Рентгеноструктурный анализ веществ. Методические указания к лабораторной работе
.pdf
2017
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физического металловедения
РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ
ВЕЩЕСТВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе
Издательство ЛГТУ
2010
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физического металловедения
РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ
ВЕЩЕСТВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе
Издательство ЛГТУ
2010
2
УДК 669.017 (07)
Р-39
Рецензент д.т.н., проф. А.Е. Чеглов
И.А. Коваленко, С.В. Бахтин, И.В. Богомолов, Е.В. Кузнецова
Р-39 Рентгеноструктурный анализ веществ [Текст]: методические указания к лабораторной работе / И.А. Коваленко, С.В. Бахтин, И.В. Богомолов,
Е.В. Кузнецова. – Липецк: Издательство ЛГТУ, 2010.- 24 с.
В методических указаниях приведены общие теоретические сведения о рентгеноструктурном анализе, методика определения вещества по данным о межплоскостных расстояниях, обработка полученных результатов, контроль-
ные вопросы для сдачи лабораторной работы.
Методические указания предназначены для студентов специальностей
150106.65 «Обработка металлов давлением», 150103.65 «Теплофизика, автома-
тизация, экология промышленных печей», 150702.65 «Физика металлов», 150105.65 «Металловедение и термическая обработка металлов».
Табл. 3. Ил. 6. Библиогр.: 5 назв.
© Коваленко И.А., Бахтин С.В., Богомолов И.В., Кузнецова Е.В.
© Липецкий государственный технический университет, 2010
3
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.Ознакомиться с устройством и принципом действия рентгеновской аппаратуры.
2.Изучить методику приготовления образцов для рентгеноструктурного анализа.
3.Освоить методику рентгеноструктурного анализа веществ.
1. Получение рентгеновских лучей
Рентгеноструктурный анализ основан на получении и анализе дифракци-
онной картины, возникающей в результате интерференции рентгеновских лу-
чей, рассеянных электронами атомов облучаемого объекта. Эта картина опре-
деляется помимо атомной и электронной структуры изучаемого объекта еще двумя факторами: характеристикой рентгеновского излучения и способом реги-
страции дифракционной картины.
Источником рентгеновского излучения служат рентгеновские трубки.
Они определяют характер рентгеновского излучения и геометрию рентгенов-
ского луча. Рентгеновская трубка (рис. 1) представляет собой стеклянную кол-
бу, внутри которой создается высокий вакуум, обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду. Катод состоит из нити накала и фоку-
сирующего колпачка. Нить из вольфрамовой спирали нагревается током накала до ~2000-2200 С. Назначение фокусирующего колпачка - сузить пучок элек-
тронов, летящих с катода на анод, и уменьшить фокус трубки (точность рентге-
ноструктурного анализа тем выше, чем меньше размеры фокуса). Анод пред-
ставляет собой полый массивный цилиндр, изготовленный из материала с вы-
сокой теплопроводностью, чаще всего из меди. В торцевую часть анода впрес-
совывается специальная металлическая пластинка – антикатод (зеркало анода).
Между анодом и катодом создается высокое напряжение (10–60 кВ). При рез-
ком торможении ускоренных электронов об анод возникает рентгеновское из-
лучение. Рентгеновское излучение имеет ту же природу, что и видимый свет
4
(электромагнитная волна), но значительно более короткую длину волны. В
рентгеноструктурном анализе обычно используют лучи с длинами волн от 0,5
|
|
|
|
до 2,5 |
А |
(1 нм = 10 |
А ). На возникновение рентгеновского излучения тратится |
лишь около 1 % кинетической энергии электронов, вся остальная энергия пре-
вращается в тепло. Во избежание перегрева и нарушения вакуума рентгенов-
ские трубки охлаждаются проточной водой или маслом. Материал зеркала ано-
да определяет тип характеристического излучения, генерируемого рентгенов-
ской трубкой. Наиболее часто используются трубки с анодами из хрома, желе-
за, кобальта, никеля, меди, молибдена (см. приложение, табл. 1). Рентгеновское излучение, испускаемое трубками, сильно поглощается материалом корпуса трубки, поэтому для выпуска рентгеновских лучей в корпус трубок впаивают специальные окошки, изготовленные из сплава гетан, содержащего легкие эле-
менты (бериллий, литий, бор), либо из металлического бериллия, которые прак-
тически не поглощают рентгеновское излучение.
Рис.1. Схема рентгеновской трубки: 1 - катод; 2 - фокусирующий колпа-
чок; 3 - окна для выпуска рентгеновских лучей; 4 - анод; 5 - зеркало анода;
6 - защитный кожух; 7 - стеклянная колба
В практике рентгеноструктурного анализа существует два основных спо-
соба регистрации дифракционной картины: 1) фотографический, в котором ре-
5
гистрация осуществляется на фотопленку при помощи различных рентгенов-
ских камер; 2) дифрактометрический, реализованный в специальных приборах
– дифрактометрах, в которых регистрация осуществляется при помощи различ-
ных счетчиков (детекторов) рентгеновского излучения (сцинтилляционных,
пропорциональных и др.).
2. Устройство и принцип работы рентгеновского
дифрактометра ДРОН-4-13
В рентгеновском дифрактометре регистрация дифракционной картины осуществляется с помощью различных счетчиков квантов рентгеновского излу-
чения. Зафиксированную таким образом зависимость интенсивности рассеяния от угла дифракции называют дифрактограммой, а метод, реализующий такую регистрацию, – дифрактометрическим.
Дифрактометр ДРОН-4-13 (дифрактометр рентгеновский общего назна-
чения) содержит три основных узла:
1.Высоковольтный источник питания, предназначенный для подвода к рентгеновской трубке высокого напряжения (до 60 кВ) и напряжения накала катода (ток трубки до 50 мА).
2.Дифрактометрический узел, состоящий из рентгеновской трубки в за-
щитном кожухе и гониометра с блоком детектирования (счетчиком). Рентге-
новский гониометр - это устройство для отсчета углов поворота образца и де-
тектора по отношению к первичному пучку рентгеновских лучей. Он обеспечи-
вает синхронный поворот образца и счетчика вокруг общей оси с требуемыми угловыми скоростями.
3. Счетно-регистрирующее и управляющее устройство, в котором реги-
стрируются импульсы напряжения, вырабатываемые счетчиком при попадании
в
6
него кванта рентгеновского излучения, а так же осуществляется управление ра-
ботой электродвигателей гониометра, что позволяет реализовать разные спосо-
бы автоматизированной регистрации дифрактограмм.
Дифрактометр также укомплектован сменными приставками-
держателями образца для вращения его в собственной плоскости, для исследо-
вания текстур, для изучения интенсивности отражения от монокристалла и т.д.
Кроме того, существуют приставки для изучения малоуглового рассеяния и для исследования объектов при высоких (до 2000 С) и низких (до – 196 С) темпе-
ратурах в вакууме или инертной атмосфере.
В дифрактометре используется фокусировка по Бреггу-Брентано, которая допускает вращение образца в собственной плоскости. Схема получения рент-
генограммы в дифрактометре приведена на рис. 2, а дифрактограмма, получае-
мая таким способом, приведена на рис.3.
Рис.2. Схема получения рентгенограммы в дифрактометре: 1- гониометр;
2 - образец; 3 - рентгеновская трубка; 4 - детектор рентгеновских лучей;
5 – счетно-регистрирующее устройство
7
Рис.3. Дифрактограмма α-железа, снятая в излучении трубки с молибде-
новым анодом
Первичный луч формируется системой горизонтальных и вертикальных щелей для получения заданной степени параллельности (расходимости) и
направляется на образец, закрепленный в гониометре. Регистрация дифракци-
онных картин осуществляется при синхронном вращении детектора и образца вокруг оси гониометра, проходящей через центр окружности гониометра, при-
чем угловая скорость вращения детектора вдвое больше угловой скорости вра-
щения образца. Расходящийся пучок рентгеновских лучей дифрагирует от атомных плоскостей параллельных поверхности образца и фокусируется на приемной щели детектора. Результаты анализа выводятся на монитор компью-
тера или на диаграммную ленту в координатах «интенсивность – угол поворота детектора».
Дифрактометры имеют некоторые преимущества по сравнению с фото-
графическим методом. Это – быстрота получения рентгенограмм для фазового и других видов анализа, простота определения углового положения дифракци-
онных максимумов; возможность простого и точного количественного опреде
8
ления интегральной интенсивности линии на рентгенограмме фигур и т.д. Од-
нако дифрактометры общего назначения не позволяют регистрировать про-
странственное распределение интенсивности (например по длине дебаевского кольца, по различным рефлексам лауэили эпиграммы и т.п.). Кроме того, с
помощью дифрактометра затруднительно регистрировать максимумы малой интенсивности, которые легко можно обнаружить на рентгенограмме визуаль-
но.
3. Устройство и принцип работы камеры Дебая. Три типа съемки
Наряду с все более интенсивным применением дифрактометрии, продол-
жает широко использоваться фотографический метод регистрации рентгенов-
ских лучей. Дифракционная картина, в этом случае, регистрируется на фото-
пленку, которая закладывается в рентгеновскую камеру. Рентгеновские камеры по своему назначению и устройству делятся на камеры для исследования моно-
кристаллов и для исследования поликристаллов. В каждой из этих двух групп различают камеры общего назначения (пригодные для решения нескольких за-
дач структурного анализа) и камеры специального назначения (пригодные для решения частных задач).
Рассмотрим наиболее широко используемую камеру общего назначения – рентгеновскую камеру Дебая (РКД).
Камера состоит из коллиматора, представляющего собой одну или не-
сколько сопряженных диафрагм, формирующих и определяющих интенсив-
ность первичного пучка. Коллиматоры обычно имеют круглые или щелевые диафрагмы.
Схема получения рентгенограммы в камере Дебая приведена на рис. 4, а
соответствующая рентгенограмма (также используется термин "дебаеграмма")
приведена на рис.5.
9
Рис. 4. Схема получения рентгенограмм в камере Дебая: 1 - рентгеновское излучение; 2 - фильтр; 3 - коллиматор; 4 - образец; 5 - тубус; 6 - фотопленка
Рис.5. Дебаеграммы: а – никеля, б – молибдена, полученные на К-излучении кобальта и меди соответственно
Исследуемый образец помещается в специальном держателе образца, ко-
торый зависит от его формы. Образец в процессе съемки может вращаться от маломощного электродвигателя. Тубус (ловушка) – цилиндрик, помещаемый на пути первичного пучка за образцом во избежание рассеяния излучения стенкой камеры, противоположной коллиматору. Тубус заканчивается флюоресцирую-
щим экраном, который служит для контроля правильности установки камеры и образца. Корпус камеры не должен пропускать постороннее излучение (рентге-
новское и видимое), т. к. он одновременно является и кассетой для пленки.
Обязательным во всех конструкциях является наличие трех опорных устано-
вочных винтов, с помощью которых камеру подстраивают к трубке, регулируя
10