Zur thermomagnetischen materialprüfung von invarstahl MIT hilfe von elektronenbeugung

Materials Chemxstry 7 (1982) 143 - 148

TECHNICAL NOTE

ZUR THERMOMAGNETISCHEN MATERIALPRUFUNG VON INVARSTAHL MIT HILFE VON ELEKTRONENBEUGUNG Summary - A diffraction procedure with electrons accelerated by superhigh tension over 200 keV proved to be suitable for examlmng the magnetic state of mvar steel The electron beam was utlhzed for heating the ferromagnetic mvar specimen over its Curie point by means of electron bombardment A formula has been proposed for analyzing the electron diffraction patterns perturbed by magnetic Lorentz force

EINLEITUNG Ferromagnetlscher Invarstahl, der slch durch den Nlckelgehalt yon 36 G e w - % und durch den C u n e - P u n k t von etwa 80°C kennzelchnete, dlente als Versuchsprobe Im vorhegenden Experiment hat der Autor die ungemem energlerelchen Elektronenstrahlen benutzt, um die Dlffraktlon derselben am Ferromagnettkum zu beobachten Die Beobachtungen fuhrten zu elner Formel, wle sle die Lorentz-Kraft der Probe auf die angewandten Elektronenwellenlangen bezog

EXPERIMENTE Zwel Raslerkhngen mlt Remanenz von ca 5000 G waren zu verwerten, um em Magnetfeld zum Induzleren der Invarprobe vorzuberelten, wie die Anordnung in Abb 1 dlustrlert 1st Sle hegen m elner engen Entfernung von ca 0,5 mm emander gegenuber, worm die pulvensierte Probe stehenblelbt Eln monochromatlscher 0390-6035/82/010143-0652 00/0 Copyright © 1982 by CENFOR S R L All rights of reproduction In any form reserved

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ELEKTRONE~

I~LATTE

~ 4 Zk

Abb 1 - Anordnung fur dte thermomagnettsche Analyse Zwez Rasterkhngen mzt Remanenz hegen m emer schmalen Entfernung von ca 0,5 mm gegenuber, um em Magnetfeld zur Magnettsterung der Invarprobe hervorzubrmgen Dte auf dte Probe emfallenden und darauf an thr zu beugenden Elektronen lenken mfolge threr Magnettslerung ab Ste versetzen stch betrachthcher an der kalten ferromagnetlschen Probe als an der het[3en paramagnettschen ~ bedeutet dte a u f der Fotoplatte zu messende Verschwbung L Abstand zwlschen der Probe und der Platte (50 cm)

Elektronenstrahl, dessen Querschmtt ca 0,05 mm betrug, fiel auf die Probe era, um an lhrem Knstallgltter Beugung zu erfahren, slch der magnetlschen, yon lhr herruhrenden Larentz-Kraft zu unterwerfen, und zuglelch sle durch Elektronensto3 zu erhltzen Das m Abb 2 wledergegebene Beugungsbdd heferte die bel ca 40"C, und zwar unterhalb des Curle-Punktes yon lnvar be~behaltene Probe Dabel bheben die Stromstarke und die Bestrahlungsdauer der Elnfallselektronen fur das Objekt 0,03 mA bzw 0,5 sec 1, um es moghchst kalt zu halten Abb 3 1st eme Doppelbehchtung, worm auf Abb 2 das yon der bel ungefahr 200°C, und zwar oberhalb des Cune-Punktes erwarmten Probe herkommende Beugungsbdd uberlagert 1st Die Stromstarke und die Bestrahlungsdauer der Inzldenzelektronen bellefen slch dabel auf 0,1 mA bzw 30 sec Be1 Abb 3 kommt es darauf an, da/~

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A b b 2 - Elektronenbeugungsbdd v o n d e r lnvarprobe bet ca 40°C F m 3 m Gttterabmessung 3,52 ,~. Wellenlange der Elektronen 0,0288 A L = 50 cm Postttv zn 2,3facher Nachvegr~erung

A b b 3 - Doppelbehchtung, worm a u f A b b 2 das yon der bel ca 200°C belbehaltenen Probe herruhrende Beugungsbdd uberlagert 1st Dze betden entsprechenden Beugungsmnge we~chen vonemander ab Dtes beruht a u f der Verschtedenhett zwzschen den Magnetlszerungen der Probe

146 slch d]e kaltere noch ferromagnettsche Probe durch die auf &e Elektronenbahnen wlrkende Lorentz-Kraft yon der helfleren paramagnetzschen untersche]det Die auf Abb 3 zu messende Versetzung AZ der Reflexe ~st durch die Glelchung

1~71= ,,e.°L1x )Z~I, ~7±~-~,

L~l

h

(I)

auszudrucken 2 Darm bedeutet eo dle EIektronenladung m e m E , L den Abstand zwlschen dem Objekt und der Reglstnerebene (50 cm), 1 dle effektwe magnehsche "Weglange der angewandten Elektronen (ca I /am), ~ dle Wellenlange der angewandten Elektronen, AB dle Sattlgungsmduktlon yon Invar (10000 G), und h Planck-Konstante (6,6~x I0 "aT Erg sec) Die an den verschledenen Elektronenwellenlangen ~_~emessenen AZ-Werte stud m Abb 4 aufgetragen Aus dem m Abb 4 erhaltenen AZ-X-Verlanf l ~ t slch entnehmen, da/3 GI (I) zwar dann gdt, wenn X langer als ca 0,03 A, slnd, aber dle gemessenen Werte yon AZ dann etwa unabhang]g yon ~, stud, wenn ?~ kurzer als ca 0,03 A stud Also erhalt man die empmsche Formel IA-~[- e°LIK h

IS~I

(2)

Z x 10"2cm

5

3

Y J

J J

1

4/2

3

4. x i

0"~

Abb 4 - Dw auf den Doppelbehchtungen gemessenen Verschwbungen ~ stud m Abhangzgkezt von den Wellenlangen ~ aufgetragen ~ stud bemahe konstant, wenn ~ <~0,03 A

147 wenn ~, <~ 0,03 A Hler setzt man K ~ 0,03 A voraus In der Tat mll3t man auf Abb 3 AZ = 0,035 cm und k = 0,0288 A Dlese Elektronenwellenlange entsprlcht der elektnschen Spannung 200 keV oder der Geschwln&gkelt 2,2 x 101° cm/sec 3

THEORETISCHE BETRACHTUNG Nach der Dlrac-schen Elektronentheone welst em freles schnelles Elektron u U die Zltterbewegung auf 4 Das 1st der Fall, wenn das Wellenpaket des laufenden Elektrons genug klein 1st Die Abmessung emes Elektronenpaketes nahert slch dann der Wellenlange des Elektrons an, wenn es slch am Krlstallgltter beugt Man stellt die Geschwlndlgkeit v e m e s frelen, die Zltterbewegung vorzelgenden Elektrons durch die Gleichung v = c coswt

(3)

dar 4, worm c die Llchtgeschwmdlgkelt, co die Frequenz der Zltterbewegung, und t Zeltlauf bedeutet Aus GI (3) erhalt man als mittleren Wert von v v=c/vr2 -

t~t~

Dleser entspricht dem effektlven Wert bei der Theone uber den Wechselstrom Nach der Relatlvltatstheone stud die Elektronenladung e und die Elektronenmasse m msofern durch die Glelchung e = eo/X/1 - 3 2

(5)

bzw m = mo / V ~ - 32

(6)

auszudrucken s, als slch die Geschwlndigkeit des laufenden Elektrons c annahert Hlerln bedeutet e o die Ladung des Elektrons mlt der Ruhemasse mo, und/]--= ~ / c Aus G1 (1), (4), (5) und (6) erhalt man IA-Zl = Vz2-'e°LIX° [A-BI h

148 wobel Xo die Compton-Wellenlange (0,0242 A~) und e o die Elektronenladung (1,6 x x 10-20 e m E ) bedeutet Also wlrd K m G1 (2) durch die Bezlehung K = V/~- Xo dargestellt Auf dlese Welse lal3t slch G1 (2) auch theoretlsch verstehen

SCHLUSSBEMERKUNG Die harteren Elektronenstrahlen, die durch die Potenhaldlfferenz uber 200 keV beschleunlgt werden, stud lmstande, den dlckeren Magnet als Objekt sowohl kohahrent als auch mterferenzfahlg zu durchdnngen Dabel welsen die Bahnen der gebeugten Elektronen eme durch d~e mnere, ~m Objekte befindhche Magnetlslerung verursachte Ablenkung auf Messung dleser Ablenkung gestattet, die Magnehslerung emes gegebenen Ferromagnehkums nach der in der vod~egenden Arbe~t vorgeschlagenen Formel kennenzulernen Das kontrolherte Elektronenbombardement dlent zur Erwarmung des Objektes, und zwar zur thermalen Storung der Magnenslerung desselben S Yamaguchi YAMAGUCHI-LAB 2-72 Kotake-cho Nertma-ku TOKYO 176, Japan

Emgegangen am 11 Dezember 1981

LITERATUR 1 2

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S YAMAGUCHI - Z angewandte Phys, 8, 221, 1956 S YAMAGUCHI- Mater Chem, 6, 103, 1981,Rev Sc, Instr, 29, 183, 1958, Phys Rev , 126, 102, 1962 M yon ARDENNE - Tabellen zur angewandten Phystk, VEB Deutseher Wlssenschaften, Berlin, S 4, 1973 P A M DIRAC - The Principles o f Quantum Mechanws, Oxford Umverslty Press, p 261, 1963, S YAMAGUCHI - Naturwtssenschaften, 67, 604, 1980 L de BROGLIE - La Reinterpretation de la mecamque Ondulatowe, Gauthler-Vfllard, Pans, p 151, 1971