4.3. Исследование поликристаллических образцов

Если образец состоит из множества беспорядочно ориентированных кристаллов (кристаллитов, доменов) как, например, на рис. 4.8, то для некоторых из них выполняется условие Брэгга (4.1), и тогда дифракция происходит во всех возможных направлениях, лежащих под соответствующим углом к падающему пучку.

Рис. 4.8. Доменная структура сплава Au5Mn2. Снимок получен с помощью электронного микроскопа

В результате этого при любом угле g между падающим лучом и поверхностью исследуемого образца всегда найдутся кристаллиты, в которых атомные плоскости с межплоскостным расстоянием d1 дадут дифракционное отражение под углом q1 (рис. 4.9) [4].

Другие кристаллиты обеспечат появление дифракционного максимума под углом q2 в результате отражения от атомных плоскостей с межплоскостным расстоянием d2 и т.д. Рентгенограмма будет содержать набор дифракционных линий (также называемых рефлексами), соответствующих разным d [5].

Таким образом, в поликристаллическом образце с беспорядочной ориентацией кристаллов (или в порошке, состоящем из микромонокристаллов) каждый набор атомных плоскостей (hkl) кристаллической структуры дифрагирует в некоторый конус рентгеновских лучей, в котором угол при вершине зависит от величины межплоскостного расстояния в данном наборе плоскостей. Рефлексы на плоской рентгеновской пленке представляют собой концентрические кольца, которые получаются в результате пересечения плоскости пленки с конусами отраженных лучей. (рис. 4.10).

Рис.4.9. Возникновение дифракционных максимумов, соответствующих разным атомным плоскостям

Рис. 4.10. Лауэграммы вощеной бумаги, полученные на плоской фотопленке

Рентгенограмму поликристаллической системы можно сфотографировать и другим, обычным для этих систем способом — по методу Дебая - Шерера [6].

Рис. 4.11. Схема порошковой камеры Дебая - Шерера. Излучение входит через фильтр F и коллиматор С и попадает на образец X. Для предотвращения засвечивания пленки неотклонившийся центральный пучок захватывается ловушкой Е. Дифрагированные пучки падают на пленку в точках d1, d2 и т. д.

На рис. 4.12 представлен внешний вид камеры Дебая – Шерера, а на рис. 4.13 – типичные рентгенограммы, полученные на такой камере.

По этому методу изображение на фотопленке представляет собой не замкнутые окружности, как на плоской пленке, а семейство дуг. Работая по методу порошка с помощью камеры Дебая — Шерера, можно получить полный набор значений углов рассеяния 2q.

Дифракционные исследования можно проводить с помощью ионизационных или сцинтилляционных детекторов. Детектор удобнее всего закреплять в держателе, который может перемещаться по окружности вокруг образца; такой прибор называется гониометром (рис. 4.14). В этом случае мишень рентгеновской трубки представляет собой линейный источник высокой интенсивности с размерами поперечного сечения 0,06´10 мм.

Рис. 4.12. Рентгеновская порошковая камера Дебая - Шерера. Рентгеновское излучение входит справа

Рис. 4.13. Картины дифракции рентгеновских лучей на пленках, экспонированных в порошковой камере. Использовалось излучение K-линии Сu: а — металлический вольфрам; б — NaCl; в — кварц

На рис. 4.14 расходящимися линиями показана угловая апертура потока, задаваемая с помощью экрана с отверстием, который называется щелью расходимости; щель, кроме того, ограничивает падающий пучок размерами образца.

Рис.

Чаще всего работают с апертурой в 1°, используя плоские образцы размерами 10´20 мм, либо вращая соответствующий образец с помощью небольшого электродвигателя.

Выходная щель регулирует ширину отраженного пучка, поступающего на детектор. Набор тонких металлических пластинок из фольги (набор параллельных щелей), расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, ограничивает расходимость пучка в любой плоскости, параллельной линейному источнику.

Как показано на рисунке, для достижения высокой разрешающей способности устанавливают два таких набора. Выходная щель предназначена для уменьшения фона, вызываемого побочным излучением. Выходной сигнал детектора усиливается и поступает на самописец. Лента самописца и консоль, несущая детектор, приводятся в движение синхронными электродвигателями; получающийся график представляет собой зависимость интенсивности дифрагированного пучка от угла дифракции, обычно обозначаемого 2q.

Как уже подчеркивалось, каждому кристаллическому веществу соответствует своя собственная дифракционная картина, характеризующаяся межплоскостными расстояниями и относительной интенсивностью рентгеновских максимумов. Составлены каталоги известных рентгенограмм очень многих моно- и поликристаллов.

До сих пор мы рассматривали только геометрию отражения рентгеновских лучей от кристаллов. Теперь рассмотрим также и интенсивности рефлексов, для того, чтобы найти взаимное расположение атомов в элементарной ячейке. Это расположение, в свою очередь, позволяет узнать точную конфигурацию атомов в молекуле, а также расположение молекул в массе кристаллического вещества.