Рентгеновская топография

Рентге'новская топогра'фия,совокупность рентгеновских дифракционных методов изучения различных дефектов строения в почти совершенных кристаллах. К таким дефектам относятся: блоки и границы структурных элементов, дефекты упаковки, дислокации,скопления атомов примесей, деформации.Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах различными методами «на просвет» и «на отражение» в специальных рентгеновских камерах,получают рентгенограмму-дифракционное изображение кристалла, называемое в структурном анализе топограммой. Физическую основу методов Р. т. составляет дифракционный контраст в изображении различных областей кристалла в пределах одного дифракционного пятна. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией кристаллической решётки кристалла в этих точках. Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентации элементов субструктуры (фрагментов, блоков) в кристаллах, а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокаций, сегрегаций примесей и напряжений. Р. т. отличают от др. рентгеновских методов исследования кристаллов высокая разрешающая способность и чувствительность, а также возможность исследования объёмного расположения дефектов в сравнительно крупных по размеру почти совершенных кристаллах (до десятков см) .

 Линейное разрешение многих методов Р. т. составляет от 20 до 1 мкм,угловое разрешение -от 1' до 0,01“. Чувствительность определяется контрастом в интенсивностях дифрагированных лучей от «удачно» и «неудачно» ориентированных областей и от «совершенных» и «искажённых» областей кристалла.

  Методы Р. т. различаются по области используемых углов дифракции, по характеру выявляемых дефектов (макроскопические дефекты, дефекты кристаллической решётки), степени несовершенства и дефектности кристаллов, чувствительности и разрешающей способности. На рис. 1-5  приведены принципиальные схемы некоторых методов Р. т. и топограммы кристаллов, полученные этими методами. Преобразование рентгеновских изображений в видимые с последующей их передачей на телевизионный экран позволяет осуществлять контроль дефектности кристаллов в процессе различных воздействий на них при технологической обработке или при исследовании их свойств.

   Лит.:�веронова В. �., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972: Умайский Я. С., Рентгенография металлов, М., 1967; Лютцау В. Г., Фишман Ю. М., Метод дифракционной топографии на основе сканирования в широком пучке рентгеновских лучей, «Кристаллография», 1969, т. 14, в. 5, с. 835: Ровинский Б. М., Лютцау В. Г., Ханонкин А. А., Рентгенографические методы исследования структурных несовершенств и дефектов решетки в кристаллических материалах, «Аппаратура и методы рентгеновского анализа», 1971, в. 9, с. 3-35; Kozaki S., Hashizume H., Kohra K., High-resolution video display of X-ray topographs with the divergent Laue method, «Japanese Journal of Applied Physics», 1972, v. 11, № 10, p. 1514.

  В. Г. Лютцау.

Рис. 4, а. Схема топографирования в широком параллельном пучке монохроматического рентгеновского излучения. От линейного фокуса щелями I и II формируется параллельный пучок лучей, падающий на кристалл под брэгговским углом 2J, и из дифрагированного пучка щелью III выделяется параллельный пучок, фиксируемый на фотопластинке. Для исследования больших кристаллов во время съёмки кристалл и фотопластинку можно синхронно перемещать.

Р РёСЃ. 2, Р°. Схема топографирования кристаллов «на просвет» РїРѕ методу Фудживара. Расходящийся РёР· «точечного» источника пучок рентгеновских лучей СЃ непрерывным спектром РїСЂРё прохождении через «тонкий» (толщиной t ³ 1/m, РіРґРµ m - коэффициент поглощения рентгеновских лучей) кристалл создаёт его изображение. Увеличение B/D.

Рис. 1, б. Топограмма по Шульцу алюминииевого монокристалла. Тёмные и светлые полосы на топограмме соответствуют границам блоков в кристалле. �х ширина и цвет определяются величиной и направлением взаимного разворота блоков в кристалле.

Рис. 4, б. Топограмма монокристалла кремния, полученная по методу широкого параллельного пучка.Толщина кристалла 0,3 мм. Видны отдельные ростовые дислокации (тёмные линии). Увеличено.

Рис. 3, б. Топограмма блочного кристалла алюминия по Бергу - Барретту. Разворот блоков в кристалле фиксируется в виде светлых участков (1) и границ между тёмными участками (2).

Рис. 5, б. Топограмма монокристаллов кремния, полученная по методу Ланга. Толщина кристалла 0,5 мм. Видны отдельные дислокации (d). Увеличено.

Рис. 5, а. Схема топографирования кристаллов в узком параллельном пучке «на просвет» по методу Ланга. Рентгеновские монохроматические лучи от «точечного» источника выделяются узкой (0,1 мм) щелью так, что на кристалл попадает только излучение К _{a 1}. Дифракционное изображение выделяется второй щелью и фиксируется на фотопластинке. Монохроматичность излучения тем выше, чем больше расстояние А и меньше ширина щели S. Для больших кристаллов необходимо синхронное возвратно-поступательное перемещение кристалла и фотопластинки (щели при этом неподвижны).

Рис. 2, б. Топограммы по Фудживара «на просвет» кристалла сапфира, полученные при расстоянии D = 100 мми В - соответственно 50, 70, 100, 150 мм, что позволяет получать различное разрешение деталей блочной структуры кристалла. На топограмме 5 видны границы блоков (поперечные тёмная и светлая линии) и следы скольжения (тонкие зигзагообразные тёмные линии). Две параллельные вертикальные тёмные линии - следы дифракционных характеристических линий К _±и К _Іменяющих положение на границах блоков.

Рис. 3, а. Схема топографирования кристаллов «на отражение» по методу Берга и Барретта. Параллельный пучок монохроматического рентгеновского излучения от линейного источника падает на поверхность кристалла под брегговским углом, и дифракционное изображение фиксируется на фотоплёнке, расположенной вблизи кристалла параллельно его поверхности.

Рис. 1, а. Схема топографирования кристалла «на отражение» по методу Шульца. Расходящийся из «точечного» (диаметром 25 мкм) фокуса пучок ретгеновских лучей с непрерывным спектром падает на кристалл под углами от J до J', удовлетворяющими условию Лауэ для лин волн от l до l'. Отраженный пучок дает его дифракционное изображение на фотопленке.

Рентгеновская трубка

Рентге'новская тру'бка, электровакуумный прибор,служащий источником рентгеновского излучения. Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов, ускоренных сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом, частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. �злучение Р.т. представляет собой наложение тормозного рентгеновского излучения на характеристическое излучение вещества анода (см. Рентгеновские лучи ) .Р. т. различают: по способу получения потока электронов - с термоэмиссионным (подогревным) катодом, автоэмиссионным (острийным) катодом, катодом, подвергаемым бомбардировке положительными ионами и с радиоактивным (b) источником электронов; по способу вакуумирования - отпаянные, разборные; по времени излучения - непрерывного действия, импульсные; по типу охлаждения анода - с водяным, масляным, воздушным, радиационным охлаждением; по размерам фокуса (области излучения на аноде) - макрофокусные, острофокусные и микрофокусные; по его форме - кольцевой, круглой, линейчатой формы; по способу фокусировки электронов на анод - с электростатической, магнитной, электромагнитной фокусировкой.

В  Р . С‚. применяют РІ рентгеновском структурном анализе ( СЂРёСЃ. 1 , Р°), спектральном анализе рентгеновском, дефектоскопии( СЂРёСЃ. 1 , Р±) , рентгенодиагностике( СЂРёСЃ. 1 , Р±), рентгенотерапии, рентгеновской РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёРёРё микрорентгенографии. Наибольшее применение РІРѕ всех областях находят отпаянные Р . С‚. СЃ термоэмиссионным катодом, водоохлаждаемым анодом, электростатической системой фокусировки электронов ( СЂРёСЃ. 2 ). Термоэмиссионный катод Р . С‚. обычно представляет СЃРѕР±РѕР№ спираль или РїСЂСЏРјСѓСЋ нить РёР· вольфрамовой проволоки, накаливаемую электрическим током. Рабочий участок анода - металлическая зеркальная поверхность - расположен перпендикулярно или РїРѕРґ некоторым углом Рє потоку электронов. Для получения сплошного спектра рентгеновского излучения высоких энергий Рё интенсивности используют аноды РёР· Au, W; РІ структурном анализе пользуются Р . С‚. СЃ анодами РёР· Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag. Основные характеристики Р . С‚. - предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 РєРІ) ,электронный ток (0,01 РјР° -1 Р°), удельная мощность, рассеиваемая анодом (10-10 ⁴ РІС‚/РјРј ²) ,общая потребляемая мощность (0,002 РІС‚ -60 РєРІС‚) Рё размеры фокуса (1 РјРєРј -10 РјРј) .РљРїРґ Р . С‚. составляет 0,1-3%.

  Лит.:Тейлор А., Рентгеновская металлография, пер. с англ., М., 1965; Уманский Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969; Шмелев В, К., Рентгеновские аппараты, М., 1973.

  В. Г. Лютцау.

Рис. 2. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 - окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 - термоэмиссионный катод; 4 - стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 - выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 - электростатическая система фокусировки электронов; 7 - анод (антикатод); 8 - патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный стакан.

Рис. 1. Общий вид рентгеновских трубок для структурного анализа (а), дефектоскопии (б) и медицинской рентгенодиагностики (в).

Рентгеновские лучи

Рентге'РЅРѕРІСЃРєРёРµ лучи',рентгеновское излучение, электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма- Рё ультрафиолетовым излучением РІ пределах длин волн РѕС‚ 10 ^-4РґРѕ 10 ³ В (РѕС‚ 10 ^-12РґРѕ 10 ^-5 СЃРј) .Р . Р». СЃ длиной волны l < 2  условно называются жёсткими, СЃ l > 2 В - РјСЏРіРєРёРјРё. Р . Р». открыты РІ 1895 Р’. Рљ. Рентгеном Рё названы РёРј РҐ-лучами (этот термин применяется РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… странах). Р’ течение 1895-97 Рентген исследовал свойства Р . Р». Рё создал первые рентгеновские трубки. РћРЅ обнаружил, что жёсткие Р . Р». проникают через различные материалы Рё РјСЏРіРєРёРµ ткани человеческого тела (это свойство Р . Р». быстро нашло применение РІ медицине). Открытие Р . Р». привлекло внимание учёных всего РјРёСЂР°, Рё уже РІ 1896 было опубликовано свыше 1000 работ РїРѕ исследованиям Рё применениям Р . Р». Электромагнитная РїСЂРёСЂРѕРґР° Р . Р». была предсказана Дж. Стоксом Рё экспериментально подтверждена Р§. Баркла,открывшим РёС… поляризацию. Р’ 1912 нем. физики Рњ. Лауэ,Р’. Фридрих Рё Рџ. РљРЅРёРїРїРёРЅРі обнаружили дифракцию Р . Р». РЅР° атомной решётке кристаллов (СЃРј. Дифракция рентгеновских лучей ) .Р’ 1913 Р“. Р’. Вульф Рё независимо РѕС‚ него РЈ. Р›. Брэгг нашли простую зависимость между углом дифракции, длиной волны Р . Р». Рё расстоянием между соседними параллельными атомными плоскостями кристалла (СЃРј. Брэгга - Вульфа условие ) .Эти работы послужили РѕСЃРЅРѕРІРѕР№ для рентгеновского структурного анализа. Р’ 20-С… РіРі. началось применение рентгеновских спектров для элементного анализа материалов, Р° РІ 30-С… РіРі. - Рє исследованию электронной энергетической структуры вещества. Р’ РЎРЎРЎР  РІ развитии исследований Рё применении Р . Р». большую роль сыграл Физико-технический институт,основанный Рђ. Р¤. Р�оффе.

  �сточники Р. л. Наиболее распространённый источник Р. л. - рентгеновская трубка.В качестве источников Р. л. могут служить также некоторые радиоактивные изотопы : одни из них непосредственно испускают Р. л., ядерные излучения других (электроны или a-частицы) бомбардируют металлическую мишень, которая испускает Р. л. �нтенсивность рентгеновского излучения изотопных источников на несколько порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки, но габариты, вес и стоимость изотопных источников несравненно меньше, чем установки с рентгеновской трубкой.

  �сточниками мягких Р. л. с l порядка десятков и сотен  могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв.По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2-3 порядка.

  Естественные источники Р. л. - Солнце и другие космические объекты.

  Свойства Р. л.В зависимости от механизма возникновения Р. л. их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени (см. Тормозное излучение ) ;этот спектр достигает значительной интенсивности лишь при бомбардировке мишени электронами. �нтенсивность тормозных Р.