Рентгеновский дифрактомер. - Автоматизированная Интернет-система формирования баз данных репродуктивных и формализованных описаний естественнонаучных и научно-технических эффектов

Рентгеновский дифрактометр - прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновского излучения, дифрагированного на кристаллическом объекте. Рентгеновский дифрактометр применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа. Он позволяет измерять интенсивности дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до 10-х долей процента и углы дифракции с точностью до 10-х долей минуты. С помощью рентгеновского дифрактометра можно производить фазовый анализ поликристаллических объектов и исследование текстур, ориентировку монокристальных блоков, получать полный набор интенсивностей отражений от монокристалла, исследовать структуру многих веществ при различных внешних условиях и так далее.

Рентгеновский дифрактометр состоит из источника рентгеновского излучения, рентгеновского гониометра, в который помещают исследуемый образец, детектора излучения и электронного измерительно-регистрирующего устройства.В рентгеновском дифрактометре в отличие от камер для регистрации излучения не используют фотоматериалы или люминесцирующие пластины, а применяют сцинтилляционные, пропорциональные, полупроводниковые детекторы. В процессе измерения счётчик перемещается в гониометре и регистрирует в каждой точке число фотонов дифрагированного излучения за определенный интервал времени. Используются также одномерные и двумерные позиционночувствительные счётчики указанных выше типов, фиксирующие одновременно и факт попадания фотона в детектор и его пространственные координаты в детекторе. Одномерными и двумерными детекторами можно параллельно измерять дифракционную картину во многих точках и тем самым ускорять регистрацию одновременно возникающей одномерной или двумерной картины и упростить устройство гониометров. Например, рентгеновский дифрактометр для поликристаллических образцов с одномерным детектором или рентгеновский дифрактометр для макромолекул ярных кристаллов с двумерным детектором позволяют на два порядка сократить время измерения при соответствующем сокращении дозы облучения образца.

Расшифровка атомной структуры кристалла включает: установление размеров и формы его элементарной ячейки; определение принадлежности кристалла к одной из 230 федоровских групп симметрии кристаллов; получение координат базисных атомов структуры. Первую и частично вторую задачи можно решить методами Лауэ и качания или вращения кристалла. Окончательно установить группу симметрии и координаты базисных атомов сложных структур возможно только с помощью сложного анализа и трудоёмкой математической обработки значений интенсивностей всех дифракционных отражений от данного кристалла. Конечная цель такой обработки состоит в вычислении по экспериментальным данным значений электронной плотности r(х, у, z) в любой точке ячейки кристалла с координатами x, у, z. Периодичность строения кристалла позволяет записать электронную плотность в нём через Фурье ряд:

где V — объём элементарной ячейки, F_hkl — коэффициенты Фурье, которые называются структурными амплитудами, i =

. Каждая структурная амплитуда характеризуется тремя целыми числами hkl и связана с тем дифракционным отражением. Назначение суммирования (1) — математически собрать дифракционные рентгеновские отражения, чтобы получить изображение атомной структуры. Производить таким образом синтез изображения приходится из-за отсутствия в природе линз для рентгеновского излучения (в оптике видимого света для этого служит собирающая линза).

Дифракционное отражение — волновой процесс. Он характеризуется амплитудой, равной ½F_hkl½, и фазой a_hkl (сдвигом фазы отражённой волны по отношению к падающей), через которую выражается структурная амплитуда: F_hkl =½F_hkl ½(cosa_hkl + isina_hkl). Дифракционный эксперимент позволяет измерять только интенсивности отражений, пропорциональные ½F_hkl½², но не их фазы. Определение фаз составляет основную проблему расшифровки структуры кристалла. Определение фаз структурных амплитуд в принципиальном отношении одинаково как для кристаллов, состоящих из атомов, так и для кристаллов, состоящих из молекул. Определив координаты атомов в молекулярном кристаллическом веществе, можно выделить составляющие его молекулы и установить их размер и форму.

Легко решается задача, обратная структурной расшифровке: вычисление по известной атомной структуре структурных амплитуд, а по ним — интенсивностей дифракционных отражений. Метод проб и ошибок, исторически первый метод расшифровки структур, состоит в сопоставлении экспериментально полученных ½F_hkl½_эксп, с вычисленными на основе пробной модели значениями ½F_hkl½_выч. В зависимости от величины фактора расходимости

пробная модель принимается или отвергается. В 30-х гг. были разработаны для кристаллических структур более формальные методы, но для некристаллических объектов метод проб и ошибок по-прежнему является практически единственным средством интерпретации дифракционной картины.

Принципиально новый путь к расшифровке атомных структур монокристаллов открыло применение т. н. функций Патерсона (функций межатомных векторов). Для построения функции Патерсона некоторой структуры, состоящей из N атомов, перенесём её параллельно самой себе так, чтобы в фиксированное начало координат попал сначала первый атом. Векторы от начала координат до всех атомов структуры (включая вектор нулевой длины до первого атома) укажут положение N максимумов функции межатомных векторов, совокупность которых называется изображением структуры в атоме 1. Добавим к ним ещё N максимумов, положение которых укажет N векторов от второго атома, помещенного при параллельном переносе структуры в то же начало координат. Проделав эту процедуру со всеми N атомами, мы получим N² векторов. Функция, описывающая их положение, и есть функция Патерсона.
Для функции Патерсона Р (u, u, w) (u, u, w — координаты точек в пространстве межатомных векторов) можно получить выражение:

из которого следует, что она определяется модулями структурных амплитуд, не зависит от их фаз и, следовательно, может быть вычислена непосредственно по данным дифракционного эксперимента. Трудность интерпретации функции Р (u, u, w) состоит в необходимости нахождения координат N атомов из N² её максимумов, многие из которых сливаются из-за перекрытий, возникающих при построении функции межатомных векторов. Наиболее прост для расшифровки Р (u, u, w) случай, когда в структуре содержится один тяжёлый атом и несколько лёгких. Изображение такой структуры в тяжёлом атоме будет значительно отличаться от др. её изображений. Среди различных методик, позволяющих определить модель исследуемой структуры по функции Патерсона, наиболее эффективными оказались так называемые суперпозиционные методы, которые позволили формализовать её анализ и выполнять его на ЭВМ.

Рентгеновский дифрактометр обладают более высокими по сравнению с рентгеновскими фотографическими камерами точностью, чувствительностью, экспрессностью, большим динамическим диапазоном. Процесс получения информации врентгеновском дифрактометре может быть полностью автоматизирован, а обработка может производиться очень быстро, поскольку в них отсутствует необходимость проявления фотоплёнки или считывания с пластин фотолюминесценции (рентгеновская фотографическая камера с регистрацией на пластину с фотостимулированной люминесценцией, оборудованная считывающим устройством, управляемым ЭВМ, по степени автоматизации эквивалентнарентгеновскому дифрактометру). Универсальные рентгеновские дифрактометры для поликристаллических материалов могут быть использованы для различных рентгеноструктурных исследований: фазового количественного и качественного анализа, текстурных исследований, изучения фазовых превращений, ориентирования монокристаллов, исследований малоуглового рассеяния и т. д., путём замены приставок к гониометрическому устройству. Так, существуют приставки для крупнокристаллических образцов, исследований текстуры, низкотемпературных (до температур жидкого азота и гелия) и высокотемпературных (до температур около 3000 °К) исследований, приставки для ориентирования монокристаллов и т. д. Управляющая ЭВМ и соответствующие программы позволяют автоматически получать дифракционную картину и рассчитывать конечные результаты даже в универсальном рентгеновском дифрактометре. В больших лабораториях применяются более производительные и точные специализированные дифрактометры, предназначенные для решения какой-либо одной задачи. Источником излучения в рентгеновском дифрактометре может быть отпаянная рентгеновская трубка с точечной или линейной проекцией фокуса с использованием в качестве коллиматоров соответственно круглых или щелевых диафрагм. Для повышения яркости источника и сокращения времени эксперимента на порядок применяют непрерывно откачиваемые рентгеновские трубки с вращающимся анодом. На два и более порядка можно ускорить дифракционный эксперимент в дифрактометре, если использовать в качестве рентгеновского источника синхротронное излучение.

В настоящее время широкое распространение в порошковой дифрактометрии получила вертикальная геометрия — Брэгга-Брентано, которая заменила традиционную вертикальную или горизонтальную геометрию — 2 . При использовании геометрии — предметный столик остается неподвижным при сканировании и находится в горизонтальном положении, это позволяет анализировать даже непрессованные порошки или жидкости.

Использование такой геометрии на дифрактометре позволяет подбирать оптимальную конфигурацию и проводить последующую модернизацию модульной системы дифрактометра.
В зависимости от типа анализа или вида пробы конфигурация системы легко изменяется за счет дополнительных компонентов оптики и модульной конструкции столика, которая позволяет пользователям менять столики без длительной процедуры настройки. Штекерная система позволяет быстро заменять приставки столика и изменять конфигурацию оптики без утомительной регулировки.

Последние достижения в прецизионной механике значительно улучшили надежность и точность системы цифрового серво-привода высокого разрешения с оптическим декодером, что позволило увеличить точность позиционирования декодера до 0.00025 градуса.

Управляемые компьютером щели падающего и отраженного пучка дают возможность оператору постоянно подстраивать щели дифрактометра, позволяя выбирать оптимальный баланс между интенсивностью и угловым разрешением. Возможность постоянной подстройки также позволяет оптимизировать положения щелей в зависимости от кристаллографии материалов.

Оптическая схема позволяет одновременно устанавливать в отрегулированные положения парафокусирующую оптику и тонкопленочный колли-матор высокого разрешения. В результате повышается интенсивность без потерь в разрешении и снижение фона. Для устранения эффектов связанных с наклоном образца относительно плоскости дифракции при измерении полюсных фигур и анализе напряжений с помощью полукруглой приставки используется точечный коллиматор, ограничивающий поперечное сечение первичного пучка с двух сторон — вдоль и поперек плоскости дифракции. При этом значительно снижается чувствительность рентгеновской оптической схемы к наклонам образцов и улучшается разрешение.

Возможность устанавливать плоский и изогнутый монохроматоры при работе со сцинтилляционным детектором позволяет отфильтровывать характеристическое Kβ излучение.

1. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994

2. Хейкер Д. М., Зевин Л. С., Рентгеновская дифрактометрия, М., 1963


Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты

Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

	Рентгеновский дифрактомер.