Исаенкова Рентгеновская дифрактометрия 2007

ВВЕДЕНИЕ

С момента открытия дифракции рентгеновских лучей по настоящее время разработано множество методов измерения дифракционных картин и способов их анализа. В практике научноисследовательских лабораторий широкое применение находят рентгеновские дифрактометры – приборы, в которых регистрация дифракционной картины производится с помощью счетчиков (пропорциональных, сцинтилляционных и полупроводниковых).

Все дифрактометры можно условно разделить на два класса: дифрактометры с дисперсией по углам и дифрактометры с дисперсией по энергиям.

Дифрактометры первого класса используют характеристическое (или монохроматическое) излучение какого-либо источника (рентгеновская трубка, синхротронное излучение, изотопный источник). Помимо источника в состав таких дифрактометров входят исследуемый образец, закрепленный на специальном держателе, какойлибо рентгеновский детектор (счетчик), измеряющий интенсивность рассеянного образцом излучения, и специальное устройство, называемое рентгеновским гониометром (ГУР), позволяющее производить синхронный поворот образца и счетчика с автоматической записью распределения интенсивности по углам дифракции. Методы монохроматической дифрактометрии делятся на методы дифрактометрии монокристаллов и поликристаллов (метод порошков). В обоих случаях измеряется угловая дисперсия рассеяния рентгеновских лучей исследуемыми образцами, но вид получающихся дифракционных картин существенно отличается, как и отличается методика обработки экспериментальных данных.

Для получения дифракционной картины в дифрактометрах второго класса используют полихроматическое излучение (непрерывный спектр); образец и счетчик во время съемки неподвижны. Особенностью применяемого в этих дифрактометрах полупроводникового счетчика является возможность регистрации распределения интенсивности дифракционной картины в зависимости от энергии рентгеновских квантов, поэтому эти дифрактометры называются энергодисперсионными.

4

1. СЧЕТЧИКИ КВАНТОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Счетчики (детекторы) квантов делятся на точечные и координатные. В точечных счетчиках поглощенные кванты дают электрические импульсы, которые затем пересчитываются электронным устройством (считается число импульсов в единицу времени).

Вточечном счетчике все поглощенные кванты регистрируются вне зависимости от того, через какую точку окна счетчика квант рентгеновского излучения проник в рабочий объем счетчика. Поэтому окно счетчика делают небольшой площади и перед ним располагают узкую щель, а сам счетчик перемещают в пространстве с помощью ГУР.

Вкоординатных счетчиках, кроме интенсивности излучения, одновременно определяются координаты той точки окна счетчика,

вкоторой поглощен квант рентгеновского излучения. Поэтому окно координатного счетчика делают большим, а сам счетчик в процессе регистрации может оставаться неподвижным.

Счетчики квантов делятся также на газоразрядные и твердотельные. К газоразрядным счетчикам относятся пропорциональные, полупропорциональные и счетчики Гейгера, а к твердотельным – сцинтилляционные и полупроводниковые.

1.1. Основные характеристики счетчиков

Рабочие возможности счетчиков различного типа могут быть оценены по следующим параметрам.

Эффективность счетчика определяется отношением числа электрических импульсов на его выходе к числу рентгеновских квантов, прошедших через входное окно счетчика и выражается в процентах. Например, у полупроводниковых счетчиков при энергиях квантов выше 6 кэВ эффективность близка к 100%, а при энергиях 2–6 кэВ она несколько меньше. Эффективность счетчиков Гейгера и пропорциональных счетчиков зависит от нескольких факторов: длины волны излучения, поглощающей способности входного окошка и вида наполняющего их газа. Для получения вы-

5

сокой эффективности газоразрядные счетчики обычно наполняют сильно поглощающими инертными газами (Аr, Kr, Xe).

Разрешение по времени. Минимальный промежуток времени, через который счетчик после регистрации кванта может зарегистрировать следующий квант, называется мертвым временем. Чем меньше мертвое время, тем выше разрешение по времени и тем большее число квантов в единицу времени может зарегистрировать счетчик. Для пропорциональных, сцинтилляционных и полупроводниковых счетчиков мертвое время составляет около 1 мкс, а для счетчиков Гейгера – 150–300 мкс.

Энергетическое разрешение – способность счетчика давать электрические импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии поглощенных квантов. Энергетическим разрешением обладают пропорциональные, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики.

Статистический характер процессов, происходящих в счетчиках при регистрации рентгеновского излучения, приводит к тому, что даже в случае монохроматического излучения на выходе детектора возникают импульсы различной амплитуды, образующие амплитудный спектр. Импульсы, соответствующие полной энергии поглощенных фотонов, образуют основной пик (или фотопик). Относительная ширина основного пика W(E), определяемая как отношение ширины пика на половине высоты (полуширины) ∆E к положению его максимума Emax, W(E) = ∆E/ Emax (рис.1), характеризует энергетическое разрешение счетчика.

Чем меньше W(E), тем выше энергетическое разрешение счетчика. Энергетическое разрешение счетчика в первую очередь определяется числом образующихся пар носителей заряда n (или фотоэлектронов в случае сцинтилляционного счетчика). Очевидно, что n зависит от средней энергии образования пары (или фотоэлектрона). Если процесс образования носителей зарядов представляет собой последовательность незави-

6

симых событий с пуассоновским распределением, то среднеквадратичное отклонение числа образовавшихся носителей σ = n .

Для больших значений n амплитуды импульсов распределены по нормальному закону и W(Е) = 2,35 σ = 2,35 n . Средняя энергия образования пары электрон–дырка в полупроводниковых счетчиках составляет ~3–4 эВ, образования пар ионов в пропорциональном счетчике ~30 эВ, эффективная энергия образования одного фотоэлектрона в сцинтилляционном счетчике ~300 эВ, поэтому наилучшие энергетические разрешения: у полупроводникового счетчика ~5–6%, пропорционального ~15%, сцинтилляционного ~50%.

В ряде случаев экспериментальные значения энергетического разрешения оказываются лучше расчетных, что связывают с неточностью допущения о независимости событий в процессе образования первичных носителей.

Для учета взаимной зависимости актов ионизации вводят коэф-

фициент Ф – множитель Фано: W(E) = 2,35 Φn . Величина множителя Фано близка к единице для сцинтилляционных счетчиков, составляет 0,2–0,4 для пропорциональных и 0,05–0,2 для полупроводниковых счетчиков.

Линейность счетчика – постоянство эффективности счетчика в широком интервале интенсивностей. Линейность зависит от мертвого времени. Для пропорционального счетчика линейность сохраняется до скорости счета 108 имп/с. Под линейностью иногда подразумевается постоянство эффективности счетчика в широком интервале энергий рентгеновских квантов. Этот параметр важен для полупроводниковых счетчиков.

1.2. Газоразрядные счетчики

Все газоразрядные счетчики представляют собой герметичные баллоны с двумя электродами и тонким слабопоглощающим рентгеновское излучение окном, через которое рентгеновские кванты попадают внутрь счетчика.

Счетчик заполнен газом, обычно аргоном или ксеноном с различными (гасящими) добавками (пары спирта, метан, хлор).

7

Квант рентгеновского излучения обладает столь высокой энергией, что может ионизировать в объеме счетчика несколько сотен атомов газа, выбив из каждого атома газа по одному электрону. Например, энергии кванта Cu Kα-излучения (8050 эВ) достаточно для ионизации 358 атомов ксенона (энергия ионизации атома Хе 22,5 эВ) или 227 атомов Ar (энергия ионизации 29 эВ). Если к электродам счетчика приложить постоянную разность потенциалов, электроны соберутся на аноде, а ионы газа – на катоде, в результате чего на электродах возникнут потенциалы различных полярностей. Этот импульс напряжения можно зафиксировать. Между амплитудой импульса и приложенным к электродам счетчика напряжением (считаем, что в счетчик попадает в единицу времени постоянное число квантов монохроматического излучения) существует зависимость, изображенная графически на рис. 2.

Рис. 2

На участке U0–U1 не все электроны достигают анода из-за рекомбинации. В интервале U1–U2 количество образующихся электронов зависит только от числа квантов излучения. В этом режиме работает ионизационная камера.

При U > U2 приложенная разность потенциалов способна разогнать образовавшиеся электроны до такой скорости, что они вызывают дополнительную (ударную) ионизацию газа-наполнителя. При этом наблюдается газовое усиление импульса с коэффициен-

8

том A = Nуд/Ni, где Nуд – число пар ионов, достигающих электродов счетчика, а Ni – число пар ионов, образующихся при поглощении рентгеновских квантов. В интервале U2 < U < U3 A меняется линейно (обычно используют значения A = 102–106). Счетчики, работающие в этой области, дают импульсы с амплитудой, пропорциональной энергии рентгеновских квантов, и поэтому называются пропорциональными. При U > U3 зависимость А от U становится нелинейной, и в этой области используются полупропорциональные счетчики.

Пропорциональный счетчик рентгеновского излучения представляет собой двухэлектродный газоразрядный прибор, металлический корпус которого является катодом, а расположенная по оси цилиндра (корпуса) тонкая (50–150 мкм) вольфрамовая нить – анодом. Серийно выпускаются счетчики рентгеновские пропорциональные отпаянные (СРПО) и счетчики рентгеновские пропорциональные проточные (СРПП). Принципиальная схема рентгеновского пропорционального счетчика дана на рис. 3 (И – источник излучения, V0 – источник высокого напряжения).

Рис. 3

СРПО вместе с предварительным усилителем монтируются в общий блок детектирования. Счетчик наполняется газовой смесью аргона или ксенона с 10% метана (СН4) при давлении 350 мм рт. ст. Метан добавляют для исключения фотоэлектронной составляющей

вкоэффициенте газового усиления.

Всередине боковой поверхности счетчика расположены окна из бериллия толщиной 0,15 мм для входа и выхода рентгеновского

9

излучения. Боковое расположение окон обусловлено тем, что коэффициент газового усиления А зависит от напряженности электрического поля, которая падает на концах счетчика из-за так называемых краевых эффектов. Поэтому эффективность пропорциональных счетчиков в принципе невелика (30 % на Cu Kα-излу- чении). К электродам подводится постоянное стабилизированное напряжение 1700–2000 В.

Для регистрации длинноволнового рентгеновского излучения применяются СРПП. Окна в таких счетчиках делают из тонкой лавсановой пленки толщиной 2–4мкм. Счетчик наполнен смесью аргона с метаном под давлением 1 атм. Из-за негерметичности лавсановой пленки, закрывающей входное окно, счетчики делают проточного типа: газовая смесь из баллона большой емкости протекает через счетчик, компенсируя утечку через поверхность лавсановых окон (регистрация длинноволнового излучения производится в вакууме). Схема пропорционального проточного газоразрядного детектора дана на рис. 4.

Рис. 4

Амплитуды импульсов в пропорциональном счетчике зависят от энергии рентгеновских квантов, поэтому, применяя амплитудные дискриминаторы, можно выделять импульсы определенной энергии, например, отвечающие Kα-линии характеристического излучения. Другим достоинством счетчика из-за локальности разряда является очень большой срок службы (до 1012 импульсов).

10