ультразвуковых методик из-за размера и эффектов ослабления. К счастью, РУС3 вполне годится для многократных измерений модулей упругости плутония на моно- или поликри-сталлическом плутонии.
РУС - это очень простая методика, при выполнении которой наводятся, измеряются и анализируются механические резонансы твердого объекта известной формы для получения полного тензора упругости. Эта методика обычно реализуется на образце, все грани которого либо параллельны, либо перпен-
3 В последние годы метод резонансной ультразвуковой спектроскопии (РУС) стал широко использоваться на практике в Лос-Аламосе благодаря Альберту Миглиори.
Number 26 2000 Los Alamos Science
223
Упругость, энтропия и фазовая устойчивость плутония
0,4
0,2
S
CS
CE
? о
S
с,
п.
<
-0,2
-0,4
0,258 0,260 0,262 0,264 0,266 0,268 0,270 0,272 0,274 0,276
Частота (МГц)
Рис. 9. Резонансы образца плутония высокой чистоты, измеренные методом резонансной ультразвуковой спектроскопии
Этот спектр резонансных вибрационных частот поликристаллического образца из сплава плутония высокой чистоты с 3,3 ат. % Ga был измерен с помощью нашего резонансного ультразвукового спектрометра, приспособленного для работы в перчаточной камере. Поскольку измерение методом резонансной ультразвуковой спектроскопии чувствительно к фазе колебаний, некоторые пики отрицательны
дикулярны друг другу (прямоугольный параллелепипед-резонатор, или ППР). Поскольку между датчиками и очень малыми образцами обеспечивается слабый сухой точечный контакт (несколько миллиметров или меньше по одной стороне), эта система чрезвычайно точна и очень удобна при работе в перчаточных камерах. Из-за слабого контакта требуется большая осторожность при обращении с электронными устройствами. На рис. 8 показана блок-схема современной системы4.
На рис. 9 изображены резонансы с острыми пиками, наблюдавшиеся в этой системе при измерении типичного образца. Эти данные получены на новом поликристаллическом образце, изготовленном методом кокиль литья, из сплава плутония высокой чистоты с 3,3 ат. % галлия, образец был предоставлен Джейсоном Лешли (см. статью “Изготовление монокристаллов стабилизированного галлием плутония” на с. 228). Мерой остроты резонанса, или Q, явля-
4 Современная система сконструирована Альбертом Миглиори и изготовлена фирмой Dynamic Resonance Systems, Inc.
ется//А/, где/- частота резонанса и Af-полная ширина на половине максимума резонанса. Для наших образцов из плутония/составляет около 0,2 МГц. Если 2, которая является непосредственной мерой собственной диссипации, больше 1000, то можно ожидать очень высокую точность измерения модуля упругости. Для плутония мы наблюдали значения Q больше 10000.
Хотя этим методом нетрудно получить очень точные значения резонансов на тщательно приготовленных образцах плутония, анализ требует много машинного времени. Для подтверждения этого отметим, что для проведения расчета потребовалась 1 с времени ЦП на первой ЭВМ Cray, 12 ч на PC-AT и в настоящее время требуется 1,3 с на Pentium-Ill с тактовой частотой 600 МГц. На рис. 10 мы показали сложные деформации, соответствующие нескольким конкретным модам. Эти деформации необходимо вычислить. По алгоритму РУС итерациями рассчитываются деформации, а затем модули упругости модельного ППР приводятся в соответствие с их значениями, полученными в резуль-
