Рентгеноструктурный анализ

ВИП-2-50-60; стойка с защитным кожухом рентгеновской трубки и механизмом юстировки; гониометрическое устройство ГУР-5 с приставками для вращения образцов в собственной плоскости для исследования преимущественных ориентировок кристаллов в поликристаллах, для получения полного набора интегральных интенсивностей от монокристаллов, для съемки неподвижных образцов; измерительно-регистрирующее устройство ЭВУ-1-4; устройство для вывода информации с цифропечатающим устройством и перфоратором, блок автоматического управления; трубки рентгеновские БСВ-12 и БСВ-14, блоки детектирования сцинтилляционные БДС-6, блоки детектирования пропорциональные БДП-2.

Дополнительные узлы: выносная стойка для работы фотометодом, установка рентгеновская высокотемпературная УРВТ-1500, установка рентгеновская низкотемпературная УРНТ-180, гониометрическое малоугловое устройство ГМУ, камера Дебая высокотемпературная с фоторегистрацией КРВТ-1300.

Рентгеновский дифрактометр ДРОН-3 (рис. 11)—дифракто­метр общего назначения — предназначен для проведения широко­го круга высокопрецизионных и экспрессных исследований.

Формирование рентгеновского пучка. Источником питания рентгеновской трубки служит питающее устройство типа ПУР-5/50, конструктивно являющееся оперативным столом ди-ррактометра. На нем, на поворотной плите, установлен механизм остпровкн, связывающий воедино рентгеновскую трубку с защит­ным кожухом, гониометр и радиационную защиту. В качестве рентгеновской трубки используются в зависимости от задач ис-;ледован.чя трубки типа БСВ-22, БСВ-23 или БСВ-24. Вблизи, жошка трубки установлена управляемая заслонка, прикрываю­щая выход рентгеновского излучения. Рентгеновский пучок про­водит через систему щелей Соллера и щелей, формирующих ра­бочий  пучок в  горизонтальном  и  вертикальном   направлениях,   и

Фокусирующая окружность

Рис.   9.   Схема      фокусировки      по Брэггу—Брентано

              Рис.10. Рентгеновский дифрактометр ДРОН-3.

падает на исследуемый образец. Дифрагированное излучение через вторую систему щелей Соллера и аналитическую щель по­падает в детектор. С целью повышения светосилы установки ис­пользуется расходящийся рентгеновский пучок и фокусировка по Брэггу—Брентано (рис. 9).

Фокусировка по Брэггу— Брентано основана на равенстве вписанных углов, опирающихся на одну и ту же дугу; фокус рентгеновской трубки РТ, регист­рирующая щель детектора и пло­ский образец должны лежать на одной окружности, называемой фокусирующей. При повороте об­разца радиус фокусирующей ок­ружное;'; меняется, а точка фо­кусировки смещается по окруж­ности постоянного радиуса — ок­ружности гониометра (рентгенов­ская трубка закреплена). Пово­рот образца на угол υ ведет к необходимости поворота щели де­тектора по окружности гониометра на центральный угол 2υ (ско­рость движения образца в 2 раза меньше, чем счетчика). Для повышения светосилы метода используется линейный фокус трубки, располагаемой перпендикулярно плоскости чертежа. Отличие фо­куса рентгеновской трубки от точечного, отклонение плоского об­разца от фокусирующей окружности и проникновение рентгенов­ски;; лучей в образец вызывают аберрации метода: асимметрич­ное размывание дифракционной линии и ее смещение.

[Цели Соллера представляют собой систему параллельно рас­положенных пластинок, зазор между которыми и их длина опре­деляют расходимость лучей в используемом пучке. Применение щелей Соллера позволяет использовать длинный линейный фо­кус без увеличения вертикальной расходимости пучка.

Детектор дифрактометра преобразует энергию кванта, попав­шего в детектор ионизирующего излучения, в электрический сиг­нал. В дифрактометре используются два блока детектирования: либо со сцинтилляционным счетчиком (БДС), либо с пропорцио­нальным (БДП). Сцинтилляционный счетчик состоит из кри­сталл ■(щинтиллятора Nal, активированного таллием, и фотоэлек­тронного умножителя ФЭУ-85. Амплитуда рабочего сигнала со­ставляет величину порядка 5 мВ. Эффективность счетчика для «структурного» рентгеновского излучения составляет 90—98%. Пропорциональный счетчик отпаянного типа СРПО-16 составляет основу блока детектирования БДП-2. Счетчик представляет со­бой газоразрядный прибор с наполнением смесью ксенона (90%) и метана (10%). В блоке смонтирован пятикаскадный предуси-читель z коэффициентом усиления 50, согласующий электриче­ские параметры сигнала с кабельным выходом. Амплитудное разрешение пропорционального счетчика на 7(а-излучении Си не более 20%, эффективность счетчика хуже, чем у сцинтилляцион-ного, и составляет 60%. Величина сигнала на выходе как сцин-тилляционного, так и пропорционального счетчиков пропорцио­нальна (в пределах от 2 до 100 кэВ) энергии падающего кванта рентгеновских лучей.

Усилитель предназначен для увеличения амплитуды сигналов до уровня, необходимого для работы следующих блоков элек-тронно-вычислительной системы. Линейно усиливаются входные сигналы с амплитудой от 2 до 250 мВ отрицательной полярности. Имеется возможность ступенчатого изменения коэффициента уси­ления. Уровень шумов на выходе усилителя, приведенный ко вхо­ду, не более 150 мкВ.

Одноканальный дискриминатор предназначен для амплитуд­ного анализа спектров сигнала и исключения побочных, лежащих га пределами выбранного окна. Энергетический спектр рентгенов­ских квантов можно условно разделить на коротковолновую часть, характеристическое излучение и длинноволновую часть бе­лого и флуоресцентного излучений. Соответственно этому элек­трические сигналы имеют различную амплитуду. Шумы усилите­ля или ФЭУ, как правило, имеют малую амплитуду по сравнению с рабочим сигналом. Дискриминатор может ограничивать про­хождение сигналов либо   меньших   определенного    уровня,  либо-

«сверху» и «снизу» некоторых уровней, пропуская лишь сигналы, энергия которых находится между этими уровнями. Это позво­ляет частично очистить регистрируемую дифракционную карти­ну от помех. Пропускаемый диапазон энергий сигналов назы­вается окном, ширина которого также может регулироваться в определенных пределах. Сужение окна приводит к улучшению «очистки» спектра. Оптимальные положения и ширина окна под­бираются экспериментально.

Регистраторы в дифрактометре ДРОН-3 предназначены для регистрации интенсивности дифракционной картины либо по ме­тоду измерения скорости счета квантов рентгеновского излуче­ния, либо по методу счета числа импульсов за выбранное время счета (Т = const), либо по методу определения времени, необхо­димого для набора выбранного числа импульсов   (iV = const).

Измерение скорости счета осуществляется по прямопоказы-вающему прибору интенсиметра и по записи на бумажной ленте самопишущего потенциометра КСП. Скорость счета, регистри­руемая интенсиметром, усредняется за время, выбранное вели­чиной RC — постоянной интегрирования.

Информация о количестве импульсов или времени набора им­пульсов образуется в пересчетной схеме в соответствии с выбран­ным режимом работы. Эта информация высвечивается на циф­ровом табло блока и выводится на цифропечатающую машинку АПМ и на перфорирующее устройство ПЛ.

Система управления и автоматики в дифрактометре. Эта часть дифрактометра весьма существенно зависит от типа дифракто­метра.

В дифрактометрах типа ДРОН-1; ДРОН-1,5; ДРОН-2 преду­смотрено в основном только задание некоторого постоянного ре­жима работы: непрерывная запись с выбранной скоростью дви­жения счетчика (и образца), пошаговое движение с постоянным выбранным временем регистрации в каждой точке и т. п.

В связи с    развитием    вычислительной    техники    в    систему управления  и  автоматики  новых дифрактометров  все  чаще  вво­дятся  программы  выполнения  различных  режимов  работы,  наи­более широко используемых для проведения исследований в ди­фрактометрах. Так, в дифрактометре ДРОН-3 в блоке автомати­ческого управления   (БАУ)    предусмотрено   выполнение   следую­щих алгоритмов:

а)    «Запись диаграммы» — производится запись дифракцион­ной картины на бумажную ленту в заданном угловом интервале с нанесением на нее угловых меток смещения детектора.

б)   «Регистрация по точкам» — в заданном угловом интервале производится шаговое движение (сканирование) счетчика и об­разца с измерением числа импульсов (Г=const) за выбранное экспериментатором время или времени набора заданного числа квантов (N = Const). Информация о результатах выводится на цифропечать или перфоленту для последующей обработки на ЭВМ.

в)   «Интегральный» — в заданном угловом интервале произво­дится сканирование счетчика с непрерывной регистрацией числа импульсов и с выводом суммарного числа импульсов.

г)    «Измерение фона» — реализуется система измерений, пре­дусмотренная режимом «интегральный», но дополнительно выво-дится информация о числе импульсов в начале и конце интерва­ла сканирования — значение фона.

С целью реализации этих режимов в БАУ предусмотрены со­ответствующие кнопки переключения и записи начального и ко­нечного значений углового интервала; гониометр должен быть установлен на начальный угол измерений. Возможна также ра­бот,-: .при ручном управлении и предусмотрен канал связи с управляющей  вычислительной  машиной,  например  M-60Q0.

Современные универсальные дифрактометры для поликристал­лов предусматривают систему автоматики и связи, обеспечиваю­щие работу приводов движения образца и счетчика, режимов аппарата и питание трубки, предварительную обработку накап­ливаемой информации и последующую работу аппарата в соот­ветствии с полученными результатами и их анализом. Это дости­гается использованием встроенных линий или микро-ЭВМ с на­перед заданным дискретным набором программ, либо набирае­мых экспериментатором, либо выбираемых автоматически по программе оптимизации эксперимента, заложенной в памяти ЭВМ. Такими дифрактометрами являются, например, ДРОН-УМ или АД П.

Гониометрическим устройством ДРОН-3 является ГУР-8. На­значение гониометра — крепление образца и детектора и обеспе­чение их угловых поворотов. Предусмотрен набор скоростей дви­жения детектора 1/32, 1/16,..., 8, 16°/мин. Образец может вра­щаться синхронно с детектором со скоростью в два раза мень­шей, а также от руки, независимо от положения детектора. Же­лательная скорость перемещения выбирается редуктором гонио­метра. Отсчет углов положения счетчика (или образца) осущест­вляется по лимбам, изображение которых проектируется на эк­ране гониометра. Если начальный угол положения шкалы был введен в память БАУ, то значение угла гониометра можно про­честь на цифровом табло БАУ.

При проведении измерения на дифрактометре гониометр дол­жен быть тщательно отъюстирован. В этом случае:

1)   фокус рентгеновской трубки находится на окружности, по которой перемещается аналитическая щель, а центр окружности лежит на осп вращения гониометра;

2)   линия, соединяющая середину фокуса- рентгеновской труб­ки и ось вращения гониометра (нулевая линия), проходит через середину аналитической щели при установке детектора в положе­ние «О»;

3} в положении «О» детектора плоскость образца совпадает с нулевой линией и осью вращения гониометра;

4)   расходящийся  первичный  пучок  рентгеновских лучей дол-

жен одинаково омывать справа   и слева   ось    вращения    гонио­метра;

5)   первичный  пучок  рентгеновских  лучей  лежит  в  плоскости

движения аналитической щели.

Аппаратурная погрешность измерения углов в гониометре не превышает 0,005°, цена деления отсчета на цифровом табло БАУ и экране гониометра 0,0Г.

Помимо ДРОН-2 и ДРОН-3 существуют также другие модификации ДРОН-1, ДРОН-0,5 [7]. ДРОН-2 и его модификации отличаются друг от друга по многим свойствам, а именно: 1)параметрами съемки (сек.), 2)регистрацией на носителях (компьютерной/ бумажной), 3)излучением, разные излучатели, 4)различные пределы измерения, 5)повышение точности в связи с появлением новых технологий.

Лабораторная работа “Определение параметров материалов по данным рентгенографии”

Цель работы: ознакомление с методами исследования материалов электроники и идентификации кристаллических веществ по рентгенограммам.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ

Метод неподвижного кристалла. Основы метода. В этом методе неподвижный кристалл осве­щается неоднородным пучком рентгеновских лучей (лучами со сплошным спектров). Если кристалл имеет явно выражен­ные грани, пучок лучей пропускают в направлении какой-нибудь из кристаллографических осей или осей симметрии кристалла.

Получающаяся дифракционная картина регистрируется на фото­пластинке, помещенной перпендикулярно к направлению первич­ного луча на расстоянии 30—50 мм от кристалла.

Принципиальная схема метода дана на рисунке слева; 1- рентгеновская трубка, 2 - диафрагма, 3 - кристалл, 4 - фотопластинка. Когда пучок неоднородных лучей падает на кристалл, каж­дая атомная плоскость отражает лучи соответствующей длины волны (согласно уравнению Вульфа-Брегга). В результате такого селективного (выборочного) отражения рентгеновских лучей отдельными плоскостями на фотопластинке получается .ряд интерференционных пятен различной интенсив­ности. Происхождение этих пятен для одного из семейств пло­скостей иллюстрируется на рис.1.

Расположение интерференционных пятен на рентгенограмме зависит от размеров и формы элементарной ячейки, от симме­трии кристалла и его ориентировки относительно первичного пучка лучей. Так как во время съемки кристалл остается неподвижным, то элементы симметрии (плоскости), параллельные направле­нию первичного пучка, непосредственно проектируются на рент­генограмму, иными словами, симметрия в расположении пятен рентгенограммы отражает симметрию кристалла в направлении просвечивания.

Это обстоятельство не нуждается в особом пояснении, так как совершенно очевидно, что симметричному расположению атомных плоскостей соответствует симметричное расположение отраженных лучей, а следовательно, и интерференционных пятен на рентгенограмме.

Рис. 1. Схема, поясняющая происхождение пятен на рентгенограмме, полученной по методу неподвижного кристалла