Работа N 2 Рентгеновская дифрактометрия.

2.1 Прицип метода

Исходная конфигурация прибора была реализована в классических экспериментах В.Г. и В.Л. Брэггов на ионизационном спектрометре. Современные рентгеновские дифрактометры, естественно, отличаются высоким уровнем компьютерного управления, однако сохраняют принципы исходной оптической схемы.

Кратко: исторический парадокс.

Известно, что природа рентгеновских лучей до экспериментов Лауэ-Брэггов оставалась невыясненной. При этом, Брэгг-старший (В. Г.) первоначально придерживался корпускулярной модели и соответственно соорудил прибор, чтобы частицы, отраженные от кристалла под разными углами, регистрировались ионизационной камерой на вращающемся cтолике. В ходе экспериментов подтвердилась волновая версия Х-лучей, была найдена форма основного уравнения, и в итоге Нобелевская премия 1915 года была присуждена авторам с формулировкой: "за важный вклад в изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей".

Рис. 2.1 Рентгенооптическая схема дифрактометра с фокусировкой по Брэггу-Брентано (а) - ход лучей в плоскости фокусировки; (б) - случай короткой проекции фокуса; (в) - случай линейчатой проекции фокуса

Оптическая схема рентгеновского дифрактометра приведена на рис. 2.1. Основой эксперимента является гониометрическое устройство, установленное на столе аппарата перед окном рентгеновской трубки. Гониометр выполняет необходимые повороты образца и детектора на заданные углы. Исходная юстировка прибора обеспечивает попадание первичного пучка на оптический центр прибора - в точку пересечения всех активных осей вращения гониометра. В качестве образца можно использовать проволочку, крошку, пластинку либо порошок в специальной кювете. Образец размещается в держателе P на оси первичного пучка. Первичный пучок, выходящий из окна рентгеновской трубки проходит через систему щелей S1 и S2 на входе гониометра и попадает на образец. Дифрагированные лучи, ограничиваются щелями на входе детектора.

Для регистрации используются кристаллический сцинтилляционный счетчик с фотоумножителем, либо линейный детектор на базе пропорционального газового счетчика.

Эффективность регистрации обеспечивается геометрической конфигурацией прибора, рассчитанной на фокусировку в схеме Брэгга-Брентано. Это означает, что точечный фокус трубки, центр плоскости образца входная щель счетчика находятся на одной окружности, (см. рис. 2.1).

Дифрактограмма поликристаллического материала.

Основная подготовительная стадия - юстировка образца на столике гониометра. Предварительная съемка дебаеграмм может потребоваться только для проверки образца на размер зерна: в случае грубозернистого порошка либо текстурированного шлифа дифракционная линия оказывается "рваной" и соотношения интенсивностей искажаются.

Кинематическая схема прибора позволяет производить съемку при заданных - независимых либо взаимосвязанных - вращениях образца и счетчика. Для плоских образцов практически используется режим связанного движения - угловые скорости вращения детектора и образца вокруг общей оси соотносятся, как два к одному. На рис. 2.2 представлена схема съемки в виде построения Эвальда.

Рис. 2.2 Построение Эвальда для дифрактометрии плоского поликристаллического образца
g(0) - вектор нормали к поверхности образца в начальном положении съемки;
g(1), g(2) - положения нормали к поверхности после поворотов образца;
D(0) - положение счетчика в исходной позиции сцепки;
D(1), D(2) - положения счетчика после поворотов образца

Дифрактограмма монокристалла.

На начальной стадии всегда проводятся предварительные съемки и детальная геометрическая проработка эксперимента, основанная на согласовании заданных кристаллографических осей с осями прибора. Так, для минимальной задачи - регистрация одного дифракционного максимума (hkl) - необходимо сначала определить ориентацию образца и затем выставить данную кристаллографическую плоскость параллельно главной оси гониометра. Далее требуется согласовать начальные положения образца и счетчика. Как показано на рис. 2.3, если детектор находится в позиции D(0) - вдоль оси первичного пучка, то положение нормали должно соответствовать позиции G(0) - перпендикулярно пучку. В этой конфигурации сцепки можно регистрировать для выбранной кристаллографической плоскости (hkl) все порядки отражения. Следующей по уровню сложности задачей могут быть измерения для серии рефлексов. В этом случае исходная юстировка кристалла требует, например, совмещения конкретного узлового ряда [mnp] с осью гониометра. В этой установке набор рефлексов, принадлежащих к данной зональной плоскости обратной решетки, в принципе доступен для записи дифрактограмм. Переход от одного рефлекса к другому в принципе достигается при варьировании параметров сцепки образец - счетчик.

Рис. 2.3 Построение Эвальда для дифрактометрии монокристаллического образца g(0) - положение вектора g₁₁₁ в начальной позиции сцепки; D(0) - положение счетчика в начальной позиции; g(1) - положения вектора g₁₁₁ при регистрации рефлекса (111); g(2) - положения вектора g₁₁₁ при регистрации рефлекса (222);

Обратим внимание, что в построении рис. 2.3 применяется удобная в практической дифрактометрии масштабная сетка :

|k| = |k_o| = 1
|>i>G_hkl| = l / d_hkl

В этой сетке каждый узел обратной решетки расщеплен на спектральные компоненты либо даже "размыт" вдоль радиус-вектора, если излучение не монохроматическое. Такой масштаб может облегчить интерпретацию картины дифракции, регистрируемой для реального кристалла, особенно при наличии двойников, сателлитов и т.п. в ближайших окрестностях основного узла.