1. Wprowadzenie
8 listopada 1895 r. Wilhelm Röntgenodkrył promieniowanie X, prowadząc badania nad zjawiskiem luminescencji wywołanej przez promienie katodowe. Niewidzialne promienie rentgenowskie, zdolne do przenikania materii, szybko znalazły praktyczne zastosowanie. Obecnie prawie każda placówka medyczna jest wyposażona w aparat rentgenowski pomagający leczyć pacjentów. Promienie Röntgena mają również zastosowanie w badaniu struktury ciał stałych, głównie kryształów.
Promieniowanie rentgenowskie to fale elektromagnetyczne o długości 10 pm do 10 nm. W widmie fal elektromagnetycznych zajmują miejsce pomiędzy promieniowaniem UV i gamma.
Promieniowanie X powstaje przy zderzeniu elektronów albo ciężkich cząstek naładowanych (cząstki alfa, protony itd.) z materią lub jako promieniowanie wtórne przy wzbudzeniu atomów promieniowaniem X. Obecnie promieniowanie rentgenowskie możemy wytwarzać za pomocą lampy rentgenowskiej lub synchrotronu.
Własności promieniowania rentgenowskiego:
· wysoka zdolność do przenikania przez prawie wszystkie materiały (zależna od składu chemicznego, natężenia promieniowania, grubości materiału);
· dobra przenikalność przez związki organiczne;
· słabsza przenikalność przez materiały o dużej masie atomowej (ołów, złoto);
· promieniowanie rentgenowskie jest rakotwórcze.
2. Budowa i zasada działania urządzenia
Dyfraktometria rentgenowska jest techniką badawczą stosowaną w dziedzinach fizyki ciała stałego, krystalografii oraz badań materiałowych. Przez wiele lat technika ta stosowana była głównie do badań naukowych związanych z określeniem struktury sieci krystalograficznych rożnych substancji, wyznaczaniem ich komórek elementarnych oraz stałych sieciowych. Wraz z rozwojem techniki zakres zastosowań badań dyfraktometrycznych objął również obszary badań nieniszczących. Do takich zastosowań zaliczamy: określanie składu fazowego materiałów, pomiaru naprężeń czy wyznaczanie tekstury materiałów polikrystalicznych.
Dyfraktometr rentgenowski zbudowany jest z lampy rentgenowskiej z generatorem wysokiego napięcia , goniometru, urządzeń kontrolno-pomiarowych oraz rejestratora badań (komputer). Istnieje kilka technik badania substancji polikrystalicznych różniących się od siebie m.in.: geometrią goniometru, techniką ogniskowania promieniowania, kształtem badanego preparatu i innych.
1.1. Podstawy fizyczne dyfraktometru polikrystalicznego
Większość spotykanych w przyrodzie substancji ma strukturę krystaliczną, czyli składa się z atomów ułożonych w regularny i ściśle uporządkowany sposób określony przez strukturę sieci krystalicznej. Wielkość pojedynczych kryształów, czyli obszarów materiału, w których zachowane jest określone uporządkowanie atomów, może być przy tym bardzo różna; mogą to być zarówno pojedyncze monokryształy o rozmiarach rzędu centymetrów jak też ziarna materiałów polikrystalicznych o rozmiarach rzędu mikrometrów. Typowe materiały techniczne (metale, ceramika) są polikryształami składającymi się z wielkiej liczby krystalitów ułożonych w sposób przypadkowy w objętości materiału. Techniki stosowane w dyfraktometrii rentgenowskiej są w pewnym stopniu zależne od tego czy badany obiekt ma formę pojedynczego monokryształu czy też próbki polikrystalicznej, jednak podstawowa idea dyfrakcji jest taka sama.
Przez atomy sieci poprowadzić można wiele różnych, wzajemnie równoległych grup płaszczyzn sieciowych. Niektóre grupy płaszczyzn są gęsto upakowane atomami jak np. grupa (010) inne zaś, jak np. (310) zawierają znacznie mniej atomów. Można sobie wyobrazić, że każda płaszczyzna atomów stanowi dla padających promieni rentgenowskich rodzaj półprzepuszczalnego zwierciadła, które częściowo odbija te promienie zgodnie z prawami optyki geometrycznej (kąt odbicia = kątowi padania). Schemat takiego odbicia pokazano na rysunku nr 3
Odbicie promieni rentgenowskich od pojedynczej płaszczyzny atomów jest o wiele za słabe, aby mogło zostać zaobserwowane doświadczalnie. Jednak w przypadku gdy odbicia od 2, 3 i kilkuset następnych równoległych płaszczyzn sieciowych nałożą się na siebie „w zgodnej fazie” i sumaryczna fala odbita będzie na tyle silna, że spowoduje wyraźnie mierzalny efekt nazywany odbiciem interferencyjnym lub odbiciem Braggów. Warunki jakie muszą być spełnione aby efekt ten wystąpił zostały po raz pierwszy podane przez Braggów w 1913 roku i noszą nazwę równania Bragga:
nλ = 2d sin θ,
gdzie:
d – odległość między sąsiednimi płaszczyznami atomowymi,
θ - kąt dyfrakcji,
λ - długość fali promieniowania rentgenowskiego,
n – liczba naturalna.
Dyfrakcja na płaszczyznach sieciowych występuje tylko wtedy, gdy spełniony jest warunek Braggów. Dlatego nie mamy tu widma promieniowania tylko dyfraktogram, na którym w miejscach dyfrakcji próbki zarejestrowane są refleksy.
Należy jednak pamiętać o tym, że promieniowanie rentgenowskie nie odbija się w sensie dosłownym. Fotony rozpraszają się na atomach sprężyście we wszystkich kierunkach, lecz przy zadanej długości fali i kącie padania promieniowania wzmocnienie interferencyjne nastąpi tylko dla pewnych ściśle określonych kątów odbicia. Równanie Bragga wyraża w prosty sposób warunek odbicia interferencyjnego, mówiący, że różnice dróg promieni odbitych od płaszczyzn atomowych należących do tej samej rodziny muszą być dokładnie równe wielokrotności długości fali. Jednym z ważnych wniosków wynikających z tego równania jest ogólny warunek na długość fali promieniowania rentgenowskiego, jaka może być stosowana w badaniach dyfraktometrycznych. Ponieważ sinθ jest zawsze ≤ 1 zaś n ≥ 1, aby uzyskać jakiekolwiek odbicie dyfrakcyjne od kryształu, długość fali musi spełniać warunek:
λ ≤ 2dmax
gdzie dmax oznacza największą odległość między sąsiadującymi płaszczyznami sieciowymi badanego kryształu.
Ponieważ wymiary komórek elementarnych kryształów są rzędu angstremów ( 1Å = 10-10m), tego samego rzędu muszą być również stosowane długości fal rentgenowskich.
1.1. Lampa rentgenowska
Lampa rentgenowska jest to dwuelektrodowa lampa katodowa, przeważnie szklana lub szklano-metalowa (stosowane są również lampy metalowo-ceramiczne) i napełniona gazem pod zmniejszonym ciśnieniem lub opróżniona z powietrza i zatopioną.
Pierwsze lampy rentgenowskie, tzw. lampy jonowe, były napełnione gazem i miały trzy elektrody: katodę, anodę i antykatodę. Katoda była nieżarzona i elektrony emitowany z niej były na skutek bombardowania jonami rozrzedzonego gazu, przyspieszanego przez wysokie napięcie.
Obecnie są produkowane i stosowane wyłącznie lampy rentgenowskie terrmoemisyjne typu Coolidge'a (lampy z żarzącą się katodą).Katoda nie jest już zimnym metalowym blokiem, lecz włóknem, rozżarzonym przez płynący przez nie prąd. To włókno jest zazwyczaj wmontowane i podłączone elektrycznie do ukształtowanego metalowego bloku, który skupia wiązkę elektronów na tarczy. Natężenie powstających promieni X zależy tylko od natężenia wiązki elektronów, które jest funkcją temperatury włókna, i może być kontrolowane poprzez dostosowywanie natężenia prądu w włóknie. Penetracja uzyskanych promieni Rentgena zależy od napięcia pomiędzy katodą i tarczą. W tym układzie natężenie i penetracja promieni rentgenowskich są niezależnie kontrolowane poprzez dostosowywanie odpowiednio prądu żarzenia włókna i napięcia przyłożonego do lampy.
Podział lamp rentgenowskich
1) Ze względu na rodzaj materiału bańki wyróżniamy:
§ lampy szklane,
§ lampy metalowo-szklane,
§ lampy metalowo-ceramiczne.
2) Ze względu na konstrukcje lampy wyróżniamy:
§ lampy zamknięte,
§ lampy otwarte.
3) Ze względu na rodzaj obudowy lampy wyróżniamy:
§ lampy nieosłonięte,
§ lampy obudowane,
§ lampy zatopione w silikonie.
4) Ze względu na polaryzacje lampy wyróżniamy:
§ lampy dwubiegunowe,
§ lampy jednobiegunowe.
5) Ze względu na charakter pracy wyróżniamy:
§ lampy do pracy ciągłej,
§ lampy do pracy impulsowej.
6) Ze względu na rodzaj katody wyróżniamy:
§ lampy z katodą z włókna wolframowego,
§ lampy z katodą zasobnikową (impregnowaną),
§ lampy z katodą z LaB6,
§ lampy z katodą Schottky'ego,
§ lampy z katodą zimną,
§ lampy z katodą wykonaną z nanorurek węglowych CNT,
§ lampy z fotokatodą.
7) Ze względu na materiał anody wyróżniamy:
§ lampy z anodą miedzianą,
§ lampy z anodą wolframową,
§ lampy z anodą molibdenową,
§ lampy z anodą RT, RTM, RTMC.
8) Ze względu na liczbę anod wyróżniamy:
§ lampy z pojedyncza anodą,
§ lampy z podwójną anodą.
9) Ze względu na konstrukcję anody wyróżniamy:
§ lampy z anodą stałą,
· lampy z anodą wirującą.
Pomimo tego, że zasada działania lampy rentgenowskiej pozostaje nadal taka sama, to istnieje olbrzymia różnorodność konstrukcyjna lamp z czym wiąże się z konkretnym przeznaczeniem lampy. Możemy więc rozróżnić lampy rentgenowskie przeznaczone do: dyfrakcji, przemysłowych badań nieniszczących, pomiarów grubości, gęstości, diagnostyki medycznej, stomatologii czy mammografii. Ze względu na rozwój rożnych zastosowań promieniowania X, zauważa się rozwój w konstrukcji rożnych źródeł promieniowania rentgenowskiego.
1.1. Goniometr licznikowy
Goniometr licznikowy jest urządzeniem precyzyjnym, w którym na preparacie zachodzi dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego. Odpowiednie kąty nastawia się w nim z dokładnością ± (0,005o − 0,01o), a odczytanie ich wartości umożliwia układ optyczny lub elektroniczny. Jest to najważniejsza część dyfraktometru rentgenowskiego. Promienie ugięte na preparacie jest w goniometrze ogniskowane według zasady podanej przez Bragga i Brentano albo według zasady podanej przez Seemanna i Bohlina. Odpowiednio więc mówi się o goniometrze z ogniskowaniem według Bragga–Brentano lub Seemanna–Bohlina.
1.1.1.Goniometr z ogniskowaniem wg Bragga-Brentano
W goniometrze wg Bragga-Bretntano ugięte promienie wiązki są ogniskowane na okręgu, przy czym przechodzi on przez ognisko lampy rentgenowskiej i szczelinę wejściową licznika oraz jest styczny do powierzchni preparatu umieszczonego w osi goniometru. Promień okręgu ogniskowania rogn zależy od kąta dyfrakcji i określa go wzór:
rogn=R/2sinΘ,
gdzie: R – promień goniometru, Θ – kąt dyfrakcji.
Z powyższego wzoru wynika, że promień okręgu ogniskowania zależy od kąta dyfrakcji i ma największe wartości dla małych kątów dyfrakcji, a ze wzrostem kąta dyfrakcji jego wartość maleje.
W celu uzyskania idealnego ogniskowania ugiętych promieni na szczelinie wejściowej licznika preparat powinien być wygięty tak, aby cała jego powierzchnia była styczna do okręgu ogniskowania, a jednocześnie promień krzywizny preparatu powinien zmieniać się wraz ze zmianą kąta dyfrakcji według wzoru na promień okręgu ogniskowania. Spełnienie obu tych warunków jest niewykonalne. Dlatego też stosuje się płaski preparat, co powoduje jednak pewne zniekształcenia w ogniskowaniu promieni, prowadzące do poszerzenia wiązki ugiętej, padającej na szczelinę wejściową licznika. Poszerzenie to można zaniedbywać tak długo, dopóki wiązka pierwotna ma niedużą rozbieżność poziomą. Można ją regulować za pomocą tzw. szczeliny rozbieżności . Rozbieżność pionową ogranicza się za pomocą tzw. szczelin Sollera, stanowiących układ metalowych blaszek o jednakowej grubości położonych równolegle i w stałej odległości względem siebie.