12.3.2. Рентгеновская спектроскопия и дифракция.

Рентгеновское излучение может взаимодействовать с веществом за счет других неупругих процессов. Упругое (без потери энергии), коге-рентное рассеяние рентгеновских фотонов определяется их взаимодействием с электронной оболочкой атомов и сопровождается дифракцией рентге-новского излучения, которое лежит в основе рентгеноструктурного анализа. Трансляционная симметрия кристаллической решетки вызывает возникно-вение интенсивности максимумов рассеянной волны – дифракционных рефлексов. Кроме этого, ближний порядок в окружении атомов порождает гладкие синусоидальные колебания упруго рассеянного фона при увели-чении угла рассеяния. На явлениях дифракции основаны методы опреде-ления атомной структуры вещества, локального окружения, надмоле-кулярной организации, элементов частичного упорядочения и малоуглового рассеяния. Поскольку проникновение рентгеновского излучения с энергией единицы и десятки кэВ происходит на значительную толщину вещества, для изучения поверхности твердого тела, нанопленок и нанокластеров применяя-ются методы исследования рассеяния на аморфных и частично упорядо-ченных образцах.

Н еупругие процессы поглощения или рассеяния рентгеновского из-лучения включают в себя возбуждение коллективных колебаний атомных ядер (фононов) в кристаллической решетке, носителей зарядов – электронов и дырок (плазмонов), возбуждение и удаление электронов валентной зоны и внутренних оболочек атомов (рис. 12.3.6).

При обычной энергии первичного пучка ~ 10 кэВ потери на возбуж-дение фононов составляют несколько мэВ, плазмонные потери и потери на возбуждение электронов в валентной зоне – 0,5 ÷ 10 эВ, потери на ионии-зацию остовных атомных уровней — десятки и сотни эВ в зависимости от энергии соответствующих электронных уровней. Для очень жесткого рентгеновского излучения с энергией фотонов, значительно превышающей энергию связи электронов в веществе, основным механизмом неупругого рассеяния является комптоновское рассеяние фотонов на свободных электронах.

Исследование спектров фононных и плазмонных потерь позволяет получить соответственно для ядер и электронов динамические структурные характеристики, которые связаны с такими характеристиками материалов, как прочность, сжимаемость, скорость звука и т. д. Эти методы требуют высокой монохроматичности первичного излучения, поэтому их применение стало возможным только в связи с развитием применения синхротронного излучения. Спектры плазмонных колебаний электронов в зоне проводимости металлов, полупроводников и сверхпроводников содержат информацию о механизме электропроводности, электронных переходах, т. е. о зонной структуре кластера.

Поглощение рентгеновских фотонов происходит, главным образом, с помощью фотоионизации – «выбивания» из атома остовных электронов, что приводит к появлению вакансии на соответствующем электронном уровне и свободного фотоэлектрона. Методы рентгеновской спектроскопии поглоще-ния основаны на изучении зависимости поглощения рентгеновского излуче-ния от энергии первичного пучка, методы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии используют энергетическое и пространственное распреде-ление фотоэлектронов. Возбужденное состояние атома с вакансией на остов-ном уровне, в которое атом переходит после поглощения рентгеновского кванта, обладает временем жизни 10^-15 ÷ 10^-6 с, после чего переходит в более стабильное состояние, что сопровождается заполнением электронной вакан-сии электроном с более высоколежащего уровня. Это заполнение может проходить с испусканием рентгеновского фотона меньшей энергии (рентге-новская флуоресценция) или за счет безызлучательного двухэлектронного процесса, включающего переход одного электрона с верхней орбитали на основную вакансию с одновременным отрывом второго электрона (оже-про-цесс). Рентгеновская флуоресценция и оже-процесс приводят к возникно-вению новых вакансий (дырок) и, таким образом, вызывают каскад вторич-ных процессов – испускание вторичных электронов, флуоресценцию в более мягкой области и т. д.

Перед тем как остановится на методах с применением рентгеновской дифракции и спектроскопии, необходимо дать характеристику источников рентгеновского излучения. Распространенным способом получения рент-геновского излучения являются всем известные рентгеновские трубки, ко-торые обеспечивают рентгеновское излучение в диапазоне энергий 10³ ÷ 10⁴ эВ с наиболее распространенными анодами из алюминия или магния. Однако рентгеновские трубки не обеспечивают изменение энергии в широком диапазоне, необходимом для исследования неупругих процессов. Интенсивность таких источников также крайне недостаточна. Значительный прогресс в этой области стал возможным с широким развитием и при-менением синхротронных источников, краткое описание которых совер-шенно необходимо при рассмотрении различных рентгеновских методов.

Основным элементом синхротрона является накопительное кольцо, которое представляет собой ускоритель электронов (позитронов). Электроны перемещаются по замкнутой траектории со скоростью, близкой к скорости света, испуская при этом интенсивные потоки фотонов с различными энергиями. Энергия, теряемая в виде синхротронного излучения (СИ), за каждый период обращения частиц пополняется специальной электромаг-нитной системой – радиочастотным резонатором. Накопительное кольцо предназначено для поддержания стационарного режима движения электро-нов, а не для их ускорения. На рис. 12.3.7 показана схема накопительного кольца — источника СИ.

Накопитель включает камеру с вакуумом 10^-9 ÷ 10^-10 Торр. Система магнитных диполей 4 обеспечивает круговую орбиту движения. В пово-ротных магнитах возникает СИ, направленное по касательной к траектории движения. Система магнитных линз 5 служит для фокусировки пучка. Электромагнитная система 6 необходима для возмещения энергетических потерь при испускании СИ. Специализированные магнитные устройства 7 — ондуляторы (unduler — образующий волны) и виглеры (wiggler — змейка) позволяют получать СИ с улучшенными характеристиками по сравнению с поворотным магнитом.

О сновными параметрами накопительного кольца – источника СИ являются радиус кольца – R (10 ÷ 30 м), энергия электронов — Е (1 ÷ 6 ГэВ), магнитная индукция в поворотных магнитах В (1 ÷ 2 Тл) и электронный ток

, (12.3.3)

где R = Е/(еВ), е – заряд электрона, с – скорость света, N_e – число электронов в пучке.

Интенсивность СИ характеризуется яркостью (рис. 12.3.8).

СИ с поворотным магнитом характеризуется энергетическим распре-делением 10¹ ÷ 10⁵ эВ и яркостью, превышающей яркость рентгеновских трубок на несколько порядков величины. Виглер повышает яркость за счет использования магнитов с N полюсами и более сильным магнитным полем (5 ÷ 10 Тл).

Ондулятор – это устройство, создающее переменное магнитное поле. Среднее за период значение силы, действующей на частицу равно нулю. Частица, попав в ондулятор, совершает периодическое колебательное движение и испускает ондуляторное излучение (рис. 12.3.8). Ондулятор отличается от виглера увеличенным числом полюсов и более тесным их расположением. Параметры ондулятора выбираются таким образом, чтобы достичь интерференции от соседних участков искривленной траектории пучка. Интенсивность гармоник ~N² и значительно выше интенсивности излучения как поворотного магнита, так и виглера. Важным свойством СИ, отличающим его от излучения рентгеновских трубок, является его поляризация, т. е. существование выделенных направлений вектора электрического поля. СИ обладает когерентностью, причем современные источники СИ приближаются по этому свойству к лазерам. Наконец, уникальное свойство СИ состоит в его импульсной природе. Из-за реляти-вистских эффектов поток электронов в накопительном кольце разбивается на отдельные сгустки – банчи (bunch), протяженностью несколько сантиметров. По этой причине СИ состоит из периодических импульсов длительностью несколько десятков пикосекунд с наносекундными интервалами. Этот процесс чрезвычайно важен для исследования быстропротекающих процессов, электронного переноса, релаксационных процессов и т.д., кото-рые важны для поверхности и исследования нанокластеров.