2.1.4 Үлгілерді тасымалдау жүйесі

Үлгілерді тасымалдау жүйесі (Сурет 15) 6 жұмыс камерасында орналасқан,5 үлгілері бар 3 барабанды айналдыратын вакуумдағы қадамдық қозғалтқыштантұрады. Айналу жылдамдығы 1об/мин-тан 30 об/мин-ке дейін оператормен эксперименттің шартына байланысты өзгеруі мүмкін. Барлық магнетрондар бір жазықтықта, жұмыс камерасының перпендикулярлық осьінде орналасқандықтан, ал үлгілер жазықтықта, сонымен қатар камераның перпендикулярлық осьіндеайналады, онда әрбір үлгі металы бар плазма ағыны арықылы магнетроннан өткен кезде, бірдей субқабатты нанометрлі қалыңдық тозаңданады. Бұл субқабаттың қалыңдығы берілген магнетронның қуатына байланысты.

1- нысана; 2-магнетрондар; 3- лента; 4-терезе; 5- негізгі қабат; 6-корпус	Камераның сыртқы түрі
Сурет 15. Үлгілерді тасымал жасау жүйесі

2.2. Зерттеу әдістері

Қоршалған компоненттердің қатынасы, қабықшаларды қалыптастыру кезінде әр түрлі магнетрондарда тозаңданған металдың санымен ВЛР-200 көмегімен салмақтық әдіспен бақыланды. Қабықшалардың қалыңдығын анықтау металды тозаңдандыру кезінде алдын ала өлшенген мыстық лентаны өндірді. Лентаны тозаңдандыру процесі аяқталғаннан кейін қайтадан өлшеп және Δm қоршалған металда санын анықтады. Аймақтың металмен қоршалған ауданын және соған қоршалған металдың массасын біле тұра, тозаңдандырылған металдың тығыздығының кестелік мәнін қолданып, келтірілген қабықшаның қалыңдығын есептеді. Екікомпоненті қабықшаларды тозаңдандыру кезінде, компонент қатынасын нысаналарды тозаңдандыру процесіне дейін және кейін өлшеу жолымен анықтады. Тозаңдандыру кезінде нысана массасының өзгеруінің қатынасы тозаңдандырылған металдың атомдық концентрациясы қатынасына тең.

2.2 Зерттеу әдістері

2.2.1. Рентгенқұрылымды анализ

Рентгенгрфиялық анализ рентгенограм негізінде бақылау мақсаты ретінде зерттелінетін денеде болатын кристалдық фазаны қарасытырады.

Әрбір кристалдық зат өзінің рентгенограммасымен немесе жазықаралық арақашықтық кестесімен және сәйкес сызықтардың қарқындылығы мәнімен сипатталады. Көптеген зертханаларда, әсіресе, өндірісте, рентгенограммадан тор параметріне және ұяшық құрылымына өтпей, бір тізіммен қанағаттандырылады.

Егер кристалдың екі түрі араласса, онда олардың рентгенограммасы өзара әсерсіз бір-біріне жүктеледі. Зерттеудегідей, егер кез келген үлгінің ұнтақтық рентгенограммасында сол бұрыштарда және қарқындылық қатынасымен сызықтардың реттілігін тапсақ, онда біз үлгіде осы заттың болуы туралы қорытынды жасаймыз.Рентгенографикалық талдаудың принципі осындай.

Рентгенографикалық талдаудың негізгі артықшылығы қатты дене өзгеріссіз күйде зерттелуі және анализдің нәтижесі тура заттың анықталуы және оның құраушысы болып табылады. Химиялық анализда көбінесе сұйық әдістерге сүйенеді. Үлгі, ең алдымен ыдырайды және пайда болған иондар анықталады.Спектральді анализде дене буланады, содан кейін доға жалынында жеке атомдарға ыдырайды. Осыған қарама-қарсы рентгендік сәулелер кристалды зерттейді, яғни өзара байланыс; полиморфты дене жағдайында рентгендік сәулелер, берілген затқа сипаттас(ромбтық күкірт пен монокльдік күкірт, CO₃Ca жағдайында кальцит немесе арагонит және т.б.), жеке түрленулерді ажыратуға мүмкіндік береді. Рентгендік анализдің артықшылығы аналитикалық операция кезінде бұзылмайтын заттардың мөлшерінің қажет болуы.

Рентгеноқұрылымды анализдің дамуында мәскеулік кристаллограф Г.В. Вульфом мен ағылшын ғалымы Брэг атомдық жазықтықта рентгендік сәулелердің шағылу формуласы n = 2d sin , бір бірінен тәуелсіз қорытынды үлкен қадам болды. Бұл ғалымдар сәулелердің әр түрлі бағыттарында жүретін, Лауэ теңсіздігімен шашыраған атом жазықтығымен сәйкес келетін, осы атомдық жазықтықта айнаның шағылысу заңымен шағылысқан сәуле ретінде қарастыратын сәуле болатынын көрсетті. Кеңістіктік тормен рентгендік сәулелердің шағылысуы кезінде, яғни өзара параллель атомдық жазықтықтардың жиынтығымен интерференция нәтижесінде атомдық жазықтықтан қайтарылғаннан басқа, барлық сәулелер сөнеді. Параллельді атомдық жазықтықтан шағылысқан сәулелер сөнбейді, Вульф-Брегг формуласында көрсетілген шартты орындаған жағдайда бір-бірін күшейтеді.

2d_hklsin туындысы, көршілес параллель жазықтықпен шағылысқан,сәуле бағытының әр түрлілігіне тең(hkl). Осы сәулелер өзара фазада сәйкес келуі үшін,бағыттың әр түрлілігі n толқын ұзындығының толық саны болуы тиіс. Санды шағылысу реті деп атайды.

Вульфа-Брегг формуласын қолданғанда дифракцияда рентгендік сәулелердің есептеулері негізделген.Бұл формула кристалдарда жазықтық аралықтарды анықтаумен байланысқан барлық рентгеноқұрылымды есептеулерге негіз болып табылады.[23]

Алдымен, ұнтақ рентгенограммды алуда қолданылатын, әр түрлі пішінде барлық құралда қолданылатын әдістің принципін сипаттайық.

Үлгі, өлшемі 0,01-0,001 мм болатын кішкентай кристалдардың өте көп санынан тұратынын болжайық. Одан басқа, кристалдың бағытын еркін деп санаймыз, сондықтан зерттелетін заттың аз көлемінде де, әрқашан кез келген еркін бағыты бар кристалдың аз саны болады. Өте кішкентай үлгілерге рентгендік сәулелердің жіңішке шоқтарын бағыттаймыз. Бұл кейбір М элементінен жасалған,антикатод түтікшесімен таралған жалпы сәулелену. Мұндай сәулелену МК_. өте қарқынды сызығына ие. Бірінші жуықтауда біздің сәулелену М К_ толқын ұзындығымен монохроматты деп санаймыз. Кристалда d жазықтық аралық арақашықтық және  шағылу бұрышы n = 2d sin  Вульф-Брегг теңдігімен байланысқан, кез келген жазық торды (hkl) тандаймыз. Келтірілген шарттар бойынша үлгіде кристалдардың кейбір саны табылады, бұрышы  ,негізгі сәуледен тұратын жазық торлар(hkl); олар 2  бұрышында дифракциялық шоқ тудырады (2 суретпен сәйкес). Үлгіде кристалдың кез келген бағыты болғандықтан, негізгі сәулемен пайда болған әрбір тік бұрыш /2 - , кристалдардың кейбір санынан жазықтығына (hkl) қалыпты болып табылады: жазық торлармен шағылысқан сәулелер, осі негізгі сәуле болатын, айналатын конустың бетін толтырады, ал бұрыштың жартысы шыңда (ерітінді бұрышы) 2 тең. Егер тек жазықтық аралық қашықтығы көп болса /2, яғни егер Брэгг теңдігі sin  бірден аз мән берсе,кристалдың жазық торының әрқайсысына шағылған сәуленің конусы сәйкес келеді. Сәуле топтарын сипаттайтын, жазық торда әр түрлі шағылатын семейство әдіс  бұрыштардың тіркелуіне алып келеді. Вульф-Брэгг формуласымен көмегімен  бұрышы бойынша кристалдың әр түрлі жазықтығы үшін жазықтық аралық қашықтықтар анықталады.

Сурет 16. Ұнтақ әдісі сызбасы

Заманауи рентгенқұрылымды анализде рентгендік дифрактометрлер қолданады, ал сәулелендіру тіркеушісі ретінде сцинтиляционды детектор қолданады. Қазіргі уақытта ұқсас қасиеттерімен дифрактометрлердің түрлері кездеседі. S көзі ретінде түтікшенің фокусы қолданылады. Гониометр жылдамдық қатынасы 2:1 етіп алатындай айналады. Ол нормалды анықтауға, және OS пен SP бұрыш биссетрисасын анықтауға қажет.Есептеуіштің жағдайы дейін дәлділікпен саналады, бағыттың немее соққының әркелкілігін болдырмау үшін сақтандыру қолданылды.Есептеуіш мотормен айналады: (2°/мин) жылдамнан (0,125°/мин) баяуға дейін бірнеше жылдамдық болуы мүмкін. Үлгіні дайындау үшін ұнтақ кейбір байланысқан затпен бірге, беті 20 мм аймақта жазық болатындайкюветкаға толтырылады. Бұл бет 0,1 мм-ден кем емес дәлділікпен айналу осі арқылы өту қажет. Егер зернаөте кішкентай болмаса, онда қалпына келетін өлшеулерді алу үшін үлгіні өз жазықтығында айналдырған пайдалы.

Шағылу бұрыштарын дифрактометрда өлшеу үшін сызықтар бір жағынан тіркелетіндіктен, нольдің орналасқан жерін білу қажет.

Сурет 17. шағылатын және құлаған шоқтарды шектейтін саңылаудың дифрактометрде орналасуы

Белгілі бұрыштарда сызықтарды беретін эталондық заттардың қолданылуы жоғары дәлділікті көретпейді. Бастапқы жазықтық гониометрдің айналу осі мен көзі арқылы өтеді.Мінсіз реттелген аппаратта үлгінің жазықтығы гониометр осі арқылы өтеді, ал құлағаншоқ бастапқы жазықтыққа қатысты симметриялы.Нольды анықтау орны есептегіштің орналасуына, яғни бастапқы жазықтыққа дәлденген тесікке байланысты.

3-суретпен сәйкес, түсетін және шағылған шоқтарды шектейтін саңылаудың жүйесі көрсетілген. Барлық бағытта шоқтың биіктігі тұрақты болып қалады және h == 10 ммбиіктік көзіне тең.F₁ саңылау, түсетін сәуленің 1-ден 2°-ге дейін таралу бұрышын шектейді. Үлгінің сәулелендірілген бөлігінің ені θбұрышың азаюы кезінде ұлғаяды; осыған сәйкес кіші бұрыштарда F₁саңылауын тарылту қажет және керісінше үлкен бұрыштарда шағылысу үшін, шоқтың қарқындылығы жоғарылауы үшін ұлғайтады. F₂ саңылауы есептеуішке кіретін шоқты шектейді. F₃саңылауы үлгіден шықпайтын барлық сәулелерді ұстап қалу қажет; оның ені шағылысқан шоқтың қиылысуынан асады.Шоқтың 10 мм биіктігінде гониометр жазықтығына перпендикуляр, жазықтықта сәуленің таралуы сызықтардың қолайсыз келуін шақырады. Бұл саңылауды Соллер саңылауын көмегімен азайтады; олар қатты жұтылған металдан(молибден немесе тантал) жасалған, өте жұқа параллельді пластиналардан тұрады. Олар 30 мм ұзындықта және 0,5 мм аралықта 2° бұрышқа дейін тік таралуын шектейді. Ол жоғары биіктіктегі шоқты және сәйкесінше жеткілікті қарқынды сақтауға мүмкіндік береді.

Сызықтың аспаптық ені негізінде түтікше фокусының эффективті еніне байланысты. Сызықтың кеңеюінің басқа себептері болып мыналар саналады: үлгінің жазық пішінімен анықталған шоғырландырудың жетілмегендігі, сәулелердің тік таралуы, аз жұтылған заттың жағдайында, үлгінің тереңдігіне енуі және т.б

Ұнтақ үлгісінің мәліметтерін алу үшін рентгенограммада сызықтың орналасуы мен қарқындылығы үлкен мәнге ие. Көбінесе сызықтың орналасуын өлшеу қажет.

Осындай өлшеу кезінде негізгі мақсат- жазықтық аралық арақашықтықтарды анықтау болып табылады. Ол үшін ең алдымен θшағылу бұрышын анықтап алу қажет, содан кейін Вульф- Брэгг теңдігінің көмегімен d есептеу керек.

Ұнтақ рентгенограммасында, кез келген берілген сызық, бірдей жазықтық аралық арақашықтыққа ие кристал жазықтықтарының шағылысуынан пайда болады. Симметрияға қатысты эквивалентті тордың жазықтығының саныn қайталану факторы деп аталады. Оның мөлшері тор мен индекстің (hkl) пайда болуына байланысты.

Поликристалдық заттардың рентгенограммасын өңдеу нәтижесінде біз барлық сызықтар пен олардың сәйкес қарқындылығы үшін жазықтық аралық арақашықтық кестесін аламыз. Егер таза кристалдық заттың суреті алынса, онда кейде атомдық құрылымды да түсінуге болады (ұяшықтағы барлық атомдардың орналасуын анықтау). Бірақ басым көпшілік жағдайда бұл мәліметтер жеткіліксіз; сондықтан құрылымды зерттеумен айналысқан кристаллограф үшін, монокристалдардың суреттерімен салыстырғанда, ұнтақ рентгенограммасы тек екінші кезектегі мәнге ие.[24]

Рентгенқұрылымды зерттеулер ЯФИ аналитикалық орталығындағы D8 Advance рентген аппаратында орындалынған.

Үлгілерге криогенді сынақтар жасауға арналған құрылғы

НВК-3,2А-Р криогенді насосының вакуумды камерасынан және ВУП-5 қайтарып шығару жүйесінен тұратын үлгілерге криогенді сынақтар жасайтын құрылғы автордың қатысуымен иондық-плазмалық технологиялар зертханасында құрастырылған. Бұл құрылғыда үлгінің тіреуіш орнында 20 К температурасы алынды. Криогенді орнының функционалды мүмкіндіктерін кеңейту үшін вакуумды камераның жұмыстық көлемін азайтудан, салқындатудың екінші сатысының және вакуумды камераның жылы жақтарындағы радиационды қыздыру есебінен болатын өлшеуіш құрастыруының қыздыруын азайтудан және өлшеуіш құрылғы мен салқындатудың екінші сатысының суық соңы арасындағы жылулық байланысын жақсартудан тұратын жаңартулар жасалды. Үлгілерге криогенді сынақтар жасау қондырғысының сұлбалық құрылғысы сурет 18 көрсетілген.

Бізбен құрастырылған криогенді орын Гиффорд – Мак-Магон [X1] принципі негізінде жұмыс жасайды. Сонымен қоса, бұл жерде берілген рефрижератордың термодинамикалық циклі көрсетілген. Жүйе компрессордан, екі жақ шетінен жабылған цилиндрден, цилиндр ішінде орналасқан ығыстыруыштан және регенератордан тұрады. Берілген рефрижиратордың айқын қасиеті болып кеңейту процесінде жұмыс жүйеден шығып кетпейтінінде. Ығыстыруыш газды бір кеңейту аймағынан басқасына итермелеуге қолданылады және идеалды жағдайда регенератордың жұмысының қосындысы қысымының нөлдік түсуі кезінде нөлге тең болады.

Гиффорда Мак-Магон рефрижираторының жұмыс істеу тәртібі келесіде.

1-2 стадия. Ығыстыруыш цилиндрдің төменгі жағында орналасқан, енгізу клапаны ашық, және үстіңгі кеңейту көлемінде қысым р₁ төменгі мәнінен р₂ жоғарғы мәніне дейін жоғарылайды. Бұл үрдіс кезінде төменгі кеңейту көлемі үрдісі ығыстыруыш төменгі нүктесінде болғандықтан іс жүзінде нөлге тең.

2-3 стадия. Ашық енгізу клапаны және жабық шығару клапаны кезінде ығыстыруыш цилиндрдің жоғарғы жағына қарай орын ауыстырады. Бұл бастапқыда жоғарғы кеңейту көлемінде орналасқан газдың қозғалысын тудырады. Газ регенератор арқылы өтуі кезінде салқындауынан оның қөлемі төмендейді, осы уақытта жүйедегі тұрақты қысымды қолдау үшін шығару клапаны арқылы газ сорылуы болады.

3-4 стадия. Ығыстыруыш цилиндрдің жоғарғы бөлігінде орналасқан, енгізу клапаны жабық, шығару клапаны ашық; осылайша газ аз көлемде бастапқы р₁ қысымға дейін кеңейеді. Төменгі кеңею көлемінде орналасқан соңғы күйдегі газ осы процесте қатысатын газды ығыстыру жұмыстарын орындайды; осылайша энергия төменгі кеңейту көлемінде қалған газ жұмысынан бөлінеді. Бұл осы көлемдегі газдың төменгі температураға дейінгі салқындануына алып келеді.

4-5 стадия. Төменгі температураға ие газ ығыстыруыштың төменгі жағына қарай қозғалысы кезінде төменгі ығыстыруыш көлемінен шығарып тасталынады. Суық газ төменгі температуралы көзден жылу берілетін жылуалмастырғыш арқылы өтеді.

5-6 стадия. Жылуалмастырғыштан газ қоршаған ауа температурасына жақын мәнге жылынатын регенератор арқылы өтеді.

Салқындаудың бірінші сатысының жылулық экраны алюминий қақтама арқылы өңделген, қалыңдығы 0,4 мм мыс беттен жасалған. Салқындаудың екінші сатысының жылулық экраны жақтарының қалыңдығы 1,2 мм мыстан жасалған жоңғыш бөлшек түрінде жасалған. Мыс экранының сыртқы жазықтығы тазалықтың 13 классына дейін жылтырлатылған.

Өлшеуіш құрастыруышының жылулық байланысының сенімділігі өлшеуіш құрастыруыш пен салқындатудың 2-ші сатысы шетінің ұясының арасындағы саңылауды толтыратын галий-индий эвтетикасы арқылы қамтамасыз етілген. Өлшеуіш құрастыруышының температурасын өлшеуге 25 К төмен аймағында кедергінің қатты тәуелділігіне ие ТВО 0,125 1К термисторы қолданылған. Термисторды бөліктеу үшін асқын өткізгіш күйіне Т = 16,5 К, 13,8 К и 10 К температурада қиын ауысулар жасайтын асқын өткізгіш үлгілері қолданылады. Үлгілердің температурасы және электр кедергісін өлшеу үшін LabView негізінде мәліметтерді тіркеудің автоматтандырылған жүйесін қолданумен 4 зондты әдіспен жүргізілді. Құрылғыда үлгілерге криогенді сынақтар жасау үшін әдеттегі салқындауға жететін температурасы болып 11,8 – 12 К табылады.

1-корпус, 2-салқындатқыштың бірінші сатысы, 3-салқындатқыштың екінші сатысы, 4- өлшеуіш қондырғы, 5- салқындаудың бірінші сатысының жылулық экраны, 6- салқындаудың екінші сатысының жылулық экраны, 7- азотты кессон, 8- өлшеуіщ қондырғының шығыс мәндері, 9- диффузиялы сорғыштың келте құбыры.

Сурет 18 – Асқын өткізгіш күйіне аумалы жағдай температурасын өлшейтін криогенді қондырғы сұлбасы

Салқындаудың 1-ші сатысының экраны жанында орналасқан азотты кессонның және вакуумды камераның сыртқы жақтарын сұйық азотпен қосымша салқындату арқылы өлшеуіш қондырғыды 10 К температурасын алуға болады.

Өлшеуді жүргізу реті келесідей. Криогенді сынақтар үлгісі салқындаудың екінші сатысының соңында орналастырылған, серіппелі жалғасуға бекітілген тілімше түрінде болатын өлшеуіш құралдың ішіне салынады. Үлгіні орнатудан кейін үлгілерге жалғасулардың каншалықты жаксы жанасқанын тексеруге өлшеуіш сұлбаның тестілік іске қосуы орындалады. LabView негізінде өлшеуіш кешенін іске қосу арнайы құрылған бағдарлама арқылы жүргізіледі. Іске қосқаннан кейін бағдарламаның басты бетінде өлшенге файлды компьютерге жазудың жолы, жазылып жатқан файлдың максималды ұзақтығы және өлшеуіш тұрақтысы енгізіледі. Бағдарламада кедергінің температурадан тәуелділігінің ең информативті болып табылатын бөліктерін жазып алуға және анағұрлым мұқият бақылауға мүмкіндік беретін, өсіру жағына және төмендету жағына қарай файлға жазу жылдамдығын өзгерту де ескерілген. Өлшеу мәндері кедергінің температураға тәуелділігі графигі түрінде шығарылады. Қосымша ВАС график (Вольт амперлік сипаттама) өлшеу процесінде үлгідегі жалғаулар сапасын бақылауға мүмкіндік береді.

Осыдан кейін өлшеуіш қондырғы салқындатқыштың екінші сатысының шетіне екі бұрандамамен бекітілген екінші сатылы жылулық экранмен жабылады. Кейін барлығы бірінші сатылы экран қақпағымен жабылады. Корпустың үстіңгі қақпағы индийлі нығыздалу арқылы вакуумды камера корпусына бұрандама қысқышпен жабыстырылады. Содан кейін камера диффузиялы сорғыш арқылы бірінші және екінші сатылы салқындау жүйесіне сығылған гелий жіберетін компрессорды іске қосуға қажет 1∙10^-3 Па қысымға дейін айдап шығарылады. Криогенді сорғышқа диффузиялы сорғыштан майдың түсуінің алдын алу үшін, диффузиялы сорғыш ВУП-5 зауыттық комплектацияда ескерілген, азотты қақпан арқылы азотпен салқынтылады. Қажетті вакуум алынғаннан кейін камерада криогенді салқындатқыш жүйенің компрессоры іске қосылады. Қатарынан Lab View негізіндегі өлшеуіш кешені де іске қосылады. Келесіде кедергінің температурадын тәуелділігін өлшеу автоматты түрде жүргізіледі. Lab View көмегімен тіркеу кезінде кедергінің температурадан тәуелділігінде нүктелерді бөлудің бірқалыпты еместігі байқалады(рисунок ХЗ). 12 К төмен температурасына жету қажеттілігі болғанда азотты кессон азотпен толтырылады. Өлшеу аяқталғаннан кейін компрессор өшіріледі.

Электр кедергісінің үлгілердің температурасынан тәуелділігін төрт зондты әдіс арқылы жүргізді.

Криогенді қондырғының жұмысының кезеңділігі үлгіде қатынастары температуда төмендегенде өзгеретін екі фазаларының – асқын өткізгіш және асқын емес өткізгіш болуын бақылауға мүмкіндік береді. Температураның жоғарғы мәндерінде кедергі мен температура арасында сызықты тәуелділік болғандықтан, салқындату кезінде температураның тербелісі жүйемен тіркелмейді. Критөту басының температурасына жеткен кезде үлгіде асқын өткізу фазасы байқала бастайды, алайда үлгідегі ең кіші асқын өткізгіштің болуы да үлгідегі байқалатын кедергінің тербелісіне алып келеді (сурет 2Х). Бірте-бірте асқын өткізгіш фазасы көбейе береді және тербелістер де жиі болады. Асқын өткізгіш күйіне өтудің соңында тербелістер қарқындылығы төмендей бастайды және үлгі түгелдей асқын өткізу күйіне өтеді.

1- ХY-өздігінен жазуда критөту жазуы, 2- LabVIEW көмегімен кедергінің температурадан өзгеру жазбалары

Сурет 2Х Ниобий нитрид төсемінің асқын өткізу күйіне өтуі.

1-Гифорд-МакМагон машинасының жұмыс істеу жиілігі, 2- LabVIEW өлшеуіш комплексінің сұрастыру жиілігі.

Сурет 3Х LabVIEW көмегімен тіркеу кезіндегі өлшеу нүктелерінің орналасуы.