РЕНТГЕНОГРАФИЯ

РЕНТГЕНОГРАФИЯ
РЕНТГЕНОГРАФИЯ - совокупность методов исследования строения
кристаллических и аморфных веществ, основанных на изучении дифракции
рентгеновских лучей. В рентгенографии используют в основном
характеристическое рентгеновское излучение; дифракционные картины
регистрируют
либо
фотометодом,
т.е.
на
рентгеновской
пленке
(рентгенограммы), или дифрактометрическим методом с помощью счетчиков
ионизирующего излучения (дифрактограммы).
Рентгенографические методы позволяют прецизионно измерять параметры
кристаллической решетки, исследовать процессы образования и распада
твердых растворов, устанавливать их тип и концентрацию, определять
величины макронапряжений в изделиях, коэффициент теплового расширения
и их анизотропию, изучать процессы диффузии, исследовать фазовые
диаграммы, определять в них границы растворимости фаз.
Анализ дифракционных картин дает сведения о процессах упорядочения в
твердых растворах, позволяет оценить силы межатомного взаимодействия.
Дефекты в кристаллических решетках материалов (дислокации, дефекты
упаковки и др.) изучают с помощью рентгеновской топографии, основанной на
том, что дефектные и бездефектные области кристалла по-разному рассеивают
рентгеновские лучи.
При бомбардировке вещества быстролетящими электронами (или другими заряженными
частицами) возникает электромагнитное излучение длиной волны от 10-4 до 800 ангстрем. Такое
излучение называется рентгеновским. Рентгеновское излучение невидимо для глаз человека.
Регистрируется оно благодаря способности засвечивать светочувствительные материалы
(фотографическая регистрация), вызывать свечение вещества (люминесцентные экраны,
сцинтилляционные счетчики). Распространяются рентгеновские лучи, как все электромагнитные
волны, прямолинейно, не отклоняясь электрическими и магнитными полями. На границе сред
они преломляются.
Спектр рентгеновских лучей содержит два налагающихся друг на друга излучения: сплошное или
тормозное с непрерывной полосой различных длин волн и характеристическое, состоящее из
отдельных линий определенных длин волн Тормозное излучение возникает при торможении
электронов антикатодом рентгеновской трубки. Оно разлагается в сплошной спектр, имеющий
резкую границу со стороны малых длин волн. Положение этой границы определяется энергией
падающих на вещество электронов и не зависит от природы вещества.
Характеристические рентгеновские лучи образуются при выбивании электрона одного из
внутренних слоёв атома с последующим переходом на освободившуюся орбиту электрона с
какого-либо внешнего слоя. Они обладают линейчатым спектром, аналогичным оптическим
спектрам газов. Однако между теми и другими спектрами имеется принципиальная разница:
структура характеристического спектра рентгеновских лучей (число, относительное расположение
и относительная яркость линий), в отличие от оптического спектра газов, не зависит от
вещества (элемента), дающего этот спектр. Спектральные линии характеристического спектра
рентгеновских лучей образуют закономерные последовательности или серии. Эти серии
обозначаются буквами K, L, M, N…, причем длины волн этих серий возрастают от K к L, от L к М и
т. д. Наличие этих серий теснейшим образом связано со строением электронных оболочек атомов.
Характеристические рентгеновские спектры испускают атомы мишени, у которых при
столкновении с заряженной частицей высокой энергии или фотоном первичного рентгеновского
излучения с одной из внутренних оболочек (K-, L-, M-, … оболочек) вылетает электрон.
Обычно прибором для рентгеноструктурного анализа служит дифрактометр, который включает
источник излучения, гониометр, детектор и измерительно-управляющее устройство. Гониометр
служит для установки (с точностью ок. 1-3 угловых секунд) исследуемого образца и детектора в
нужное для получения дифракционной картины положение. Детекторы представляют собой
сцинтилляционные, пропорциональные или полупроводниковые счетчики. Измерительное
устройство регистрирует (непрерывно или по точкам) интенсивность рентгеновских
дифракционных максимумов (отражений, рефлексов) в зависимости от угла дифракции - угла
между падающим и дифрагированным лучами. Иногда используют приборы с несколькими
детекторами, а также двухмерными позиционно-чувствительными детекторами (для
одновременного измерения интенсивности большого числа отражений).
Одним из главных узлов рентгеновского оборудования являются рентгеновские трубки.
В рентгеноструктурном анализе широкое распространение получили откаченные трубки (с
вакуумом 10-5- 10-6 мм рт.ст.)
Катод трубки - вольфрамовая нить накала, расположенная на расстоянии 5-10 мм от анода.
Для фокусировки электронного пучка ее помещают на дне металлического колпачка, который
соединен с нитью и имеет отрицательный по отношению к аноду потенциал. Ток накала 3,2- 4,0
А. В трубках с круглым фокусным пятном нить накала изготовлена в виде плоской спирали, в
трубках с линейным фокусом- в виде цилиндрической. Плохой вакуум в трубке вызывает
быстрое перегорание катода.
Анод - вылетевшие в результате термоэлектронной эмиссии электроны образуют вокруг нити
накала "электронное облако". Под действием приложенного высокого напряжения электроны
двигаются к аноду. При торможении электронов на поверхности анода их кинетическая энергия
переходит в тепловую энергию и рентгеновское излучение. При напряжениях на трубке 20-80 кВ
энергия рентгеновских лучей составляет не более 1-2% затраченной энергии. Вследствие этого
анод изготавливают из меди и стали и охлаждают проточной водой. Прекращение подачи воды
приводит к расплавлению зеркала анода и порче трубки.
Основные части рентгеновского аппарата:
- рентгеновская трубка;
- генераторное устройство,
обеспечивающее подачу на трубку
выпрямленного высокого напряжения;
- система стабилизации напряжения на
трубке, анодного тока и тока накала;
- питание цепей накала трубки и кенотрона;
- система охлаждения рентгеновской
трубки;
- система регулирования, контроля и
обеспечения безопасности работы;
- блок установки образцов (гониометр);
-блок регистрации спектров (самописец)
Основой рентгеновской спектроскопии высокого разрешения является
закон Вульфа-Брэга, который связывает длину волны рентгеновских лучей,
отраженных от кристалла, с межплоскостным расстоянием кристалла d.
Рис. 2. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1
— металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 — окна
из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 —
термоэмиссионный катод; 4 — стеклянная колба, изолирующая
анодную часть трубки от катодной; 5 — выводы катода, к
которым подводится напряжение накала, а также высокое
(относительно анода) напряжение; 6 — электростатическая
система фокусировки электронов; 7 — анод (антикатод); 8 —
патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей
анодный стакан.
Общий вид рентгеновских трубок для структурного анализа (а),
дефектоскопии (б) и медицинской рентгенодиагностики (в).
РЕНТГЕНОВСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ (рентгеноструктурный анализ) - метод
исследования атомно-молекулярного строения веществ, главным образом кристаллов,
основанный на изучении дифракции, возникающей при взаимодействии с исследуемым
образцом рентгеновского излучения длины волны порядка 0,1 нм.
Используют в основном характеристическое рентгеновское излучение, источником
которого служит рентгеновская трубка. Применяют также синхротронное излучение,
которое представляет собой нерасходящееся поляризованное рентгеновское излучение
большой интенсивности, возникающее в ускорителях при движении электронов по
круговым орбитам.
Лауэграмма монокристалла NaCI.
Каждое пятно представляет собой след
рентгеновского дифракционного отражения.
Диффузные радиальные пятна в центре
вызваны рассеянием рентгеновских лучей на
тепловых
колебаниях
кристаллической
решётки.
2d/sin θ = λ
РЕНТГЕНОВСКИЙ ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ - метод качественного и количественного
анализа фазового состава поликристаллических материалов, основанный на изучении
дифракции рентгеновских лучей.
Качественный РФА. Поскольку каждая фаза поликристаллического образца имеет
кристаллическую решетку с характерным набором расстояний d между параллельными
кристаллографическими
плоскостями,
рентгеновские
лучи
отражаются
от
кристаллографических плоскостей (и дифрагируют) с характерным только для данной
фазы набором брэгговских углов θ (угол между падающим лучом и отражающей
плоскостью) и относительных интенсивностей дифракционных отражений. Последние
регистрируют с помощью дифрактометров (дифрактограммы) или, реже, на рентгеновской
пленке (рентгенограммы). Дифракционная картина многофазного образца представляет
собой наложение дифракционных картин отдельных фаз. По положению дифракц.
максимумов (пиков на дифракто-грамме или линий на рентгенограмме) определяют углы
θ, а затем значения d рассчитывают в соответствии с условием Брэгга-Вульфа по
уравнению:
2d/sin θ = λ
(λ -длина волны рентгеновского излучения) или из таблиц, в к-рых приводятся значения
d(θ) при различных λ.
Количественный РФА многокомпонентного/многофазного материала основан на
зависимости отношения интенсивностей Im/In дифракционных пиков двух фаз m и n от
отношения массовых концентраций Сm/Сn этих фаз.
Интерпретировать дифракционную картину, получаемую с помощью рентгеновских лучей
на трехмерной кристаллический решетке можно двояко:
-кристалл рассматривают как совокупность атомных рядов, в этом случае дифракцию
рентгеновских лучей описывают уравнениями Лауэ (трехмерная решетка):
(1)
(3)
(2)
где αo, βo, γo - углы между осями X, Y,Z и направлением первичного пучка; αр, βр, γр - углы между осями
X,Y,Z и направлением дифрагированного пучка; а,b,с - периоды решетки вдоль осей X,Y,Z, p,q,r - целые
числа; λ- длина волны;
-кристалл представляют как пространственную структуру, состоящую из
параллельных, равноотстоящих друг от друга плоскостей (hkl). В соответствии с
расположением атомов в кристаллической решетке систему параллельных плоскостей можно
проводить различным образом, при этом будут различными расстояния dhkl между соседними
плоскостями (hkl).
Оба отраженных луча будут усиливать друг друга максимальным образом только в том случае, когда
разность хода составляет целое число волн, то есть при условии
(4)
где λ - длина волны, n - целое число.
Уравнение (4) называется уравнением Вульфа-Брэгга, а угол θ - брэгговским углом.