RU2216010C2

RU2216010C2 - Multichannel x-ray diffractometer

Info

Publication number: RU2216010C2
Application number: RU2002102418/28A
Authority: RU
Inventors: А.В. Варламов
Original assignee: Варламов Аркадий Владимирович
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: X-ray equipment. SUBSTANCE: diffractometer is based on Debye-Scherrer circuit. It employs several collimators with arc-shaped slits. Profile of each slit is oriented in compliance with that range of diffraction angles to which corresponding channel is tuned which enables to get rid of mechanical orientation of slits. Spectrum scanning is realized by way of simple rectilinear motion of specimen. EFFECT: functional reliability of multichannel X-ray diffractometer and simplicity of its handling. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к рентгеновской дифррактометрии и может быть использовано для рентгено-структурного анализа, определения количественного и качественного фазового состава вещества. The invention relates to x-ray diffractometry and can be used for x-ray structural analysis, determination of quantitative and qualitative phase composition of a substance.

Известен малоугловой рентгеновский дифрактометр (А.С. СССР 1562808), работающий по рентгенооптической схеме Дебая-Шеррера и включающий в себя основание с установленным на нем гониометром, последовательно расположенные источник излучения, коллиматор первичного пучка, держатель исследуемого образца, коллиматор рассеянного излучения, детектор, блок регистрации интенсивности рассеянного излучения и блок измерения угла дифракции и управления дифрактометром, связанный с шаговым двигателем гониометра. Коллиматор рассеянного излучения выполнен в виде диафрагмы с кольцевой щелью. Держатель образца установлен на подвижной части гониометра. Данное устройство позволяет достаточно точно и с большим разрешением измерять углы дифракционных пиков, но только в малых углах дифракционного спектра. Кроме того, на нем невозможно одновременно измерять несколько аналитических пиков. Это затрудняет его применение для качественного и количественного фазового анализа в широком спектре аналитических задач. A known small-angle X-ray diffractometer (A.S. USSR 1562808), operating according to the Debye-Scherrer X-ray optical scheme and including a base with a goniometer mounted on it, a radiation source in series, a primary beam collimator, a sample holder, scattered radiation collimator, a detector, a unit for recording the intensity of the scattered radiation and a unit for measuring the diffraction angle and controlling the diffractometer associated with the stepper motor of the goniometer. The diffused radiation collimator is made in the form of a diaphragm with an annular gap. The sample holder is mounted on the moving part of the goniometer. This device allows you to accurately and with high resolution to measure the angles of diffraction peaks, but only at small angles of the diffraction spectrum. In addition, it is impossible to measure several analytical peaks on it simultaneously. This makes it difficult to use for qualitative and quantitative phase analysis in a wide range of analytical problems.

Известен также многоканальный рентгеновский дифрактометр ДРПМК-2,0 (Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Вып. 10. Изд. "Машиностроение", Ленинград, 1972, С. 3), работающий по схеме фокусировки Зеемана-Болина и состоящий из основания, с установленным на нем гониометром, источника рентгеновского излучения, коллиматора первичного пучка, держателя исследуемого образца, нескольких коллиматоров рассеянного излучения, жестко соединенных с соответствующими детекторами, которые механически ориентируются на образец. Коллиматоры выполнены в виде диафрагмы с прямоугольной щелью и установлены с возможностью перемещения. Данное устройство позволяет измерять дифракцию рентгеновского излучения в широком диапазоне углов и проводить как качественный, так и количественный фазовый анализ одновременно по нескольким аналитическим пикам. Однако, оно обладает некоторыми недостатками. Во-первых, сложность конструкции самого устройства, во-вторых, сложность юстировки прибора, так как фокус трубки, образец и щели коллиматоров рассеянного излучения должны точно находиться на одной окружности, в третьих - сканирование спектра происходит за счет перемещения громоздкого регистрирующего устройства по окружности, в четвертых, уменьшение разрешения прибора с уменьшением углов дифракции и практически невозможностью измерений в малоугловом диапазоне спектра. Also known is a multi-channel X-ray diffractometer DRPMK-2.0 (Equipment and methods for X-ray analysis. Issue 10. Publishing House "Engineering", Leningrad, 1972, p. 3), working according to the Zeeman-Bolin focusing scheme and consisting of a base, with the installed it has a goniometer, an x-ray source, a primary beam collimator, a sample holder, several scattered radiation collimators that are rigidly connected to the corresponding detectors, which are mechanically oriented to the sample. The collimators are made in the form of a diaphragm with a rectangular slit and are mounted with the possibility of movement. This device allows you to measure the diffraction of x-ray radiation in a wide range of angles and conduct both qualitative and quantitative phase analysis simultaneously for several analytical peaks. However, it has some disadvantages. Firstly, the complexity of the design of the device itself, and secondly, the difficulty of aligning the device, since the focus of the tube, the sample and the slits of the scattered radiation collimators must be exactly on the same circle, and thirdly, the spectrum is scanned by moving the bulky recording device around the circle, fourthly, a decrease in the resolution of the device with a decrease in diffraction angles and the practically impossibility of measurements in the small-angle range of the spectrum.

Задачей заявляемого изобретения является создание простого, надежного и технологичного в применении устройства для определения количественного и качественного фазового состава вещества, обеспечивающего высокую точность измерения спектров в широком диапазоне углов дифракции. The objective of the invention is the creation of a simple, reliable and technologically advanced device for determining the quantitative and qualitative phase composition of a substance, which provides high accuracy of the measurement of spectra in a wide range of diffraction angles.

Поставленная задача решается предложенным многоканальным рентгеновским дифрактометром, включающим основание, гониометр, подвижная часть которого выполнена с возможностью параллельного перемещения вдоль оси рентгеновского пучка, последовательно расположенные источник монохроматического рентгеновского излучения, коллиматор первичного пучка, держатель образцов, установленный на подвижной части гониометра, и регистрирующее устройство, состоящие из n-независимых каналов, каждый из которых содержит коллиматор рассеянного излучения, выполненный в виде диафрагмы с дугообразной щелью, непосредственно соединенный с детектором, причем центры окружностей, описывающих края дугообразных щелей, лежат на оси рентгеновского пучка, при этом профиль дугообразных щелей ориентирован в соответствии с тем диапазоном углов дифракции, на который настроен соответствующий канал, а выход каждого канала регистрирующего устройства соединен с соответствующими входами блока измерений и управления дифрактометром. Кроме того, держатель образцов выполнен с возможностью вращательного движения, позволяющего изменять угол падения рентгеновского пучка относительно плоскости образца. Кроме того, детекторы установлены с возможностью параллельного перемещения вдоль оси рентгеновского пучка. The problem is solved by the proposed multichannel X-ray diffractometer, including a base, a goniometer, the movable part of which is capable of parallel movement along the axis of the X-ray beam, a monochromatic X-ray source, a primary beam collimator, a sample holder mounted on the moving part of the goniometer, and a recording device, consisting of n-independent channels, each of which contains a scattered radiation collimator, made in the form of a diaphragm with an arcuate slit, directly connected to the detector, and the centers of circles describing the edges of the arcuate slits lie on the axis of the x-ray beam, while the profile of the arcuate slots is oriented in accordance with the range of diffraction angles to which the corresponding channel is configured, and the output each channel of the recording device is connected to the corresponding inputs of the unit for measuring and controlling the diffractometer. In addition, the sample holder is made with the possibility of rotational motion, allowing you to change the angle of incidence of the x-ray beam relative to the plane of the sample. In addition, the detectors are mounted with the possibility of parallel movement along the axis of the x-ray beam.

Техническим результатом является расширение диапазона углов дифракции при простоте конструкции за счет обеспечения возможности многоканального измерения интенсивности рентгеновского излучения при условии работы дифрактометра по рентгенооптической схеме Дебая-Шеррера. The technical result is to expand the range of diffraction angles with simplicity of design by providing the possibility of multi-channel measurement of the intensity of x-ray radiation under the condition that the diffractometer is operated according to the Debye-Scherrer X-ray optical scheme.

Технический результат достигается тем, что в рентгеновском дифрактометре, работающем по схеме Дебая-Шеррера, используется несколько коллиматоров с дугообразными щелями, причем профиль каждой щели ориентирован в соответствии с тем диапазоном углов дифракции, на который настроен соответствующий канал, что позволяет избежать необходимости механической ориентации щелей. А также тем, что сканирование спектра происходит за счет простого прямолинейного движения образца, что позволяет сделать неподвижным регистрирующее устройство и увеличить надежность измерений. The technical result is achieved by the fact that several collimators with arcuate slots are used in an X-ray diffractometer operating according to the Debye-Scherrer scheme, and the profile of each slit is oriented in accordance with the range of diffraction angles to which the corresponding channel is configured, which avoids the need for mechanical orientation of the slits . And also because the spectrum is scanned due to the simple rectilinear motion of the sample, which allows the recording device to be stationary and to increase the reliability of measurements.

Заявляемое изобретение поясняется следующими графическими материалами:
фиг. 1 - функциональная схема заявленного многоканального рентгеновского дифрактометра;
фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
фиг. 3 - схема положения держателя образцов;
фиг. 4 - иллюстрация зависимости диапазона измеряемых углов дифракции и профиля щели коллиматоров;
фиг. 5 - иллюстрация зависимости величены измеряемого угла дифракции от положения образца относительно щели коллиматора.The invention is illustrated by the following graphic materials:
FIG. 1 is a functional diagram of the claimed multi-channel x-ray diffractometer;
FIG. 2 is a view A in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram of the position of the sample holder;
FIG. 4 is an illustration of the dependence of the range of measured diffraction angles and the profile of the slit of the collimators;
FIG. 5 is an illustration of the dependence of the measured diffraction angle on the position of the sample relative to the collimator slit.

Многоканальный рентгеновский дифрактометр (фиг. 1) содержит основание в виде платформы 1, последовательно расположенные источник монохроматического рентгеновского излучения, который, в частности, может состоять из рентгеновской трубки 2 и монохроматора 3, коллиматор 4 первичного пучка, держатель 5 образцов и регистрирующее устройство из n-независимых каналов, каждый из которых состоит из коллиматора 6 рассеянного излучения и непосредственно соединенного с ним детектора 7, который для обеспечения возможности параллельного перемещения вдоль оси дифракции может быть установлен на подвижной каретке 8 с помощью стойки 9. Дифрактометр также содержит гониометр, состоящий из подвижной части в виде каретки 10, устройства для нормированного линейного перемещения каретки гониометра, например, в виде ходового винта 11, расположенного параллельно оси рентгеновского пучка, и шагового электродвигателя 12. При этом держатель 5 образцов установлен на каретке 10 гониометра. Выход каждого канала регистрирующего устройства соединен с блоком измерения интенсивности и вычисления угла дифракции для каждого канала в отдельности, а также с блоком обработки измерений и управления дифрактометром 13, который соединен с шаговым электродвигателем 12 гониометра. The multichannel X-ray diffractometer (Fig. 1) contains a base in the form of a platform 1, a monochromatic x-ray radiation source in series, which, in particular, can consist of an x-ray tube 2 and a monochromator 3, a primary beam collimator 4, a sample holder 5 and a recording device of n -independent channels, each of which consists of a collimator 6 of scattered radiation and a detector 7 directly connected to it, which, to enable parallel movement to the diffraction axis can be mounted on the movable carriage 8 using the rack 9. The diffractometer also contains a goniometer, consisting of a movable part in the form of a carriage 10, a device for normalized linear movement of the carriage of the goniometer, for example, in the form of a lead screw 11 parallel to the axis of the x-ray beam , and a stepper motor 12. In this case, the holder of 5 samples is mounted on the carriage 10 of the goniometer. The output of each channel of the recording device is connected to the unit for measuring the intensity and calculating the diffraction angle for each channel separately, as well as to the unit for processing measurements and controlling the diffractometer 13, which is connected to the step motor 12 of the goniometer.

Коллиматоры 6 выполнены в виде диафрагмы с дугообразной щелью, при этом профиль щели может быть ориентирован в соответствии с тем диапазоном углов дифракции, на который настроен соответствующий канал, при этом рабочий диапазон углов i-го канала определяется условием 2υ_min<2υⁱ<2υ_max (фиг. 4), где 2υ_min и 2υ_max являются максимальным и минимальным углами дифракции для данной диафрагмы, при котором рентгеновский пучок, сформированный передними кромками щели, не задевает внутренних стенок щели.The collimators 6 are made in the form of a diaphragm with an arcuate slit, while the slit profile can be oriented in accordance with the range of diffraction angles to which the corresponding channel is tuned, while the working range of angles of the ith channel is determined by the condition 2υ _min <2υ ⁱ <2υ _max (Fig. 4), where 2υ _min and 2υ _max are the maximum and minimum diffraction angles for a given diaphragm, in which the x-ray beam formed by the leading edges of the slit does not touch the inner walls of the slit.

Каретка 8 для обеспечения возможности параллельного перемещения вдоль оси рентгеновского пучка при измерения спектра может быть жестко сцеплена с подвижной частью гониометра, при этом угол дифракции для данного канала будет постоянным либо с дополнительным устройством для нормированного линейного перемещения каретки 8. The carriage 8, in order to enable parallel movement along the axis of the x-ray beam when measuring the spectrum, can be rigidly coupled to the moving part of the goniometer, while the diffraction angle for this channel will be constant or with an additional device for normalized linear movement of the carriage 8.

Держатель 5 образцов можно использовать любой, обеспечивающий установку плоского или точечного образца в центр дифракции и, при необходимости, его вращение. Однако наибольший эффект достигается при использовании держателя, который дополнительно имеет возможность изменения угла падения рентгеновского пучка относительно плоскости образца. Ось вращения (наклона) такого держателя совпадает с плоскостью поверхности образца, перпендикулярна оси рентгеновского пучка и проходит через центр облучаемой зоны образца (фиг. 2). Во-первых, это позволит оптимально выбрать углы наклона образца α₁ или α₂ (фиг. 3) в зависимости от методической задачи. Например, при уменьшении угла наклона образца α₁ уменьшается диапазон углов, в которой диффрагированные лучи не выходят из образца, а идут вглубь или по поверхности образца, где и поглощаются (фиг. 3а). Но при этом уменьшается разрешение дифракционных пиков, так как увеличивается проекция рентгеновского луча на образец, что приводит к увеличению ширины рентгеновского пучка δx₁, отраженного под одинаковым углом (фиг. 3а). С другой стороны, можно улучшить разрешение дифракционных пиков за счет уменьшения ширины рентгеновского луча δx₂ (фиг. 3б), но при этом нельзя измерять углы дифракции меньше α₂. Во-вторых, при изменении угла наклона образца изменятся угол падения и угол отбора для измеряемых дифракционных пиков, при этом в зависимости от коэффициента поглощения образца и углового положения дифракционного пика изменится его интенсивность. Поэтому, зная интенсивности дифракционных пиков при разных наклонах образца, можно найти коэффициент поглощения измеряемого образца, что особенно важно для количественного фазового анализа.The sample holder 5 can be used by anyone providing the installation of a flat or point sample in the center of diffraction and, if necessary, its rotation. However, the greatest effect is achieved when using a holder, which additionally has the ability to change the angle of incidence of the x-ray beam relative to the plane of the sample. The axis of rotation (tilt) of such a holder coincides with the plane of the surface of the sample, perpendicular to the axis of the x-ray beam and passes through the center of the irradiated zone of the sample (Fig. 2). Firstly, this will make it possible to optimally select the angles of inclination of the sample α ₁ or α ₂ (Fig. 3) depending on the methodological task. For example, with a decrease in the angle of inclination of the sample α ₁ decreases the range of angles in which diffused rays do not leave the sample, but go deep into or along the surface of the sample, where they are absorbed (Fig. 3a). But at the same time, the resolution of the diffraction peaks decreases, since the projection of the x-ray beam onto the sample increases, which leads to an increase in the width of the x-ray beam δx ₁ reflected at the same angle (Fig. 3a). On the other hand, it is possible to improve the resolution of diffraction peaks by reducing the x-ray width δx ₂ (Fig. 3b), but it is not possible to measure diffraction angles less than α ₂ . Secondly, with a change in the angle of inclination of the sample, the angle of incidence and the sampling angle for the measured diffraction peaks will change, while its intensity will change depending on the absorption coefficient of the sample and the angular position of the diffraction peak. Therefore, knowing the intensities of diffraction peaks at different slopes of the sample, one can find the absorption coefficient of the measured sample, which is especially important for quantitative phase analysis.

Заявленный дифрактометр позволяет реализовать несколько схем измерений в зависимости от решаемой методической задачи. Для этого необходимо соответствующим образом установить щели коллиматоров:
1. Схема сканирования полного спектра дифракции. При этом щели коллиматоров рассеянного излучения устанавливаются по окружности (фиг. 1), при этом изменение измеряемых углов дифракции при смещении образца во всех каналах будет приблизительно одинаково. Расхождение изменения углов в разных каналах при смещении образца будет увеличиваться с увеличением расстояния между центром зоны облучения образца и точкой соприкосновения окружности, на которой расположены щели коллиматоров. Такая схема удобна для качественного фазового анализа.The claimed diffractometer allows you to implement several measurement schemes, depending on the methodological problem being solved. To do this, install the collimator slots accordingly:
1. Scanning scheme for the full diffraction spectrum. In this case, the slits of the collimators of scattered radiation are installed around the circumference (Fig. 1), while the change in the measured diffraction angles with the displacement of the sample in all channels will be approximately the same. The difference in the angles in different channels with the displacement of the sample will increase with increasing distance between the center of the irradiation zone of the sample and the point of contact of the circle on which the collimator slits are located. Such a scheme is convenient for qualitative phase analysis.

2. Схема сканирования частичного спектра дифракции. При этом щели коллиматоров рассеянного излучения устанавливаются в определенные места для сканирования интересующих участков спектра, что удобно для измерений фазовых переходов, текстуры, структуры и т.д. 2. Scanning scheme of a partial diffraction spectrum. In this case, the slits of the collimators of scattered radiation are installed in certain places for scanning the spectral regions of interest, which is convenient for measuring phase transitions, texture, structure, etc.

3. Без сканирования спектра. При этом щели коллиматоров устанавливаются на измерение аналитических дифракционных пиков. Удобно для проведения количественного фазового анализа, так как измеряются аналитические пики разных фаз одновременно, что уменьшает ошибку, связанную с временной нестабильностью источника излучения рентгеновских лучей. 3. Without spectrum scanning. In this case, the collimator slits are set to measure analytical diffraction peaks. It is convenient for conducting a quantitative phase analysis, since analytical peaks of different phases are measured simultaneously, which reduces the error associated with the temporary instability of the x-ray radiation source.

4. Смешанный вариант. При этом щели коллиматоров отдельных каналов при движении гониометра неподвижны, а другие могут перемещаться, например, вместе с образцом. Удобно при одновременном измерении одинарных и двойных (сложных) пиков. 4. The mixed option. In this case, the slots of the collimators of individual channels during the movement of the goniometer are stationary, while others can move, for example, together with the sample. Convenient for simultaneous measurement of single and double (complex) peaks.

Дифрактометр работает следующем образом. The diffractometer operates as follows.

Рентгеновские лучи от рентгеновской трубки 2 попадают на кристалл - монохроматор 3, который отражает лучи с определенной длиной волны, удовлетворяющие условию Вульфа-Брега
2dsinα = nλ,
где d - расстояние между парой соседних параллельных атомных плоскостей кристалла; α - угол скольжения пучка лучей по отношению к отражающей плоскости; λ - длина волны; n - целое число, так называемый порядок отражения.X-rays from the X-ray tube 2 fall on the crystal - monochromator 3, which reflects the rays with a specific wavelength, satisfying the Wulf-Bragg condition
2dsinα = nλ,
where d is the distance between a pair of adjacent parallel atomic planes of the crystal; α is the angle of the beam beam relative to the reflecting plane; λ is the wavelength; n is an integer, the so-called reflection order.

Отраженные лучи проходят через коллиматор 4 первичного пучка, который формирует лучи в виде параллельного пучка, являющегося осью рентгеновского пучка. После чего преобразованный рентгеновский пучок попадает на образец, установленный в держателе образцов 5, при этом рассеянное излучение от образца образует в пространстве дифракционную картину в виде дифракционных конусов. Детектор 7 каждого i-го канала будет регистрировать рассеянное излучение (фиг. 5) только под углом 2υ $\binom{i}{1}$ , зависящим от расстояния Lⁱ ₁ между центром облучаемой зоны образца и перпендикуляром опущенного из центра щели на ось дифракции, а также среднего радиуса R_i дуги щели коллиматора 6. Значение среднего радиуса R_i для каждого коллиматора постоянно и может заранее вноситься в программу блока 13. Начальное положение щелей относительно усредненного центра зоны облучения образца может измеряться или вычисляться по специальной программе градуировки положения гониометра по углам заранее измеренных дифракционных пиков стандартного градировочного образца. При завершении измерения интенсивности рассеянного излучения от образца в i-м канале блок 13 включает шаговый электродвигатель, который смещает каретку гониометра на заданную величину ΔL. При этом для каждого i-гo канала произойдет изменение угла регистрируемого рассеянного излучения, на величину Δ2υ $\binom{i}{1}$ и, следовательно, i-й канал будет регистрировать рассеянное излучение под углом 2υ $\binom{i}{2}$ = 2υ $\binom{i}{1}$ +Δ2υ $\binom{i}{1}$ и т.д. Результатом исследования образца i-м каналом будет являться рентгенограмма в i-м диапазоне углов дифракции, что аналогично и для других каналов. При необходимости, в случае наложения диапазонов измеренных углов дифракции соседних каналов можно "сшивать" их рентгенограммы с учетом нормировки интенсивности этих каналов, в результате чего получится суммарная рентгенограмма от всех каналов.The reflected rays pass through the collimator 4 of the primary beam, which forms the rays in the form of a parallel beam, which is the axis of the x-ray beam. After that, the converted x-ray beam hits the sample installed in the sample holder 5, while the scattered radiation from the sample forms a diffraction pattern in space in the form of diffraction cones. The detector 7 of each i-th channel will register the scattered radiation (Fig. 5) only at an angle of 2υ $\binom{i}{1}$ Depending on the distance L ⁱ ₁ between the center of the irradiated area of the sample and the perpendicular dropped from the center axis of the slit on diffraction, as well as the average radius R _i of the arc slit collimator 6. The value of the average radius R _i for each collimator is constant and can be made in advance in the program unit 13 The initial position of the slots relative to the averaged center of the sample irradiation zone can be measured or calculated using a special calibration program for the position of the goniometer from the angles of the previously measured diffraction peaks of the standard grading th sample. Upon completion of the measurement of the intensity of the scattered radiation from the sample in the i-th channel, block 13 includes a stepper motor that shifts the carriage of the goniometer by a predetermined value ΔL. At the same time, for each i-th channel, the angle of the registered scattered radiation will change by an amount Δ2υ $\binom{i}{1}$ and, therefore, the ith channel will register scattered radiation at an angle of 2υ $\binom{i}{2}$ = 2υ $\binom{i}{1}$ + Δ2υ $\binom{i}{1}$ etc. The result of the study of the sample by the i-th channel will be an x-ray in the i-th range of diffraction angles, which is similar for other channels. If necessary, if the ranges of the measured diffraction angles of adjacent channels are superimposed, their radiographs can be “stitched” taking into account the normalization of the intensity of these channels, resulting in a total radiograph from all the channels.

Claims

1. A multi-channel x-ray diffractometer, including a base, a goniometer, the movable part of which is arranged to parallelly move along the axis of the x-ray beam, a monochromatic x-ray source, a collimator of the primary beam, a sample holder mounted on the moving part of the goniometer, and a recording device consisting of n independent channels, each of which contains a diffused radiation collimator, made in the form of a diaphragm with an arcuate a slot directly connected to the detector, the centers of circles describing the edges of the arcuate slots lying on the axis of the x-ray beam, while the profile of the arcuate slots is oriented in accordance with the range of diffraction angles to which the corresponding channel is configured, and the output of each channel of the recording device is connected to corresponding inputs of the unit for measuring and controlling the diffractometer.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sample holder is made with the possibility of rotational movement, allowing you to change the angle of incidence of the x-ray beam relative to the plane of the sample.

3. The device according to p. 1, characterized in that the detectors are mounted with the possibility of parallel movement along the axis of the x-ray beam.