Нейтронные исследования квантовых и неупорядоченных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 од

г \ ШОП 1993 .

Российский научный центр «Курчатовский институт» Институт сверхпроводимости и физики твердого тела

На правах рукописи УДК 539.125:539.213

ИШМАЕВ Сергей Николаевич

НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАНТОВЫХ И НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ СИСТЕМ

01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат

диссертации иа соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва—1993

Раоота заполнена е Российском Научном Центре "Курчатовский Институт"

ХШШАЛЫ2Е С-ППСНЕШ:

доктос йкгико-матейзткческЕХ'наук,

профессор Л.А.МАКСИМОВ

лектор 4з121Ео-матемзгаческиг наук,

профессор ?.П.ОЗЕРОВ

лектор физико-математических нзук

2.3.ЕИКТАЙКИН

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Лаг-оратория Нейтронной Физики ооъединекногс Института Ядерных Исследований. г.Дуона ■

Зашита состоится " оКХЛ^р-Ъ с. в ^£~часов

I

на заседании Специализированного Совета Л034.04.02 б РКП "Кух-чатоБскиЁ по вдое^уг

123 182, г.Москва Д-182, г-".. Курчатова, РКП "Курчатовский институт", тел. 1г6-Э2-51.

С диссертацией мехнэ ознакомиться е сиолиотеке института

Отзывы просим направлять б днух экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 122122, г.Москва Д-132, пл.Курчатова ?КП "Курчатовский институт", Ученому секоетаою Специализированного Совета 1034.04.02.

АЕТосефегат разослан »и^-О/У^_ 1&ЭЭ г.

УчекзЛ секретарь —

Спегшалпзпоованного Совета М.Л.СковохватсЕ

1. 0Е111ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации представлены нейтронные исследования в двух актуальных направлениях физики конденсированного вещества. К первому из них, именуемому Квантовые систем, относятся исследования кристаллического и жидкого молекулярного водорода и дейтерия, их изотонии* растворов при низких температурах, обычных и высоких давлениях. Ко второму- Неупорчдоченнъи* система», относятся исследования ближнего атомного порядка и парциалышх корреляций в аморфных металлических сплавах. 00а эти направления били pan питы на импульсном источнике нейтронов ускорителя ФАКЕЛ в Институте Атомной: Энергии имени И.В. Курчатова, проводились в период с 1979 по 1992 год, и связаны не только методически, поскольку структурные проблемы физики жидкого и аморфного состояний вещества близки.

Актуя ni.unpTt. иг*р лрпптещчй.

Водород и его изотопы в конденсированном состоянии привлекают повышенный интерес, особенно в последние годи. Во многом, он стимулирован перспективами их применения в энергетических программах- термоядерном синтезе, в качестве ракетного топлива, хладоагента, а также в связи с проблемой перехода молекулярного водорода при могабарних давлениях в металлическую фазу. С фундаментальной точки зрения твердый водород интересен как простейший молекулярной кристалл, обладающий квантовыми свойствами- большими нулевыми колебаниями, аномальной сжимаемостью, различием взаимодействий в спиновых орто- и пара-состояниях, изотопическими эффектами. Это предъявляет определенный вызов теории. Так, традиционные методы расчета динамики кристаллической решетки здесь оказываются неприменимыми. Слабая связь и малая масса приводят к большим нулевым колебаниям молекул и существенным становится учет короткодействующих корреляций в их движении. Другим обстоятельством является сложность корректного выбора потенциала мокмолекулярного взаимодействия в конденсированной фазе, учитывая большой диапазон изменения ее плотностей.

К началу tV1 х годов, когда бали начаты данные исследования, свойства молекул ipiroro водорода более или менее подробно были изучены лишь при обычном давлении. Имелись, например, экспериментальные дагаше о структуре и фоношюм спектре, ротационных возбуждениях, влиянии изотопических эффектов на свойства •

кристалла. Гораздо маное исследованы были свойства жидкого состояния. Что ко касается результатов, полученных для конд^н-сиропанного водорода под давлением, то они оцли весьма ограничены, относились, в основном, к изучении) его макроскопических свойств, п в ряде случаен,и противоречили друг другу. Наиболее ценную и полную информации о структурных и динамических свойствах вещества можно получит!, с помощью рассеяния медленных нейтронов. Использование нейтронов в экспериментах при высоких давлениях, имеет и важные мотодаччскио преимущества- относительно небольшое <по сравнении с другими видами излучений) ослаб ленио пучка материалом камеры давления и благоприятны^ Н1)йт{)ошш1.1 раосеивашие свойства водорода. Постановка таких экспериментов связана, однако, с; серьезными трудностями -- необходимостью совместить сложную тнхнику высоких давлений, низких температур, нейтрошшх исследований и обеспечить Оеа-опасные условия раооти о водородом при оолших давлениях. По-видимому атмм можно было о«гяснить отсутетыю ты^ч'о типа раоог <1лор.1иио лепииич1'Скио аиави (металлические стекла >, син-тепируемын в настоящий время разнообразными способами: быстрой закидкой расплава,осаждением из плазмн, мнк^.иимельчсншом породой» И др., ПР'.'ПОТаГШНЮТ Л-ООЙ И'Нний класс структурно Ц.>уцо рядочклних материалов. Такие метастабилышо по отношению к криоталллчнеким аналогам вещества обладают ь ряд« случаев цен-шш сочетанием хороших механических, мяпншшх, интшеорозиин-них, радиациошюстойкнх свойств, что делает перспективным их применение ь различных областях современной технологии. Кдвчом к понимании физики ьморЦюго состояния, развитию теории и направленному поиску ниг.их материален является получение надежной информации о (¡рормнроьашш микроструктуры- ближнем порядке рас -положения атомов в этих неупорядоченных в целом системах. Для жидкого и аморфного состояний характерно существование ко[1откод..<11стьумцих. атомных корреляций и отсутствие транслини ■ онпой симметрии. Это отражается в диффузном характере дифракционной картшш рассеянного иалучошы и структурная информация ограничена одномерной зависимостью парной коррелятивной Функции - от ра..-стояния. .Для воспроизведения реальной трехмерной структуры необходимо построение теоретический модели, адекватность ко-го|юй может бить подтверждена только экспериментом.

Парная коррелятивная функция аморфного сплава представляет собой взвешенную сумму парциальных распределений разных атомов. Носив возможности для их исследования открылись с связи с развитием в представленных роботах мотода впсокоразрешадай нейтронной дифракции на импульсном источник» в сочетании с изотоп-ним контрастом образцон. По сравнению с классическими дифракционными методами - рассеянном ¡электронов, рентгеновских лучей и нейтронов на стационарных источниках, импульсная нейтропогра-■1ия позволяет померить структурной Фактор неупорядоченной системы до очень больших (превышашшх в 4-5 раз) значений передач импульса при рассеянии г" 5и0 нм""1 ). В результате парная коррелятивная Функция мо:кет бить восстановлена после Фурье-пре-опразования структурного фактора с высоким пространственным разрешением 0.01 нм). Это позволяет выделить вклады парциальных распределений для разных атомов и точно определить параметры структур!) ближнего порядка: межатомные расстояния, их дисперсию, координационные числа. В особых случаях, используя изотопное замещение в специально приготовленных образцах,м'тут быть получени и сами парциальные функции распределения атомов. Надежная структурная информация на таком уровне стала доступна лишь в последние года. Цела райо!

I. Изучение Фундаментальных свойств кристаллического и жидкого состояний молекулярного водорода:

- нейтропоотруктурное исследование 'Газовых диаграмм твердого водорода и дейтерия в возможно широком диапазоне давлений и температур;

- определение параметров решетки и амплитуд нулевых колебаний в кристаллах Н2 и'1>2 иод давлением;

- построение точных уравнений состоянии твердчх изотопов водорода на оснопе дифракционных данных;

- исследование ближнего порядка в жидком дейтерии при изменении его плотности пол давлением и вблизи критической-точки;

- исследование жидких и твердых изотопных растворов Н,-!^ в широком диапазоне концентраций.

Изучение аморфного состояния металлических сплавов с разным тшгсм связи:

- определение парциальных атоиных корреляций атом-агом и плот-пасть концентрация в аморфных сплавах типа металл-металл и металл-металлоид;

з

- исследование эффектов размера, концентрации и типа атомов на природу топологического и химического ближнего порядка;

- анализ структурных моделей аморфных сплавов, разработанных на .основе дашшх экспериментов.

Haimaa ц^авиани цссльишшшш и шлу.чешш. jjeayjiuaxoa

Создана оригинальная методика на импульсном источника нейтроновпозволяющая проводить комплексные исследования полных сечений взаимодействия, дифракции и нвупругого рассеяния медленных нейтронов па квантовых кристаллах, криожидкостях в условиях низких температур и высоких давлений. Развиты

экспериментальные методы, позволяющие эффективно изучать струкчуру ближнего порядка жидкого и аморфного состояний вещества с высоким разрешенном, используя большие передачи импульса нейтрона при рассьяшш и изотопный контраст образцов.

Впервые нейтронной дифракцией исследована фазовая структурная диаграмма водорода и дейтерия ь области давлений О •• "Б кбмр и температур 4.2 - 120 К, получены прецизионные данные по низкотемпературным уравнениям состояния изотопов, определит! зависимости онергий и амплитуд нулевых колебаний от объема, обнаружено различии в ближним порядке в жидком дейтерии под давлением и вблизи критической точки, выявлена тенденция к изотопному расслоению растворов И вызванная различием энергий нулевых колебаний.

Впервые исследованы структурные факторы и Функции радиального распределения атомов на уровне парциальных распределений для ряда иморушх. систем с разним типом связи: металл-металл /Zr Ре, Mi-La, Nl-Гг, Nl-NL/ и металл-металлоид /bV-B, iFe,Nl>-P, NJ-В/. Обнаружены эф!»зкти проявления химического ближнего порядка в аморрша металлических сплавах,наследования шш отсутствия в них структурных мотивов кристаллических аналогов, существования прямого контакта между атомами металлоида в аморфной фазе.

ЦраШ1Д££Киа 31ШШ<Ж£Ь ptifioi определяется:.

- применением развитых экспериментальных методов на других импульсных источниках нейтронов;

- получением точных структурных данных и уравнений состояния для твердых . изотопов молекулярного водорода под давлением, структурных параметров жидкого дейтерия и изотопных растворов в широком диапазоне плотностей и концентраций;

- определением параметров структуры ближнего порядка для ряда аморфных металлических систем, широким применением полученных экспериментальных данных по парциальным распределениям как основы для разработки теоретических методов расчета. Пйжжшиа, рнносимий ца аашш

1. Развитие методов импульсной нейтронографии. , Создание на ускорителе ФАКЕЛ экспериментальных установок для комплексных нейтронных исследований конденсированных веществ при низких температурах и высоких давлениях.

2. Нейтроноструктурные исследования твердого водорода и дейтерия в области температур 4.2-120 К и давлений 0-25 кбэр. Определение гпу-структуры во всем диапазона, параметров решетки и амплитуд нулевых колебаний в зависимости от давления.

3. Определение низкотемпературных уравнений состояния, оценка полной, статической и энергии нулевых колебаний в зависимости от объема.

4. Нейтронные исследования ближнего порядка в жидком дейтерии под давлением и в критической области. Определение »Фактов изменения расстояний и числа ближайших соседей. Изучение термодинамической устойчивости жидких и твердых растворов Н2-Вг. Обнаружение избыточного объема смешения и тенденции к изотопному расслоению в ближнем порядке за счет нулевых колебаний.

5. Нейтронографические исследования аморфных систем типа металл-металл: N1-1* (Е-1а, Рг), Ш-ЫЬ и гг-Ве с высоким пространственным разрешением. Определение парциальных атомных корреляций и влияния на них концентрации и типа атомов;

6. Нейтронографические исследования аморфных сплавов типа металл-металлоид: Ре-В, Ге(И1)-В, Ш.-В с изотопным замещением. Определение парциальных распределений атомов. Обнаружение эффектов химического ближнего порядка между разнородными атомами и существования прямого контакта металлоидных атомов.

Результаты работ, вошедших в диссертацию, докладывались на многих союзных и международных конференциях. Среди них:

XII всесоюзное совещание по координации научно-исследовательских работ, выполняемых с использованием ядерных реакторов (Алма-Ата, 1982), VI-XII всесоюзные совещания по использованию Рассеяния Нейтронов в Физике Твердого Тела (Заречный, Гатчина, Рига, 1977-1993), 1-Ш всесоюзные совещания по Проблеме

Водорода и его Аномальных Состояния (Москва,I977-1984), всесоюзная конференция по Физике Низких Температур (Москва, 1978), I-V республиканские совещания по Физике Криокристаллов (Харьков, Красный Караван, Одесса, 1977-1987), V международная Школа по Нейтронной Физике (Алушта, 1986), VII and IX International AIRAFT conference "High Pressure Science and Technology" (Le Creusot, Prance, 1979; Киев, 1989), im. conr. on "Amorphous Systems Investigated by Nuclear Methods" (Balaton-fured, Hungary, 1931), Workshop on Neutron Physics (Budapest, Hungary, 1986), Международный семинар по физике промежуточных энергий, IMES-89, (Москва, 1989), XII European Crystallograph! с Meeting (Москва, 1989), III int. conf. on the structure "Mon-Crystalllne Malheríais", NCM-3, (Grenoble, Prance, 1985), VI and VIII Int. conf. on "Liquid and Amorphous Metals",LAM 6, LAM 8, (Garmlsh-Partenkirchen.FRG, 1986; Wlenna,Austria,1992).

Публикации

Основные результаты работ, вошедших в • диссертацию, представлены в 33 публикациях.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она содержит 152 страницы текста, ьй иллюстраций, 12 таблиц и 167 библиографических ссылок.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Ьа введении обоснована актуальность представленных направлений исследований, сформулированы основные задачи и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Царьая глава- "Экспериментальные методы исследований"- содержит описание двух экспериментальных установок, созданных на импульсном нейтронном источнике ускорителя электронов ФАКЕЛ в Курчатовском институте для исследований по физике конденсированного вещества. Установки расположены на двух нейтронных пучках, имеют идентичный набор спектрометрической аппаратуры, используют единое технологическое оборудование для приготовления криообразцов, но. различаются техникой создания высокого давления. В первой из них сжатие образца осуществляется прессом в камерах типа поршень-цилиндр от 0.4 до 25 коар при температурах от 14 К и выше, во второй- давление на образец передается сжатым во внешнем компрессоре газом по капилляру от О до 2 кбар гфи температуре от 4.2 К и выше.

В нейтронных экспериментах испольроеэн принцип т.н. "обратной геометрии рассеяния" на импульсном источнике с использованием техники времени пролета и многодетекторной системы регистрации рассеянного излучения. Нейтроноспектрометри-ческая аппаратура установок содержит следующие основные узлы.

Импульсный источник медленных нейтронов- комбинированный замедлитель: вода [300 К) или лед Н^О (77 К) в крлостате, с возможностью регулирования длительности импульса медленных нейтронов дистанционным перемещением пластшш поглотителя.

Детектор нейтронов прямого пучка- позволяет измерять

нейтронный спектр, полное сечение взаимодействия нейтронов с образцом, оперативно определять плотность, орто-пара концентрацию, изотопный состав криообрасца водорода, приготовляемого непосредственно на нейтронном пучке.

Дифрактометр нейтронов по времени пролета- содержит блоки из 20 детекторов под разными углами рассеяния, для повышения светосилы без ухудшения разрешения разработан детектор большой площади с временной фокусировкой, дифракционные нейтронограммы могут быть измерены в широком диапазоне передач импульса: от 0.4 до 50 А"1, что обеспечивает высокое разрешение при

исследованиях неупорядоченных систем; точность определения параметров кристаллической решетки составляет 0.02 %.

Спектрометр неупругого рассеяния нейтронов- содержит 16 пирографитовых кристаллов-монохроматоров, охлаждаемый жидким азотом бериллиевый фильтр и 16 детекторов под разными углами, регистрирующих нейтроны с фиксированной конечной энергией после рассеяния (3.65 ± 0.4 мэВ), начальная энергия нейтрона определяется по времени пролета; прибор такого типа дает возможность измерений спектра возбуждений в широком диапазоне передач энергий (0< е < 0.5 эВ) при низкой температуре образца.

Характерной особенностью развитой методики является возмолиость проводить одновременно на одном образце исследования структуры, спектра возбуждений и полного сечения взаимодействия, что обеспечивает получение более полной и взаимосогласован гной информации. Конструкции дафрактометра и спектрометра, созданные на импульсном источнике нейтронов ускорителя ФАКЕЛ, относительно просты и компактны, измерения ведутся при фиксирванном угловом положении образца и детекторов, что существенно упрощает технику нейтронных экспериментов при высоких давлениях и низких температурах.

'Вторая глака- "Квантовые системы"- посвящена исследовниям кристаллического и кидкого шра-водорода ( 1=0; J=ü ) и орто-дэйтерия ( 1=0,2; J=0 )- термодинамически равновесиях при низких температурах СГ<20 К) модификациях изотопов молекулярного Еодорода.

Первой задачей в этом направлении било детальное обследование, их фазовой структурной диаграммы с помощью дифракции нейтронов в связи с имевшимися в ряде работ противоречивыми заключениями о возможности структурного фазового перехода для этих сферически-симметричних( J=0) модификаций под давлением. Эти предположения делались на основе косвенных данных, в ряде, экспериментов не подтверждались, и хотя новые фазы были названы "призрачными", теория, успешно до этого объяснившая фазовую диаграмму твердого.гелия, предсказывала границу возможного,перехода твердого пара-Н2 из гпу- в госструктуру в районе 15 кбар. Прямыми нейтроноструктурными исследованиями Р-Т диаграммы установлено, что в диапазоне давлений 0 -- 25 кбар и температур 4.2 - 120 К кристаллы пара-водорода и орто-дей-терпя имеют только гексагональную плотноупаковсошую структуру с близким к идеальному отношением параметров решетки с/а. Удельные молярные объемы V0< Р=0, Т=0) твердых изотопов mjxt-H¿ и opmo-D¿ различаются на 15 Ж, сжимаемость их кристаллической решетки также существенно различна.Оба эффекта являются макроскопическим проявлением квантовых свойств и обусловлены различием нулевых колебаний в этих криокриоталлах.

Следующая работа связана с определением амплитуд нулевых колебаний в кристалле шра-Н2 в зависимости от давления. Для этого измерялась интенсивность линии неупругого некогерентного рассеяния нейтронов,отвечающей ротационному пара-ортао переходу молекулы Н2 (1=0-1, J=0-l). Она пропорциональна фактору Дебая--Уаллера, в который входит величина среднеквадратичных смещений молекул водорода <иг> относительно их равновесных положений в кристаллической решетке. 11ри Т-4.2 К температурный вклад в смещения за счет тепловых колебаний составлялет 0.3 % (eD=H9 К) и величина <.u¿x P=ü¡ = (0.455 ± 0.015) Аг определяется "нулевыми колебаниями молекул. В изученном диапазоне давлений до II кбар , где плотность твердого нара-водорода возрастает примерно вдвое, абсолютная величина <иг> уменьшается почти в 4 раза. Однако амплитуда нулевых колебаний <и2>1/2

остается все еще заметной величиной относительно параметра кристаллической решетки а , ее доля <иг>иг/ а изменяется от 18 до 12 %. Установлено, что зависимость <иг> от молярного объема кристалла V в исследованном диапазоне достаточно хорошо может быть представлена в виде соотношения: «•иг->(Р)«<иг>(Р=0) СУ(Р)/У01Т с постоянной Грюнайзена 7=2.010.1. В широкой области давлений и температур вклад нулевых колебаний в среднеквадратичные смещения молекул в решетке твердого пара-водорода является определяющим, что отражает квантовую природу кристалла.

Основываясь на данных абсолютных измерений удельных объемов кристаллической решетки по нейтронной дифракции, были определены низкотемпературные (Т-»0) уравнения состояния пара-водорода и орпо-дейтерия. Зависимости давления Р от объема V о точностью ДУ/У ~ 0.1-0.3 % аппроксимированы выражением: Р(У)= оф ВВд-4), где а=(У0/У)5/3 , р=(У0/У)г/3-1, В0= -У(с1Р/с1У) - начальный объемный модуль сжатия,

6В/(ЗР= ~(й1пВ/й1пУ) - его производная. Обнаружено, что для водорода и дейтерия с хорошей степенью точности выполняется закон соответственных состояний, т.е. зависимости Р1( V)/В^ (1- изотоп) носят универсальней характер и являются только функцией от отношения обтемов Это

позволило предсказать низкотемпературные (Т-О) уравнения состояния и для других, неисследованных, твердых изотопов молекулярного водорода- дейтероводорода ГО и трития Т2. При этом полагалось, что при Т-0 полная энергия Е1(V) есть сумма статической энергии решетки Е0 (V), которая одинакова для всех изотопов, и энергии нулевых колебаний (V), которая пропорциональна (М1)~1/2 (М1- масса изотопа). Для твердого НБ определенное значение Ч0 хорошо согласуется с имеющимися данными по электронографии. Параметры низкотемпературного уравнения состояния для изотопических модификаций твердого молекулярного водорода приведены в таблице:

Изотоп | У0 [см3/моль]| В0 [кбар] | В^

пара-Н2 | 23.00 (2) | 1.857 (30) | 7.03 (28) ЕВ | 20.96 (3) | 2.71 (3) | 6.93 (18) орто-дг | 19.933(15) | 3.347 (53) | 6.86 (17) шра-Т2 . 18.86 (5) | 4.23 (20) | 6.79 (52) '

В диссертации дано детальное сопоставление, полученных результатов по уравнениям состояния с теорией и данными, полученными другими методами. Можно утверждать, что достигнутая точность в уравнении состояния, например, твердого дейтерия, его большая сжимаемость и достаточная рассеивающая способность по отношению к нейтронному и рентгеновскому излучениям, позволяют рекомендовать это вещестЕО'в качестве гидростатичиой среда, передающей давление, и эталона для его определения при низкотемпературных исследованиях.твердах тел при высоких давлениях.

На основе нейтроноструктурных данных по уравнениям состояния водорода и дейтерия определены зависимости от объема при Т=0 полной, статической и энергии нулевых колебаний для обоих изотопов. Минимум потенциальной энергии решетки (Р3(V)=0) для твердах изотопов молекулярного водорода реализуется при значении У3=(15.56 * 0.2) см3/моль, что значительно меньше их равновесных объемов У0 при Р=0. Различие в энергиях нулевых колебаний кристаллов водорода и дейтерия ДЕ, составляет ""50 К на молекулу, что заметно вше их температур плавления. Нулевые колебания существенно расширяют кристалл и определяют основное различие в сжимаемости твердах изотопов молекулярного водорода.

Структурный фактор кидкого оргло-дейтерия был исследован импульсной нейтронографией до 25 А"1 при трех значениях плотности: вблизи кривой плавления при давлениях 3.6 и 900 бар и в окрестности критической точки (Р- 16.7 бар, Т= 37.5 К), где его плотность уменьшается втрое. Выделены вклады внутри- и меж-молекулярных корреляций, определены функции радиального распределения молекул в жидкости и структурные параметры ближнего порядка. Показано, что изменение плотности жидкого дейтерия вблизи кривой плавления под давлением "обусловлю изменением средних расстояний между молекулами в жидкости при сохранении ближайшего окружения, характерного для плотной случайной упаковки (координационное число 2= 13.3 * 0.2). В критической не области основным эффектом изменения плотности является уменьшение среднего числа ближайших соседей (2= 6.6 ± 0.5) и образования пустот (вакансий) в ближнем порядке.

Исследованы ближний порядок и структура жидких изотошшх растворов и кристаллов (пара-Нг)о(орто-0г)(о < о < 1) методом нейтронной дифракции. Для раствора с нулевой в среднем длиной когерентного рассеяния нейтронов (с « о.бд> впрямую

изморен парциальный структурный фактор Soo(Q), характеризующий корреляции концентрация-концентрация. Он оказался отличным от константы, что свидетельствует об отклонении изотопного раствора от идеального и о существовании концентрационных флуктуации в ближнем порядке. Кристаллы изотопической смеси однофазны, но соотношение аддитивности нарушается и избыточный объем смешения отрицателен: AVE/V а -1.2 % для с= 0.5. Эти эффекты вызваны различием нульвых колебаний компонентов и указывают на слабую тенденцию к расслоению в изотопном растворе.

В третьей глявй- "Неупорядоченные системы"- представлены результаты исследований структуры ближнего порядка в ряде аморршх металлических систем с различным типом связи, размером и концентрацией атомов. Для этого был развит метод импульсной нейтронографии высокого разрешения в сочетании с изотопным контрастом образцов. Вначале приведены основные соотношения, характеризуют« корреляции ближнего порядка в аморфной системе, и обсужден вопрос о точности, с котороой могут быть получены из эксперимента парциальные атомные распределения. Далее охарактеризованы, в общих чертах, теоретические подходы к построению структурных моделей аморфных систем, которые были развиты, во многом, на основе полученных экспериментальных дашшх и были применены для их интерпретации: аналитическая аппроксимация структурного фактора, модель скейлинга ближнего порядка аморфных сплавов, квазикрсталличес-кая модель, "прямой" и "обратный" методы Монте Карло, "силовой алгоритм".

Аморфные системы металл-леталл. Исследованы три системы аморфных металлических сплавов на основе переходных металлов, простых и редкоземельных элементов.

2г|00_оВео (о- зо, 40. 50 ат.55). Структурные факторы S(Q) определены в широком диапазоне передач импульса 0.4- 50 А"1 . В результате их Фурье-обращения до Q - 41.5 А'"1 восстановлены полные приведенные функции радиального распределения атомов G( г), в которых благодаря высокому разрешению и существенному различию размеров атомов четко проявляются вклады всех парциальных распределений Be-Be, Be-Zr и Zr-Zr. С увеличением концентрации Ве ближайшие расстояния между однородными атомами сокращаются при неизменном расстоянии rBezr" Анализ парциальных радиальных распределений, полученных моделированием

методом Монте Карло, показал, что при образовании атомной структуры аморфных сплавов гг-Ве преобладают геометрические факторы ("размеры" атомов и состав системы) и отсутствует заметное химическое упорядочение.

Ы183К17 (И= Ьа, Рг). Интерметаллические соединения

никеля с редкоземельными элементами, которые в аморфном состоянии впервые удалось синтезировать только ионно-плазменным напылением, имеют стабильные кристаллические аналоги КМ15. Сравнительные нейтроноструктурные исследования в сочетании с модельными расчетами показали, что в ближнем порядке аморфных фаз преобладают мотивы, характерные для кристаллических аналогов, и практически не проявляются икосаэдрические элементы, присущие модели случайной плотной упаковки твердых сфер. Кристаллизация из аморфного состояния под воздействием термообработки сразу происходит в стабильную структуру без образования промежуточных фаз.

£М1оШ)00_о (с= 62 и дд ат.% ) Нейтронные эксперименты были проведены на 9 образцах аморфных сплавов этой системы, полученных методом быстрой закалки из расплава, для двух кон-концентраций и при изотопном замещении по никелю (<= пай. 58. со, бг). Специально были приготовлены образцы, у которых средние длины когерентного рассеяния нейтронов <Ь>Н1=0 и <Ь>о0р=0, что позволило впрямую измерить парциальные структурные факторы 11 Зсо(0), соответственно. В результате решения . переопределенной системы 4х уравнений с Змя неизвестными впервые были получены парциальные коррелятивные функции атом-атом и плотность-концентрация. Их анализ показал, что распределение. 6Ы11ТЬ(г) имеет относительно более высокий первый пик, межатомное расстояние гЫ1НЬ< 1 ^ыиа* полное

число ближайших соседей вокруг атомов N1 и МЬ заметно различно, а коррелятивная функция концентрационных флуктуаций имеет существенный отрицательный пик при гЫ11[Ъ= 2.63 А. Все это свидетельствует о преимущественной корреляции между разнородными атомами, т.е. существовании химического ближнего порядка (СБЮ) в этой аморфной системе. В компьютерных моделированиях структуры методом Монте Карло было достигнуто практическое совпадение.с экспериментальными полными и парциальными функциями и получена информация об углевых корреляциях атомов, которая подтвердила сделанный вывод, что аморфные сплавы Ы1-ЫЬ

нэ являются сплавами замещения и в них присутствует гётеро-координэционный химический ближний порядок.

Таким образом,в аморфных системах типа металл-металл может реализовываться различный ближний атомный порядок: произвольная упаковка с преобладанием размерного эффекта (гг-Ве), частичное наследование мотивов структуры кристаллического аналога (Щ-Ьа, Ш-Гт) и даже проявление эффектов предпочтительной химической связи Ш-ИЬ).

Ллорфные системы летсил-металлоид, Сплавы на основе

кедеза и никеля с бором были одними из первых, которые удалось синтезировать в аморрном состоянии быстрой закалкой расплава, ■и их атомную структуру исследовали самыми разнообразными методами. Существовал, однако, довольно большой разброс в структурных параметрах, характеризующих ближний порядок расположения атомов в этих соединениях, и было неясно, является ли . это следствием способа синтеза или погрешности конкретной методики измерений. Методы импульсной нейтронографии высокого разрешения и, где это возможно, изотопного контраста образцов были применены для получения данных о парциальных атомных распределениях в системах Ре-В, (М1, Ре)-В и Ы1-В. Благоприятным обстоятельством для этого явилось заметное различие в размерах атомов металла и металлоида 1-25 А и 0.9 А), что

позволило впервые [26] обнаружить расщепление полной функции радиального атомного распределения на парциальные вклады.

Ре)00_опВс (с= 14. 19 и 25 ат.Я) Показано, что при увеличении концентрации бора первый пик структурного фактора 3(0) становится более широким, в полных функциях С(г) возрастает расщепление в первой координационной сфере на распределения Ре-В и Ре-Ре , заметные изменения с концентрацией претерпевают координационное число 2геВ (от 1.1 до 2.5) и средняя плотность атомов. Проявляется заметный эффект химического ближнего порядка (СЗКО) в этой аморфной системе с. предпочтительней корреляцией между атомами железа и бора.

1, М10 6<гРе0 35''7уП&гз На примере этого металлического стекла проведено исследование эффекта изменения структуры ближнего порядка при переходе от системы железо-бор к системе никель-бор. Обнаружено, что при замещении железа никелем первое ближайшее расстояние между атомом металла и бора сокращается, распределение пар атомов ТИ-ТМ (ТЫ-переходный металл)

более узкое по сравнению с распределением Pe-Fe, изменения заметна и во вторй и третьей координационных сферах. Это указывает, что межатомные взаимодействия играют более важную роль в формировании структуры ближнего порядка этих аморфных сплавов нежели размерные эффекты. Общим для этих металлических стекол является предпочтительная связь между атомами переходного металла и металлоида.

{Ы16511В35 Для исследования парциальных атомных корреляций в этой аморфной системе были специально синтезированы три изотопических образца с {= nat, 60 и 0. Последний' образец 0- с нулевой матрицей по никелю для когерентного рассеяния нейтронов (<b>N1=Ö).позволил непосредственно изучить парциальное распределение атомов металлоида в аморфном сплаве. В результате в функции GßB(r) был обнаружен пик при гвв= 1.37 А, который свидетельствовал о существовании прямого контакта между атомами бора в аморфном сплаве. В кристаллическом аналоге этого стекла- Ni2B, такого контакта нет и он запрещен в модели геометрической плотной упаковки, основанной на постулате Полка. Определены парциальные функции корреляций ■ атом-атом и плотность-концентрация, межатомные расстояния, дисперсии их распределений и координационные числа. Установлено, что ближайшее расстояние гщв= 2.08 А заметно меньше среднего значения 1<гвв+гЫ1Ц1)= 2.20 А и существует высокая степень координации N1 вокруг атомов В (~90%). Данные эксперимента широко использовались для построения компьютерных моделей, которые подтвердили факт разрушения линейных цепочек В-В-В при амортизации сплава N12B и образовании пар В-В с межатомным расстоянием, близким к контакту, и координационным числом, близким к единице.

Для шорфч!ЫХ сплавов типа переходный металл- металлоид характерно проявление эффекта сильного химического ближнего порядка (CSR0), что отражается в предпочтительной корреляции мэ1щу разнородными атомами. Локальное окружение в аморфном состоянии может сильно отличаться от соответствующего кристаллического соединения, возможна реализация прямого контакта между атомами металлоида в аморфном сплаве.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Созданы экспериментальные установки и развита методика, позволяющая на импульсном источнике нейтронов проводить комплексные исследования энергетической зависимости полных сечений взаимодействия, дифракции и неупругого рассеяния медленных нейтронов на квантовых кристаллах, аморфных системах и криожидкостях при низких температурах и высоких давлениях. Характерными являются широкий диапазон изучаемых передач энергии и импульса при рассеянии нейтрона,высокое пространственное разрешение при восстановлении структуры ближнего порядка, эффективное использование изотопного контраста исследуемых образцов для выявления парциальных атомных корреляций.

2. Выполнены прецизионные нейтронографические исследования Фазовой структурной диаграммы, параметров кристаллической решетки, амплитуд нулевых колебаний и уравнений состояния твердых изотопов молекулярного водорода и дейтерия в области давлений 0-25 кбар и температур 4.2 - 120 К. Определены зависимости от объема полной, статической энергии и энергии нулевых колебаний твердых Н2 и 02, предсказаны- низкотемпературные уравнения состояния твердых НО и 1' . Исследована структура ближнего порядка в гадком дейтерии под давлением и вблизи критической точки. Обнаружена тенденция к изотопному расслоению растворов Н2-В2, вызванная различием нулевых колебаний.

3. Выполнены нейтронные исследования парциальных структурных факторов и функций радиального распределения атомов в аморфных системах типа металл-металл : Иг-Ве, N1-13, Ш-Рг, т-Ш>, и металл-металлоид: £е-В, (Ре,М1)-В, Н1-В. Обнаружены эффекты проявления химического бликнего порядка в аморфных сплавах, наследования или отсутствия в них структурных мотивов кристаллических аналогов, существования ближайшего контакта между атомами металлоида.в аморфной системе. Исследовано влияние состава и концентрации на.парциальные корреляции. Экспериментальные данные нашли широкое применение в стране и за рубежом для развития теоретических моделей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Svab Е. arid Ishrnev S. N. Amorphous alioys studied by high resolution neutron diffraction, V Международная Школа no Нейтронной Физиие,Алушта, 1986,изд.ОШИ.Дубна (1987), 287-302.

2. Svab Е. and Ishraev-tí.M. High spatial resolution neutron diffraction of laotoplc substituted amorphous alloys, Experlm. Tech», der Physik (19®), 36, N 2, 89-95.

3. Биндряевский В.А., Ишмаев С.Н., Садиков И.П. .Сухопаров В.А Телешюв A.C. Установка для нейтронных исследований твердого молекулярного водорода под высоким давлением на ускорителе ФАКЕЛ, Препринт ИАЭ-3122, М., (I&79), 1-28.

А. vindryavskyl В.л., Ishmaev S.N.,Sadlkov I. P., Chei-nyshov A. A neutron facility at the linac FAKE1 for structure and dynamic studies of solids at high pressures, Hucl. Instrum. & Methods (1981), 180, 79-87.

5. Ишмаев.C.H., Садиков И.П., Чернышов A.A., Биндряевский Б.А Сухопаров В.А.,Телепнев А.С.,Кобелев Г.В..Нейтроноструктурные исследования твердого пара-водорода под давлением до 24 кбар, ЖЭТФ, (1933), 84, 394-403; Sov.Phys.JETP, (1983),57, 228-233.

6. Чернигов A.A., Ишмаев С.Н., Садиков Id.П..Импульсный источник тепловых и холодных нейтронов на ускорителе ФАКЕЛ, Атомная Энергия, (1989), 66, в.4, 267-269.

7. Svab Е. and Ishmaev S.N., Neutron diffraction experiments on amorphous alloys, Reprint KFK1-1983-111, Budapest, 1-33.

8. Биндряевский Б.А..Ишмаев С.Н. .Подшибякин В.Д.,Садиков И.И. Северов М.Н., Чернышев A.A., Многодетекторный нейтронный дифрактометр по времени пролета на ускорителе ФАКЕЛ,

ПТЭ, (1981), М 5, 38-41.

9. Исаков С.Л., Ишмаев С.Н., Методика нейтроноструктурных исследований неупорядоченных систем на импульсном источнике ускорителя ФАКЕЛ, Препринт ИАЭ-4654/9. М., (1988), 1-25.

10. Ишмаев С.Н., Садиков. И.П., Чернигов A.A..Биндряевский Б.А Спектрометр неупруго рассея1шых медленных нейтронов на ускорителе ФАКЕЛ, ПТЭ, (1981), N 4, 21-23.

11. Биндряевский Б.А..Ишмаев С.Н..Подшибякин В.Д. .Садиков И .ti Чернышов А-А.. Сухопаров В.А., Телепнев A.C., Криостат для низкотемпературных нейтронных исследований образцов, находящихся под ВЫСОКИ! давлением, ПТЭ, (1980), N 4, 225-227.

12. ишмаев C.IL., Садиков И.П., Чершшов Л.А., Исаков С.Л., FimwpflOBCKiiH Б.А. .Кобелев Г. В..Сухопаров В.А. Д'елепнев А.С. , Ближний порядок в жидком дейтерии под давлением,

ЖЭТФ, (1988), 94, 190-196; Sov.I'hy3. JETP,( 1988),68(1), 1403.

13. Ишмаев С.Н., Садиков И.И., Чертлюв А.А..Ешдряе некий Б.А Сухопарое В.л., Теле пне в А.С., Кобелев Г.В., Садиков Р.А., Дифракция нейтронов на твердом орто-дейтерии под давлением до 25 Кбар, Ж'Л'Ф, (1985), 89, п.4(10), 1249-1257;

Sov.Phys. JETP, (1985), 62(4), 721-726.

14. Исаков С.Л., Ишмаев СЛ., Алексеев П.А., Лазуков В.И., Садиков И.П., Котунов D.B., Структура ближнего порядка аморфного 1лН15, ФТТ, (1986), 28, N 4, 1240; Sov.Phys.Solid State (1У8о), 28(4), ь99-700.

15. Vlndryavekyl В. А., Islimaev S.N. .ttodlkov 1.Р..Chernyshov A. Suhofm-ov V. A., Telepnev A.S., Neutron diffraction studies of solid para-hydrogen at pressures up to 5 kbar,

Phyis. Lett., (1980), 16k, N 3,4, 355-358;

¡Ugh }trv33.'Ji4. 4 TechnoL., Prou. VII Int. AIRAPT Oonf.,

l,e Creucet, 1979,' France, od. Oxford, (1980), v.2, 615.

16. Ьиндряевский к.д., Ишмаев С.Н., КоОелев Г.В.,Садиков И.П. Оухопаров В.А., Телегшев А.С. .Чернншов А.А. , Нейтронные исследования нулевых колебаний в кристалле пара-водорода под давлением, ФНТ, (1969). 15, N 5, 457-466;

Sov. J. Low Temp. Phys., (1989), 15, 258-262.

17. Kobelev G. V., Kulilioparov V.A., Telepnev A.S. .Vlndryaevs-kyl B.A., I;?lnnaov M., Sadlkov I.P. and Chernyshov A.A., Neutron scattering lnveatlgatlona of solid hydrogen excitations spectra under pressures up to 11 kbar,

High Ргевз. Scl. a Techno I., Proc. XI AIRAPT Int. Conf., Kiev, (1989). V.2, 294-298.

10. Ишмаев C.H., Садиков И.П., Чернышев А.А., Кобелев Г.В., Сухонаров Ь.А., Теленнов А.е., К возможности изотопного

расслоения в растворах Н,-^', ЖЭГФ, (1992), 102, в.2(8), 711; Sov.Phys. JETP, (1992), 75(2), 382-38b.

19. Svab f., Mesr.arois Gy., Копегоз G., Ishinaev S.N., Isakov S. iodlkcv I.P..Chernyshov A.A., Short range order in amorphous HI Nb3j) studied by leotopic neutron diffraction,

J. Non-СгузГ. Solids ( 1968), 104, 291-299.

20. Ishmaev S.W., Icakov S.L., Sadlkov 1.Р., Svab E., Козге-gy I,. .Lovas A., Messaros o,y., Direct evidence for B-B contact in amorphous Ni,B from high reßolutlon neutron diffraction, J. Non-Cry.3t. Solide, (1087), 94. 11-21.

21. Исаков С.Л., Мшмаев С.Н., Садиков И.П.,Шваб Э.,Месарош Д Такач Я., Влияние концентрации на ближний порядок в аморфной системе никель-ниобий, Прегфинт ИЛЭ-4794/9 (1989), М., 1-12.

22. Исаков С.Л., Ишмаов С.Н., Модель скейлинга ближнего порядка в аморфных сплавах, ВАНТ, с.ЯФМ (т.и э.), в.5(13),27

23. Алексеев H.A., Зук Я.Б., Мшмаев С.Н., Лазуков В.Н., Орлов В.Г., Садиков И.П.,.Хлопкин М.Н., Исследование ближнего

Q |

окружения иона Рг В аморфной и кристаллическом PrNlg методами калориметрии и рассеяния нейтронов, ЮТФ (1991),99, 136'-»

24. Братковский A.M., Исаков С.Л., Ишмаев С.Н., Садиков И.11., Смирнов A.B., Сирых Г.Ф., Хлопкин W.H., Чорноплеков H.A., Ближний порядок, атомная динамика и теплоемкость аморфной системы Zr-Be, ЮТФ, (I99.I), 100, в.4 (10), 1392-1404; Sov.Phys. JCTP, (1991), 73(4), 772-779;

в Int. Gonf. on Liquid and Amorphans Metals (LAM Ö), Wien, Austria, 31 aug.-4 sept. 0992), pa^r PA-038.

25. Бпрбаш Е.Л., Евдокимеико O.A., Исаков С.Л., Ишмаев С.Н., Моделирова1ше структуры металлических стекол на основе никеля по данным нейтронной дифракции,

Препринт ИАЭ-4793/9, М., (1989), I-I5. (

£6. Svab Е., Ishmaev S.U.. Foi'gacs F., Sudlkov l.p., Cher-nyshov A.A., Tlme-of-fllgtit neutron diffraction study of Н160ЫЬд0 and Fe81B}9 metallic glasses, In Proc. Int. Conf. ",bnorphou3 Systems Investl gated by Nuclear Methods", 31 aug-4 sept. (1981), Balatonmred, Hungary, v.2, 633-84b; Nucl. Inst nun. & Methods, (1982), 199, 347-3bl.

27. Svab E. and Islunaev S.N., Neutron diffraction study of metallic glasses, in F'roc. Workshop on Neutron Physics, Budapest, Hungary, 8-IOoct. (1986), 79-82.

28. Svab E.,Korsegy t.,Messaros Gy.,Takaes J., Ishnaev S.W. Isakov S.L.,SadlKov l.p.,Cb-rnyrhov A.A., Partial correlations in amorphous Nl6-,Nbin from high-resolution neutron diffraction, Zelts.'fur Phys.Uheifl.Nene Folge (198Ь), 157, b-9; 6 Int. Conf. on Liquid ami Amorphous ¡totals (LAM 6), Garmisch-Partenkirchen, FW.;, 24-29 aug.. (19>.л).

29. Svab E., !Ji?"™aroa Cy. ,'iakaco J., Ichmaev S. !J., Icakov S. Enrllkov I.P..Partial correlationa in Nl-Nb amorphous alloys J. Non-Uryat. Solide., < 1992), 144, «y-106.

30. lcakov ¡l'.L. , lelmnev S.N., t'adlkov I.P., Concentration eflect on the ehort-range order In the amorphous system Nickel-Niobium, in proc. X'.11 Ltirop.Crystal logruphtc ileetlng Moscow,avg. ..v■.:'.>, (I9b9>, 3, 286.

31. Svab E., Kroo N., I s ta lev b.N.,Sadikov i.P.,Uhernyshov A. High resolution neutron dliiractlon study on Fe31Big metallic glass, i3i:a id r.tate Commun.,( I9«2), 44, N6, 1151-1155.

32. 2vab E., Pal gel U., M.>csaii:>s Gy., Iohnaev S.N. .Sadlkov IP nti^rnysliov A.A., Lolial order In Pe-B metallic glasses studied by high resolution neutron diffraction,

J. lie Pliynli|iii? (loee.), 46, 267-271.

In Froc. in hit.Conf. on the structure Non-Crystalline Xathorlalj (NCM--3), 8-12 July (196b), Grenoble, France.

33. 2.vati K.,Kivki N., tshmauv i.i.N. .Satilkov I.P.,Uhernychov A Short range order in metallic glass by neutron diffraction, :;olld Stat«3 Cornmun.( 1963),46,N 4, '351.

34. lnaivi.iv :'.!,., lahairwv ¡5.N., MiUliiovsky V.K., Huvlkov V.N. l'.an'iiln P.P., Pr.pov S.W., 2ukuIov A.P., Z^mlyanov tl.ti. , Transformation of the vibrational spectrum and structure ol glasses after quenching, Solid State Commun., (1993), 86, No. 2, 123-127.