РОЗДІЛ 2. Апаратура, методика експерименту та обробка експериментальних даних.
В цьому розділі розглядаються основи методу інтегрального аналізу Фур'є, котрий використовується для розрахунку функції радіального розподілу атомів розплаву за експериментальною кривою розсіяння рентгенівських променів, методика експерименту та обробка експериментальних даних, комплект програмного забезпечення, конструкція та принципи експлуатації автоматичного ?-? дифрактометра, розробленого для дослідження структури розплавів методом дифракції рентгенівських променів від вільної поверхні розплавленого зразка в широкому інтервалі температур та кутів розсіювання. Детально розглядаються конструкції вузлів, які є оригінальними розробками і в якій автор приймав безпосередню участь.
2.1.Основні теорії розсіювання рентгенівських променів рідинами
Кількісний розгляд питання інтерпретації розсіювання рентгенівських променів в рідині описано в роботах [9-18]. Основна ідея даного методу полягає в тому, що одержана в результаті експерименту інформація про кутовий розподіл інтенсивності дифрагованих рентгенівських променів КІ використовується для розрахунку КРРА [172] з використанням Фур'є- перетворення [9-18]. КРРА описує кореляцію в положенні атомів, що знаходяться в сферичному шарі товщиною від R до R+dR на відстані R від довільно вибраного атому та представляє собою криву, що осцилює навкруги кривої незалежного розподілу атомів. За положенням максимумів КРРА визначають значення найбільш імовірних міжатомних відстаней, а за площею максимумів - значення парціальних координаційних чисел компонентів. Кореляція в положенні атомів зберігається, як правило, на порівняно невеликих відстанях, що визначає розміри областей впорядкування та кількісно характеризує ближній порядок в розплавах. Описаний метод відомий в літературі, як метод інтегрального аналізу Фур'є.
Кількісний зв'язок між КІ та КРРА (зв'язок між структурними образами некристалічної конденсованої речовини в прямому та оберненому просторі) встановлюється за допомогою інтегралу Фур'є.
Крива радіального розподілу атомів 4?R2?(R) ( ?(R) - функція розподілу атомної густини) вводиться таким чином, що 4?R2?(R)dR означає число атомів в сферичному шарі товщиною dR на відстані R від довільно вибраного центрального атому. Вірогідність появи деякої міжатомної відстані зв'язується з функцією ?(R) співвідношенням
(2.1)
де ?0-середня густина атомів. Перший максимум КРРА для рідких металів та декілька перших максимумів для розплавів систем з ковалентним типом міжатомного зв'язку виділяються досить чітко і розташовані на тих же (або близьких) відстанях та мають значення площі досить близькі до значень, характерних для цих речовин в кристалічному стані. Однак із збільшенням відстані радіальний розподіл для двох агрегатних станів суттєво змінюється. Якщо для кристалічного стану реалізується чіткий розподіл міжатомних відстаней, то в рідині розподіл атомів наближається до кривої середньої густини. Це є свідченням того, що в рідині відсутній дальній порядок та зберігається впорядкованість атомів лише в ближньому оточенні атомів, причому характер впорядкування близький до кристалічного.
Вже перші спроби застосування рентгенівських променів до аморфних та рідких сполук показали, що періодичність структури не є обов'язковою умовою для формування дифракційної картини, що давало можливість досліджувати будову рідин та аморфних речовин за допомогою рентгенівських променів. Ці роботи стали поворотним пунктом в формуванні нових уявлень на будову рідини, де в той час панувала теорія Ван-Дер-Ваальса, згідно якої рідина розглядалася, як безструктурна система.
Вперше метод інтегрального аналізу КІ розсіяних рентгенівських променів багатокомпонентними некристалічними речовинами, що складаються з атомів різного сорту був реалізований в 1936 р. В. Уореном [11] для кількісної інтерпретації структури аморфних B2O3 та SiO2. В подальшому метод удосконалено та розвинуто роботами А.С.Лашко [13].
Розглянемо розсіювання рентгенівських променів з довжиною хвилі ? двохкомпонентним розплавом, що складається з N1 атомів першого та N2 атомів другого сорту. При взаємодії з рентгенівськими променями електрони атомів породжують вторинне рентгенівське випромінювання, яке розповсюджується по всіх можливих напрямках. Припустимо, що відбувається тільки однократне розсіювання; при цьому кожний атом розсіює промені когерентно та некогерентно. Некогерентна складова обумовлена комптонівським розсіюванням та флуоресцентним випромінюванням [9,11]. Хвилі, що розсіюються когерентно приходять в точку реєстрації з деякою різницею фаз та інтерферують одна з одною. Некогерентне розсіювання дає неперервний фон і в інтерференції участі не приймає [9]. Амплітуда когерентного розсіювання в електронних одиницях задається атомним фактором розсіювання f, котрий залежить від кута розсіювання. Якщо різницю ходу між двома довільно обраними атомами, що знаходяться на відстані Ri задати в вигляді
(2.2)
де n та n0 - одиничні вектори відповідно первинних та розсіяних променів, то різниця фаз буде дорівнювати
(2.3)
Результуючу амплітуду A розсіяних хвиль атомами обох сортів в точці, що знаходиться на достатньо великій відстані L від зразку можна записати
(2.4)
де P- фактор, що враховує стан поляризації первинного пучку, e та m - відповідно заряд та маса електрону, C- швидкість світла. Якщо вираз (2.4) помножити на комплексно спряжену з ним величину, то отриманий квадрат амплітуди характеризує інтенсивність рентгенівського випромінювання: (2.5)
В дифракційному експерименті отримують усереднену, по всіх мо