Аппараты для рентгеноструктурного анализа

Рентгеноструктурный аппарат представляет собой совокупность технических средств, необходимых для реализации того или иного рентгеноструктурного метода, специальных условий эксперимента и регистрации дифракционной картины.

Основным элементом рентгеновского аппарата для структурного анализа является источник рентгеновского излучения, поэтому часто под «рентгеновским аппаратом» понимают только источник рентгеновского излучения.

Устройством, в котором непосредственно осуществляется дифракция рентгеновских лучей на образце и регистрируется дифракционная картина, является рентгеновская камера (при регистрации на фотографическую пленку) или рентгеновское гониометрическое устройство (если детектором излучения является счетчик квантов). Рентгеновским гониометрическим устройством (гониометром) называют прибор, с помощью которого можно измерять угловое положение образца в момент возникновения дифракции и направление дифрагированных рентгеновских лучей. Некоторые виды рентгеновских камер с фоторегистрацией, в которых осуществляется синхронное движение образца и рентгеновской пленки, называют рентгеновскими гониометрами с движущейся пленкой.

Способ регистрации дифракционной картины (с помощью фотопленки или счетчика квантов) определяет функциональный состав и конструктивные особенности рентгеноструктурного аппарата.

Источник излучения в сочетании с рентгеновскими камерами называют рентгеноструктурным аппаратом с фоторегистрацией.

Совокупность источника излучения, рентгеновского гониометра со счетчиком и системы, обеспечивающей сбор и обработку экспериментальных данных, называют рентгеновским дифрактометром.

Рентгеновские камеры и дифрактометры имеют различную конструкцию в зависимости от того, какой конкретный метод исследования в них реализован или в зависимости от специальных условий эксперимента (например, съемка при высоких или при низких температурах). Все типы рентгеновских камер и гониометров содержат коллимационную систему, устройство установки образца, кассету с фотопленкой (в камерах) или держатель счетчика (в гониометрах), механизмы движения образца и детектора.

Устройство установки образца обеспечивает его закрепление в держателе в необходимом положении относительно первичного пучка.

Кассета в рентгеновской камере служит для придания фотопленке необходимой формы и ее светозащиты. Наиболее распространены плоские и цилиндрические кассеты; у цилиндрических кассет оси обычно совпадают с осью вращения образца. В рентгеновских гониометрах с движущейся пленкой, а также в камерах для рентгеновской топографии кассета перемещается или вращается синхронно с образцом. В интегрирующих камерах кассета, кроме того, смещается при каждом цикле рентгенографирования на малую величину, что приводит к «размыванию» дифракционного максимума на фотопленке, усреднению регистрируемой интенсивности излучения и тем самым к повышению точности ее измерения.

Принципиальное отличие дифрактометра от аппарата с фоторегистрацией заключается в необходимости регистрировать дифракционную картину последовательно во времени. Это приводит к необходимости стабилизации излучения рентгеновской трубки, усложнения геометрической схемы и измерительно-регистрирующей системы.

Непосредственной функцией дифрактометра является измерение интенсивности и направления рентгеновского излучения, дифрагированного на кристаллическом образце. При этом интенсивность дифрагированного излучения измеряется с точностью до десятых долей процента, а углы дифракции — до сотых и тысячных долей градуса. В качестве детекторов излучения в дифрактометрах используются счетчики квантов: сцинтилляционные, пропорциональные, полупроводниковые, а также счетчики Гейгера. По сравнению с аппаратом с фоторегистрацией дифрактометр обладает более высокой точностью, чувствительностью, большей производительностью. Процесс получения информации в дифрактометре может быть полностью автоматизирован с помощью ЭВМ, выполняющей функции управления дифрактометром и обработки полученных экспериментальных данных. Универсальные дифрактометры с различными приставками (дифрактометры общего назначения) используются для различных рентгеноструктурных исследований; специализированные дифрактометры предназначены для решения определенной рентгеноструктурной задачи. При этом, как правило, обеспечивается высокая степень автоматизации работы дифрактометра [5-9].

Ниже приведена таблица с основными параметрами дифрактометров общего назначения, выпускаемых ведущими приборостроительными фирмами.

Таблица 1

1.4. Источники рентгеновского излучения для
структурного анализа

Источник рентгеновского излучения в общем случае состоит из рентгеновского излучателя (рентгеновской трубки в кожухе), высоковольтного источника питания и ряда специальных устройств, обеспечивающих удобную и безопасную эксплуатацию рентгеновского аппарата (держатели рентгеновских трубок» подставки для рентгеновских камер и гониометров, устройства системы водяного охлаждения, радиационной защиты, управления окнами рентгеновской трубки и др.). Непосредственным источником рентгеновского излучения практически во всех рентгеноструктурных приборах является рентгеновская трубка. (Исключением является источник синхротронного излучения, с применением которого связана реализация достаточно важных рентгенодифрактометрических экспериментов.)

Рентгеновская трубка включает в себя разогреваемый катод — источник электронов и массивный анод с мишенью, соответствующей требуемому характеристическому излучению. Под действием высокого напряжения, прикладываемого между катодом и анодом, электроны устремляются к аноду. При торможении их материалом анода возникают два вида спектра: собственно тормозной, связанный с потерей электронами энергии, которая при этом частично переходит в энергию рентгеновских квантов, и характеристический, связанный с выбиванием электронов с внутренних орбит атомов вещества анода при превышении напряжения на трубке потенциала возбуждения данной серии спектра, когда энергия сталкивающегося с анодом электрона преодолевает энергию связи с ядром одного из внутренних электронов атома.

Раз возникнув, характеристический спектр остается неизменным при дальнейшем повышении напряжения, увеличивается лишь его интенсивность, т. е. количество характеристических квантов. С увеличением напряжения происходит смещение в сторону коротких длин волн коротковолновой границы тормозного спектра, т. е. его спектральный состав изменяется. При напряжениях на трубке, в 3—4 раза превышающих потенциал возбуждения К-серии характеристического спектра, Кα-линия которой в основном используется в рентгеноструктурном анализе, интенсивность этой линии во много раз превышает интенсивность тормозного излучения.

Свыше 99% энергии бомбардирующих анод электронов переходит в тепло, поэтому трубку во время работы необходимо, как правило, принудительно охлаждать, для чего в основном используется проточная вода. Скорость протекания воды должна находиться в заданных пределах, контролируемых с помощью гидроблокировочного устройства.

Характерной особенностью рентгеноструктурных трубок является расположение плоскости анода перпендикулярно оси трубки, вдоль которой электроны устремляются к аноду. Участок анода, непосредственно бомбардируемый электронами, так называемое фокусное пятно, часто имеет в структурной трубке прямоугольную форму с соотношением сторон от 1: 10 до 1: 50. При таком линейчатом фокусе целесообразно отбирать излучение
(с помощью коллимационных систем рентгеновских приборов, устанавливаемых около трубки) под углом α от 3 до 6° относительно плоскости анода. Если при этом два бериллиевых окна трубки расположить по ее диаметру, совпадающему с длинной стороной прямоугольного фокального пятна, а два других — по перпендикулярному диаметру, то в зависимости от проводимого исследования можно работать либо с точечной проекцией фокуса, когда при истинном пятне 1х10 мм и α - 6° эффективный фокус 1х1 мм, либо с линейчатой, когда длина короткой стороны пятна, т. е. 1 мм умножается на sin угла отбора излучения α. При этом эффективный фокус оказывается 0,1 х 10 мм (широко используется в дифрактометрии).

Высоковольтные источники питания, используемые в рентгеноструктурной аппаратуре, обладают рядом особенностей. Как правило, они рассчитаны на напряжение не выше 60 кВ, хотя в ряде случаев необходимо более высокое напряжение. Причиной, затрудняющей увеличение напряжения источников свыше 60 кВ, является необходимость использования масла в качестве изоляции между рентгеновской трубкой и кожухом. При напряжениях ниже 60 кВ, применяют воздушную изоляцию, при которой возможна быстрая и легкая замена рентгеновских трубок.

В зависимости от назначения источника требования к стабилизации высокого напряжения и анодного тока рентгеновской трубки различны. Для тех методов, в которых дифракционная картина регистрируется одновременно, допустимая нестабильность высокого напряжения имеет довольно большое значение (0,5—1%) или стабилизация напряжения отсутствует вовсе, а для стабилизации анодного тока ограничиваются стабилизацией лишь тока накала рентгеновской трубки. В источниках излучения, предназначенных для методов с последовательной регистрацией дифракционной картины (например, для всех дифрактометрических методов), нестабильность высокого напряжения и анодного тока трубки составляет 0,1—0,005%.

Различают длительную нестабильность (дрейф) и кратковременную; первая вносит систематическую погрешность в измерения, вторая — случайную. Причины длительной нестабильности: нагревание высоковольтного трансформатора, тепловой дрейф стабилизаторов напряжения и тока, электронных цепей измерительного устройства (относительный сдвиг распределения по амплитудам и сдвиг порогов дискриминации), утомление катода фотоэлектронного умножителя в сцинтилляционных счетчиках, смещение фокуса трубки относительно коллиматора вследствие теплового расширения, изменение поглощения излучения в воздухе при колебаниях атмосферного давления.

Основные причины кратковременной нестабильности излучения — колебания напряжения в сети и непостоянство параметров трубки. Кратковременная нестабильность определяется амплитудой и частотой колебаний напряжения, инерционностью стабилизаторов напряжения и тока трубки и стабилизаторов напряжения измерительного устройства.

Источник излучения для рентгеноструктурного анализа выполняют либо в виде стола, на котором помимо кронштейна с трубкой можно размещать другие приборы — рентгеновские камеры и гониометрические устройства (в дифрактометрах), либо в виде отдельного блока, устанавливаемого на лабораторном столе. В этом случае на поверхности блока вертикально располагают рентгеновскую трубку, кожух которой имеет направляющие для размещения около каждого из окон трубки рентгеновских камер с фоторегистрацией того или иного типа.

К системе рентгеновская трубка — кожух рентгеновской трубки предъявляется ряд особых требований: необходима жесткая и легко воспроизводимая установка трубки в кожухе, простое и надежное соединение ее с высоковольтным кабелем.

Окна кожуха рентгеновской трубки имеют задвижки, позволяющие выпускать рентгеновское излучение лишь при необходимости. В современной аппаратуре в каждом окне кожуха устанавливаются две задвижки, одна из которых (механическая) открывается только при установке около окна трубки рентгеновской камеры или гониометра, при удалении которых задвижка закрывается. Другая задвижка управляется электромагнитом и открывается при поступлении сигнала от какого-либо внешнего устройства, например от часов экспозиции.

Для защиты от радиации в современной аппаратуре вокруг рабочей поверхности источника устанавливают систему экранов из материала, непрозрачного для рентгеновского излучения, с соответствующими блокировками, исключающими включение высокого напряжения, даже если один из экранов открыт. При этом для юстировки камер и гониометров предусматривают специальные юстировочные режимы работы, при которых наличие открытых экранов не приводит к выключению высокого напряжения.

Ряд блокирующих и сигнальных устройств служит для предотвращения ситуаций, при которых аппарат выходит из строя, например блокировка включения высокого напряжения при отсутствии водяного охлаждения и включение сигнализации, отключение высокого напряжения при установке режима работы, не соответствующего указанному в паспорте рентгеновской трубки, и т. д.

Ряд фирм разных стран «Philips» (Голландия), «Siemens», «Seifert» (Германия), «Inel» (Франция), «Rigaku» (Япония) широко применяют высоковольтные источники с бестрансформаторным входом и с преобразователем на повышенной частоте (20 кГц и выше). Массогабаритные параметры этих источников значительно лучше, чем у обычных источников, в основном вследствие выигрыша в габаритах и массе высоковольтного генераторного устройства. Генераторные устройства на повышенной частоте имеют более высокую надежность в результате снижения реактивностей в выходных высоковольтных цепях, малое значение коэффициента пульсации (порядка 0,1%) [10].

Используемые в рентгеноструктурном анализе источники рентгеновского излучения можно подразделить на три категории: с отпаянными рентгеновскими трубками обычного типа (с линейчатым фокусом), с микрофокусными трубками и аппараты с вращающимся анодом.

Источники с отпаянными рентгеновскими трубками получили наибольшее распространение в рентгеноструктурной аппаратуре. Фирма «Siemens» (Германия), НПО «Буревестник» (Россия) и др. выпускают источники рентгеновского излучения стационарного типа, имеющие несколько модификаций, выполненных в одном конструктивном исполнении и различающихся числом рабочих мест. При этом кожух рентгеновской трубки можно закреплять на крышке оперативного стола как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, что позволяет устанавливать на столе камеры с фоторегистрацией и гониометрические устройства дифрактометров.