Возникновение рентгеновского излучения (стр. 2 )

Если равны между собой векторы Гщц и —, то равны и их модули: /*//Л/, = —

X X

Видно, что

= 2 sin 9. Вместе с тем

_* rIIRL

и

d

и, следовательно,

(hid)

Idfjtfcft sin 9 = пк.

Следует отметить, что каждое отражение характеризуется индексами HKL. Необходимо различать индексы Лауэ HKL и индексы Миллера (hid), - индексы Миллера не имеют общего множителя, индексы Лауэ, определяющие число длин волн в разности хода между рентгеновскими лучами., рассеянными соседними плоскостями, могут иметь общий множитель.

Между индексами Лауэ HKL и индексами Миллера (hkl) имеется соотношение

H=nh9K = nk, L = nl.

ПРИБОРЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА

Рентгеновский структурный анализ представляет собой совокупность методов исследования структуры вещества по распределению в пространстве и иитенсивностям рентгеновского излучения, рассеянного на анализируемом объекте.

Наряду с нейтронографией и электронографией рентгеноструктурный анализ является дифракционным методом, основанным на взаимодействии рентгеновского излучения с электронами вещества. Дифракционная картина зависит от длины волны рентгеновских лучей и строения вещества. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны ~1А, - порядка размеров атомов.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные вещества, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т. д.

При этом определяют минералогический (фазовый) качественный и количественный состав, ориентацию и размеры кристаллитов и коллоидных частиц, строение аморфных и полуаморфиых материалов, атомную структуру кристаллов; измеряют внутренние напряжения, коэффициенты термического расширения; исследуют твердые растворы, и превращения, происходящие в материалах под влиянием температуры, давления, влажности и т. д.

До недавнего времени основой рентгеноструктурного экспериментта являлась фотографическая техника. В последние годы в связи с развитием счетчиков квантов и электронной техники в практике рентгеноструктурного анализа нашли широкое применение дифрактометры. Замена фотографической регистрации дифракционной картины регистрацией счетчиками квантов приводит к сокращению времени исследования, повышению чувствительности и точности измерений. Дифрактометрические измерения характеризуются более высокой точностью воспроизведения дифракционной картины.

Рентгеноструктурный аппарат представляет собой совокупность технических средств, необходимых для реализации рентгеноструктурного метода регистрации дифракционной картины, специальных условий эксперимента и т. д.

Основным элементом рентгеновского аппарата для структурного анализа является источник рентгеновского излучения, поэтому часто под «рентгеновским аппаратом» понимают только источник рентгеновского излучения.

Устройствами, в которых непосредственно осуществляется дифракция рентгеновских лучей на образце и регистрируется дифракционная картина, являются рентгеновская камера (при регистрации на фотографическую пленку) или рентгеновское гониометрическое устройство (если детектором излучения является счетчик квантов). Рентгеновским гониометрическим устройством (гониометром) называют прибор, с помощью которого можно регистрировать угловое положение образца в момент возникновения дифракции и направление дифрагированных рентгеновских лучей.

Способ регистрации дифракционной картины (с помощью фотопленки или счетчика квантов) определяет функциональный состав и конструктивные особенности рентгеноструктурного аппарата.

Источник излучения в сочетании с рентгеновскими камерами называют рентгеноструктурным аппаратом с фоторегистрацией.

Совокупность источника излучения и рентгеновского гониометра со счетчиком называют рентгеновским дифрактометром.

Непосредственной функцией дифрактометра является измерение интенсивности и направления рентгеновского излучения, дифрагированного на кристаллическом образце. При этом интенсивность дифрагированного излучения измеряется с точностью до десятых долей процента, а углы дифракции до сотых и тысячных долей градуса. В качестве детекторов излучения в дифрактометрах используются счетчики квантов: сцинтилляционные, пропорциональные, полупроводниковые, а также счетчики Гейгера—Мюллера.

Выпускаются универсальные дифрактометры с различными приставками (дифрактометры общего назначения), используемые для различных рентгеноструктурных исследований, и специализированные дифрактометры, предназначенные для решения определенной задачи рентгеноструктурного анализа. При этом, как правило, обеспечивается высокая степень автоматизации работы дифрактометра.

Важнейшим фактором, определяющим конструкцию и схему рентгеновского дифрактометра, является способ получения дифракционной картины.

Четкую дифракционную картину с острыми максимумами (т. е. возникающую в результате удовлетворения условия дифракции Вульфа—Брэгга) можно получить только при полной трехмерной периодичности исследуемого объекта. Имеются три способа удовлетворения этому условию.

1. Кристалл неподвижен, а рефлексы, соответствующие атомным плоскостям кристалла с межплоскостными расстояниями d\, dz, d-, .... возникают благодаря тому, что в непрерывном спектре излучения рентгеновской трубки находятся длины волн, удовлетворяющие уравнению Вульфа—Брэгга для этих атомных плоскостей, составляющих определенные углы G|, 62, 63 ... с первичным рентгеновским пучком. В этом состоит метод Лауэ, а также основанные на нем некоторые методы исследований дефектов реальных кристаллов.

2. Уравнение Вульфа—Брэгга удовлетворяется при использовании монохроматического излучения (обычно Ка - компоненты характеристического спектра рентгеновской трубки) благодаря вращению кристалла. Этот способ используется в подавляющем большинстве методов исследования монокристаллов, касающихся изучения закономерностей кристаллического строения.

3. Условие дифракции выполняется при облучении монохроматическим из­лучением неподвижного образца, состоящего из большого числа отдельных беспорядочно ориентированных в пространстве кристаллитов, т. с. пред­ставляющего собой поликристалл. В результате этого, при любом угле между падающим лучом и поверхностью исследуемого образца всегда найдутся кристаллиты, в которых атомные плоскости дадут дифракционное отражение под нужным углом.

В качестве примера современного дифрактометра рассмотрим дифрактометр рентгеновский общего назначения ДРОН-6.

Аппарат является аналитическим инструментом для решения научных и прикладных задач в области рентгенодифракционного анализа поликристаллов и ряда задач монокристальной дифрактометрии.

В состав дифрактометра входят: высоковольтный источник питания рентгеновской трубки, рентгеновская трубка, газовый пропорциональный детектор, блок управления и сбора данных, гониометр модернизированный, защитное устройство, программа управления и сбора данных.

Основная часть прибора - гониометр модернизированный снабжен двумя шаговыми двигателями и двумя инкриментными угловыми датчиками, что обеспечивает независимое перемещение образца и детектора относительно осей 6 и 20 с различными соотношениями скоростей, что позволяет настроить дифрактометр для работы по различным рентгенооптическим схемам.

Детекторы рентгеновского излучения

Газоразрядные пропорциональные детекторы

Конструктивно пропорциональные счетчики рентгеновского излучения представляют собой газоразрядный двухэлектродный прибор, катодом которого служит металлический корпус, а анодом - - тонкая вольфрамовая нить. В качестве наполнителя чаще всего используют аргон, а также ксенон.

(П ® (5) Ой

Схема проточного пропорционального сметчика. Фотон рентгеновского излучения, взаимодействуя с электронной оболочкой атомов газа, выбивает один из внешних электронов, в результате чего образуется ионная пара. Количество ионных нар пропорционально энергии падающих фотонов.

Под действием ускоряющего потенциала электроны движутся к нити, а положительные ионы к корпусу. Электроны на своем пути ускоряются

электрическим полем и многократно ионизируют атомы газа.

Отношение числа первично возникших электронов к числу электронов, достигших нити, называется коэффициентом газового усиления, который обычно равен 104- -105. Значение коэффициента газового усиления экспоненциально зависит от рабочего напряжения на счетчике, поэтому стабильность ускоряющего напряжения должна быть не хуже 0,05 %. Эффективность счетчика зависит от чистоты газа.

Сцинтилляционный детектор

Для регистрации жесткого (А.#<0,1 им) рентгеновского излучения используют и сцинтилляционные детекторы. В качестве рабочего тела в них выступают кристаллофосфоры. Преобразование энергии регистрируемых фотонов происходит в два этапа. Первичная ионизация вызывает вспышку (сцинтилляцию) в кристаллофосфоре в видимом диапазоне длин волн. Энергия вспышки затем преобразуется в электрический импульс с помощью фотоэлектронного умножителя Кристаллофосфором обычно служит пластинка монокристалла йодистого натрия, активированного таллием. Кристалл упаковывается в герметичный алюминиевый контейнер с входным бериллиевым и выходным стеклянным окном. Эффективность детектора зависит от толщины кристалла

Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор представляет собой монокристалл высокочистого кремния, Германия или какого-либо другого полупроводникового материала с напыленными металлическими электродами, в котором имеется область, свободная от носителей заряда. Наличие такой области может быть обусловлено или высокой чистотой исходного материала (германий), или достигнуто искусственной компенсацией носителей р-тииа литием (Si Li-детекторы). Ширина такой области может достигать нескольких миллиметров..