ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 28-35
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ _
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.15:(536.413+537.634.2)
НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ И МАГНИТООБЪЕМНЫЙ ЭФФЕКТ В ЖЕЛЕЗЕ
© 2004 г. Ю. Н. Михайлов, В. А. Казанцев
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 20.05.2003 г.; в окончательном варианте - 23.06.2003 г.
В армко-Бе и чистом N1 на трех-осевом нейтронном спектрометре выполнен энергетический анализ малоуглового рассеяния нейтронов в широких интервалах температур. Проведены измерения коэффициента теплового расширения а(Т) в армко-Бе при температурах (300-1100) К. Низкоэнергетические магнитные возбуждения, отличные от спиновых волн, обнаружены в армко-Бе около точки Кюри (Тс = 1030К) в температурном интервале, где коэффициент теплового расширения а(Т) испытывает аномальное поведение. Обсуждается корреляция между низкоэнергетическими магнитными возбуждениями и магнитообъемным эффектом в армко-Бе.
В работах [1-3] был проведен энергетический анализ малоуглового рассеяния нейтронов в ряде ферромагнитных сплавов переходных металлов на основе железа -Бе^^^ - дРй^ (неупорядоченные); Ре3Р (упорядоченный); (Бе^М^ - л)Мп01 (неупорядоченные) при температурах как ниже, так и выше соответствующих точек Кюри. Во многих этих сплавах (после вычета аппаратурного вклада) обнаружены максимумы чисто магнитного неупругого рассеяния нейтронов, которые не могут быть связаны с рассеянием на спиновых волнах, а обусловлены какими-то другими низкоэнергетическими магнитными возбуждениями.
Сопоставляя результаты измерений на всех указанных выше сплавах, можно прийти к заключению, что эти низкоэнергетические магнитные возбуждения наблюдаются только в тех сплавах, которые имеют большую величину концентрации железа, а также обладают магнитообъемными эффектами. Действительно, они были обнаружены в сплавах -Бе3Р1, Бе^^^ - дРй,.)^, Бе^Ш^Мл^ и не найдены в сплаве с большим содержанием никеля -Ре0.2№0.7Мп0Л, где магнитообъемный эффект практически отсутствует [4]. В работе [3] сделано предположение, что низкоэнергетические магнитные возбуждения обусловлены флуктуациями продольных компонент ^-проекций) магнитных моментов, которые связаны с магнитообъемными эффектами в подобного сорта сплавах.
Чтобы проверить высказанное выше соображение, представляется интересным провести энергетический анализ малоуглового рассеяния нейтронов в армко-Бе и чистом №, а затем сопоставить полученные данные с результатами измерений коэффициентов теплового расширения а(Т) в этих металлах. Результаты таких измерений, на наш взгляд,
могут существенно прояснить возможную связь низкоэнергетических магнитных возбуждений с магнитообъемными эффектами.
МЕТОДИКА
Эксперименты по малоугловому рассеянию нейтронов в армко-железе и чистом никеле были выполнены на трех-осевом нейтронном спектрометре. Длина волны падающих на образец нейтронов, сформированная двойным кристалл-монохро-матором из пиролитического графита (плоскость отражения (002)), составляла 0.3 нм. В качестве анализатора использовали плоскость (111) деформированного монокристалла германия. Метод, которым проводился энергетический анализ рассеянных нейтронов, более подробно описан в работе [2]. Образцы были в форме цилиндров диаметром 6 мм. и высотой 50 мм.
Температурная зависимость коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) в железе измерена на кварцевом дилатометре типа DL-1500 RHP фирмы ULVAC-SINKU RIKO (Япония) в динамическом режиме нагрева/охлаждения с постоянной скоростью нагрева 2 град/мин в атмосфере чистого гелия при давлении P ~ (55-70) кПа. Образец представлял собой цилиндр, изготовленный из армко-железа, диаметром 4.5 мм. и высотой 15 мм. Погрешность измерений среднего КТЛР во всем интервале температур составляла не более ± 0.35 х 10-6 град-1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерения по исследованию температурного поведения малоуглового рассеяния нейтронов в армко-железе и чистом никеле выполнены на трех-
осевом нейтронном спектрометре в интервале углов рассеяния, соответствующих переданным импульсам = (0.30-1.25) нм-1. На вставке рис.1, в качестве примера, представлены (после вычета фона) результаты измерения температурной зависимости интенсивности малоуглового рассеяния нейтронов (при угле рассеяния q0 = 0.30 нм1) в никеле, полученные на спектрометре в геометрии обычного дифрактометра, т. е. без кристалла-анализатора. Видно, что интенсивность рассеянных нейтронов в зависимости от температуры имеет вид, характерный для критического рассеяния с температурой Кюри Тс = 623 К.
Методом сканирования при постоянном угле рассеяния трех-осевого нейтронного спектрометра был проведен энергетический анализ этого рассеяния для различных (но фиксированных) углов рассеяния и температур, результаты которого при q0 = 0.30 нм1 представлены на рис.1. Из этого рисунка следует, что спектры энергетического анализа при всех температурах (как значительно ниже Тс, вблизи Тс, так и в самой точке Кюри) имеют форму Гауссиана с шириной на половине максимума (Р^ИМ), примерно равной разрешению спектрометра. Аналогичные спектры наблюдаются и при других q0. Следовательно, в чистом никеле в интервале указанных выше углов рассеяния (при проведении энергетического анализа рассеянных нейтронов таким методом) не обнаружено неупругого вклада, соответствующего низкоэнергетическим магнитным возбуждениям.
Как было отмечено в работе [3], отсутствие неупругого вклада в никеле, по-видимому, обусловлено минимальным углом рассеяния, при котором измерения малоуглового рассеяния нейтронов возможны на нашем спектрометре (без значительного вклада нейтронов первичного пучка). Об этом свидетельствуют и результаты работ [5, 6], где проведены измерения температурной зависимости критического рассеяния нейтронов в чистом никеле. В работе [5] при относительно больших углах рассеяния были обнаружены только критические пики (как в нашем случае), а в [6] при значительно меньших углах рассеяния (наряду с критическими пиками) в непосредственной близости к точке Кюри наблюдали широкие максимумы рассеянных нейтронов. Эти два типа рассеянных нейтронов по-разному зависят от внешнего магнитного поля, а положения широких максимумов смещаются к температуре Кюри при увеличении угла рассеяния (так же, как это было обнаружено в [1-3]).
Другая картина наблюдается при измерениях малоуглового рассеяния нейтронов в армко-же-лезе. Температурные зависимости интенсивности нейтронов, полученные в железе (без анализатора и с анализатором) при фиксированных углах рассеяния, представлены на рис.2. Согласно этим
Счет
Рис. 1. Спектры энергетического анализа малоуглового рассеяния нейтронов N1 для qo = 0.30 нм-1 при различных температурах: 473 (•), 603 (О), 623 К (Л). На вставке приведена (после вычета фона) температурная зависимость интенсивности малоуглового рассеяния нейтронов, измеренная без анализатора.
результатам, неупругая составляющая рассеяния нейтронов (разница между темными и светлыми точками) существует при всех измеренных q0. В области меньших q0 она наблюдается только ниже температуры Кюри, а с ростом угла рассеяния смещается в сторону высоких температур и даже существует выше Тс, как это ранее было обнаружено в Ре3РМ2] и Ре0.5№0.4Мп0Л-[3] сплавах.
Энергетический анализ малоуглового рассеяния нейтронов в железе при различных (фиксированных) углах рассеяния и температурах был проведен тем же методом, что и в никеле. На рис. 3, в качестве примера, показаны результаты этого анализа для угла рассеяния, соответствующего q0 = 0.45 нм-1. При температурах, где (согласно рис. 2) неупругий вклад отсутствует (Т = 773 К), либо он очень мал (Т = 1023 К), наблюдаются пики с шириной на половине максимума (РWHM), примерно равной разрешению спектрометра, как это было при измерениях в никеле.
Однако в интервале температур, в котором существует дополнительный неупругий вклад, спектр энергетического анализа (при Т = 973 К) имеет FWHM значительно больше, чем разрешение прибора. Подобная картина наблюдается и для других углов рассеяния. Дополнительной ил-
Счет Счет
Т, К
Рис. 2. Сравнение (после вычета фона и нормировки) температурных зависимостей интенсивности малоуглового рассеяния нейтронов, измеренных без анализатора (•) и с анализатором (О), в армко-Бе при различных углах рассеяния (^о)- Коллимации:
а - (ах = 10', а2 = 10', а3 = 15' ); б - (а = 10', а2 = 30', а3 = 15').
люстрацией этому могут служить результаты при д0 = 1.25 нм-1, представленные на рис. 4а, где светлыми кружками показаны интенсивности рассеянных нейтронов в зависимости от переданной энергии при Т = 1003 К (соответствует области неупругого вклада), а темными кружками при Т = = 873 К (неупругий вклад отсутствует). Видно, что при Т = 1003 К спектр имеет форму максимума с некоторыми особенностями и с FWHM суще-
ственно большей, чем при Т = 873 К. Если из спектра энергетического анализа при Т = 1003 К вычесть спектр при Т = 873 К, соответствующий аппаратурному вкладу, то получится чисто неупругий спектр, показанный на рис. 46. Он имеет два максимума (со сбросом и приобретением энергии нейтронов), отстоящих примерно на равных расстояниях от нулевой энергии. Такие максимумы неупругого рассеяния нейтронов мы связыва-
Рис. 3. Спектры энергетического анализа малоуглового рассеяния нейтронов в армко-Бе для ^ = 0.45 нм-1, при различных температурах: 773 К (•), 973 К (Ж), 1023 К (О).
Рис. 4: а - спектры энергетического анализа малоуглового рассеяния нейтронов в армко-Бе для ^ = 1.25 нм-1 при 873 К (•), 1003 К (О); б - разностный спектр, полученный вычитанием кривой (•) из кривой (О).
ем с существованием каких-то магнитных возбуждений.
Чтобы определить, являются ли обнаруженные возбуждения спин-волновыми или они имеют другую природу, на рис. 5 темными кружками приведены энергии, соответствующие серединам этих максимумов, в зависимости от величины волнового вектора д при т = Т/Тс = 0.97, т. е. вблизи температуры Кюри. Большие экспериментальные ошибки не позволяют нам установить характер этой зависимости. В то же вре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.