Influence of Molecular Clustering on the Interpretation of Diffractograms of Hydrocarbon Films From Tokamak Т-10

Abstract

Проведён численный анализ влияния кластеризации молекул на ранее предложенную интерпретацию результатов дифрактометрии углеводородных плёнок, образованных внутри вакуумной камеры токамака Т-10. Моделирование кластеризации простых углеводородных молекул C(D, H) 4 , C 2 (D, H) 4 , C 6 (D, H) 6 и молекул на основе искривлённого графена (фуллерены и тороидальные нанотрубки) проведено методами молекулярной динамики с жёсткими фрагментами. Показано, что ранее неучтённые корреляции атомов С-С, С-D(H) в аморфном углеводородном компоненте снижают расчётные значения интенсивности рассеяния в диапазоне значений модуля вектора рассеяния 5 < q < 20 нм -1 за счёт гомогенизации рассеивающей среды на масштабах ~1 нм. Учёт таких корреляций не влияет на дифрактограммы при q > 20 нм -1 . Результаты указывают на необходимость введения в процедуру определения структурного состава плёнок, аналогичных таковым из токамака Т-10, кластеров, образованных налипанием Ван-дер-Ваальса углеводородных молекул на «графеновые» наночастицы. Это упростит задачу математической оптимизации до прежнего уровня сложности, но уже на расширенном ансамбле объектов и позволит рассчитывать дифрактограммы этих объектов на распределённых вычислительных ресурсах. Предложен модифицированный алгоритм идентификации структурного состава по результатам совместной рентгеновской и нейтронной дифрактометрии.Ключевые слова: численное моделирование, оптимизационные методы, углеродные наноструктуры, рентгеновская дифракция, пылевые осадки, токамак.The influence of molecule clustering on the formerly suggested interpretation of diffraction patterns of hydrocarbon films, formed in the vacuum vessel of tokamak T-10, is analyzed numerically. The modeling of clustering of simple hydrocarbon molecules C(D, H) 4 , C 2 (D, H) 4 , C 6 (D, H) 6 and molecules composed of a curved graphene (fullerenes and toroidal nanotubes) is carried out with Rigid Body Molecular Dynamics method. It is shown that formerly neglected atomic correlations С-С, С-D(H) in the amorphous hydrocarbon component decrease the calculated values of the scattered intensity in the range of scattering vector modulus 5 < q < 20 nm -1 because of homogenization of scatters on the spatial scale of ~1 nm. The allowance for these correlations does not change the diffraction patterns in the range q > 20 nm -1 . The results suggest the necessity to introduce to the procedure of determining the structural content of the films, similar to those from tokamak T-10, the clusters formed by the Van der Waals adhesion of hydrocarbon molecules to "graphene" nanoparticles. This simplifies the mathematical optimization to the former level of complexitybut for an extended ensemble of objectsand enables one to calculate the diffraction patterns of these objects using the distributed computing resources. A modified algorithm of structural content identification on the basis of a joint x-ray and neutron diffractometry is suggested.