73576

Малоугловое рассеяние нейтронов. Домены. Наноматериалы. Фракталы (пространственные и поверхностные)

Лекция

Физика

Цель этой лекции дать представления о методе малоуглового рассеяния нейтронов МУРН как методе исследования непериодических систем. МУРН имеет дело с изучением неоднородностей в материалах. Масштабы неоднородностей Физические принципы рассеяния нейтронов при МУРН те же что и при рассеянии на большие углы. рассеивающая среда была периодической в трех направлениях причем с очень большим числом повторений тогда как в МУРН рассеивающие центры не упорядочены периодически.

Русский

2014-12-18

2.4 MB

23 чел.

Лекция 9

Малоугловое рассеяние нейтронов. Домены. Наноматериалы. Фракталы (пространственные и поверхностные).

Цель этой лекции дать представления о методе малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН), как методе исследования непериодических систем. МУРН имеет дело с изучением неоднородностей в материалах. Эти неоднородности имеют размеры от 1 до 1000 нм, что больше, чем межатомные расстояния ( 0.3 нм). Понятие неоднородности может включать в себя кластеры в металлах, флуктуации намагниченности, домены и т.д. (см. Рис. 1).

         

                            Рис.1. Масштабы неоднородностей  

Физические принципы рассеяния нейтронов при МУРН те же, что и при рассеянии на большие углы. Главное различие состоит в том, что ранее мы имели дело с периодически расположенными центрами рассеяния, т.е. рассеивающая среда была периодической в трех направлениях, причем с очень большим числом повторений, тогда как в МУРН рассеивающие центры не упорядочены периодически. В случае кристаллического порядка рассеяние на единичной частице пропорционально N2 для N идентичных частиц в кристалле, для векторов рассеяния соответствующих условию Брега n=2dsin.

Для случайно ориентированных частиц рассеяние пропорционально лишь   N, и картина рассеяния не содержит информацию об ориентациях частиц. Более того, информация о внутреннем устройстве атомов внутри неоднородностей уменьшается до «функции радиального распределения», которая есть Фурье преобразование интенсивности рассеяния.

 Рис. 2 показывает схему дифрактометра МУРН.

         

                                    Рис. 2. Типичная схема МУРН дифрактометра.  

  

Рис. 3. Установка МУРН в Национальном институте стандартов и технологий, США. Длина установки 30 м.

Наибольший размер объекта, который может быть изучен на данной установке, определяется соотношением

                             Lmax  2/Qmin.                                                                         (10.1)

где, Q = 4sin/- вектор рассеяния. К настоящему времени максимально достижимый размер составляет около 5 м (ИЛЛ, 40 м SANS инструмент , использующий 15 Å нейтроны.

       В случае МУРН сечение рассеяния (на атом образца) равно

              ,       (10.2)

где, N – число атомов, V объем образца, bi – амплитуда ядерного когерентного рассеяния нейтронов i-го атома в точке . Величина  - плотность амплитуды рассеяния :

                .                                                                                 (10.3)

Эта функция позволяет описать распределение неоднородностей, имеющих разное значение средней амплитуды рассеяния в образце

 МУРН возникает в следующих случаях :

  •  Рассеиватели (частицы или неоднородности) статистически изотропны и нет дальнего порядка.
  •  Рассеиватели распределены в матрице. Матрица рассматривается как гомогенная среда.

Усреднение по всем ориентациям рассеивателей приводит к выражению

                                                           (10.4)

где,

                  ,                                                             (13.5)

- корреляционная функция или характеристическая функция. Функция p(r) – функция парных распределения. Обратное преобразование (10.4) приводит к

                                                                                       (10.6)

или

              V.                                                                           (10.7)

Функция p(r) число пар с взаимным расстоянием между r и r + dr .

              V.                                                                           (10.7)

Для простоты будем рассматривать монодисперсную систему, т.е.  образец, который состоит из частиц, имеющих одинаковый объем, размер, форму и внутреннею структуру.

Размер частиц

Используя приближение Гинье можно определить радиус гирации частиц:

                            I(Q) = I(0)exp(-Q2Rg2/3)                                                                       (10.8)

Следовательно, приближение Гинье описывает МУРН, когда интенсивность рассеяния падает с переданным импульсом по экспоненциальному закону. радиус гирации связан с геометрическими параметрами простого трехосного тела.

Форма частиц

1) Самая простая форма - сфера.

                             ,                                                      (10.9)

где R – радиус сферы.

    2)  Разбавленный раствор.

То, что многие частицы имеют высокий контраст по отношению к H2O делает нейтроны уникальным инструментом для изучения малых частиц при низких концентрациях. Интенсивность рассеянных нейтронов от N идентичных частиц в очень разбавленном растворе с амплитудой рассеяния ρs определяется выражением :

                  I(Q) = (ρ0  ρs)2Ic(Q) + (ρ0  ρs)Ics(Q) + Is(Q),                           (10.10)

Где Ic , is Ics, Is – интенсивности рассеянных нейтронов, связанные с явлениями растворения, флуктуации плотности. Интенсивность рассеяния на нулевой угол пропорциональна 

                         ρ =  bi/Vp ρs,                                                                   (10.11)

эта величина называется контрастом. Рис. 4 показывает МУРН на монодисперсных сферах в D2O/H2O растворе.

                          

                                       Fig.4 SANS-scan in dilute suspension

3.2. Фрактальные объекты

Рассмотрим несколько примеров фрактальных объектов.

                                   

                                             Рис. 5. Создание фрактала.

Другой пример фрактала.

                            

                                                 Fig. 6

Важнейшей характеристикой фрактала является фрактальная размерность.

Например, фрактальная размерность квадрата:

.

 

3.2. МУРН на фракталах

В случае образцов с фрактальной структурой интенсивность МУРН падает с вектором рассеяния (когда Q  ∞) в соответствие со степенным законом:

                        I(Q) ~ Qn,                                                                       (10.12)

где, n – показатель Порода, равный 4 для частиц с гладкой поверхностью. Знание  n позволяет определить размерность фрактальной поверхности :

                           DS = 6  n,                                                                    (10.13)

Так как 3 < n < 4, то размерность фрактальной поверхности может изменяться от 2 до 3. Поперечное сечение МУРН имеет следующий вид:

                       ,                                                                    (10.14)

где  -корреляционная длина, c – концентрация частиц, - плотность амплитуды рассеяния, A – интерполяционный коэффициент:

                        ,                                                (10.15)

где, Γ(x) – Гамма функция. В первом приближении величину l = 2 можно рассматривать как размер частиц.

Если образец проявляет свойства пространственного фрактала, то его размерность связана с показателем n как :

                               Dv = n.                                                                          (10.16)

Сечение рассеяния :

              ,                  (10.17)

где, l0 –размер частиц, которые формируют фрактальный кластер, L – размер фрактального кластера. При Q  0 интенсивность МУРН для пространственного фрактала так же как и для поверхностного фрактала              

,                  (13.13)

стремится к насыщению. При Q  ∞ интенсивность описывается степенным законом с 1 < n < 3.

3.3. Примеры исследований нанокристаллических частиц с фрактальной поверхностью

В нашей работе [Валиев и др. Поверхность, 2002] было изучено четыре образца угольного сорбента, взятых на различных стадиях (см. Рис. 7).

   ,    (10.18)

где, первый член есть МУРН на поверхностном фрактале. Второй член описывает МУРН на сферических частицах со степенным законом распределения по размерам N(R)~R-(3+), когда Rmin < R < Rmax.  

                

               Рис. 7. МУРН на уголных сорбентах. Точки-эксперимент, линия -расчет.

Расчетные динии были получены с помощью соотношения

   ,        (13.14)

где, первый член выражает МУРН на поверхностном фрактале (см. (13.11) и (13.12)). Второй член описывает МУРН на сферических частицах со степенным законом распределения по размерам N(R)~R-(3+), где Rmin < R < Rmax.  

Были получены результаты, представленные в Табл. 1.

 ξ – корреляционный радиус, c объемная доля малых частиц, DS фрактальная размерность, N – число частиц в единице объема, Rmin – минимальный размер частиц, C – концентрация больших частиц, R – средний размер частиц, d – насыпная плотность образца.

Образец

Малые частицы

Большие частицы

d,

g/cm3

ξ, nm

с

DS

    N,

1014 cm-3

Rmin nm

C

R,

nm

S1

0.23

0.05

2

7

1

0.20(5)

0,0003

1.8

0.65

S2

0.25

0.08

2

8

2

0.70(5)

0,0005

3.2

0.47

S3

0.29

0.1

2.5(1)

8

2

0.90(5)

0,0004

3.0

0.41

S4

0.35

0.13

2.3(1)

8

2

0.75(5)

0,0005

3.1

0.31

Как видно из Табл. 1, МУРН позволяет определить различную информацию о пористой структуре сорбентов.

Табл. 2 показывает данные, полученнные нами при измерниях МУРН на манганите LaMnO3.

Тan, oС

ξ, nm

DS

c

d, g/cm3

20

13

2.4(1)

0.009(1)

0.33

400

13

2.5(1)

0.009(1)

0.30

600

13

2.4(1)

0.009(1)

0.29

700

19

2.4(1)

0.009(1)

0.29

800

25

2.3(1)

0.0075(5)

0.27

900

30

2.3(1)

0.0075(1)

0.31

1000

35

2.2(1)

0.005(1)

0.38

1100

~60

~2.2

0.014(2)

0.65

  

Рис. 8.  МУРН на нанокристаллических манганитах LaMnO3, (a) отжиг при  20 C, (b) 600 C, (c) 900 C  and (d) 1100C.

 Как видно из Табл. 2, нанокристаллические манганиты проявляют свойства поверхностного фрактала.

 

    Следующий рисунок показывает типичную зависимость интенсивности МУРН для неупорядоченных систем.  

   

                             Fig. 9. Различные режимы МУРН

 

МУРН на магнитных материалах

Магнитное МУРН связано с взаимодействием между магнитным моментом нейтрона и магнитными моментами атомов в образце. В этом случае сечение рассеяния имеет следующий вид

                                                               (10.19)

где,

                                                                           (10.20)

и

                ,                                                            (10.21)

где,  - Фурье преобразование намагниченности M(r),  - компонента , перпендикулярная к вектору рассеяния . Если рассеивающие частицы сформированы из коллинеарных спинов, а вектор  параллелен M(r), то соотношение. (10.19) равно нулю. Можно ввести амплитуду магнитного рассеяния :

                           .                                               (10.22)

Следовательно, для наблюдения магнитного МУРН необходимо различие амплитуд магнитного частиц и матрицы.

Если магнитные неоднородности большие (L > 1 m), то МУРН может наблюдаться как следствие рефракции нейтронного пучка. В этом случае прошедший через образец пучок уширяется.    

МУРН на аморфном Nd2Fe14B.

Рис. 10 показывает МУРН на Nd2Fe14B, синтезированный методом быстрого охлаждения на внешнюю поверхность колеса, вращающегося со скоростью 40 м/sec. Чтобы разделить ядерное и магнитное рассеяние мы использовали внешнее магнитное поле 0H = 4 kOe. Разностная кривая представляет МУРН на магнитных неоднородностях. Для описания экспериментальных точек были использованы выше приведенные уравнения. Мы получили, что негомогенности имеют фрактальную поверхность Ds = 2.5. Средний размер негомогенностей составлял около 50 нм. 

 Такой же метод мы использовали для исследования быстрозакаленных образцов Y2Fe14B (см. рис. 12).           

Рис. 11 МУРН на быстрозакаленных Nd2Fe14B.

              

Рис. 12. МУРН на быстрозакаленных Y2Fe14B.

Подгоняя кривые к экспериментальным точкам, мы получили следующие значения для образцов Y2Fe14B.

Табл 3.  Структурные и магнитные параметры Y-Fe-B образцов   

Sample, Vp, m/s

Cam

L, nm

, 1010 cm2

am/cr

20

0.1

100

1.4

0.55

30

0.37

40

0.33

0.89

max

0.75

40

0.7

0.78

crystal

0.02

240

3.1

-


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30803. Подача Б-смеси в конструкции. Способы подачи 13.91 KB
  Способы подачи бетонной смеси. Подача бет. бетон. при бетонировании подземных сооружений бет.
30804. Способы укладки Б-смеси. Требования при укладке Б-смеси в конструкции с уплотнением 16.62 KB
  Способы укладки Бсмеси. Требования при укладке Бсмеси в конструкции с уплотнением. Основные требования к укладке бетонной смеси: Ограничение высоты падения бетонной смеси плиты до 1м колонны 5 м остальное 2м Послойная укладка с уплотнением каждого слоя; Для обеспечен. Задача процесса уплотнения бетонной смеси состоит в предельной упаковке различных по форме и величине частиц составляющих многокомпонентный конгломерат бетонной смеси.
30805. Уплотнение бетонной смеси вибрированием. Типы вибраторов. Признаки достаточности 16.61 KB
  По способу воздействия на уплотняемую бетонную смесь различают вибраторы глубинные поверхностные и наружные прикрепляемые тисками к опалубке Глубинные вибраторы выполняют с электро или пневмодвигателем встроенным в наконечник вибробулава с электродвигателем вынесенным к ручке и с вынесенным к ручке двигателем и гибким валом. При бетонировании мало и средне армированных конструкций применяют глубинные вибраторы с встроенным в корпус вибровозбудителем вибробулавы диаметром 76 114 и 133 мм с частотой от 5700 до 11000 мин....
30806. Устройство рабочих швов 13.91 KB
  В изгибаемых конструкциях рабочие швы располагают в местах с наименьшим влиянием на прочность конструкции. В колоннах швы устраивают на уровне верха фундамента у низа прогонов балок или подкрановых консолей; в колоннах безбалочных перекрытий у низа или верха вута в рамах между стойкой и ригелем. При подготовке к очередному бетонированию швы обрабатывают через 8.
30807. Уход за бетоном в процессе твердения. Распалубливание конструкций 16.32 KB
  Открытую поверхность бетона прежде всего предохраняют от вредного воздействия прямых солнечных лучей ветра и дождя. Если поверхность бетона предварительно была укрыта влагоемкими материалами брезентом матами песком и др. В жарком сухом климате если не обеспечить благоприятных температурновлажностных условий твердения прочность бетона снижается на 15. В начальный период ухода за бетоном не следует обильной поливкой сразу после укладки нарушать структуру твердеющего бетона.
30808. Бетонирование массивов и фундаментов 14.03 KB
  В фундаменты и массивы в зависимости от объема заглубления высоты и других особенностей бетонную смесь укладывают по следующим технологическим схемам: с разгрузкой смеси из транспортного прибора непосредственно в опалубку с передвижного моста или эстакады с помощью вибропитателей и виброжелобов бетоноукладчиков бетононасосов бадьями с помощью кранов. В ступенчатые фундаменты с общей высотой до 3 м и площадью нижней ступени до 6 м2 смесь подают через верхний край опалубки предусматривая меры против смещения анкерных болтов и закладных...
30809. Бетонирование полов 15.33 KB
  Для осуществления процесса укладки плиты разбивают на карты. Если толщина плит меньше 05 м то разбивку на карты и укладку бетона ведут в таком порядке: Площадь делят на картыполосы по 34м Устанавливают по краям полос маячные доски. При большей толщине плиты разбивают на параллельные карты шириной 5. Карты бетонируют подряд т.
30810. Сетевые и локальные СУБД 12.74 KB
  Существенной проблемой СУБД такого типа является синхронизация копий данных именно поэтому для решения задач требующих совместной работы нескольких пользователей локальные СУБД фактически не используются. К сетевым относятся файлсерверные клиентсерверные и распределенные СУБД. В файлсерверных СУБД все данные обычно размещаются в одном или нескольких каталогах достаточно мощной машины специально выделенной для этих целей и постоянно подключенной к сети.
30811. Процес нормализации баз данных 16.04 KB
  Например задано следующее отношение: ПРЕДМЕТ Код предмета. Переведем атрибут с повторяющимися значениями в новую сущность назначим ей первичный ключ Код преподавателя и свяжем с исходной сущностью ссылкой на ее первичный ключ Код предмета. В результате получим две сущности причем во вторую сущность добавятся характеризующие ее атрибуты: ПРЕДМЕТ Код предмета. Название Цикл Объем часов; ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Код преподавателя ФИО Должность Оклад Адрес Код предмета.