Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ДИФРАКЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Мониторы пучков рентгеновского излучения

При проведении рентгеновских дифракционных и рентгеноспектральных исследований требуется с высокой точностью знать положение пучка рентгеновских лучей, падающего на образец, его интенсивность и спектральный состав. Для этой цели разработано множество методов и инструментов контроля, которые используют в экспериментах на лабораторных установках с рентгеновскими трубками и на синх- ротронном излучении. Иногда обе эти функции совмещаются в одном устройстве.

Высокая интенсивность пучков синхротронного излучения делает их юстировку и контроль положения и интенсивности несколько сложнее, по сравнению с пучками фотонов рентгеновских трубок. Например, суммарная мощность излучения в прямом пучке белого СИ достаточна для расплавления даже тугоплавких металлов, если их не охлаждать принудительно. Интенсивность монохроматических лучей поворотных магнитов современных источников СИ, как правило, выше динамического диапазона почти всех существующих в настоящее время детекторов. В случае СИ для контроля интенсивности и положения пучков приходится всегда пользоваться методами косвенного или электронного контроля.

Для регистрации положения и интенсивности очень мощных пучков белого синхротронного излучения применяя- ют метод получения “ожогов” от пучка на обычном стекле или полированных пластинках из нержавеющей стали. Полученные изображения вполне достаточны для определения пространственного положения пучка, размеров и формы его сечения.

Для точного определения формы и размеров пучка рентгеновских лучей самым очевидным методом является “пощупать” пучок каким-либо поглощающим рентгеновские лучи предметом или посмотреть на его изображение на светящемся экране перекрывающем пучок.

Существует целый ряд веществ, которые проявляют люминесценцию в видимой области под действием жестких рентгеновских лучей. Очень давно в качестве такого вещества применяется сульфид цинка. Иногда для тех же целей применяют сульфид кадмия (гп,Сс1)8:А§, а также монокристаллы вольфрамата кадмия (СбЮ4), которые тоже хорошо действуют в качестве люминесцентного экрана. В последнее время разработаны новые намного более яркие и чувствительные по сравнению с 2пБ флуоресцентные экраны из оксисульфата гадолиния допированного тербием (ОсЮ28:ТЬ3+). Если требуется документирование или подробный анализ сведений о рентгеновских пучках, то используются специальные мгновенно проявляющиеся бумаги и пленки. При попадании на них рентгеновских лучей они в месте попадания практически мгновенно меняют свой цвет, а получающаяся плотность окраски пропорциональна интенсивности прошедших лучей.

Однако, способы контроля положения и интенсивности с помощью люминофоров или запоминающих пленок не очень точны и могут оказаться полезными только при грубых юстировках рентгенооптических систем. Для более точных измерений применяются специальные сканеры рентгеновских пучков.

Самым простым является клиновидный сканер, представляющий собой пластинку из сильно поглощающего рентгеновские лучи металла, край которой может перекрывать определенную часть пучка.

Проволочный сканер обеспечивает более прямое измерение формы. Натянутая вертикально или горизонтально металлическая тонкая (50-100 мкм) проволока, в зависимости от направления измерения формы пучка, шагами проводится поперек пучка, а на каждом шаге отслеживается либо ее рентгеновская флуоресценция, измеряемая специальным детектором, либо измеряется фототок, индуцируемый в проволоке поглощенным по механизму фотоэффекта.

Сканер из диафрагмы с точечным отверстием дает возможность наиболее полного двумерного описания формы сечения пучка. Небольшим отверстием, сделанным в сильно поглощающей пластине, размер которого значительно (по крайней мере в 5-10 раз) меньше минимального размера исследуемого пучка, сканируется сечение пучка и измеряется интенсивность, проходящая через отверстие.

Общим недостатком рассмотренных методов определения положения и формы рентгеновских пучков является необходимость перекрывания пучка, поэтому они применимы при подготовке экспериментов, но не позволяют проводить постоянное наблюдение в процессе эксперимента без его остановки. Для этого разработан ряд методов оперативного слежения за положением рентгеновских пучков без их перекрывания или с частичным перекрыванием с помощью мониторов положения и интенсивности рентгеновского пучка.

Детекторы краев пучка измеряют интенсивность на периферии сечения пучка слева, справа, снизу и сверху от пучка и фактически действуют подобно сканерам ножевого типа с той разницей, что не перекрывают пучок полостью, а касаются своими пластинами только его самых внешних краев. Попадающие на край пластины фотоны пучка поглощаются в материале и создают в нем фотоэлектроны, которые образуют фототок от контакта, прикрепленного к внешней стороне пластины к земле. Величина этого фототока пропорциональна интенсивности потока фотонов в месте касса- ния пластины с пучком. Чем глубже пластина проникает в пучок, тем больше фототок. В качестве детектирующих пластин обычно исполь зуются тонкие пластины (толщиной порядка 0.1 мм) из вольфрама или СУБ алмаза (синтетического алмаз, получаемого методом химического эпитаксиального осаждения из газовой фазы).

На конечной стадии подготовки пучка для эксперимента, как правило, проводится наблюдение положения пучка с помощью позиционно чувствительных ионизационных камер (камеры устанавливаются обычно в непосредственной близости перед исследуемым образцом). Данный метод позволяет одновременно в реальном времени следить, как за положением и размерами пучка, так и за его интенсивностью.

Рис. 10.4. Принцип определения положения пучка рентгеновского излучения по детектированию его периферии [4].

В качестве мониторов положения и интенсивности пучков СИ также очень широко используется метод измерения с помощью обычных рентгеновских детекторов излучения, рассеиваемого каким-либо веществом прозрачным для рентгеновского излучения. Этот метод получил особенно широкое развитие с появлением миниатюрных р/'и-диодных детекторов рентгеновских лучей, которые обладают высокой скоростью счета и могут работать, как в режиме счета отдельных квантов с разрешением по энергии, так и в режиме измерения фототока подобно газовым ионизационным камерам (рис. 10.5). В этом мониторе рассеивателями могут быть аморфные полимерные пленки, монокристаллы бериллия, металлические фольги.

Монитор положения пучка по рассеянному излучению, предназначенный для определения вертикального смещения пучка

Рис. 10.5. Монитор положения пучка по рассеянному излучению, предназначенный для определения вертикального смещения пучка. Обычно в качестве рассеивателя используют полимерную (каптоновую или май- ларовую) пленку или монокристал- лические пластины бериллия [4].

Монокристальные монохроматоры используются в рентгеновской технике для выделения монохроматических волн с момента открытия дифракции рентгеновских лучей Действие этих устройств основано на отражении монокристаллом рентгеновских лучей с длиной волны, определенной условием Вульфа-Брэгга, которые затем используются в кА- честве первичного пучка в дифракционных или спектральных исследованиях.

При работе на СИ монохроматоры применяются, как для отбора излучения с нужной длиной волны, так и для управления размерами и пространственным положением пучков рентгеновских лучей, а также в качестве спектрометров, обеспечивающих сканирование энергии рентгеновских лучей с высоким разрешением.

К настоящему времени разработано много разных схем монохромагизации рентгеновских лучей с помощью кристаллических монохроматоров. В таблице 10.1. приведено краткое описание и основные характеристики наиболее часто используемых из них.

Как видно из приведенных схем, монохроматоры состоят из дифракционно отражающих монокристаллов, которые должны быть установлены на устройстве, обеспечивающем регулировку угла между отражающими кристаллографическими плоскостями и направлением рентгеновских лучей. В фокусирующих схемах дополнительно требуется устройство для контролируемого изгиба кристалла.

Особенностью конструкции монохроматоров, работающих на пучках СИ, является необходимость охлаждения кристаллов, что связано с большой мощностью излучения, которое при поглощении может вызывать сильный локальный нагрев кристалла и искажение его геометрии и структуры.

Симметричная геометрия Брэгга

Отражающие атомные плоскости параллельны поверхности плоского кристалла. Применяется для получения пучков параллельных монохроматических лучей. Формируют строго параллельные пучки из первичного пучка, даже, если он обладает расходимостью или сходимостью. При отражении размеры сечения пучка не меняются. Широко применяются в рентгено-оптических системах дифрактометров.

Асимметричная геометрия Брэгга

Обладает свойством сжимать сечение пучка в пропорции яша/вшр, за счет чего возрастает плотность потока фотонов в мо- нохроматизированном пучке. Для изготовления могут использоваться любые кристаллы, применяемые для монохроматиза- ции рентгеновских лучей, но параллельные пучки получаются с помощью совершенных безмоза- ичных кристаллов. Поверхность кристалла срезается под углом к отражающей атомной плоскости. Выходящие лучи проходят боль-

ший путь в материале кристалла, чем входящие. Поэтому оптимальный угол р обычно составляет 5-10°. При меньших Р сжатие пучка будет сильнее, но возрастет поглощение дифрагированных лучей кристалллом и эффекта усиления интенсивности не будет.

Симметричная геометрия Лауэ

Используются тонкие монокрис- таллические пластины с отражающими атомными плоскостями перпендикулярными к поверхности. Можно работать и с отражающими плоскостями, располагающимися под произвольным углом к поверхности кристалла, но это увеличивает путь лучей в кристалле и из-за поглощения снижает интенсивность монохро- матизированного пучка. При прохождении сквозь кристалл сечение пучка сохраняется. Одновременно, благодаря экранированию кристаллом, происходит частичная фильтрация от рассеянного излучения. Прошедший без дифракции прямой пучок рентгеновских лучей может либо далее использоваться для других целей, либо должен быть в целях

безопасности полностью поглощен ловушкой первичного пучка. Кристалл не должен иметь высокий коэффициент поглощения для выделяемой длины волны.

Геометрия Кошуа

Первый фокусирующий монохроматор, позволивший сильно повысить чувствительность и разрешающую способность рентгеноспектрального анализа, представляет собой модифицированную геометрию монохроматора Лауэ: отражающие атомные плоскости монокристалла фокусируются в точке N благодаря упругому изгибу монокристал- лической пластинки по некоторому радиусу (г -радиус фокальной окружности). Полихроматические лучи падают на кристалл с выпуклой стороны и, проходя сквозь него, лучи удовлетворяющие условию Брэгга сходятся в маленькое пятно И на фокальной окружности. Условию отражения одновременно могут удовлетворять только лучи, сходящиеся в точке Р на фокальной окружности. До изгиба кристалла отражающие плоскости могут

располагаться под любым углом к поверхности монокристал- лической пластинки. Однако, при большом наклоне отражающих плоскостей к поверхности кристалла путь луча в кристалле увеличивается и поглощение может сильно снижать интенсивность монохроматизированных лучей. Как видно из рисунка, крайние лучи исходят из точек кристалла, которые уже не касаются фокального круга, поэтому они могут пересекаться только на круге большего радиуса, чем изображенный, т.е. фокусировка в данном монохроматоре не идеальна. Монохроматоры этого типа до настоящего времени широко используются в рентгеновской спектрометрии для исследования области спектра 0.6-1.7 А.

Геометрия Иоганна

Позволяет получать сфокусированные пучки монохроматических лучей из расходящихся первичных пучков. Является модификацией схемы спектрометра Кошуа путем замены отражения по Лауэ на отражение по Брэггу. Поэтому данной геометрии свойственны теже самые нару-

шения фокусировки для лучей, исходящих от части кристалла, не лежащей на окружности фокусировки так, что фокусное пятно лучей не является точкой, а оказывается размытым по области /7. Достоинством по сравнению со схемой Кошуа является возможность использования более толстых кристаллов и кристаллов, имеющих высокий коэффициент поглощения.

Геометрия Иогансона

Является улучшением схемы Иоганна: устранена свойственная ей дефокусировка крайних лучей. Для этого, кроме упругого изгиба кристалла по радиусу 2г, в нем дополнительно делается вышлифовка по радиусу окружности фокусировки. В результате, отражающие плоскости касаются окружности фокусировки на всей длине кристалла и Дефокусировка исчезает. Действие монохроматора Иогансона можно сравнить с асимметричным брэгговским плоским монохроматором, но в данном случае для достижения эффекта фокусировки лучей отражающая атомная плоскость упруго изогнута. Дан-

ный монохроматор обладает большей светосилой и резкостью фокусировки по сравнению со спектрометром Иоганна, но существенно сложнее в изготовлении.

Логарифмически изогнутый кристалл

Дает острую фокусировку моно- хроматизированного пучка и не требует прецизионной механической обработки кристалла при изготовлении. Логарифмическая спираль (спираль Бернулли) описывается уравнением г = <яехр{/хр}, где г - радиус- вектор любой точки; а - радиус- вектор в точке отсчета; Ь - константа спирали, равная котангенсу угла между радиус-вектором и касательной к линии спирали; ф - угол поворота от вектора а до вектора г. Логарифмическая спираль обладает свойством: что любая прямая, выходящая из полюса спирали, пересекает виток под одним и тем же углом, в результате чего может обеспечиваться острая фокусировка.

Табл. 10.1. Основные схемы монохроматизации с помощью кристаллов [4].

Важнейшей частью монохроматоров является кристалл, качество которого определяет все основные параметры монохроматора и область его возможного применения. При выборе кристалла значимыми характеристиками являются отражающая способность и совершенство кристаллической структуры, которые определяют спектральную разрешающую способность монохроматора.

Энергетическое разрешение кристалла-монохроматора (спектральная полоса пропускания монохроматора) определяет ширину спектрального интервала, который можно вырезать с его помощью из белого излучения. Например, чтобы разделять близко расположенные пики на дифрактограмме порошка, необходимо проводить дифрактометрию на квази- монохроматическом излучении с узкой спектральной линией.

Наиболее четкие дифрактограммы, пригодные для расшифровки сложных структур, на лабораторных дифрактометрах получаются, если съемка ведется на одной линии Ка дублета характеристического излучения рентгеновской трубки, т.е. в очень узком спектральном интервале. Для получения подобного результата на монохроматизированном синх- ротронном излучении надо, чтобы ширина вырезаемой монохроматором спектральной полосы была не более половины междублетного расстояния Ка - Ка2, которое составляет 0.00382 А (19.907 эВ) для медного излучения или 0.004284 А (104.85 эВ) для излучения молибдена. Таким образом, для отбора излучения с шириной спектра, удовлетворительной для порошковой дифрактометрии высокого разрешения, требуется монохроматор, обеспечивающий разрешение не хуже 9 эВ в длинноволновой области и 50 эВ в коротковолновой области выбранного интервала белого спектра.

Разрешающая способность монохроматора при брэгговском отражении от монокристалла определяется шириной распределения мозаичности используемого в нем кристалла, т.е. совершенством его кристаллической структуры. Наиболее высокое спектральное разрешение достигается с помощью почти идеальных безмозаичных кристаллов, имеющих собственную ширину брэгговского отражения близкую к дарвиновской ширине кривой дифракционного отражения. Дарвиновская ширина является свойственной идеальному кристаллу шириной рентгеновского дифракционного отражения [5].

На практике в качестве монохроматоров применяются, как совершенные, так и мозаичные кристаллы. Мозаичные кристаллы, часто используемые в лабораторных рентгеновских установках, имеют высокую интегральную отражательную способность, но отбираемое с их помощью излучение обладает широким энергетическим спектром и значительной угловой расходимостью. Совершенные кристалллы дают очень узкие дифракционные пики, ширина которых практически равна дарвиновской ширине кривой дифракционного отражения, и имеют очень высокую отражающую способность в максимуме.

В лабораторных дифрактометрах, как правило, используется спектральная линия характеристического излучения рентгеновской трубки, интенсивность которой изначально значительно превышает интенсивность непрерывного фона, а ширина линии очень мала даже без разделения дублета Ка. Поэтому задача монохроматизации в лабораторном дифрактометре заключается в подавлении интенсивности непрерывного фона, других линий характеристического излучения кроме используемой, а также возможных линий флуоресцентного излучения, причем, важно максимально сохранить интенсивность используемой характеристической линии. В этом случае от монохроматора не требуется особенно высокого спектрального разрешения, важно, чтобы он обладал высокой отражательной способностью на нужной характеристической длине волны. Поэтому в лабораторных установках очень широко применяются однокристальные монохроматоры из псевдокристалллов пиролитического графита, обладающие очень высокой интегральной отражательной способностью, но имеющие большую ширину мозаичности и, следовательно, сравнительно низкую разрешающую способность по длине волны. Кроме того, при работе с характеристическим излучением рентгеновской трубки брэгговский угол монохроматора настраивается на длину волны характеристической линии в первом порядке отражения, а интенсивность высших гармоник, которые могут проходить через монохроматор, обусловлена лишь тормозным излучением и, поэтому, пренебрежимо мала по сравнению с интенсивностью характеристического излучения.

Иная ситуация в случае синхротронного излучения. В рентгеновском диапазоне непрерывного спектра СИ потоки фотонов с разной энергией (длиной волны) имеют приблизительно один порядок величины, поэтому интенсивность высших гармоник, пропускаемых кристаллом-монохроматором, может быть сравнима с интенсивностью основного отражения. В результате монохроматизированный кристаллом пучок рентгеновских лучей, полученный из белого спектра СИ, будет содержать набор кратных длин волн, которые при взаимодействии с исследуемым образцом могут сильно искажать результаты эксперимента. Кроме того, монохроматор должен отобрать из непрерывного спектра СИ очень узкую полосу с нужной длиной волны и спектральным разбросом не более ширины характеристической спектральной линии, которая была бы у излучения рентгеновской трубки с соответ- стующим анодом. Поэтому для монохроматора синхротрон- ного излучения наряду с высокой отражательной способностью очень важна узкая спектральная полоса пропускания.

Из-за особенностей устройства источников СИ и свойств излучения по сравнению с излучением рентгеновских трубок техника монохроматизации синхротронного излучения имеет ряд особенностей, обусловленных главным образом:

  • 1) большой мощностью СИ, создающей при поглощении большие тепловые нагрузки на кристаллы, что требует принудительного охлаждения;
  • 2) невозможностью перемещать в пространстве источник излучения, что требует перемещать пучок рентгеновских лучей к образцу с помощью оптики, в том числе и с помощью монохроматоров;
  • 3) поляризацией пучка в горизонтальной плоскости, которая заставляет располагать плоскости дифракции кристаллов вертикально, чтобы минимизировать потери интенсивности и изменение интенсивности из-за влияния поляризационного множителя при перестройке на другую длину волны.

Таким образом, при монохроматизации пучка СИ одним кристаллом с вертикально расположенной дифракционной плоскостью выходящий пучок будет отклоняться от горизонтальной плоскости и работать с ним будет весьма сложно, так как придется поднимать и наклонять измерительную установку, что невозможно.

Поэтому для отбора излучения в синхротронных канна- лах, как правило, применяют двухкристальные монохроматоры [4], позволяющие менять пространственное положение пучка отобранного излучения относительно первичного пуч-

юо ка СИ, не меняя его направления.

Принцип действия двухкристального монохроматора с параллельной установкой двух одинаковых кристаллов показан на рис. 10.6. Такая схема расположения кристаллов называется бездисперсионной схемой дифракции (+п, -я) [5, 6]. Для прохождения пучка лучей между кристаллами и разделения входящего и выходящего пучков дифрагирующие плоскости кристаллов смещаются друг относительно друга на несколько сантиметров. Поскольку для монохроматизации синхротронного излучения чаще всего применяются совершенные кристаллы, обладающие почти единичной пиковой отражательной способностью, то добавление второго кристалла мало влияет на интенсивность выходящего пучка.

Принципиальная схема хода пучка лучей в двухкристальном монохроматоре

Рис. 10.6. Принципиальная схема хода пучка лучей в двухкристальном монохроматоре. Монохроматизация производится двумя одинаковыми кристаллами М и М2 в антипараллельном положении (нормали +1 и -1 кристаллов направлены в противоположные стороны). Входная щель 51 обрезает пучок падающего излучения до размера апертуры первого кристалла. Луч /?, лежащий в горизонтальной плоскости, после отражения от кристалла уходит из горизонтальной плоскости в направлении Я. Кристалл М2 поворачивает луч /?1 так, что пучок монохроматических рентгеновских лучей снова направлен горизонтально и параллельно лучу И.

Простейшей конструкцией такого монохроматора является монохроматор прорезного типа, который изготавливается из толстого монокристаллического блока какого-либо совершенного кристалла путем прорезки в нем канала параллельно выбранной для отражения кристаллографической плоскости. Таким образом, получаются как бы два жестко связанных друг с другом параллельных кристалла. Такой монохроматор прост в изготовлении, управляется одним механизмом наклона, надежен в работе, но имеет один серьезный недостаток по сравнению с другими конструкциями двухкристальных монохроматоров. Фиксированное расстояние и жесткая связь между кристаллами приводит к тому, что, начиная с некоторых брэгговских углов, часть лучей, отраженных кристаллом М, перестает попадать на кристалл М2, и интенсивность мнохроматизированного пучка в направлении падает. Это сильно ограничивает диапазон длин волн, в котором может работать такой монохроматор.

Более подробно с принципами работы современных монохроматоров можно ознакомиться в [7].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>