2009 Методы контроля и анализа

излучения от краев диафрагмы) на выходное отверстие коллиматора надевается предохранительный колпачок 7, отверстие которого больше отверстия диафрагмы.

Пройдя коллиматор, рентгеновские лучи попадают на цилиндрический образец, прикрепленный с помощью пластилина к железному диску, который держится на магните 6. Во время съемки образец вращается со скоростью 2 об/мин. При съемке без вращения, особенно крупнокристаллических образцов, дифракционная картина фиксируется в виде отдельных рефлексов. При вращении образца, когда в создании дифракционной картины участвует большое количество кристаллитов, на дебаеграмме получаются сплошные линии.

Далее по ходу лучей устанавливается ловушка 4 в форме цилиндра для выхода первичных рентгеновских лучей и исключения их рассеяния стенками камеры. С наружной стороны камеры ловушка закрыта защитным колпачком 2 с флюоресцирующим экраном 3, который служит для настройки камеры около окна рентгеновской трубки и контроля правильности установки образца.

Образец должен иметь форму цилиндра диаметром 0,3−1,0 мм и длиной 6−10 мм или пластинки размером 10×12×5 мм. Материалом для образцов может быть компактный материал или порошок. Проволока может иметь текстуру, которую устраняют отжигом при температуре ниже порога рекристаллизации (если это не приведет к изменению состояния, которое необходимо

исследовать). Например, для меди и ее сплавов tотж примерно

помощью механической обработки. Поверхностный слой образца при этом подвергается наклепу, что затрудняет расчет рентгенограммы вследствие размытия дифракционных линий. Поэтому поверхностный слой толщиной 0,15−0,20 мм необходимо удалить химическим или электролитическим травлением.

Чаще приходится готовить образцы из порошков. Порошок из хрупкого материала можно получить растиранием в агатовой ступке, из пластичного материала ― опиливанием бархатным напильником.

11

При этом необходимо предотвратить попадание в порошок посторонних примесей. Полученный порошок просеивают через сито. Для снятия микронапряжений, возникающих при изготовлении порошка, его отжигают в вакууме.

Если необходимо из сплава выделить определенные фазы, применяют метод электролитического растворения.

Для приготовления образца-столбика из порошка существует несколько методов.

Выдавливание из капилляра. Берут трубочку диаметром

0,6−0,9 мм и сквозь нее продавливают исследуемый порошок, смешанный со связующим веществом (это может быть воск, рамзаевская замазка или др.) Связующий материал должен быть аморфным, а его количество ― минимальным.

Нанесение на стеклянную нить. Стеклянную нить диаметром

0,15−0,30 мм опускают в цапонлак, а затем вращают по порошку, насыпанному на стеклянную пластинку. Налипшие частицы порошка уплотняют, осторожно покатывая нить по пластинке. После высыхания слоя операцию повторяют до тех пор, пока не образуется слой требуемой толщины.

Наполнение капилляра порошком. Подбирают проволоку диаметром 0,5−1,0 мм и слегка смазывают ее вазелином. Затем погружают ее в цапонлак, вынимают, просушивают (держа в вертикальном положении) и снова опускают в лак. Так делают до тех пор, пока на проволоке не образуется слой лака нужной толщины. Полученный капилляр осторожно сдвигают с проволоки и заполняют порошком, хорошо его уплотняя. Концы капилляра заклеивают лаком для предотвращения окисления и высыпания порошка.

Следует учитывать, что для получения рентгенограммы образец должен «омываться» лучами первичного пучка. Поэтому его диаметр должен быть меньше внутреннего диаметра коллиматора.

12

проверить, не нарушена ли центрировка образца (при вращении тень образца должна оставаться на месте).

После окончания экспозиции рентгеновская пленка подвергается стандартной фотообработке.

Условия съемки

В практике рентгеноструктурного анализа наиболее часто используется характеристическое излучение К-серии, как наиболее интенсивное. Эта серия состоит из четырех линий: α1, α2, β1, β2. Длины волн этих линий располагаются в следующей последовательности:

λα2 > λα1 > λβ1 > λβ2 .

Отношение интенсивностей линий для всех элементов примерно одинаковое и составляет:

Iα1 : Iα2 : Iβ1 : Iβ2 =100:50: 20: 4 .

Расщепление дифракционных линий, обусловленное отражением Кα1 и Кα2-излучения, происходит только при больших углах у хорошо кристаллизованных материалов. Если расщепления на дублет Кα1―Кα2 не наблюдается, при расчете межплоскостных расстояний d берется средняя величина длины волны с учетом веса

Выбор характеристического излучения определяется несколькими факторами:

1 ― отсутствием возбуждения вторичного излучения, т.е. применяемое характеристическое излучение не должно вызывать возбуждение флуоресцентного излучения основных элементов, составляющих образец. Для этого материал зеркала анода подбирают, исходя из соотношения:

za ≤ z −1 ,

15

где zа ― атомный номер материала зеркала анода; z ― атомный номер элемента-основы сплава.

В случае, когда za намного превышает атомные номера элементов, входящих в состав исследуемого образца, вторичное излучение можно частично отфильтровать, если поставить на пути отраженных лучей алюминиевую фольгу толщиной 0,1−0,2 мм;

2 ― для уменьшения фона на пленке и поглощения

β−излучения трубки применяют фильтры селективного поглоще-

ния, помещаемые в коллиматор камеры. В качестве материала для фильтров используют элементы, атомные номера которых на единицу меньше атомного номера вещества, из которого изготовлено зеркало анода трубки:

zф=za -1.

Утаких элементов К-край полосы поглощения лежит между λКβ

иλКα фильтруемого излучения (рис. 2.3). Степень поглощения

β−излучения можно регулировать, изменяя толщину фильтра. Материалом фильтра может служить как сам элемент в виде простого вещества, так и его соединения. На рис. 2.3 показано действие се- лективно-поглощающего фильтра на характеристический спектр 2 в сравнении со спектром без фильтра 1.

В табл. 2.1 приведены характеристики фильтров для основных излучений, применяемых в рентгеноструктурном анализе. Толщина

Таблица 2.1

Фильтры ослабления Кβ-излучения

*Коэффициент ослабления α-линий при использовании соответствующего фильтра указанной толщины.

16

дет недостаточным для проведения качественного фазового анализа.

Большего разрешения можно достичь при использовании камер большего диаметра (РКУ-86,0 или РКУ-114,0);

4 ― выбор режима работы трубки (напряжение на трубке, сила тока через нее и время экспозиции) основывается на задачах исследования.

Считается наиболее рациональным работать при напряжении:

Up = ( 3…4 ) U0 ,

где U0 ― потенциал возбуждения К-серии материала зеркала анода

(табл. 2.2).

17

Р А Б О Т А 3

Индицирование порошковых рентгенограмм веществ кубической сингонии

Одной из распространенных задач рентгеноструктурного анализа является прецизионное определение параметров кристаллической решетки поликристаллического вещества и числа атомов (формульных единиц) в элементарной ячейке. Их определяют при установлении типа твердого раствора и его концентрации, для изучения различных фазовых превращений и ряда других исследований.

Цель работы: изучение способа определения брегговских углов и оценки интенсивности линий на дебаеграмме, полученной при асимметричной закладке пленки, освоение методики индицирования рентгенограмм поликристаллических образцов с кубической решеткой и определения ее параметра.

Расчет рентгенограмм сводится к последовательному определению углов дифракции Θ, индексов дифрагированных линий и вычислению параметров элементарной ячейки.

Метод асимметричной съемки (метод Штрауманиса) ― когда концы пленки сходятся между коллиматором и ловушкой ― исключает целый ряд погрешностей, связанных с неточностью измерения диаметра камеры (пленки) и возникающих вследствие неплотного прилегания пленки к внутренней поверхности камеры, и вследствие усадки пленки при проявлении и сушке.

Последовательность выполнения работы.

1 ― на пленке определить отверстия входа К (коллиматора) и выхода Л (ловушки) рентгеновских лучей.

На линиях около входного отверстия обычно наблюдается разделение Кα-дублета (последний может сливаться в одно размытое кольцо). Передние линии (на малых углах дифракции), расположенные вокруг выхода, обычно более тонкие, и общий фон рентгенограммы около них ослаблен;

19

2 ― произвести нумерацию линий на рентгенограмме, начиная от выходного отверстия в направлении входа, причем симметричные дуги одного и того же дифракционного кольца обозначить одним и тем же номером (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема замеровРис. ,3снимаемых.1. с рентгенограммы, полученной при асимметричной закладке пленки в камеру РКД

Если имеются линии без симметрично расположенной пары, их также следует пронумеровать, так как они тоже участвуют в расчете;

3 ― визуально оценить относительную интенсивность линий по степени их почернения.

Обычно применяют пятибалльную систему: очень сильная ― о.с.;

На рентгенограмме выбирают самую сильную (темную) линию (их может быть несколько) и соответственно самую слабую. Интенсивность остальных линий оценивается сравнением по отношению к самой сильной и слабой.

4 ― провести измерения положений линий по прямой, проходящей через середину экспонированной части пленки.

20