Методы для монокристаллов
Чтобы дифракция на кристалле давала информацию не только о пространственном периоде, но и об ориентации каждой совокупности дифрагирующих плоскостей, используются методы вращающегося монокристалла. На кристалл падает монохроматический пучок рентгеновского излучения. Кристалл вращается вокруг главной оси, для которой выполняются уравнения Лауэ. При этом изменяется угол q, входящий в формулу Брэгга - Вульфа. Дифракционные максимумы располагаются в месте пересечения дифракционных конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью пленки (рис. 14). В результате получается дифракционная картина типа представленной на рис. 15.
Рис. 14. Метод вращающегося монокристалла дает дифракционные максимумы (пятна) различных порядков вдоль линии, соответствующей данному атомному слою. Максимумы возникают на пересечении конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью фотопленки.
Однако возможны осложнения из-за перекрытия разных дифракционных порядков в одной точке. Метод может быть значительно усовершенствован, если одновременно с вращением кристалла перемещать определенным образом и пленку. При повороте кристалла различные атомные плоскости занимают такие положения, при которых отраженные от них лучи интерферируют. Вокруг вращающегося кристалла помещают фотопленку в кассете, представляющей собой цилиндр, ось которого совпадает с осью вращения кристалла.
Все пучки, отраженные от плоскостей, параллельных вертикальной оси вращения, будут лежать в горизонтальной плоскости. Плоскости с другими ориентациями будут давать отражения, расположенные выше и ниже горизонтальной плоскости. Такое расположение рефлексов отражения называют слоевыми линиями. Слоевую линию, лежащую в плоскости первичного пучка, называют нулевой. Получающуюся дифракционную картину легко объяснить с помощью сферы Эвальда (рис. 16). Обратная решетка вращается, а сфера Эвальда неподвижна. В момент, когда какой-либо узел обратной решетки выходит на поверхность сферы в направлении OP, из центра сферы к этой точке происходит отражение.
Рис. 15. Снимок, полученный методом качающегося монокристалла (монокристалла теллура). Видны линии слоев для нулевого порядка (средняя горизонтальная линия) и высших порядков (+1, +2, +3 - от линии нулевого порядка вверх; -1, -2, -3 - вниз).
Рис. 16. Метод вращения монокристалла: а − схема возникновения интерференции в пространстве обратной решетки; б − вид типичной рентгенограммы вращения.
Установка
В рассматриваемом дифрактометре используется фокусировка по Брэггу-Брентано (рис.17), она используется в большинстве серийно выпускаемых дифрактометров из-за простоты конструкции и возможности вращения образца в собственной плоскости для устранения эффекта крупнозернистости.
Рис. 17. Фокусировка по методу Брэгга – Брэнтано.
Ось круга гониометра расположена на поверхности образца, а счетчик может перемещаться по этому кругу, имеющему радиус Rг Рентгеновская трубка устанавливается так, чтобы вертикальная линия ее фокуса пересекала круг гониометра в точке F перпендикулярно его горизонтальной плоскости. Таким образом, на поверхность образца падает расходящийся первичный пучок рентгеновских лучей. Через три точки – фокус ^ F, ось вращения образца 1 и счетчика С – можно провести окружность фокусировки (на рисунке она показана штриховой линией). Если поверхность образца касается этой окружности, то все дифракционные лучи, отраженные от всей поверхности образца, сфокусируются в точку С [18].
Особенностью фокусировки по Брэггу-Брентано является то, что в отражающее положение попадают кристаллиты, у которых нормаль к отражающей кристаллографической плоскости n параллельна нормали к поверхности образца N.
Рентгенофазовый анализ проводился на рентгеновском дифрактометре «Rigaku Ultima IV» (рис. 19). Принципиальная схема дифрактометра показана на рисунке 18.
Рис.18. Принципиальная схема дифрактометра «Rigaku Ultima IV».
Главные компоненты дифрактометра: рентгеновская трубка и детектор размещаются на подвижном устройстве, называемом гониометром. Это система точной установки и отслеживания угла излучения по отношению к поверхности образца. Одно плечо гониометра задает угол облучения образца рентгеновской трубкой, другое определяет угол брэгговского отражения излучения от образца (детектируемый сигнал). Детектор непрерывно во время движения (при изменении угла θ) регистрирует интенсивность рентгеновского излучения. Остальные части оптической схемы дифрактометра придают излучению такие свойства, чтобы оптимизировать его для решения тех или иных задач дифрактометрических исследований.
Рис. 19. Рентгеновский дифрактометр общего назначения «Rigaku Ultima IV»
Основные технические характеристики «Rigaku Ultima IV»:
Рентгеновская трубка Cu, мощность 2 кВт
Мощность генератора 3 кВт
Напряжение на трубке 20-60 кВ
Ток трубки 2-60 мА
Геометрия гониометра Вертикальный, Тета -Тета
Радиус гониометра 285 мм
Минимальный шаг 2 Тета 0,0001°
Щели расходимости Автоматические до 20 мм
Юстировка рентгеновской оптики Автоматическая
Размер фокуса 0.4 x 12мм
Детектор D/teX Ultra