Röntgen diffraktométerek

Eszköz: SMARTLAB Gyártó: RIGAKU Corporation Készülék hivatalos honlapja: www.rigaku.com/en Beszerzés éve: 2018   Eszköz: két RIGAKU típusú forgóanódos generátor Cu anóddal Eszköz: PHILIPS típusú hagyományos generátor Co anódos röntgencsővel   Kapcsolat: Gubicza Jenő (jeno.gubicza@ttk.elte.hu)

Röntgen diffrakcióról röviden

Kristályos anyagok számos fizikai tulajdonságát, mint például a szilárdságot, elektromos veztőképességet, mágneses, elktronikus vagy optikai tulajdonságokat, alapvetően meghatározza a mikroszerkezet. A mikroszerkezet jellemző igen lényeges kristályhibák a diszlokációk valamint a szemcse, illetve krisztallit szerkezet. A röntgen vonalprofil analízis módszere a minta felületi néhány 10 mikrométeres rétegéből származó térfogatból szolgáltat információt, így a röntgendiffrakcióval kapott eredmények statisztikailag jóval megbízhatóbbak mint pl. az elektronmikroszkópiával kapott szerkezeti erredmények.

A röntgendiffrakciós mérések során egy nagy intenzitású (gyakran monokromatikus) nyaláb szóródik a mintán, az elhajlított nyaláb intenzitását rögzítjük az elhajlási szög függvényében egy detektor, vagy ú.n. Imaging Plate segítségével. Kristályos anyagok esetén a kristályszerkezettöl függően bizonyos elhajlási szögeknél diffrakciós csúcsok jelennek meg, melyek összessége alkotja a diffrakciós spektrumot. Az egyes csúcsokat a hkl (Miller) indexekkel jellemezhetjük. A csúcsok kiszélesedésének mértéke és a profil alakja a mikroszerkezetről ad információt. A röntgen vonalprofil analízis célja a mikroszerkezet jellemző paramétereinek meghatározása a mérésekből.

Mérési lehetőségek SMARTLAB diffraktométer

1. Polikristályos anyagok kvalitatív fázisanalízise

2. Textúra vizsgálat

3. Vonalprofil analízis (krisztallitméret, diszlokációsűrűség, ikerhatár gyakoriság, stb. meghatározás)

4. Vékonyréteg reflektometria (rétegvastagság mérés)

5. Rocking görbe mérése

6. Reciproktér térképezés

7. Maradó feszültségek mérése

Specifikációk

A készülék Teta-teta goniométerrel rendelkezik, vízszintes helyzetű mintatartóval annak érdekében, hogy porminták mérése is könnyen kivitelezhető legyen. A goniométer karok (a forrás és detektor oldalaknál) egymástól függetlenül mozgathatók 0.0001 fok pontossággal.

A berendezés tartalmazza a RIGAKU CBO optikai komponenst, mely Mind Bragg-Brentano (fókuszált), mind pedig párhuzamos geometriájú nyaláb előállítására is alkalmas optika. A geometriák közötti váltás manuális jusztírozás nélkül lehetséges.

A diffraktométerhez rendelkezésre áll egy 0D és 1D mérésekre alkalmas DteXUltra 250 típusú félvezető detektort, mely 75 mikrométeres pixelmérettel és 256 detektorcsíkkal rendelkezik. A detektor aktív felülete 384 mm² (19.2 x 20 mm). Maximális beütés: 1 000 000 cps/detektorcsík. A detektor lehetővé teszi, hogy nagyon rövid idő alatt is jó minőségű diffraktogramokat mérjünk.

ZrB₂ kerámia röntgen diffraktogramja (1 órás mérési idő, 0,01 fok szögfelbontás, 1D DteX detektor)

 

Párhuzamos nyaláb esetén lehetőségünk van CuKα1 sugárzással történő mérésre, melyet egy 2 reflexiós Ge monokromátor alkalmazásával érünk el. A monokromátor beszerelhető manuális jusztírozási művelet nélkül.

A készülék tartalmaz egy 6 minta mérésére alkalmas automata mintaváltót, 2 db Si egykristály (alacsony hátterű) mintatartóval kis mennyiségű por minták méréséhez.

A diffraktométer rendelkezik egy ú.n. In-Plane goniométer karral (detektorkar) mellyel lehetséges a teta-teta síkon (függőleges síkon) kívül szóródó intenzitás detektálása, és a teta-teta síkra merőleges irányú szkennelésre, 3 foktól 120 fokig terjedő szögtartományban (ez a szög a primer nyaláb és a detektorkar vízszintes síkban vett vetületei közötti szög). Mozgatás pontossága 0,002 fok. Ez egy teljesen független detektor mozgatási irányt jelent, miközben a minta felülete folyamatosan vízszintes marad.

A berendezés rendelkezik textúra és rocking görbe mérésekhez valamint vékonyréteg reflektometria vizsgálathoz szükséges mintatartó asztallal függőleges tengely körüli forgatás lehetőségével 360^o-ban 0,002 fok pontossággal. Ezen kívül lehetséges a két vízszintes tengely (x és y) körüli korlátozott mértékű (-5 ‒ +5 fok tartományban) forgatás a minta felületi síkjának nagy pontosságú beállításához.

316L acél pólusábrái (12 órás mérési idő, 3 fok szögfelbontás, párhuzamos nyaláb, In-Plane goniométer kar, DteX detektor)

 

A készülékbe beszerelhető egy, a fluoreszcens sugárzás kiszűrésére alkalmas szekunder monokromátort, amely mind Bragg-Brentano (fókuszált), mind pedig párhuzamos geometriájú nyaláb estén használható.

Egyéb fontos kiegészítő információk

A készülékhez jól felszerelt előkészítő labor tartozik, 3 operátor segíti a mérési feladatok elvégzését. A mérések kiértékeléséhez a szoftverek (automatikus fázisazonosítás, textúra elemzés, stb.), valamint Rietveld analízis szoftver rendelkezésre áll. A fázisazonosításhoz 2018-as ICDD adatbázis használható.

 

Vonal profil analízis

A diffrakciós profil alakja a mikroszerkezetről ad információt. A röntgen vonalprofil analízis célja a mikroszerkezet jellemző paramétereinek meghatározása diffrakciós mérésekből. Az ELTE röntgendiffrakciós kutatócsoportja számos numerikus eljárást dolgozott ki vonalprofil analízisre. A módszerek alapvetően két csoportra oszthatók:

• egy profil kiértékelésén alapuló módszerek

• több profil együttes kiértékelésén alapuló módszerek

Az egy profilos módszerek esetén egy nagy felbontással megmért profil alakjából egy elméleti modell alapján közvetlenül megkapjuk a mikroszerkezet jellemző paramétereit. A Momentum-módszer a mért profilok különböző rendű korlátozott momentumainak kiszámításán és az ezekre vonatkozó elméleti momentum függvényekkel való összehasonlításon alapul. A második és negyedik korlátozott momentumból megkaphatjuk az elméleti függvényben szereplő mikroszerkezeti paraméterek értékét: a diszlokációsűrűséget, a diszlokációsűrűség fluktuációját és a felülettel súlyozott átlagos szemcseméretet.

A több profilos módszerek esetén a teljes diffrakciós spektrumot értékeljük eki, a kapcsolatot a profilok között az ú.n. diszlokáció kontraszt faktorok teremtik meg, melyek helyesen skálázzák a profilok hkl függését.

A több profilos módszerek esetén az egyszerűbb módszerek a vonalszélességeken alapulnak, míg az igényesebb, ugyanakkor megbízhatóbb módszerek a teljes profilok illesztésén alapulnak. Előbbiek a modified Williamson-Hall, illetve modified Warren-Averbach módszerek, ezek elsősorban kvalitatív eredményeket adnak a mikroszerkezetről. Utóbbi a Convolutional Multiple Whole Profile (CMWP) fitting eljárás, mely kvantitatív eredményeket szolgáltat a mikroszerkezetről: a szemcsék méreteloszlásának paramétereit, a diszlokációk sűrűségét és térbeli korrelációjára jellemző paramétert, illetve a rétegződési hibák sűrűségét kapjuk meg. A módszer a mért diffrakciós spektrumot illeszti a mikroszerkezet elméleti modellje alapján felépített spektrummal a legkisebb négyzetek módszerénel segítségével. Az eljárások lényeges alkotóelemét képezik a diszlokáció kontraszt faktorok, amelyek numerikus meghatározására átfogó programcsomagot dolgoztunk ki köbös, hexagonális és ortorombos kristályrendszerekben.

Az elméleti módszerek és numerikus eljárások kidolgozása mellett felépítettünk egy olyan röntgendiffrakciós laboratóriumot, amelyben lehetőség van (i) hagyományos pordiffraktogrammok felvételére, (ii) preciziós vonalprofilok mérésére speciális nagy szögfelbontású diffraktométerben, valamint (iii) egykristályok orientálására.

Laboratóriumi körülmények között a röntgensugarakat elsősorban hagyományos röntgencső, vagy forgóanódos generátor segítségével állíthatjuk elő. A hagyományos röntgen-sugárcső esetén egy nagyfeszültségű (max. 100 kV) generátor segítégével vákuumcső izzókatódjából kilépő elektronokat gyorsítjuk, melyek az anódba történő becsapódáskor gerjesztik az anód atomjainak elektronjait és az anód elektronszerkezetének megfelelő röntgen sugárzás keletkezik. Az anódnál keletkező hőt vízhűtéssel vezetjük el. A teljesítményt a gyorsítófeszültség és anódáram szorzata adja, tipikusan 2 kW körüli az elérhető maximális teljesítmény.

A forgóanódos generátor esetén az anód egy jól csapágyazott tengely körül nagy szögsebességgel forog, ezáltal a becsapódó elektronok az anódnak mindig más részét érik, így kevésbé hevül fel, mint a hagyományos cső alkalmazása esetén, illetve további előnye, hogy az anód cserélhető. A forgóanódos generátorral a hagyományosnál nagyobb teljesítmény érhető el, akár 10 kW körüli érték is elérhető.

 

A laboratóriumban alkalmazott detektorok leggyakrabban egydimenziós pozícióérzékeny gáztöltésű detektorok, szilárdtest detektorok, egy-, vagy kétdimenziós CCD detektorok lehetnek, illetve a filmes technikát felváltó Imaging Plate-et alkalmazhatjuk off-line detektálásra. Az imaging plate (4. ábra) érzékelő felülete poliészter lapra felvitt BaBrF:Eu2+ szemcsékből áll, a röntgen sugárzás hatására az intenzitással arányos információt rögzít, melyet egy speciális (scannerre hasonlító) berendezés segítségével tudunk kiolvasni.

 

Az ELTE röntgendiffrakciós laboratóriumában következő eszközök állnak rendelkezésre röntgen vonalprofil analízis céljára:

1. két RIGAKU típusú forgóanódos generátor Cu anóddal

2. egy PHILIPS típusú hagyományos generátor Co anódos röntgencsővel

 

Ezeket a diffraktométereket Debye-Scherrer geometriában használjuk, mely monokromatikus forrást igényel. Ennek előállítására kettős kristályos monokromátort alkalmazunk, így a profilok műszeres hatásból eredő kiszélesedése minimalizálható.

 

A minta minden esetben (kézi, vagy motoros vezérlésű) goniométerre van helyezve, mely a minta pozícionálását és orientálását segíti. Ezen kívül mindenhol optikai kamera is rendelkezésre áll a pontos pozícionáláshoz. A mérés során lehetőség van a mintát kis szögtartományban forgatni (lengetni), ezzel a módszerrel növelve a diffraktáló szemcsék számát folytonosabb intenzitás eloszlást kapunk a lehetséges (Scherrer) gyűrűk mentén.

 

A detektálásra egyrészt Imaging Plate-et használhatunk, illetve két darab 1D-s DECTRIS MYTHEN típusú szilárdtest detektor is rendelkezésre áll. Ezeknek a detektoroknak gyakorlatilag nincs kiolvasási, vagy sötétáram zaja, továbbá kitűnő jel/zaj arány, 50 mikronos pixel méret, illetve nagy (24 bites) dinamikus tartomány jellemzi, emiatt különösen alkalmasak nagyfelbontású vonalprofilok mérésére.