--PAGE_BREAK--
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 dhk1 находятся в «отражающем положении», то есть удовлетворяют условию Вульфа – Брэгга, образуют вокруг первичного луча конус с углом растра 4q. Каждому dhk1 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,1Ї) 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.
Рисунок 7 Принципиальная схема рентгенгониометра Вайссенберга
1 – неподвижная ширма, пропускающая только один дифракционный конус; 2 – кристалл, поворачивающийся вокруг оси Х – Х; 3 – цилиндрическая фотоплёнка, двигающаяся поступательно вдоль оси Х – Х синхронно с вращением кристалла 2; 4 – дифракционный конус, пропущенный ширмой; 5 – первичный пучок.
Существуют и другие методы съёмки, в которых применяется одновременное синхронное движение образца и фотоплёнки. Важнейшими из них являются метод фотографирования обратной решётки и прецессионный метод Бюргера. Во всех этих методах использована фотографическая регистрация дифракционной картины. В рентгеновском дифрактометре можно непосредственно измерять интенсивность дифракционных отражений с помощью пропорциональных, сцинтилляционных и других счётчиков рентгеновских квантов.
2.7 Подготовка образца для исследования на рентгеновском аппарате
В методе PCА поликристаллов используют плоский препарат. Это может быть
— порошок, нанесенный на плоскость держателя;
— таблетка, спрессованная из порошка;
— срез массивного поликристаллического агрегата, например, металла (шлиф).
В дифрактометрии поликристаллов используется плоский образец. Обычно это порошок, тем или иным способом нанесенный на плоскую поверхность, либо таблетка, спрессованная из порошка, либо срез массивного поликристалла. Оптимальный размер частиц в образце должен быть порядка 10 мкм (10-5 см- 10-3 см). Один из способов приготовления образца для исследования: стеклянную круглую пластинку, меньшую по диаметру 25 мм, слегка смазывают вазелином. На вазелин. На вазелин равномерным слоем насыпают порошок исследуемого материала. На порошок накладывает пластинку и, слегка покачивая ее и постепенно увеличивая давление, разравнивают порошок и прессуют его. Полученный препарат крепят в стеклянной кювете на пластилине и придавливают сверху стеклянной пластинкой для того, чтобы поверхность образца оказалась параллельной краю кюветы. Кювету устанавливают в держатель гониометра и, если гониометр хорошо отюстирован поверхность образца совмещается с плоскостью фокусировки. Поверхность образца должна быть строго параллельна каемке кюветы. Плоский образец может быть произвольной формы, но размером не менее 8x8 мм. должен вписываться в окружность диаметром 25 мм, толщина образца не должна превышать 10 мм. После приготовления образца путем механической обработки производят стравливание наклепанного слоя на глубину 0,15 — 0,2 мм химическим травлением.
Если образец плоский, то его прикрепляют минимальным количеством пластилина по центру кюветы. Для совмещения поверхности образца с плоскостью фокусировки рентгеновской трубки кювету с образцом привинчивают к держателю, находящемуся на гониометрическом устройстве. Вращение образца приводит к увеличению эффективного объема, участвующие в формировании дифракционной картины и уменьшению влияния текстура.
2.8Схема устройства типа ДРОН
Среди рентгеновских дифрактометров общего назначения наиболее типичным является ДРОН-2,0, который мы рассмотрим подробнее. Дифрактометр ДРОН-2,0 (рис.8) предназначен для выполнения широкого круга рентгеноструктурных исследований монокристаллов и поликристаллов различных материалов. Применение специальных приставок делает возможным проведение исследований с охватом области углов, начиная с 12; в температурных интервалах от +20 до +20000С и от +20 до –1800С.
Рисунок 8 Принципиальная схема дифрактометра типа ДРОН
1 -стабилизатор напряжения; 2- высоковольтный источник питания; 3- рентгеновская трубка; 4 — образец; — гониометр; 6 -счетчик; 7- блок питания счетчика; 8 -усилитель амплитуды импульсов от счетчика; 9-амплитудный дискриминатор; 10 -нормализатор импульсов; 11 -пересчетное устройство; 12 -ЭВМ; 13- ЦПУ; 14 -перфоратор; 15 -измеритель скорости счета (интенсиметр); 16 -электронный самопишущий потенциометр; 17 -блок автоматического управления (в приборах без управления от ЭВМ).
Защита оператора от рентгеновского излучения состоит из свинцового стекла и металлических подвижных секторов, расположенных перпендикулярно оси гониометра. По периметру этих секторов закреплены шторки из просвинцованной резины.
Рисунок 9 Ход лучей в гониометре с фокусировкой по Брэггу — Брентано.
Гониометрические устройства современных дифрактометров общего назначения комплектуются, различными приставками и приспособлениями, позволяющими проводить на данных установках разнообразные, исследования. Наряду с фазовым анализом эти устройства позволяют проводить исследование монокристаллов, текстур, изучение объекта при высоких и низких температурах, регистрировать отражения в малоугловой области.
В дифрактометрах применяется фокусировка от плоского образца по методу Брэгга-Брентано (рис.9), допускающая вращение образца в собственной плоскости. Источник излучения F и щель S детектора располагаются на окружности R, в центре которой находится плоский образец. При фокусировке плоскость образца касается фокусирующей окружности. Фокус трубки Детектор образца при q =0 устанавливают вдоль первичного пучка. При изменении положения детектора образец поворачивается на угол q , в два раза меньший угла поворота детектора. Связь 1:2 между валами держателя образца и детектора осуществляется с помощью зубчатой передачи. Источник излучения, лежащий на фокусирующей окружности, — проекция фокуса трубки. Расходимость первичного пучка в горизонтальной плоскости ограничивается установкой сменных щелей различной ширины S1, S2, S3, в вертикальной плоскости – щелями Соллера, устанавливаемыми между S1 и S2 и S3 и детектором. Все детали, определяющие геометрию съемки, а также держатель образца и детектор устанавливают на гониометрическом устройстве. Держатель образца и детектор приводят в движение синхронным электродвигателем для регистрации рентгенограммы при помощи самописца. Скорость вращения образца и счетчика устанавливают с помощью редуктора. Для синхронизации лентопротяжного устройства с вращением образца и счетчика по схеме q -2q через заданные угловые интервалы из гониометра на самописец подаются сигналы (штрихи-отметки). Держатель образца вставляют в специальную приставку, за счет которой во время записи рентгенограммы образец может вращаться относительно нормали к отражающей плоскости.
Интенсивность рентгеновских лучей, попадающих в детектор, измеряется скоростью счета импульсов n =N t , где N — число импульсов, зарегистрированных за время t. Погрешность измерения тем меньше, чем выше интенсивность отражений или больше время измерения. Мерой искажения профиля пиков служит произведение RCz: RC — постоянная времени регистрирующего прибора, z — скорость съемки. Получение точных значений углов 2q и максимально возможной светосилы достигается тщательной юстировкой прибора.
2.9Типы структур металлов
Структура — это характеристика металла, зависящая от методов изучения его строения. Выделяют следующие типы структур:
— кристаллическая структура;
- субструктура;
— микроструктура;
— макроструктура.
Кристаллическая структура
Металлы представляют собой кристаллы с трехмерной периодичностью. Основой кристаллической структуры является трехмерная решетка, в пространстве которой располагаются атомы. В зависимости от характера расположения атомов в кристаллической решетке структуры чистых металлов разделяются на ряд типов.
Субструктура
В реальном металле кристаллическая структура множество дефектов, которые в значительной от степени определяют его свойства. Совокупность дефектов решетки и их пространственное распределение в кристалле называется субструктурой. Здесь кристаллы могут образовывать более крупные фрагменты – кристаллиты, блоки, зерна, фрагменты, полигоны.
Размер субмикрозерна: 1010см
Рисунок 10 Типы кристаллической структуры:
а — простая кубическая; б — объемно центрированная кубическая; в- гранецентрированная кубическая; г — гексагонально-плотноупакованная.
Микроструктура — это структура, определяемая с помощью металлографических микроскопов. Этот анализ позволяет определить наличие, количество и форму структурных составляющих сплава.
Размер субзерна: 1010см.
Макроструктура — это структура, которая определяется невооруженным глазом или при небольших увеличениях. С помощью макроанализа можно определить трещины, неметаллические включения, примеси и др.
Размер зерна: 1010см.
Физическое состояние характеризуется числом и концентрацией фаз, распределением фаз по поверхностному слою, объемом сплава и др.
Исследование физического состояния осуществляется экспериментальными методами физики твердого тела: дифракционными и микроскопическими.
Химический состав характеризуется элементным составом сплава и фаз, концентрацией элементов в объеме фаз, в объеме сплава и др.
Исследования химического состава поверхностного слоя позволяют оценить адсорбцию из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганических веществ, диффузионные процессы, процессы окисления и другие, происходящие при обработке металлов.
Механическое состояние металла определяется параметрами: сопротивления деформированию: предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности, твердость и др.; пластичности: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и другие, устанавливаемые специальными испытаниями образцов.
Например, в процессе пластической деформации, которая всегда сопровождает механическую обработку, все характеристики механического состояния поверхностного слоя изменяются: показатели сопротивления деформированию увеличиваются, а показатели пластичности уменьшаются. Это явление называют деформационным упрочнением.
В инженерной практике деформационное упрочнение поверхностного слоя определяют измерением твердости Н или микротвердости. Для этого твердость определяют на поверхности металла и внутри металла (при помощи послойного травления). В результате устанавливают толщину упрочненного слоя hH и степень деформационного упрочнения :
,
где: Нобр и Ниск — соответственно твердость (микротвердость) металла после и до обработки.
Атомные плоскости могут также приводить к увеличению направленности в движении частицы, если на своем пути, определяемом непрерывным потенциалом, частица испытывает много столкновений с атомами. Простейшая кристаллическая ячейка – кубическая. Для кубической решетки существуют три основных типа плоскостей (рис. 10). В кристаллографии их обозначают (100), (110) и (111).
Рисунок 11 Основные типы плоскостей
В кубической решетке существуют три основных типа плоскостей, которые в кристаллографии обозначают как (100), (110) и (111).
Если угол между импульсом частицы и кристаллической плоскостью мал, то частица взаимодействует сразу со многими атомами кристаллической решетки и потенциал поля отдельных атомов может быть заменен усредненным непрерывным потенциалом U(y), зависящим только от расстояния от кристаллических плоскостей.
2.10 Фильтрование рентгеновских лучей. α и β-компоненты излучения. Разделение компонент на дифрактограмме
Для съёмки дифрактограммы нужно правильно выбрать материал анода. При этом необходимо обеспечить следующие условия: Фазовый анализ требует использования монохроматического излучения. К — серия рентгеновского спектра состоит из двух линий: дублета Кα1α2 и Кβ. Излучение, соответствующее Кα1α2, примерно в пять раз сильнее излучения с длиной волны Кβ. Рентгеновские лучи с этой длиной волны мешают анализу, поэтому их отфильтровывают. Для этой цели достаточно поставить фильтр — тонкую фольгу из вещества, содержащего элемент или состоящего целиком из элемента, порядковый номер которого на единицу, а для тяжелых анодов на две, меньше порядкового номера атомов вещества анода. Излучение с длиной волны Кα1α2 легко пройдет через этот фильтр. Лучи же с длиной волны Кβ выйдут из фильтра ослабленными во много раз. Это связано с тем, что при таком соотношений порядковых номеров вещества анода и фильтра скачок коэффициента поглощения μ лучей в веществе фильтра лежит как раз между рефлексами, соответствующими длинам волн Кα1α2 и Кβ излучения анода. Например, для излучения медного анода фильтром может служить никелевая фольга толщиной 0.007 мм. Несмотря на наличие фильтра Кβ рентгеновское излучение трубки не является строго монохроматичным. Наряду с Кα — излучением всегда присутствует излучение со сплошным спектром, дающее на дифрактограмме фон. Интенсивность фона наиболее велика в малых углах 2θ я уменьшается с углом 2θ до его значения, равного 900. В больших углах фон от сплошного рентгеновского спектр может возрасти. Поскольку дифрактограму записывают в широком интервале углов, перо самописца и стрелка регистрирующего прибора могут уйти та пределы диаграммной ленты и шкалы. Чтобы этого не произошло, предварительно вручную выводят счетчик на минимум фона при 28, равном 900(не не дифракционный пик), устанавливают линию фона несколько выше нижнего края ленты и возвращает счётчик в исходное положение.
Хорошую дифрактограмму (без фона и Кβ-рефлексов) можно получить, если использовать кристалл-монохроматор, который устанавливается либо между фокусом рентгеновской трубки и образцом (на первичном пучке), либо между образцом и счётчиком (на вторичном пучке). В качестве кристаллов-монохроматоров используются тонкие пластинки, вырезанные из кристаллов кварца или графита так, что их поверхность параллельна кристаллографическим плоскостям кристалла с межплоскостным расстоянием dm. продолжение
--PAGE_BREAK--