Изучение долотной стали методом рентгеноструктурного анализа (стр. 3 из 5)

2(d/n) sin θ = λ

По рентгенограмме (т. е. зафиксированной дифракционной картине) можно определить углы θ для всех интерференционных максимумов. Зная длину волны падающего излучения, по формуле можно определить значения d для всех систем отражающих плоскостей. Определив специальными методами индексы (в общем случае индексы nh, nk, nl, называемые индексами интерференции и обозначаемые, соответственно, H, K, L) и подставляя d/n и H, K, L в квадратичную формулу для кристаллов определенной сингонии, можно определить линейные параметры a, b и c кристаллической решетки.

Общее число интерференционных максимумов от исследуемого вещества определяется числом семейств плоскостей (которых теоретически бесконечно много), удовлетворяющих условию Вульфа - Брэгга. Относительная интенсивность этих максимумов различна. Она тем выше, чем больше ретикулярная плотность плоскостей данного семейства (т. е. чем больше рассеивающих центров находится на единице площади отражающей плоскости), чем выше средняя рассеивающая способность атомов, заполняющих эти плоскости, и чем больше фактор повторяемости данной системы плоскостей. Фактор повторяемости определяется как количество семейств с данной ретикулярной плотностью и данным межплоскостным расстоянием (“d”), но различным образом ориентированных в кристаллографической решетке. Причем индексы Миллера таких плоскостей будут различными. Например, для кристаллов с кубической элементарной ячейкой системы плоскостей с индексами (100), (100), (010), (010), (001), (001), имеют одинаковые межплоскостные расстояния (“d”) и ретикулярные плотности.

Следовательно, при хаотическом расположении кристалликов в образце плоскости с d=“d” будет попадать в отражающее положение в 6 раз чаще, чем плоскость с индексами, например (100). Отсюда и интенсивность рассеянного (отраженного) луча будет в 6 раз выше.

2.4 Рентгеновские трубки

По принципу получения свободных электронов рентгеновские трубки делятся на трубки с горячим катодом (свободные электроны получают в результате термоэлектронной эмиссии) и с холодным катодом (свободные электроны возникают в результате автоэлектронной эмиссии). Трубки обоих типов могут быть отпаянными (с постоянным вакуумом) и разборными (с переменным вакуумом). Наиболее широко используют отпаянные трубки.

Рентгеновские трубки состоят из стеклянной колбы и обычно двух электродов — катода и анода.

Рисунок 3 Схема рентгеновской трубки БСВ-2

1- катод; 2 - фокусирующий колпачок; 3- окна для выпуска рентгеновских лучей; 4 - защитный цилиндр; 5 - анод

Катод трубки состоит из нити накала и фокусирующего колпачка. Форма нити и колпачка зависит от того, какую форму фокусного пятна желательно иметь на аноде трубки - либо круглый, либо линейный фокус.

2.5 Выбор анода для исследования материала

Анод рентгеновской трубки должен удовлетворять требованиям, которые нельзя одновременно совместить с одним из материалов. Материал анода должен иметь большой атомный номер, высокую температуру плавления, хорошую теплопроводность, низкую упругость паров и малую химическую активность. Поэтому анод делают комбинированным: в медное тело анода впаивают зеркало из вольфрама (в случае трубок для рентгеноструктурного анализа зеркало может быть и из других материалов). В теле анода имеется полость, куда поступает охлаждающая жидкость. В современных трубках анод делают защитного типа. На аноде укреплен специальный медный чехол, улавливающий отраженные электроны. Для выхода рентгеновских лучей в этом чехле имеется окошко, в которое вставляется бериллиевая пластинка.

2.6 Методы рентгеновской съёмки кристаллов

Существуют различные экспериментальные методы получения и регистрации дифракционной картины. В любом случае имеется источник рентгеновского излучения, система для выделения узкого пучка рентгеновских лучей, устройство для закрепления и ориентирования образца в пучке и приёмник рассеянного образцом излучения. Приёмником служит фотоплёнка, либо ионизационные или сцинтилляционные счётчики рентгеновских квантов. Метод регистрации с помощью счётчиков (дифрактометрический) обеспечивает значительно более высокую точность определения интенсивности регистрируемого излучения.

Основными рентгеновской съёмки кристаллов являются: метод Лауэ, метод порошка (метод дебаеграмм), метод вращения и его разновидность – метод качания и различные методы рентгенгониометра.

В методе Лауэ на монокристаллический образец падает пучок немонохроматических («белых») лучей (рис.4 а). Дифрагируют лишь те лучи, длины волн которых удовлетворяют условию Вульфа – Брэгга. Дифракционные пятна на лауграмме (рис.4 б) располагаются по эллипсам, гиперболам и прямым, обязательно проходящим через пятно от первичного пучка.

Рисунок 4а – Схема метода рентгеновской съёмки по Лауэ:

1- пучок рентгеновских лучей, падающих на монокристаллический образец; 2 – коллиматор; 3 – образец; 4 – дифрагированные лучи; 5 – плоская фотоплёнка;

4 б – типичная лауэграмма.

Важное свойство лауэграммы состоит в том, что при соответствующей ориентировке кристалла симметрия расположения этих кривых отражает симметрию кристалла. По характеру пятен на лауэграммах можно выявить внутренние напряжения и некоторые другие дефекты кристаллической структуры. Индицирование же отдельных пятен лауэграммы весьма затруднительно. Поэтому метод Лауэ применяют исключительно для нахождения нужной ориентировки кристалла и определения его элементов симметрии. Этим методом проверяют качество моно кристаллов при выборе образца для более полного структурного исследования.

В методе порошка (рис. 5.а), так же как и во всех остальных описываемых ниже методах рентгеновской съёмки, используется монохроматическое излучение. Переменным параметром является угол q падения, так как в поликристаллическом порошковом образце всегда присутствуют кристаллики любой ориентации по отношению к направлению первичного пучка.

Рисунок 5.а – схема рентгеновской съёмки по методу порошка

1 – первичный пучок; 2 – порошковый или поликристаллический образец; 3 – фотоплёнка, свёрнутая по окружности; 4 – дифракционные конусы; 5 – «дуги» на фотоплёнке, возникающие при пересечении её поверхности с дифракционными конусами;

5. б – типичная порошковая рентгенограмма (дебаеграмма).

Лучи от всех кристалликов, у которых плоскости с данным межплоскостным расстоянием d_hk1 находятся в «отражающем положении», то есть удовлетворяют условию Вульфа – Брэгга, образуют вокруг первичного луча конус с углом растра 4q. Каждому d_hk1 соответствует свой дифракционный конус. Пересечение каждого конуса дифрагированных рентгеновских лучей с полоской фотоплёнки, свёрнутой в виде цилиндра, ось которого проходит через образец, приводит к появлению на ней следов, имеющих вид дужек, расположенных симметрично относительно первичного пучка (рис.5.б). Зная расстояния между симметричными «дугами», можно вычислить соответствующие им межплоскостные расстояния d в кристалле.

Метод порошка наиболее прост и удобен с точки зрения техники эксперимента, однако единственная поставляемая им информация – выбор межплоскостных расстояний – позволяет расшифровывать самые простые структуры.

В методе вращения (рис. 6.а) переменным параметром является угол q. Съёмка производится на цилиндрическую фотоплёнку. В течение всего времени экспозиции кристалл равномерно вращается вокруг своей оси, совпадающей с каким-либо важным кристаллографическим направлением и с осью образуемого планкой цилиндра. Дифракционные лучи идут по образующим конусов, которые при пересечении с плёнкой дают линии, состоящие из пятен (так называемые слоевые линии) (рис. 6.б).

Метод вращения даёт экспериментатору более богатую информацию, чем метод порошка. По расстояниям между слоевыми линиями можно рассчитать период решётки в направлении оси вращения кристалла.

Рисунок 6.а – схема рентгеновской съёмки по методу вращения: 1 – первичный пучок; 2 – образец (вращается по стрелке); 3 – фотоплёнка цилиндрической формы; 5 б – типичная рентгенограмма вращения.

В рассматриваемом методе упрощается индицирование пятен рентгенограммы. Так если кристалл вращается вокруг оси с решётки, то все пятна на линии, проходящей через след первичного луча, имеют индексы (h,k,0), на соседних с ней слоевых линиях – соответственно (h,k,1) и (h,k,1^Ї) и так далее. Однако и метод вращения не даёт всей возможной информации, так никогда неизвестно, при каком угле поворота кристалла вокруг оси вращения образовалось то или иное дифракционное пятно. В методе качания, который является разновидностью метода вращения, образец не совершает полного вращения, а «качается» вокруг той же оси в небольшом угловом интервале. Это облегчает индицирование пятен, так как позволяет, как бы получать рентгенограмму вращения по частям и определять с точностью до величины интервала качания, под каким углом поворота кристалла к первичному пучку возникли те или иные дифракционные пятна. Наиболее богатую информацию дают методы рентгеногониометра. Рентгеновский гониометр, прибор, с помощью которого можно одновременно регистрировать направление дифрагированных на исследуемом образце рентгеновских лучей и положение образца в момент возникновения дифракции. Один из них – метод Вайссенберга, является дальнейшим развитием метода вращения. В отличие от последнего, в рентгеногониометре Вайссенберга (рис. 7) все дифракционные конусы, кроме одного, закрываются цилиндрической ширмой, а пятна оставшегося дифракционного конуса (или, что то же, слоевой линии) «разворачиваются» на всю площадь фотоплёнки путём её возвратно-поступательного осевого перемещения синхронно с вращением кристалла. Это позволяет определить, при какой ориентации кристалла возникло каждое пятно вассенбергограммы.