«Применение иТ в исследовании свойств нанокомпозиционных материалов» (стр. 3 из 6)
Преимуществом данной программы обработки ЯГР-спектров является возможность учета влияния градиента электрического поля и возможного изомерного сдвига уровней изотопа 57Fe на зеемановское сверхтонкое расщепление. В общем случае распределение расщеплений энергетических уровней Р(z) при наличии изомерного сдвига и квадрупольного расщепления можно записать, как
Р(z) = S pi Gi(z0i, szi; z), (2.5)
где pi – весовой фактор для i-той гауссовой компоненты распределения Р(z), Gi– функция Гаусса, нормированная на единицу площади, z0i – центр i-той гауссовой компоненты распределения P(z), szi – ширина гауссовой компоненты распределения P(z) (s = (2 ln2)-1/2 m, где m – полуширина на полувысоте гауссианы).
Форма элементарного ЯГР-секстета записывается следующим образом:
S = S Lk(wk, g), (2.6)
где Lk – функция Лоренца, описывающая k-тую линию ЯГР-секстета (k = 1, 2,……,6), wk – положение k-той линии секстета, которое является функцией δ, параметра e и g-факторов основного и возбужденного состояний изотопа 57Fe, g - полуширина на полувысоте линии Лоренца.
С учетом изложенного выше, результирующая форма ЯГР-спектра Г может быть записана, как
Г = ò S P(z) dz, (2.7)
Программа MOSMOD позволяет обрабатывать ЯГР-спектры в предположении до 5 кристаллографически неэквивалентных позиций групп атомов железа в исследуемой структуре. При этом, каждому из неэквивалентных положений может соответствовать до 5 распределений магнитных полей, характеризующих кристаллографические несовершенства внутри кристаллографически различных групп атомов железа в структуре. Конечным результатом программной обработки спектров являются оптимальные параметры локальных окружений атомов железа. Программа MOSMOD позволяет также оценить относительный вклад (А) каждой из присутствующих фаз в ЯГР-спектр. Следует отметить, что доминирующий вклад в спектр вносят приповерхностные слои. Это связано с неравномерным выходом электронов по глубине.
2.3.2 Origin
Origin – пакет программ фирмы OriginLab Corporation, предназначенный для численного анализа данных и научной графики, работающий под операционной системой Microsoft Windows. В целом Origin ориентирован на исследователя, которому необходимо обрабатывать и визуализировать большие объемы информации (например, данные, получаемые с различных датчиков и т.п.).
Origin поддерживает создание двухмерной и трехмерной графики, которая получается с помощью готовых шаблонов, доступных для редактирования пользователем. Также возможно создавать новые собственные шаблоны. После создания изображения оно может быть отредактировано с помощью меню и диалогов, вызываемых двойным щелчком мыши на его элементах.
Полученные графики и таблицы можно экспортировать в ряд форматов, таких как PDF, WMF, TIFF, GIF, GPEG и д.р. Кроме того, графические данные, полученные с помощью Origin, можно легко перенести или вставить в документы Micrtsoft Word, CorelDraw, PowerPoint. Импорт данных – еще одна сильная сторона Origin. Доступен не только импорт ASCII-файлов, но и поддержка формата xls (формат табличного редактора Microsoft Excel) и других форматов.
Существенным преимуществом программы Origin является то, что для построения графиков сложных функций не требуется навыков программирования, так как интуитивно понятный интерфейс Origin позволяет легко запрограммировать функцию на языке, максимально приближенном к обычной математической записи и выбрать нужный тип графика.
Общая схема построения графиков такова: пользователь выделяет нужные данные, представленные в таблице, выбирает один из десятков типов предлагаемых двух- и трехмерных диаграмм, и система строит диаграмму или график. Настройка диаграмм выполняется в основном в диалоговых окнах, связанных со строящимся объектом.
В пакете Origin есть много возможностей оформления построенных графиков. Существует возможность выбора стиля, толщины, а также цвета линии. Редактирование осей позволяет выбирать начальное и конечное значения шкалы, шаг, с которым на данной шкале будут отображаться численные величины. Можно отобразить на графике невидимые по умолчанию верхнюю и правую шкалы. Кроме всего прочего, возможно также изменение цвета, размера, шрифта и стиля заголовков осей, задание параметров самих осей, а именно, толщины, длины, направления рисок и т.п. Кроме заголовков осей, выбор соответствующей функции позволяет вносить различные текстовые вставки, подписи для графиков и т.п.
С помощью Origin можно проводить численный анализ данных, включая различные статистические операции, обработку сигналов и т.п. Как и Excel, Origin позволяет совершать операции над столбцами таблицы (нормировка и т.п.). Доступна обработка данных с использованием различных стандартных функций или, при необходимости, с использованием функций, создаваемых пользователем [12]. Можно воспользоваться функциями линейного или полиномиального приближения. Помимо их в Origin имеется большой выбор функций (экспонента, уравнение Больцмана и т.п.), служащих для аппроксимации вводимых данных [12]. Также одной из необходимых математических операций, производимой с помощью Origin, является разложение графика на кривые Гаусса или Лоренца.
Origin позволяет проводить различные статистические исследования экспериментальных данных, такие как нахождение среднего и среднеквадратичного отклонения, поиск минимумов и максимумов и т.п. Origin также может сортировать данные отдельных столбцов, нескольких выделенных столбцов, выделенного диапазона рабочего листа или всего рабочего лист (например, по возрастанию, убыванию).
С помощью встроенной функции Screen Reeder можно с высокой точностью определить координаты любой точки графика.
Кроме всего прочего, предоставленная Origin возможность одновременного представления данных различных проектов на одном рисунке с использованием нескольких слоев существенно облегчает сравнительный анализ данных.
Описанные возможности – лишь часть имеющихся в Origin функций. Однако и их в большинстве случаев вполне достаточно для быстрой и удобной обработки экспериментально полученных данных.
Глава 3 Пример использования ИТ в исследовании структуры нанокомпозитов FeCoZr-Al2O3
С целью изучения влияния гидрогенизации на структуру нанокомпозитов различных составов было проведено исследование образцов (FeCoZr)X(Al2O3)100-X, 42 ≤ x ≤ 63 ат.% методом ЯГР-спектроскопии.
Данные, полученные с помощью ЯГР-спектрометра, представляют собой столбец из 1024 значений, соответствующих числу импульсов в каждом из 1024 каналов, зафиксированному с помощью многоканального детектора. Каждому каналу соответствует определенная величина скорости источника излучения. Для сопоставления номера канала этой скорости используется процедура калибровки спектра, выполняемая программой MOSMOD. Для этого снимается калибровочный спектр (спектр α-Fe) в том же диапазоне скоростей, что и спектр исследуемого образца. Программа ставит в соответствие каждому каналу определенное значение скорости, и после этого интересующий нас спектр представляет собой зависимость интенсивности сигнала (числа импульсов) от скорости источника (мм/с).
Наиболее важным этапом обработки спектра является его программное разложение на подспектры, соответствующие определенным фазам в образце – локальным конфигурациям изотопа железа. При загрузке файла со спектром в программу для последующей его обработки программа запрашивает начальные (ориентировочные) значения сверхтонких параметров каждого из подспектров, которые будут уточнены в процесс обработки для наилучшего соответствия экспериментальным данным. При этом необходимо задавать также число подспектров, котрое предположительно описывает данный спектр. Кроме того, нужно указывать, какую фазу, магнитную или немагнитную, описывает данный подспектр. В зависимости от этого в подспектр может обладать сверхтонким магнитным расщеплением (или не иметь его). Исходные данные для первого приближения либо известны из литературы для данного типа соединений, либо могут быть приблизительно оценены из внешнего вида спектра.
Так, например, в случае наиболее сложного магнитно-расщепленного спектра (здесь (FeCoZr)63(Al2O3)27), состоящего из нескольких подспектров (здесь двух), уточненные программой сверхтонкие параметры образца выводятся на экран, как показано на рисунке 3.1.
CS – изомерный сдвиг, QS – квадрупольное расщепление, H hf – сверхтонкое магнитное поле, Area ratio – вклад подспектра в общую спектральную картину, h1/h3, h2/h3 – соотношение длин линий секстетаРисунок 3.1 – Полученные программой MOSMOD сверхтонкие параметры образца (FeCoZr)63(Al2O3)37
Численные параметры обработки могут также быть сохранены в отдельный файл с расширением .OTA, который в последствии открывается с помощью программы Блокнот.
Рисунок 3.2 – Графическая визуализация спектра в программе Origin
Кроме численных данных по запросу пользователя на экран могут быть выведены изображения обработанного спектра и его компонент (подспектров).
Данные, полученные при аппроксимации исследуемого спектра и его разложении на подспектры, вместе с экспериментальными данными могут быть импортированы в программу Origin (см. рис. 3.2) для графической визуализации и последующего сохранения проекта в виде рисунка, который может быть вставлен потом в текстовый документ.
В программе Origin выполняется нормировка полученного спектра на максимальное экспериментальное значение, чтобы выразить интенсивность сигнала в относительных величинах. Кроме того, оптимальным образом подбираются стили графической визуализации данных (стили, толщины, цвета линий и шрифтов). Для лучшего восприятия графической информации спектры образцов различного состава представляются в одном проекте (на одном рисунке один под одним) с использованием нескольких слоев. Это позволяет проследить динамику структуры образцов, отраженной на ЯГР-спектрах, при увеличении состава металлических частиц.