В современной измерительной технике, применяемой в физике твердого тела, используется широкий набор излучений и потоков частиц. В приборах оптического диапазона применяются электромагнитные волны от инфракрасного диапазона - при исследованиях тонкой структуры объема полупроводниковых кристаллов из Ge, Si, GaAs, прозрачных в этом диапазоне, до ультрафиолетового, граничащего с мягкими рентгеновскими лучами, - при исследовании деталей поведения поверхностных атомных слоев.
Рентгеновская часть спектра электромагнитных волн - область рентгенографии, изучающая кристаллическую структуру веществ и рентгеноспектрального анализа, где по характеристическому спектру и рентгеновской флуоресценции различным образом возбуждаемых атомов пробы определяется ее химический состав с точностью до 10-7 %; минимальное количество вещества, содержащееся в объеме ~10 мкм3 может составлять всего 10-14г.
g-диапазон электромагнитных волн используется для идентификации ядерных реакций, в целях просвечивающей дефектоскопии, а также в g-резонансных методах исследований, развитых в мировой науке после открытия в 1958 году Рудольфом Мёссбауэром безотдаточного испускания и поглощения g-квантов ядрами, находящимися в связанном состоянии в твердом теле.
Используется и акустическое излучение в области частот 105...108 Гц, особенно в области акустоэмиссионных исследований деформации и разрушения твердых тел, а также ультразвуковой дефектоскопии и акустической голографии.
В качестве потоков зондирующих частиц чаще других используются потоки электронов с энергией, варьируемой в широких пределах в различных измерительных приборах и устройствах. Энергия может изменяться от величины единиц электрон-вольт, достаточной для возбуждения оптического излучения зондируемых атомов, до сотен килоэлектрон-вольт и мегаэлектрон-вольт при исследовании пленочных структур "на просвет".
Все шире применяются нейтронные и ионные пучки, хотя количество экспериментальных установок этого профиля в мире пока невелико. К этой группе могут быть отнесены как аппараты для нейтронографического структурного анализа, так и разнообразные масс-спектрографические устройства для тонкого химического анализа проб любого состава.
В арсенал современных источников получения зондирующих излучений и потоков частиц входят как простейшие контейнеры для хранения и перевозки изотопов, служащих источниками a-, b- и g -излучений, так и специально создаваемые, зачастую весьма сложные устройства, вплоть до гигантских ускорителей частиц.
В качестве источников электромагнитного излучения для инфракрасной спектроскопии (ИКС), для видимой и ультрафиолетовой спектрометрии (УФС) пока чаще всего используются тепловые источники непрерывного спектра - разнообразные лампы накаливания, электрические дуговые источники: вакуумируемые, работающие при атмосферном давлении и в защитной атмосфере нейтральных газов. В последнее время в качества источников находят распространение и лазеры различных типов.
Для выделения из "белого" спектра волн нужного диапазона применяются призмы и отражательные дифракционные решетки. Из дисперсионных или дифракционных спектров необходимое излучение вырезается с помощью коллимационных щелей регулируемых размеров. Все устройства для получения монохроматического излучения называются монохроматорами. В области ИКС используется оптика из кристаллов, прозрачных в инфракрасном диапазоне - призмы и линзы из монокристаллов галогенидов КСl, NаС1, КВг и других, выращиваемых искусственно специально для этих целей. В области видимого света применяется оптика из особо чистого стекла высокой прозрачности, подвергаемого специальной термической обработке для исключения остаточных напряжений. В области УФС вне конкуренции оптика из кварцевого стекла.
 |
Рис.3.2.1. Принципиальная схема устройств ИКС, УФС и оптической спектрометрии: И - источник излучения, ДП - дисперсионная призма, ДР - дифракционная решетка, К - коллимирующие щели, ИО - исследуемый объект (1 - на просвет, 2 - на отражение)
Принципиальная схема устройств для дифракционного и дисперсионного анализа с помощью излучений ИК, видимого и Уф-диапазонов представлена на рис. 3.2.1.
При переходе из одного волнового диапазона в другой в универсальных устройствах производят замену источников излучения и призм (решеток). В современных приборах микропроцессорные устройства позволяют производить эту замену автоматически. Регистрация оптического излучения осуществляется или фотометодом - на фотопластинки или фотопленки, или с использованием физического явления внешнего и внутреннего фотоэффекта.
Во всех случаях в современных рентгеновских установках для структурного анализа источником рентгеновского излучения служат рентгеновские трубки. Принципиальная схема электронной рентгеновской трубки представлена на рис.3.2.2.
 |
Электронные рентгеновские трубки бывают разборными и неразборными, по назначению подразделяются на высоковольтные трубки для просвечивания материалов (в последнее время вытесняются g-дефектоскопией), для структурного анализа (до 50 кВ ), для медицинских целей. По величине фокуса различают трубки с нормальной площадью фокуса (6...7 мм2) и острофокусные (несколько сотых или тысячных долей квадратного миллиметра).Широко распространенные запаянные трубки (см. рис.2.2) состоят из стеклянного баллона 1, в который введены два электрода: катод 2 в виде накаливаемой вольфрамовой спирали или пластинки и водо-охлаждаемый анод 3 в виде массивной медной трубки. В баллоне создается высокий вакуум (10-3…10-5Па), обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду, тепловую и химическую изоляцию катода, а также предотвращающий возникновение газового разряда между электродами.
Катод в трубках этого типа является накаливаемым источником электронов. Для улучшения термоэлектронной эмиссии вольфрам спирали часто покрывают торием. По форме он может быть круглым или линейным, соответствующую форму придают и фокусирующему цилиндру 4. Форма фокусного пятна на антикатоде 5, являющемся непосредственным источником рентгеновского излучения, и сечение самого рентгеновского пучка также зависят от формы катода. Антикатод, или зеркало анода, впрессовываемый в торцевую стенку охлаждаемого анода, изготовлен из того металла, рентгеновское излучение которого (характеристическое или сплошного спектра) используют для решения конкретных задач рентгеноструктурного анализа. Наиболее распространены трубки с анодами из Сг, Cu, Fе, V, Со, Ni, Мo, W.
В целях стабилизации интенсивности и спектрального состава излучения, питание рентгеновских трубок осуществляется с помощью феррорезонансных или электронных стабилизаторов, обеспечивающих степень поддерживания величин тока и электрического напряжения с погрешностью, не превышающей 0,1...0,3%, что соответствует точности стабилизации излучения не хуже 0,3...1%. Особенно высокие требования к стабильности свойств излучателей предъявляются при дифракционных исследованиях. Низкий коэффициент полезного действия рентгеновских излучателей требует обязательного интенсивного их охлаждения. Высокая проницательная и ионизирующая способность рентгеновского излучения оказывает вредное физиологическое воздействие на организм человека, поэтому установки снабжаются надежной защитой из свинца, свинецсодержащих стекол и резины, устанавливаются в специально оборудованных защитой помещениях; обеспечивается дистанционное управление аппаратурой, укомплектованной микропроцессором и ЭВМ для вычислений и управления процессом измерений.
Если требуется исследовать на одном и том же образце как объем, так и (независимо) его поверхностные слои, то требуется изменять
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.