On correlated heterogeneities of glass-forming liquids

The thermodynamics and structure of glass-forming liquids are considered within the framework of the heterophase fluctuation (HPF) model. The main goal of the theory developed is to fined for a description of the long-range correlations (LRC) of the density fluctuations known as the Fischer cluster. The van der Waals approximation of the HPF model shows that the liquid can have an isolated solid-fluid critical point analogous to the critical point of a gas-liquid system. Heterophase fluctuations in the form of solidlike noncrystalline and fluidlike clusters can have LRC in a narrow vicinity of the critical point. An analysis shows that the properties of the conventional critical fluctuations differ from those of the Fisher cluster. This forces one to look for another explanation of the observed LRC in glass-forming liquids. Large configurational entropy of liquids and glasses is a manifestation of multiplicity of the short-range ordering of molecules in the amorphous solidlike and fluidlike clusters. The multiplicity of short-range order results in structural heterogeneities. Random-field Ginzburg-Landau equations for the HPFs are deduced taking into account the structural heterogeneities. The random field is generated by these heterogeneities. It is found that at least three characteristic correlation scales are inherent to the HPF: the radius of local order, r₀, which is comparable with the radius of the first coordination sphere; the random-field-controlled radius of critical fluctuations, Rc; the average correlation length of fractal aggregations formed by the correlated domains (the domains have size ~ Rc), xav. The length xav is the characteristic size of the Fischer cluster. The conditions for the appearance of the listed correlations are deduced by requiring that they provide minimization of the free energy of the system. The annealing kinetics and dynamics (the ultraslow modes) of the Fischer cluster are described

Correlation phenomena in the glass-forming liquids

A theory of the long-range correlations of density fluctuations is presented for the glass-forming liquids. The supercooled heterophase liquid (HPL) is considered as composed of solid-like and fluid-like species with many types of the short-range order (SRO). The random field Ginzburg-Landau (GL) equations are deduced for the HPL. The variety of the SRO originates the local random fields. It is shown that optimization of the free energy gives rise to the medium and long-range correlations of the random fields and order parameter. Conditions for observation of such correlations are deduced. Time dependent GL equations are used to establish the ultra-slow dynamics and annealing kinetics of the long-range correlations

Heterophase fluctuations in glass-forming liquids and random field Ising model

The liquid-to-glass transition is a process of supercooled liquid solidification. Rather large density fluctuations are revealed experimentally in many of the glass-forming liquids above the glass transition temperature while no phase transitions are identified [1,2]. In [3–5], the inhomogeneities are treated as heterophase fluctuations (HPF). The process of glass formation gets there a natural description as a continuous phase transformation. The theory of strong HPF was developed in a mean field approximation which ignores the mesoscopic structure of the inhomogeneities which is an issue of extensive experimental investigations and discussions [1,2,5]. In the present communication the HPF are considered in the model of interpercolating heterophase states and in Ginzburg-Landau (GL) approach. It is shown that the GL approach results in the random field Ising model (RFIM) for HPF. It permits to get a description of the medium range and long-range correlations of the HPF. RFIM is very useful in studying the spin systems with a frozen-in disorder. Therefore the theory developed makes it possible to compare the phase states with frozen-in (spin systems) and self-consistent (heterophase liquids) disorders. In particular, it turns out that the heterophase liquids are similar (but not identical) to Griffiths phase of disordered spin systems. It is seen that the developed model bridges the theories of disordered spin systems and glass-forming liquids.Утворення скла є процесом твердiння переохолодженої рідини. Експериментально виявлено досить великі флуктуації густини в багатьох склоутворюючих рідинах вище температури вітрифікації, але, разом з тим, жодних ознак фазового переходу не спостерігається [1,2]. В [3–5] ці неоднорідності розглядаються як гетерофазні флуктуації (ГФФ), процес утворення скла описується як неперервне фазове перетворення. Теорію сильних ГФФ тут розвинуто в наближенні середнього поля, в якому ігнорується мезоскопічна структура неоднорорідностей, які є предметом інтенсивних експериментальних досліджень та обговорювань [1,2,5]. В цьому повідомленні ГФФ розглянуто в межах моделі інтерперкольованих кластерів та в підході Гінзбурга-Ландау (ГЛ). Показано, що наближення ГЛ приводить до моделі Ізінга у випадковому полі (МІВП). Це дозволяє розглядати кореляції ГФФ на проміжних та довгих масштабах. МІВП широко використовується при розгляді спінових систем з вмороженим безладом. Через це розроблена теорія дає можливість порівнювати фазові стани систем з вмороженим (спінові системи) та самоузгодженим (гетерофазні рідини) безладами. Зокрема виявляється, що гетерофазні рідини є подібні (але не ідентичні) до фази Гріфіца невпорядкованої спінової системи. Як бачимо, розроблена модель встановлює зв’язок між теоріями спінових систем та склоутворюючих рідин

Reaction of zirconium with alkali halide melts

The theoretical model was developed for the description of the reactions of a polyvalent metal with melts containing its compounds, which account for the formation of each species in intermediate oxidation states. This theory was applied to the analysis of literature data on the equilibrium potentials of zirconium electrode in chloride and bromide melts (systems: Zr–KCl; Zr–LiCl-KCl; Zr–KBr; Zr–NaBr-KBr), and also on the vapor pressure of alkali metal upon the fluoride melt (Zr–CsF). The intermediate species were established to form in each chloride and bromide melt. Interaction with evolution of free alkali metal occurs in the fluoride melt, zirconium metal being oxidized to +4 oxidation state. Thermodynamic values for the corresponding reactions were calculated.Розроблено методи, теоретичного опису взаємодії полівалентного металу з розплавами, які містять сполуки цього металу, що враховують можливість утворення всіх сполук проміжного ступеня окислення та взаємодії з катіонами лужного металу. Ці методи використано для аналізу відомих літературних даних по рівноважним потенціалам цирконієвого електроду в хлоридних та бромідних розплавах (системи: Zr–KCl; Zr–LiCl-KCl; Zr–KBr; Zr–NaBr-KBr), а також по тиску насичегої пари лужного металу над фторидним розплавом (Zr–CsF). Встановлено, що в усіх хлоридних та бромідних системах утворюються сполуки в проміжному степеню окислення. У фторидній системі відбувається взаємодія з виділенням лужного метлу та сполук цирконію у ступеню окислення +4. Розраховано термодинамічні характеристики відповідних реакцій.Разработаны методы теоретического описания взаимодействия поливалентного металла с расплавами, содержащими соединения этого металла, учитывающие возможное образование всех соединений в промежуточных степенях окисления и взаимодействие с катионами щелочного металла. Эти методы использованы для анализа имеющихся в литературе данных по равновесным потенциалам циркониевого электрода в хлоридных и бромидных расплавах (системы: Zr–KCl; Zr–LiCl-KCl; Zr–KBr; Zr–NaBr-KBr), а также по давлению насыщенных паров щелочного металла над фторидным расплавом (Zr–CsF). Установлено, что во всех хлоридных и бромидных системах образуются соединения в промежуточных степенях окисления. Во фторидной системе протекает взаимодействие с выделением свободного щелочного металла и образованием соединений циркония в степени окисления +4. Вычислены термодинамические характеристики соответствующих реакций

Amorphization kinetics under electron irradiation

A model is brought forward of the kinetics of amorphization occurring under electron irradiation. The model is based on consideration of the phase transformations controlled by the structural relaxation of small-scale unstable atomic configurations excited by electrons.Наведено модель кінетики аморфізації під електронним випромінюванням. Модель грунтується на розгляді фазових перетворень, які контролюються структурной релаксацієй дрібномасштабних нестабільних атомних конфігурацій, які збуджуються електронами.Приведена модель кинетики аморфизации под электронным облучением. Модель основывается на рассмотрении фазовых превращений, которые контролируются структурной релаксацией мелкомасштабных нестабильных атомных конфигураций, которые возбуждаются электронами

Electron beam transport and energy deposition in heterogeneous assemblies of the hastelloy samples embedded into the molten fluorides mix

By means of the Monte Carlo computer modeling technique the depth dependencies of energy deposition and concentration of radiation induced point defects have been calculated in heterogeneous assemblies of Hastelloy plates embedded into the melt of fluoride salts and irradiated by 8–10 MeV electron beams. For assemblies of various designs the beam penetration depth dependencies of energy spectra, angular distributions and energy fluxes of electrons and secondary gamma quanta had been studied in great details. As a result of these investigations the optimization of the target assembly design for the imitating experiment at the LUE-10 linac has been accomplished. It has been shown that for the optimized target ampoule design at the experimental conditions (700 hrs long 10 MeV electron irradiation) different surfaces of the Hastelloy plates contacting with molten fluorides are characterized by substantially different values of specific energy deposition (from ~5 keV/atom down to ~60 eV/atom) arising from inelastic ionization energy losses of primary and secondary charged particles. The concentration of point defects produced in elastic collisions of charged particles with target atoms decreases by ~500 times along the assembly thickness. Therefore the single imitating experiment opens up the possibility to study the radiation and corrosion stability of Hastelloy irradiated in the molten fluorides medium in a wide range of doses of electron beam energy deposition and radiation damage of alloy.Шляхом математичного моделювання методом Монте-Карло розраховані профілі енерговиділення та концентрацій точкових дефектів, що утворюються в гетерогенних збірках тонких платівок сплаву хастелой, занурених у розплав фторидних солей, під опроміненням пучками електронів с енергіями 8…10 МеВ. Детально досліджена еволюція енергетичних спектрів, кутових розподілів та густин потоку енергії електронів та вторинних гамма-квантів з глибиною проникнення пучка у збірки різних конструкцій. На цій основі виконана оптимізація конструкції збірки-мішені для імітаційного експерименту на електроннім прискорювачі ЛПЕ-10. Показано, що для оптимізованої конструкції ампули мішені за умов експерименту (700-годинне опромінювання електронами з енергією 10 МеВ) на різних поверхнях платівок хастелою, що контактують з розплавом, досягаються суттєво різні значення питомого енерговиділення (від ~5 кеВ/атом до ~60 еВ/атом), пов’язаного з непружними іонізаційними втратами енергії первинних та вторинних заряджених частинок. Концентрації точкових дефектів, що утворюються у пружних зіткненнях заряджених частинок з атомами, на товщині збірки спадають приблизно у 500 разів. Таким чином, єдиний імітаційний експеримент відкриває можливість дослідити радіаційну та корозійну стійкість хастелою, опроміненого у середовищі розплавлених фторидів, в широкому інтервалі доз енерговиділення електронного пучка та радіаційного пошкодження сплаву.Путем математического моделирования методом Монте-Карло рассчитаны профили энерговыделения и концентраций образуемых точечных дефектов в гетерогенных сборках тонких пластинок сплава хастеллой, погруженных в расплав фторидных солей, под облучением пучками электронов с энергиями 8…10 МэВ. Детально исследована эволюция энергетических спектров, угловых распределений и плотностей потока энергии электронов и вторичных гамма-квантов по глубине проникновения пучка в сборки различных конструкций. На этой основе выполнена оптимизация конструкции сборки-мишени для имитационного эксперимента на электронном ускорителе ЛУЭ-10. Показано, что для оптимизированной конструкции ампулы мишени в условиях эксперимента (700-часовое облучение электронами с энергией 10 МэВ) на различных поверхностях пластинок хастеллоя, контактирующих с расплавом, достигаются существенно различные значения удельного энерговыделения (от ~5 кэВ/атом до ~60 эВ/атом), связанного с неупругими ионизационными потерями энергии первичных и вторичных заряженных частиц. Концентрации точечных дефектов, образуемых в упругих столкновениях заряженных частиц с атомами, на толщине сборки спадают приблизительно в 500 раз. Таким образом, единственный имитационный эксперимент открывает возможность исследовать радиационную и коррозионную стойкость хастеллоя, облученного в среде расплавленных фторидов, в широком интервале доз энерговыделения электронного пучка и радиационного повреждения сплава

Enhanced phenomenological models of ion channeling contribution to doping profiles in crystals

New phenomenological models are proposed to describe the effect of an ordered lattice structure of crystalline targets on the as-implanted doping profiles of low-energy heavy ions. The models account for the channeling kinetics and clarify the effect of bi-directional transitions of ions between random-like and channeled modes of motion on the target depth dependencies of dopant concentration. They also incorporate a simple model of the target radiation damaging effect on doping profiles. The presented results of model validation against the experimental and Monte Carlo computer simulation data and the comparative analysis of the capabilities of the proposed and the existing models show that the application of a more physically grounded approach allows us to improve the quality of doping profile description. The theoretical models developed are useful for obtaining physical parameters of low-energy ion channeling kinetics from the experimental data.Запропоновано новi феноменологiчнi моделi опису впливу впорядкованої структури кристалiчної ґратки мiшеней на профiлi iмплантацiї низькоенергетичних важких iонiв. Моделi враховують кiнетику каналювання та проясняють вплив двобiчних переходiв iонiв мiж хаотичним та канальованим режимами руху на залежностi концентрацiї домiшки вiд глибини занурення у мiшень. Вони також мiстять в собi просту модель впливу радiацiйного пошкодження мiшенi на профiлi занурення. Представленi результати верифiкацiї моделей на експериментальних даних та даних комп’ютерного моделювання методом Монте-Карло поруч iз порiвняльним аналiзом можливостей запропонованих та iснуючих моделей показали, що застосування бiльш фiзично обґрунтованого пiдходу дозволяє покращити опис профiлiв iмплантацiї. Використовуючи запропонованi теоретичнi моделi, можна одержати з аналiзу експериментальних даних фiзичнi параметри кiнетики каналювання iонiв низьких енергiй

Simulation of synthesis of cluster-assembled nanostructured materials

A model is described to simulate the formation of nanostructured materials by cluster beam deposition. Clusters are modelled by spherical balls with a given size distribution function, which fall to the substrate and stick to the growing structure. The mobility of clusters along the film surface is modelled by introduction of a critical angle at which a falling ball meets a ball that belongs to the structure. When the falling ball touches one of the balls in the structure at an angle smaller than the critical one, it sticks to the film; otherwise the ball rolls along the surface till it meets other balls. It is shown that a variety of structures similar to those observed experimentally can be produced. The density of the model structures, percolation thresholds and the surface roughness are analyzed.Описано модель утворення наноструктурних матеріалів при осадженні кластерних потоків. Кластери сферичної форми з заданою функцією розподілу за розмірами падають і прилипають до структури, що росте на підкладці. Ймовірність прилипання контролюється критичним кутом скочування по поверхні структури. Показано, що можна отримати різноманітні структури подібні до тих, що спостерігаються експериментально. Щільність структур, пороги протікання, поверхнева шорсткість досліджуються в залежності від параметрів моделі

Calculation of temperature fields in ampoules under the radiation treatment by electrons with energy 10 MeV

To obtain the temperature fields in ampoules under the radiation treatment we use the one-dimensional equations of the thermal conductivity on the coordinates along the axis which is congruent with the direction of the beam. The results of the calculations of temperature fields within the ampoule are discussed for two cases: for the ampoule with the molten fluorides mix between three tested Hastelloy specimens (in section 1); and for the ampoule with exhalations of ftuorides salts (in section 2). These two situations are differed as in the energy losses of electron beam, as well in the mechanism of heat transport, that leads to essentially different temperature fields inside of the ampoule. It is shown that for ampoule with fluoride salts exhalations the stationary temperatures strongly depend from heat transport mechanisms and from layers thickness, that leads to conclusion about necessity to take into account both mechanisms of heat transport (thermal radiation and thermal conductivity) simultaneously.При розрахунках температурних полей в ампулі під випромінюванням електронами нами використовувались одновимірні рівняння теплопровідності із вісью х, яка збігається із напрямком потоку електронів. Одержані коордінатні залежності температури для двох випадків: 1) для ампули із с розплавом солей флюориду між випробуваними зразками Хастелоя; 2) для ампули із парами солей флюориду між шарами ампули.. Показано, що у другому випадку сталий розподіл температури істотно залежить від механизму переносу тепла і товщини шарів, що дозволяє зробити висновок про необхідність одночасно брати до уваги обидва механізми переносу тепла (теплове випромінювання і теплопровідніть шарів).Для вычисления температурных полей в ампуле под облучением электронами нами использовались одномерные уравнения теплопроводности с осью х, совпадающей с направлением потока электронов. Получены координатные зависимости температуры для двух случаев: 1) для ампулы с расплавом солей флюорида между испытуемыми образцами Хастеллоя; 2) для ампулы с парами солей флюорида между образцами Хастеллоя. Показано, что во втором случае установившееся распределение температуры существенно зависит от механизма переноса тепла и от толщины слоев, что позволяет сделать вывод о необходимости принимать во внимание оба механизма переноса тепла одновременно( тепловое излучение и теплопроводность слоев)

Realistic Tunneling States for the Magnetic Effects in Non-Metallic Real Glasses

The discovery of magnetic and compositional effects in the low temperature properties of multi-component glasses has prompted the need to extend the standard two-level systems (2LSs) tunneling model. A possible extension \cite{Jug2004} assumes that a subset of tunneling quasi-particles is moving in a three-welled potential (TWP) associated with the ubiquitous inhomogeneities of the disordered atomic structure of the glass. We show that within an alternative, cellular description of the intermediate-range atomic structure of glasses the tunneling TWP can be fully justified. We then review how the experimentally discovered magnetic effects can be explained within the approach where only localized atomistic tunneling 2LSs and quasi-particles tunneling in TWPs are allowed. We discuss the origin of the magnetic effects in the heat capacity, dielectric constant (real and imaginary parts), polarization echo and SQUID magnetization in several glassy systems. We conclude by commenting on a strategy to reveal the mentioned tunneling states (2LSs and TWPs) by means of atomistic computer simulations and discuss the microscopic nature of the tunneling states in the context of the potential energy landscape of glass-forming systems.Comment: 48 pages, 27 figures; mini-review for the Proceedings of the XIV International Workshop on Complex Systems (Fai della Paganella, Trento, March 2015) (submitted to Phil.Mag.). arXiv admin note: text overlap with arXiv:cond-mat/0210221 by other author