Nella realizzazione di un setup di contenimento, l’unica soluzione è stata quella che prevedeva come solo materiale a diretto contatto col campione proprio lo za¢ ro. Date le restrittive condizioni di lavoro, questa scelta ha implicato una lavorazione ad hoc di questo materiale e dunque l’intervento di competenze e strumenti tecnici specializzati. Data la di¢ coltà di lavorazione non è stato molto facile trovare ditte disposte a produrre pezzi del genere.
Per lo scopo che ci si pre…ggeva è stato necessario far costruire dei veri e propri crogioli completamente in za¢ ro costituiti da un bicchiere ed un tappo con una cavità al centro, il tutto ricavato dallo stesso monocristallo.
Dalla …g.6.1 sono facilmente deducibile forma e dimensioni. La forma del crogiolo chiuso è quella di un cilindro del diametro di 7:5mm e alto 8:5mm. Aperto risulta composto da due cilindri coassiali. Lungo il loro asse,
CAPITOLO 6. SETUP AD ALTA TEMPERATURA 105
Figura 6.2: camicia di molibdeno contenente il crogiolo, molle per la dilatazione termica e fermo meccanico.
durante la misura, passa la radiazione x. La base del bicchiere e la base del tappo costituiscono le due …nestre da 0:5mm di spessore e con una luce rispettivamente di 3:85mm e 1:85mm di diametro. Quest’ultima rappresenta la …nestra di ingresso della radiazione, la prima quella di uscita. Le due …nestre intrappolano il campione nella cavità che si forma una volta chiuso il crogiolo. Tale spazio ha una larghezza di 1:5mm e il diametro di 3:85mm. Il crogiolo di za¢ ro a sua volta, non potendo essere chiuso ermeticamente, richiede un blocco meccanico che costringa il campione liquido a rimanere più tempo possibile all’interno del suo alloggiamento.
Per questo motivo si è utilizzata la camicia di molibdeno riportata in …g.6.2, ossia un cilindro cavo con una base dotata di un fermo. L’altra base del cilindro è costituita da un altro cilindro cavo coassiale di diametro minore che si avvita al primo bloccando il crogiolo di za¢ ro nel suo alloggiamento. Quest’ultimo prende posto all’interno della camicia di molibdeno appoggian- dosi su due dischi (uno per base), sempre di molibdeno, modellati in modo tale da ‡ettersi per assorbire la di¤erenza di dilatazione termica tra za¢ ro e molibdeno, mantenendo sempre ben chiuso il crogiolo stesso.
In …g.6.3 è riportato l’andamento dell’espansione termica del molibdeno e dello za¢ ro. La forte di¤erenza di espansione termica tra i due materiali è da tener presente durante il riscaldamento della cella: sono necessarie lente variazioni di temperatura.
Figura 6.3: espansione termica lineare L=L dei materiali interessati dalla dilatazione termica del crogiolo.
La cella, così chiusa è inserita in un cilindro cavo di nitruro di boro lungo 50mm e con le pareti dello spessore di 1:5mm circondato dalla resistenza in molibdeno. In …g.6.4 si riporta una foto dall’alto della camicia di molibdeno e del tubo di nitruro di boro.
Alla temperatura di fusione del silicio il calore, in un forno sotto vuoto, si trasmette in maniera totalmente radiativa, per diminuire la dissipazione verso l’esterno e il conseguente riscaldamento delle altre parti del forno come i passanti o i collegamenti compensati della termocoppia, è necessario inserire nel forno una struttura con una serie di schermi di tantalio. In …g.6.5 si vede di nuovo il cilindro di nitruro di boro che viene montato al centro degli schermi di tantalio.
In …g.6.6 si vede come schermi di tantalio, cilindro di nitruro di boro e resistenza di molibdeno sono assemblate lungo l’asse del fascio di radiazione. All’interno prende posizione la camicia di molibdeno. Gli schermi di tantalio,
CAPITOLO 6. SETUP AD ALTA TEMPERATURA 107
Figura 6.4: camicia in molibdeno e tubo di nitruro di boro visti dall’alto.
Figura 6.5: cilindro di nitruro di boro e sullo sfondo schermo esterno di tantalio.
Figura 6.6: struttura del core del forno con i tre schermi di tantalio, la resistenza di molibdeno e il cilindro di nitruro di boro.
dello spessore di 0:025mm, ad alta temperatura si deformano leggermente, per questo motivo sono tenuti insieme meccanicamente con dei cavi di molib- deno da 0:5mm di diametro. Il molibdeno si deforma molto meno del tantalio e quindi da rigidità alla struttura. Questo è il motivo anche per il quale per la resistenza è stato scelto il molibdeno invece che il tantalio. Al centro del- l’immagine è visibile la resistenza che avvolge il cilindro di nitruro di boro. Di questo stesso materiale sono fatti i cilindretti che isolano i due passanti della resistenza dal contatto con gli schermi. In …g.6.7 è visibile l’inserimento dei passanti all’interno della struttura assemblata attraverso i tubi di nitruro di boro. Questi, a loro volta, attraversano altri tre schermi più piccoli che vanno a coprire gli spazi rimasti liberi tra uno schermo e l’altro.
I tre schemi concentrici hanno dei supporti, anch’essi di nitruro di boro (…g.6.8), che funzionano da distanziatori per evitare cortocircuiti tra schermi e resistenza. In …g.6.9 sono assemblati al resto della struttura di schermaggio.
Tutta la struttura, così montata rappresenta il cuore del nostro forno. In asse con il fascio, viene montata su due supporti di acciaio saldati alla
CAPITOLO 6. SETUP AD ALTA TEMPERATURA 109
Figura 6.7: vista laterale dell’apparato di schermaggio del forno.
Figura 6.9: distanziatori montati.
‡angia. La resistenza è avvitata con dei morsetti ai passanti di rame da 10mm di diametro. Questo elemento ha un punto di fusione a 1356K. I passanti, utilizzati per far passare la corrente dall’esterno …no ai capi della resistenza, hanno un punto critico nell’innesto della ‡angia. L’attenzione a schermare la resistenza è dovuta anche al tentativo di preservare questo punto critico dalle alte temperature.
Una volta montati tutti i pezzi, …g.6.12, la ‡angia sostiene tutti i vari componenti. Sono visibili anche i contatti compensati della termocoppia.
Per la misura della temperatura durante tutto l’esperimento era neces- saria una termocoppia capace non solo di arrivare a una temperatura così elevata, ma con un errore piccolo e sopratutto resistente ad un utilizzo prol- ungato. L’unica termocoppia utile al nostro scopo è una C-type, ovvero W5, costituita da tungsteno-5%renio vs tungsteno-26%renio. Poco resistente alle ossidazioni, è buona per lavorare sotto vuoto o in ambiente con gas inerti e il suo range di funzionamento è: 0 2320 C 273 2593K. Il controllo in temperatura è avvenuto attraverso il collegamento con cavi compensati ad un multimetro digitale usando la tabella di conversione meV C fornita dal costruttore. La termocoppia è montata su un tappo di allumina (…g.6.11) che viene inserito nel distanziatore più interno. La punta della termocop-
CAPITOLO 6. SETUP AD ALTA TEMPERATURA 111
Figura 6.10: montaggio forno.
pia arriva perfettamente a contatto con la camicia di molibdeno dando una misura reale della temperatura del crogiolo.
Un problema ulteriore, che richiede il massimo di riduzione delle dissi- pazioni termiche verso l’esterno, è il montaggio sul goniometro portacampi- one della beamline. Si è quindi aggiunto un ulteriore schermo di acciaio che copre completamente i passanti, …g.6.13. In tal modo la base dell’involucro esterno, a diretto contatto con il goniometro, mantiene una temperatura che durante le misure non supera mai i 40 C. In …g.6.14 l’esterno del forno sul quale viene montata la ‡angia. L’involucro esterno è dotato di un attacco per la pompa da vuoto su un lato e una serpentina, saldata alla struttura, nella quale durante l’esperimento si fa circolare liquido refrigerante che permette di non far superare all’intero dispositivo una temperatura di 60 C. Nell’im- magine sono visibili le …nestre di kapton di spessore 0:015mm incollate con colla bicomponente Epoxy 353 ND.
Figura 6.11: la termocoppia montata su un tappo di allumina.
CAPITOLO 6. SETUP AD ALTA TEMPERATURA 113
Capitolo 7
Il fattore di struttura dinamico
7.1
Il fattore di struttura statico
Come prima a¤ermato la transizione solido-liquido è caratterizzata da una variazione della natura del sistema, da semiconduttore a metallo con un incre- mento della densità del 10%. questa transizione è accompagnata localmente da un cambio signi…cativo nella struttura: il numero di coordinazione au- menta da 4 nel solido a circa 6.5 nel liquido [73] [74]. Nonostante la natura metallica, le sue proprietà strutturali sono notevolmente più complicate che in un semplice metallo liquido tipico come i liquidi alcalini. In questi ultimi, il fattore di struttura S(Q) può essere descritto assumendo che il ‡uido sia composto da sfere rigide, e il numero di coordinazione varia tra 10 e 12. Oltre al basso numero di coordinazione, la S(Q) del silicio liquido è caratterizzata da un primo massimo con una spalla ben distinguibile (…g.7.1), una caratter- istica che non può essere riprodotta in un semplice approccio a sfere rigide e, come già detto, può essere correlata con l’ordine a corto range e dunque con l’esistenza di più di una distanza caratteristica dei primi vicini.
Molte simulazioni sono state eseguite su questo sistema utilizzando poten- ziali empirici con termini a tre corpi [75] [76], teorie di pseudopotenziale [77], o più recentemente tecniche ab-initio [78] [79].
Specialmente in [78], si visualizza l’evoluzione di cariche elettroniche at- torno ad atomi in movimento indicando legami chimici con un tempo di vita cortissimo (< 30f s), mentre la densità di stati elettronica della banda di valenza calcolata è notevolmente simile al modello ad elettrone libero, cosa che risulta in accordo con alcuni risultati di fotoemissione [80]. In contrasto
Figura 7.1: funzione di correlazione di coppia g(R) e fattore di struttura sta- tico S(Q) per silicio liquido: confronto tra i risultati di dinamica molecolare [77] (linea continua) e i dati sperimentali da di¤razione di raggi x [74] (dischi vuoti).
CAPITOLO 7. IL FATTORE DI STRUTTURA DINAMICO 117
Figura 7.2: braccio orizzontale di ID28.
con gli intensi sforzi teorici, gli studi sperimentali sui moti collettivi micro- scopici sono stati in passato ostacolati dal fatto che questi, nel silicio liquido, hanno velocità del suono ( 4000ms 1 [81]) troppo elevata per essere stu- diati in modo e¢ ciente con tecniche di di¤usione neutronica a causa delle restrizioni cinematiche delle quali so¤re questa tecnica.