Анализ структуры магнитной жидкости методом анизотропного малоуглового рассеяния Д.И. Фрей1, А.А. Велигжанин1,2, А.А. Чернышов2, Я.В. Зубавичус1,2, Е.В. Яковенко2 и М.В. Авдеев3. 1. Московский физико-технический институт, 141700, Институтский пер., Долгопрудный, Россия 2. НИЦ Курчатовский Институт, 123182, пл.Курчатова 1, Москва, Россия 3. Объединенный институт ядерных исследований, 141980, Московская область, Дубна, Россия Актуальность Взаимодействие магнитных частиц определяет микроструктуру магнитных жидкостей и влияет на их макроскопические свойства. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) традиционно применяется для исследования структуры подобных систем. Внешнее магнитное поле усиливает взаимодействие частиц, а также позволяет частично снять усреднение по ориентациям и повысить информативность малоугловых данных. • • SR • Особенности: – 2D детектор Marccd165 – Электромагнит до 0.4 Тл – Длина волны λ = 1.6Å → Концентрации <5% из-за поглощения Анизотропия картин МУРР || field Полученные структурные параметры I ( q ⊥ ) = Peff ( q ) ⋅ S eff⊥ ( q ) ≈ Peff ( q ) _|_field Co Co 0.5% 3% 14.2 Дисперсность, % 25 22 44 45 Межчастичное расстояние, нм 28 26 - 24 Длина когерентности 90 112 - 38 В сильном поле: B Размер и дисперсность частиц q|| I ( q|| ) = Peff ( q ) ⋅ S ( q ) || eff q⊥ S ( q ) ≈ I ( q|| ) / I ( q ⊥ ) || eff Эффективный структурный фактор → межчастичное расстояние Моделирование малоуглового рассеяния Средний ∅, нм Fe3O4 1.5% 14.8 5.4 Рассеяние на цепочках магнитных частиц 1 − cos(qn lN ) 2 – Используется приближение локальной монодисперсности, считается, что S chain (q ) = цепочку образуют частицы одного размера. Структурный фактор цепочки: 1 − cos(qn l ) – Считается, что из-за большего магнитного момента в цепочки объединяются только крупные частицы (начиная с некоторого размера Rc). L – Длина цепочек различна, число частиц в них распределено по Пуассону. d – Расстояние между частицами в цепочке определяется удвоенной толщиной оболочки d, не зависящей от размера частицы: L=2R+d – Магнитный момент цепочки определяется ее общим объемом, исходя из постоянной плотности магнитного момента в материале магнитных частиц, с усреднением по ориентациям и учетом распределения частиц по размерам. – Интенсивность рассеяния цепочками частиц: Рассеяние на отдельных частицах – Частицы в феррожидкости считаются шариками с форм-фактором  sin qR − qR cos qR  F (q, R ) = ∆ρ ⋅ V ⋅  3  3 (qR )   – Учтено распределение частиц по размерам DN(R) – Интенсивность рассеяния отдельными частицами: ∞ kmax ∞ I chains (q ) = ∑ ∫ F (q, R ) ⋅ S k (q , R) ⋅ p (k ) ⋅ DN ( R )dR I spheres (q ) = ∫ F (q , R) ⋅ DN ( R )dR 2 2 2 k =1 0 0 Результаты моделирования (поиск по сетке значений) Одномерные срезы интенсивности Параметры цепочек Средний радиус частиц, нм Fe3O4 5.2 Co 7.1 Дисперсность Среднее число частиц 45% 1.6 24% 5 Расстояние между частицами, нм 1.0 Доля частиц в цепочках 24% Минимальный радиус частиц в цепочках, нм 6.5 6.2 8% 9.6 Магнитное поле, мТл Температура, К Магнитный момент единицы объема 160 300 160 300 6.5µB Двумерные картины МУРР Расчет || B Расчет _|_ B Эксперимент || B Эксперимент _|_ B 3 10 0.6 2 10 0.4 Расчет 13.5µB Анализ анизотропии картин МУРР 1,6 Fe3O4 5% 5.0 Эксперимент • Экспериментальная установка • Станция «ДИКСИ» Курчатовского источника синхротронного излучения 0.2 0.0 1,0 -0.2 Расчет Эксперимент 1 Paniso 1,4 10 0,1 1,2 Paniso 0,6 1,0 • 0,4 • 0,8 0,2 0,6 Расчет Эксперимент 0,0 0 50 100 150 200 phi, degrees 250 300 -0.4 0,8 350 • • 0 40 80 B, mT 120 160 -1 q, nm 1 -0.6 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 Выводы Методом малоуглового рассеяния наблюдается процесс упорядочения цепочек магнитных частиц под действием внешнего магнитного поля. По данным МУРР определены структурные параметры системы, такие как средний размер, дисперсность и межчастичное расстояние в цепочке. Написана программа, позволяющая моделировать малоугловое рассеяние от цепочек магнитных частиц в магнитном поле в приближении локальной монодисперсности. Для двух различных типов магнитных жидкостей проведен расчет малоуглового рассеяния. Получены значения параметров системы, при которых наблюдается качественное совпадения расчета с экспериментом. Исследование проведено при финансовой поддержке фонда РФФИ, грант №12-02-12063-офи-м