Посвящается 100-летию открытия дифракции рентгеновских лучей

ОБРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ (ДИФРАКЦИЯ НА УГОЛ БРЭГГА я/2)

© 2012 г. В. В. Лидер

Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: [email protected] Поступила в редакцию 29.09.2011 г.

Рассмотрены возможности использования обратного рассеяния рентгеновских лучей в рентгеновской оптике и метрологии, а также для структурной характеризации кристаллических объектов разной степени совершенства.

Введение

1. Особенности обратного рассеяния рентгеновских лучей

2. Экспериментальная реализация обратного рассеяния

3. Высокоразрешающая рентгеновская оптика на основе обратного рассеяния

3.1. Монохроматоры

3.2. Анализаторы

3.3. Кристаллическая полость

3.3.1. Кристаллическая полость для формирования когерентного пучка

3.3.2. Кристаллическая полость для времяраз-решающих экспериментов

3.3.3. Кристаллическая полость для рентгеновского лазера на свободных электронах

3.3.4. Рентгеновский резонатор Фабри-Перо

3.3.4.1. Теория резонатора

3.3.4.2. Реализация резонатора

3.3.4.3. Возможности использования резонатора

4. Материалы для монохроматоров и кристаллических зеркал

5. Использование обратного рассеяния для структурной характеризации кристаллов

5.1. Прецизионное определение параметров кристаллической решетки и длин волн источников у-излучения

5.2. Использование ОР для исследования несовершенных (мозаичных) кристаллов

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Из динамической теории рассеяния рентгеновских лучей (РЛ) известно, что ширина кривой дифракционного отражения (КДО) РЛ от совершенного кристалла дается формулой

ю = 2С |%Аг|/й1/281П20. (1)

Здесь 0 - угол Брэгга, %Ьг - реальная часть фурье-компоненты поляризуемости кристалла, поляризационный множитель С = 1 для компонент волнового поля, поляризованных перпендикулярно плоскости рассеяния (ст-поляризация) и С = ео820 для компонент, поляризованных в этой плоскости (я-поляризация); Ь = у(/уе - коэффициент асимметрии брэгговского отражения, у;, уе - направляющие косинусы падающих и дифрагированных РЛ соответственно, (у = 8т(0 - ф), уе = = (0 + ф), ф - угол наклона отражающих плоскостей к поверхности кристалла, который может быть как положительным, так и отрицательным; в геометрии Брэгга |ф| < 0, а в случае Лауэ |ф| > 0).

Поскольку Хнг ^ 10-5, дифракция РЛ происходит в очень узком угловом интервале, не превышающем нескольких угловых секунд. Этот факт, а также зависимость ширины КДО от коэффициента асимметрии широко используются для создания многокомпонентных рентгенооптических систем для формирования рентгеновских пучков (с использованием как лабораторных источников излучения, так и синхротронного излучения (СИ)) с заданными параметрами . Один из основных параметров - спектральная расходимость пучка. Известны многокристальные схемы монохроматоров, использующие антипараллельную геометрию дифракции хотя бы двух оптических элементов и обеспечивающие полосу пропускания, равную нескольким милиэлек-тронвольтам . Такая высокая степень монохроматичности пучка необходима, например, для проведения экспериментов по неупругому и ядерному резонансному рассеянию . Однако применяемая дисперсионная схема дифракции приводит к значительной потере интенсивности рентгеновского пучка на выходе монохроматора, что может усложнить проведение эксперимента.

Обратное рассеяние (ОР) впервые было рассмотрено с точки зрения динамической теории

Рис. 1. Диаграмма ДюМонда для области 0 « п/2; -приемный угол кристалла .

дифракции РЛ на совершенном кристалле Корой и Матсушитой в 1972 г. . В работе отмечались две интересные особенности ОР: при приближении брэгговского угла к 90° спектральная полоса пропускания кристалла резко уменьшается, в то время как его КДО резко увеличивается. Таким образом, открылась возможность создать на основе ОР рентгеновскую светосильную оптику с высоким энергетическим разрешением. В 80-х гг. наблюдался резкий всплеск интереса к ОР . В дальнейшем появилось большое количество публикаций, посвященных использованию обратного рассеяния РЛ в рентгеновской оптике высокого разрешения, метрологии, а также для структурной характеризации различных кристаллических объектов. Работы по теории ОР и резонаторов Фабри-Перо, экспериментальному использованию монохроматоров и сферических анализаторов, прецизионному определению параметров кристаллической решетки и длин волн нескольких источников у-излучения рассмотрены в книге Ю.В. Швидько , и его диссертации . Исследования приповерхностной области кристаллов с помощью метода стоячих рентгеновских волн (СРВ) в геометрии ОР объединены Д.П. Вудруффом в обзорах .

Цель настоящей работы - попытка описания различных возможностей использования обратного рассеяния РЛ, основываясь как на , так и на публикациях, в них не вошедших и появившихся после 2004 г.

1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

С учетом рефракции РЛ "традиционная" форма записи уравнения Вульфа-Брэгга (к = 2dsin0, где к - длина волны РЛ, d - межплоскостное расстояние кристалла) изменится

к(1 + w) = 2d sin 0, (2)

где w = - X0r (d/k)2(1 + 1/b) (X0r - величина отрицательная).

Два параметра, характеризующие рентгенооп-тический кристаллический элемент, - энергетическое (спектральное) разрешение (АЕ)к/Е и длина экстинкции Л:

(АЕ)к/Е = ш ctg е = C|xJ/b1/2sin2e, (3)

Л = MY/Ye)1/2/lxJ. (4)

Для ОР e « п/2, следовательно, С « 1, b « 1, (Y/Ye)1/2 ~ cosф. Тогда (2)-(4) примут вид:

X(1 + w) « 2d(1 - s2/2), (5)

(АЕ)к/Е « Ы, (6)

где в - половинный угол между падающим и дифрагированным рентгеновскими пучками: в =

Комбинируя (6) и (7) и полагая, что X « 2d, получим:

(АЕ)к/Е « d/пЛ = 1/nNd, (8)

где Nd - количество отражающих плоскостей, "укладывающихся" в экстинкционную длину.

Таким образом, энергетическое разрешение обратно пропорционально эффективному количеству отражающих плоскостей, формирующих дифракционную картину. Поскольку наличие в кристалле градиента деформации приводит к уменьшению длины экстинкции , то по величине отклонения энергетического разрешения от его табличного (теоретического) значения можно судить о степени несовершенства кристалла.

С увеличением энергии РЛ экстинкционная длина возрастает, и, как следствие этого, энергетическое разрешение уменьшается. Для Е « 14 кэВ длина экстинкции составляет 10-100 мкм, поэтому (АЕ)к/Е « 10-6-10-7, что соответствует (АЕ)к « « 1-10 мэВ (табл. 1).

Выражение для приемного угла (ширины КДО) можно получить с помощью (5), (6) и рис. 1:

Ю = 2(lXhrl)1/2. (9)

(Строгий вывод (9) на основе динамической теории рассеяния РЛ можно найти в ).

В по экспериментальному наблюдению обратного рассеяния РЛ для рефлекса (620) кристалла германия и излучения Со^а1 измеренная ширина КДО равнялась 35 угл. мин, что примерно на 3 порядка превышает величину ю / для е < < п/2. Формулы (6), (9) справедливы при отклонении угла Брэгга от 90° на величину, не превышающую (2|xJ)1/2 или даже (|Xhrl)1/2 , т.е. равную сотым долям градуса.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

Малое угловое расстояние между первичным и дифрагированным пучками создает проблему регистрации последнего, поскольку его траектория

Анализатор (а) 81 ^ 13 13) Детектор

Двухкристальный премонохроматор 81 (111)

Монохроматор 81(13 13 13)

Монохроматор Ионизационная Образец (г) камера

Твердотельный

детектор детектор

Рис. 2. Схемы экспериментальных станций для изучения ОР (а, в, г), определения параметра решетки Ge (б) и сапфира (д), изучения волнового поля СРВ в условии ОР (е), использующие различные способы регистрации ОР; б: 1 - премонохроматор, 2 - плоскопаралльный дефлектор, 2 - клиновидный дефлектор, 3 - термостатируемый образец, 4 - детектор; д: М - премонохроматор, Е - фольга Fe57, В - прозрачный времяразрешающий детектор; е: 1 - премонохроматор, 2 - первый кристаллический отражатель, 3 - второй (термостатируемый) отражатель, являющийся одновременно анализатором и CCD-детектором, 4 - фотопленка, 5 - детектор. Для наглядности первичный и рассеянный пучки разнесены (в, г).

может быть перекрыта источником рентгеновского излучения (предварительным монохрома-тором) или детектором. Существует несколько способов решения проблемы.

Первый состоит в увеличении расстояния между узлами экспериментальной станции (например, между оптическим элементом, обеспе-

чивающим обратное рассеяние РЛ, и детектором). Одна из подобных станций Европейского синхротронного центра (ESRF) описана в . Благодаря большому расстоянию между предварительным монохроматором 81 (111) и монохро-матором 81(13 13 13) (рис. 2а) удалось получить для Е = 25.7 кэВ угол Брэгга, равный 89.98°.

<111> ■■-

Рис. 3. Ход лучей в моноблочном монохроматоре.

При расстоянии между плечами монохроматора

197 мм, для рефлекса 81(777) и Е = 13.84 кэВ предельный угол Брэгга равняется 89.9° .

Для лабораторных экспериментальных установок увеличение расстояния между оптическими элементами часто сопряжено с трудностями. Поэтому другая возможность реализации обратного рассеяния РЛ - "развести" первичный и дифрагированный пучки. На левом рис. 2б приведена схема эксперимента по определению параметра решетки германия . Здесь дефлектор 2, представляющий собой тонкую плоскопараллельную кристаллическую пластину, отражает предварительно монохроматизированный рентгеновский пучок на образец 3, но при 2е > юдеф (юдеф - приемный угол дефлектора) оказывается прозрачным для дифрагированного пучка. При этом для детектора 4 область углов 2е < юдеф является "мертвой зоной". Для того чтобы рассеянные РЛ регистрировались детектором при е = 0, в предложено использовать в качестве дефлектора клиновидный кристалл 2 (правая часть рис. 2б). Тогда из-за поправки на рефракцию РЛ брэгговские углы для разных сторон дефлектора (который в данной схеме может служить также анализатором), согласно (2),

БЛАГОВ А.Е., КОВАЛЬЧУК М.В., КОН В.Г., ПИСАРЕВСКИЙ Ю.В., ПРОСЕКОВ П.А. - 2010 г.

РЕНТГЕНОВСКАЯ ОПТИКА В ИПТМ РАН

ИРЖАК Д. В., РОЩУПКИН Д. В., СНИГИРЕВ А. А., СНИГИРЕВА И. И. - 2011 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХВОЛНОВОЙ КОМПЛАНАРНОЙ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ В МОНОКРИСТАЛЛЕ ТЕО2 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

БЛАГОВ А.Е., КОВАЛЬЧУК М.В., КОН В.Г., МУХАМЕДЖАНОВ Э.Х., ПИСАРЕВСКИЙ Ю.В., ПРОСЕКОВ П.А. - 2011 г.

В отличие от многих, распространенных в то время спекуляций о строении атома модель Томсона базировалась на физических фактах, которые не только оправдывали модель, но и давали определенные указания на число корпускул в атоме. Первым таким фактом является рассеяние рентгеновских лучей, или, как говорил Томсон, возникновение вторичных рентгеновских лучей. Томсон рассматривает рентгеновское излучение как электромагнитные пульсации. Когда такие пульсации падают на атомы, содержащие электроны, то электроны, приходя в ускоренное движение, излучают как это и описывает формула Лармора. Количество энергии, излучаемое в единицу времени электронами, находящимися в единице объема, будет

где N - число электронов (корпускул) в единице объема. С другой стороны, ускорение электрона

где Е р - напряженность поля первичного излучения. Следовательно, интенсивность рассеянного излучения

Так как интенсивность падающего излучения согласно теореме Пойнтинга равна

то отношение рассеянной энергии к первичной

Чарлз Гловер Баркла , получивший в 1917 г. Нобелевскую премию за открытие характеристических рентгеновских лучей, был в 1899-1902 гг. "студентом-исследователем" (аспирантом) у Томсона в Кембридже, и здесь он заинтересовался рентгеновскими лучами. В 1902 г. он был преподавателем университетского колледжа в Ливерпуле, и здесь в 1904 г. он, исследуя вторичное рентгеновское излучение, обнаружил его поляризацию, которая вполне совпадала с теоретическими предсказаниями Томсона. В окончательном опыте 1906 г. Баркла заставлял первичный пучок рассеиваться атомами углерода. Рассеянный пучок падал перпендикулярно первичному пучку и здесь вновь рассеивался углеродом. Этот третичный пучок был полностью поляризован.

Изучая рассеяние рентгеновских лучей от легких атомов, Баркла в 1904 г. нашел, что характер вторичных лучей таков же, как и первичных. Для отношения интенсивности вторичного излучения к первичному он нашел величину, не зависящую от первичного излучения, пропорциональную плотности вещества:

Из формулы Томсона

Но плотность = n A / L , где А - атомный вес атома, n - число атомов в 1 см 3 , L - число Авогадро. Следовательно,

Если положить число корпускул в атоме равным Z, то N = nZ и

Если подставить к правой части этого выражения значения e, m, L, то найдем К. В 1906 г., когда числа e и m не были точно известны, Томсон нашел из измерений Баркла для воздуха, что Z = A , т. е. число корпускул в атоме равно атомному весу. Значение K, полученное для легких атомов Баркла еще в 1904 г., было K = 0,2 . Но в 1911 г. Баркла, воспользовавшись уточненными данными Бухерера для e / m , значениями e и L, полученными Резерфордом и Гейгером , получил K = 0,4 , и следовательно, Z = 1 / 2 . Как оказалось несколько позже, это соотношение хорошо выполняется в области легких ядер (за исключением водорода).

Теория Томсона помогла разобраться в ряде вопросов, но еще большее число вопросов оставляла нерешенными. Решительный удар этой модели был нанесен опытами Резерфорда 1911 г., о которых будет сказано дальше.

Сходную кольцевую модель атома предложил в 1903 г. японский физик Нагаока. Он предположил, что в центре атома находится положительный заряд, вокруг которого обращаются кольца электронов наподобие колец Сатурна. Ему удалось вычислить периоды колебаний, совершаемые электронами при незначительных смещениях на своих орбитах. Частоты, полученные таким образом, более или менее приближенно описывали спектральные линии некоторых элементов * .

* (Следует отметить также, что планетарная модель атома были предложена в 1901 г. Ж. Перреном. Об этой своей попытке он упоминал в Нобелевской лекции, прочитанной 11 декабря 1926 г. )

25 сентября 1905 г. на 77-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей с докладом об электронах выступил В. Вин. В этом докладе он, между прочим, говорил следующее: "Большую трудность представляет для электронной теории также объяснение спектральных линий. Так как каждому элементу соответствует определенная группировка спектральных линий, которые он испускает, находясь в состоянии свечения, то каждый атом должен представлять неизменную систему. Проще всего было бы представлять атом как планетарную систему, состоящую из положительно заряженного центра, вокруг которого обращаются, подобно планетам, отрицательные электроны. Но такая система не может быть неизменной вследствие излучаемой электронами энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями - представление, в котором содержится много сомнительного".

Сомнения эти еще более увеличивались по мере открытия новых загадочных свойств излучения и атомов.

Дифракция рентгеновских лучей – рассеяние рентгеновских лучей, при котором из начального пучка лучей возникают вторичные отклоненные пучки с той же длиной волны, появившиеся в результате взаимодействия первичных рентгеновских лучей с электронами вещества. Направление и интенсивность вторичных пучков зависят от строения (структуры) рассеивающего объекта.

2.2.1 Рассеяние рентгеновских лучей электроном

Рентгеновские лучи, являющиеся электромагнитной волной, направленные на исследуемый объект, воздействуют на какой-либо электрон, слабо связанный с ядром, и приводят его в колебательное движение. При колебательном движении заряженной частицы происходит излучение электромагнитных волн. Их частота равна частоте колебаний заряда, а, следовательно, частоте колебаний поля в пучке "первичных" рентгеновских лучей. Это когерентное излучение. Оно играет основную роль при изучении структуры, так как именно оно участвует в создании картины интерференции . Итак, под воздействием рентгеновских лучей колеблющийся электрон испускает электромагнитное излучение, таким образом "рассеивая" рентгеновские лучи. Это и есть дифракция рентгеновских лучей. При этом часть полученной от рентгеновских лучей энергии электрон поглощает, а часть отдает в виде рассеянного луча. Эти рассеянные различными электронами лучи интерферируют между собой, то есть взаимодействуют, складываются и могут не только усиливать, но и ослаблять друг друга, а также гасить (законы погасания играет важную роль в рентгеноструктурном анализе). Следует помнить, что лучи, создающие интерференционную картину, и рентгеновские лучи – когерентны, т.е. рассеяние рентгеновских лучей происходит без изменения длины волны.

2.2.2 Рассеяние рентгеновских лучей атомами

Рассеяние рентгеновских лучей атомами отличается от рассеяния на свободном электроне тем, что на внешней оболочке атома может быть Z-электронов, каждый из которых, подобно свободному электрону, испускает вторичное когерентное излучение. Излучение, рассеянное электронами атомов, определяется как суперпозиция этих волн, т.е. происходит внутриатомная интерференция. Амплитуда рентгеновских лучей, рассеянных одним атомом А а, имеющим Z-электронов, равна

А a = A э F (5)

где F – структурный фактор.

Квадрат структурной амплитуды, указывает во сколько раз интенсивность рассеянного излучения атомом больше интенсивности рассеянного излучения одним электроном :

Атомная амплитуда I a определяется распределением электронов в атоме вещества, анализируя величину атомной амплитуды, можно вычислить распределение электронов в атоме.

2.2.3 Рассеяние рентгеновских лучей кристаллической решеткой

Представляет наибольший интерес для практической работы. Теорию интерференции рентгеновских лучей впервые обосновал Лауэ. Она позволяла теоретически вычислять места положения интерференционных максимумов на рентгенограммах.

Однако широкое практическое применение интерференционного эффекта стало возможным лишь после того, как английские физики (отец и сын Брэгги) и одновременно с ними русский кристаллограф Г.В. Вульф создали в высшей степени простую теорию, обнаружив более простую связь между расположением максимумов интерференции на рентгенограмме и строением пространственной решетки. При этом они рассматривали кристалл не как систему атомов, а как систему атомных плоскостей, предполагая, что рентгеновские лучи испытывают зеркальное отражение от атомных плоскостей.

На рис 11 изображен падающий луч S 0 и отклоненный плоскостью (HKL) луч S HKL .

В соответствии с законом отражения эта плоскость должна быть перпендикулярна плоскости, в которой лежат лучи S0 и SHKL, и делить угол между ними пополам , т.е. угол между продолжением падающего луча и отклоненного луча равен 2q.

Пространственная решетка построена, из ряда плоскостей P 1 , P 2 , P 3 …

Рассмотрим взаимодействие такой системы параллельных; плоскостей с первичным лучом на примере двух смежных плоскостей Р и P 1 (рис. 12):

Рис. 12. К выводу формулы Вулъфа-Брэгга

В точки О и О 1 падают параллельные лучи SO и S 1 O 1 под углом q к плоскостям Р и Р 1 . Причем в точку О 1 волна попадает с опозданием, равным разности хода волн, которая равна AO 1 = d sinq, Эти лучи зеркально отразятся от плоскостей Р и P 1 под тем же углом q, Разность хода отраженных волн равна O 1 B = d sinq. Совокупная разность хода Dl=2d sinq. Отраженные от обеих плоскостей лучи, распространяющиеся в виде плоской волны, должны интерферировать между собой.

Разность фаз обоих колебаний равна:

(7)

Из уравнения (7) следует, что когда разность хода лучей кратна целому числу волн, Dl=nl=2d sinq, разность фаз будет кратна 2p, т.е. колебания будут находиться в одной фазе, "горб" одной волны совпадает с "горбом" другой, и колебания усиливают Друг друга. В этом случае на рентгенограмме будет наблюдаться интерференционный пик. Итак, получаем, что равенство 2d sinq = nl (8) (где n – целое число, называемое порядком отражения и определяемое разностью хода лучей, отраженных соседними плоскостями)

является условием получения интерференционного максимума. Уравнение (8) называется формулой Вульфа-Брэгга. Эта формула положена в основу рентгеноструктурного анализа. Следует помнить, что введенный термин "отражение от атомной плоскости"" условен.

Из формулы Вульфа-Брэгга следует, что если пучок рентгеновских лучей с длиной волны l падает на семейство плоскопараллельных плоскостей, расстояние между которыми равно d, то отражения (интерференционного максимума) не будет до тех пор, пока угол между направлением лучей и поверхностью не будет отвечать этому уравнению.

АТОМНЫЙ ФАКТОР РАССЕЯНИЯ
Рассеяние рентгеновских лучей на электронах в
атомах
K
S
E S Ee S f S Ee S f ,
1/2
K0
r(r)
e 2 1 1 cos 2 2
Ee E0 2
mc
R
2
f ,
r(r) - распределение электронной
плотности в атоме
S = K - K0
2
s - s0
Для простоты расчетов будем
считать распределение электронов
в атоме сферически симметричной
функцией. Тогда можно записать.
E S
Ee S
Атомный фактор рассеяния
r r
z r r dr
0
Здесь z – число электронов в атоме

Рассмотрим проекцию атома (сферы) на плоскость XY
Положим, что на атом падает плоская волна
1
K
S
s
E
A0
K0
C
Aj
i t
Пусть в начале координат т.е.
в точке A0 фаза волны равна нулю
0 0
Каждая точка атома (т.е. каждый
s0
rj
B
2
E E0 e
электрон) под действием волны E
начинает излучать сферическую
волну. Электрон находящийся A0
излучает волну
E 0 i t
E A0
e
R
Здесь R расстояние от точки A0 до точки наблюдения M в направлении
вектора s (линии 1 и 2).

Первичная плоская достигнет точки Aj имея фазу
j k s0 ,rj
Тогда вторичная сферическая волна 2 излучаемая электроном находящемся
в точке Aj будет иметь вид
1 M
K
s
E
A0
B
C
Aj
2
Будем считать что A0M>>ІrjІ
S
Волна 2 дойдет до точки наблюдения M c
дополнительной фазой за счет отрезка
пути AjC=(s,rj).Следовательно
дополнительная фаза будет равна k(s,rj)
K0
Тогда полная фаза волны 2 дошедшая до
точки M будет иметь вид
s0
rj
EAj
E0 i t k s0 ,rj
e
R
k s,rj k s0 ,rj rjK rjK 0
K - K 0 ,rj S,rj
EM
Aj
E0 i t k s-s0 ,rj E0 i t i Srj
e
e e
R
R

Пусть падающий пучок
направлен вдоль оси X
Рассчитаем интенсивность
рассеянную элементом
объема dv
dv d dr
r d rsin d dr

Атом приближенно можно рассматривать как объем с непрерывным
распределением заряда. Выделим в объеме атома элемент объема dv
на расстоянии r от центра атома. Электронную плотность в этой точке
обозначим через r(r). Амплитуда волны рассеянная элементом
объема dv можно записана в виде. (Для упрощения записи опустим R)
dE Ee r r e
ik s s0 ,r
dv Ee r r e
ik S,r
dv
Подставим в это соотношение элемент объема в явном виде. Тогда
суммарная амплитуда рассеянная всеми электронами атома будет
равна интегралу по всему объему
E Ee r r e
iSr cos
dv
V
Ee d r r r 2 dr eiS cos sin d
r

Вспоминая определение атомного фактора рассеяния
E S Ee S f ,
f S f ,
E S
Ee S
можно переписать написанное выше выражение в виде
f S
2
0
0
0
2
iS cos
d
r
r
r
dr
e
sin d
ia cos x
sin x dx нам уже знаком по предыдущему разделу
Интеграл типа e
ia cos x
e
sin x dx
sin ax
ax
Интегрирование по, и r приводит к выражению

f sin /
0
sin(Sr)
2
4 r r (r)
dr
Sr
Это и есть атомный фактор рассеяния.
Он зависит от распределения
электронной плотности внутри атома.
Исследуем поведение функции f(S). Если
аргумент функции стремится к нулю,
дробь стоящая под интегралом
стремится к единице и следовательно

Исследуем поведение функции f(S). Если аргумент функции стремится к
нулю, дробь стоящая под интегралом стремится к единице и
следовательно f(S) приближается к величине Z/
s 0
sin(Sr)
1
Sr
f sin / 4 r 2 r (r) dr z
0
f sin / Z
Если аргумент S растет функция f(S) убывает и стремится к нулю
S 4
sin
sin(Sr)
0
Sr
f sin / 0
Вид зависимости атомной функции рассеяния
от sin / для нейтральных атомов Zn и Al.
(Z для Zn=40 а для Al=13).

10.

Оценки, сделанные выше, выполнены при условии, что электроны в
атоме практически свободны и уравнение движения электрона можно
записать в виде mr eE . Реальная ситуация сложнее - электроны в
атомах движутся по своим орбитам и имеют собственные частоты
колебаний и, следовательно необходимо рассматривать задачу
движения связанного электрона под действием внешней периодической
возмущающей силы при движении электрона т.е.mr kr 2r eE . И это
0
еще не все. Необходимо также учесть затухание при движении
электронов. Тогда полное уравнение движения будет иметь вид
mr kr 0 2r eE
В этом случае амплитуда волны, рассеянной на связанном электроне,
может быть записана в виде
2
E E 2
0 2 ik
e
или для всех
электронов в атоме
2
E E 2
2
n 0 n ik
e
Из написанного соотношения видно, что, во-первых, амплитуда
рассеяния представляется комплексным числом и, следовательно,
появляется дополнительное поглощение вблизи собственных
резонансных частот, а, во-вторых, - амплитуда сильно зависит от
частоты падающей волны, т.е. имеется дисперсия. Корректный учет этих
поправок проведен в работах Лоренца.

11.

.
Если длина волны падающего излучения достаточно далека от
края полосы поглощения, атомный фактор попросту равен f0 .
Однако при приближении длины волны падающего излучения к
краю полосы поглощения атомный фактор становится
комплексной величиной и его следует записать в виде
f f 0 f i f
где f0 является атомной функцией рассеяния,
полученной в предположении свободных электронов атома, а f" и
f" - дисперсионные поправки, первая из которых учитывает
дополнительное рассеяние для случая связанных электронов, а
вторая - дополнительное поглощение вблизи собственных частот
колебаний электронов в атоме. Дисперсионные поправки зависят
от длины волны и практически не зависят от sin . А так как f0
уменьшается с ростом угла рассеяния, дисперсионные поправки
начинают играть возрастающую роль при больших углах
рассеяния.
Функции атомного рассеяния для случая свободных электронов в атоме в
зависимости от величины sin / и соответствующие дисперсионные поправки в
зависимости от длины волны для всех элементов таблицы Менделеева
приводятся обычно в виде таблиц. Наиболее точные значения этих величин даны
в интернациональных таблицах. (International Tables for X-Ray Crystallography, vol.14, Birmingam, IDC, 1980)

12.

Амплитуда атомного рассеяния электронов
В дифракционных экспериментах наряду с рентгеновским
излучением используются электроны с энергией от десятков до сотен
кэв (электроны с энергией 50кэв имеют длину волны 0.037Å). Путем
несложных выкладок можно показать, что амплитуда атомного
рассеяния для электронов связана с амплитудой атомного рассеяния
рентгеновских лучей следующим выражением
Анализ написанного выражения показывает, что при больших углах
рассеяния, где fx мало, fe> Z и уменьшается обратно пропорционально
(sin /)2 . В электронографии и электронной микроскопии обычно
используется величина, кратная амплитуде атомного рассеяния и
входящая в первое Борновское приближение теории рассеяния
электронов, а именно

13.

Вид функций атомного рассеяния атома водорода для
рентгеновских лучей и электронов, рассчитанный в
первом Борновском приближении.
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0

14.

Оценки амплитуд атомного рассеяния электронов, сделанные выше,
приводят к важным особенностям в применении рассеяния
электронов по сравнению с рентгеновскими лучами. С одной
стороны, более высокая амплитуда рассеяния электронов (на дватри порядка) заметно повышает светосилу дифракционной картины и
наряду с возможностью фокусировки пучка падающих электронов
позволяет исследовать весьма мелкие кристаллы в
поликристаллических системах. С другой стороны, заметное
поглощение электронов с энергией порядка нескольких десятков кэв
открывает выгодную возможность изучения структуры тонких
поверхностных слоев толщиной в 10-6-10-7см. Для сравнения в
рентгенографии при оптимальных условиях регистрируется слой
около 10-2-10-4см.
Более слабая зависимость атомной амплитуды рассеяния
электронов по сравнению с рентгеновскими лучами от атомного
номера позволяет проводить структурные исследования для легких
атомов.
Наличие у электронов спина и магнитного момента открывает
дополнительные возможности для изучения магнитной структуры
материалов.

15.

Функции атомного рассеяния для случая
свободных электронов в атоме в зависимости от
величины sin / и соответствующие
дисперсионные поправки в зависимости от длины
волны для всех элементов таблицы Менделеева
приводятся обычно в виде таблиц. Наиболее
точные значения этих величин даны в
интернациональных таблицах. (International Tables
forX-Ray Crystallography, vol.1-4, Birmingam, IDC,

Для получения количественной информации о субструктуре нанокристаллических сплавов большие возможности имеет метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУР). Этот метод позволяет определить размеры и форму субмикроскопических частиц размеры, которых лежат в пределах от 10 до 1000 Å. К преимуществам метода МУР следует отнести то, что в области малых углов можно не учитывать комптоновское рассеяние, а также рассеяние вследствие тепловых колебаний и статических смещений, которые ничтожно малы именно в области малых углов. Следует отметить, что в создании дифракционной картины принимают участие лишь электроны (рассеяния на ядрах пренебрежимо мало), поэтому по дифракционной картине можно судить о пространственном распределении электронной плотности, причем избыток и недостаток электронов по отношению к средней по образцу электронной плотности действуют эквивалентно .

Согласно классической теории амплитуда рассеянная отдельной сферической частицей равна

где – угол дифракции, модуль вектора дифракции равен ; – функция распределения электронной плотности в частице; – радиус частицы.

Наиболее легко может быть вычислена интенсивность, рассеянная однородной сферической частицей радиуса имеющей электронную плотность .

– функция формы частицы, а ее квадрат – фактор рассеяния сферической частицы; – число электронов в частице, – интенсивность, рассеиваемая электроном (следует заметить, что в области нулевого узла обратной решетки угловой зависимостью функции можно пренебречь, т.е. ).

Как показано в , Гинье предложил упрощенный метод расчета интенсивности, который заключается в том, что при малом размере частицы и при , имеем . Поэтому при разложении в ряд, можно ограничиться первыми двумя членами:

Величина называется электронным радиусом инерции (радиус гирации) частицы и представляет собой среднеквадратичный размер частицы (неоднородности). Легко показать, что для однородной сферической частицы радиуса имеющей электронную плотность , радиус гирации выражается через ее радиус следующим образом: , а величина равна – числу электронов в частице или точнее – разности между числом электронов в частице и числом электронов в равном объеме окружающей частицу среды ( – объем неоднородности, и – электронные плотности вещества неоднородности и матрицы соответственно). Исходя из выше сказанного, получим:

В случае монодисперсной разряженной системы, когда можно пренебречь интерференцией лучей, рассеянных различными частицами, профиль интенсивности рассеяния нулевого узла обратной решетки системой, содержащей частиц в облучаемом объеме, можно описать следующей формулой:

Эта формула (2.7) была получена Гинье и названа его именем.

Величина находится по формуле:

где – интенсивность первичного пучка; и – заряд и масса электрона соответственно; – скорость света в вакууме; – расстояние от образца до точки наблюдения.

Как показано на рис. 4 зависимости интенсивности от угла, вычисленные по формулам (2.2) и (2.7) для сферически однородной частицы радиуса хорошо совпадают при .

Рис. 4. Рассеяние сферической частицей радиуса .

Прологарифмируем формулу Гинье:

Таким образом, из выражения (2.8) следует, что в случае представлении картины МУР от монодисперсной системы частиц в координатах при достаточно малых получается линейная зависимость, по углу наклона которой можно найти радиус гирации частиц.

В случае полидисперсной системы, когда частицы имеют разные размеры, зависимость уже не будет линейной. Однако, как показывают исследования при достаточной монодисперсности каждого сорта частиц и отсутствия межчастичной интерференции на картине МУР в координатах можно выделить несколько линейных областей. Разделив эти области можно найти соответствующие им радиусы гирации частиц разного сорта (рис. 5).

Не смотря на выше перечисленные достоинства при получении структурной информации, метод МУР обладает рядом существенных недостатков .

Значительное искажение в картину МУР может внести двойное брэгговское отражение (ДБО), которое возникает при прохождении рентгеновских лучей через кристаллические материалы. Схема, объясняющая возникновение ДБО, приведена на рис. 6. Пусть первичный пучок рентгеновских лучей падает на мозаичный кристалл, состоящий из слегка разориентированных блоков. Если, например, блок 1 находится к s 0 под брегговским углом υ , то от него отразится луч s 1 , который на своем пути может встретить блок 2, находящийся по отношению к s 1 в отражающем положении, поэтому от блока 2 отразится луч s 2 . Если нормали n 1 иn 2 к отражающим плоскостям обоих блоков расположены в одной плоскости (например, в плоскости чертежа), то луч s 2 попадет, как и луч s 1 , в центральное пятно P 0 рентгенограммы. Блок 2 отражает и в том случае, когда он повернут вокруг s 1 так, что нормаль n 2 продолжает составлять угол (π/2)-υ с s 1 , но уже не лежит в одной плоскости с n 1 . Тогда дважды отраженный луч выйдет из плоскости чертежа и переместится по образующей конуса, осью которого является s 1 . В результате на фотопленке около центрального пятна P 0 появится короткий штрих, являющийся наложением следов дважды отраженных лучей.

Рис 6. Схема, поясняющая возникновение двойного брегговского отражения.

Штрихи ДБО ориентированы перпендикулярно к линии P 0 P , соединяющей центральное пятно P 0 с брегговским максимумом P; их длина тем больше, чем больше угол мозаичности кристалла.

Избавиться от ДБО при исследовании МУР монокристаллом несложно: достаточно ориентировать последний по отношению к первичному пучку так, чтобы ни одна система плоскостей (hkl ) не находилась в отражающем положении.

При исследовании поликристаллов исключить ДБО практически нельзя, так как всегда найдутся кристаллиты, отражающие первичный пучок. ДБО будет отсутствовать только при использовании излучений с длиной волны λ > d max (d max – наибольшее межплоскостное расстояние для данного кристаллита). Так, например, при исследовании меди следует применять Al K α – излучение, что представляет значительные экспериментальные трудности.

При сравнительно больших углах рассеяния (ε > 10") МУР нельзя отделить от эффекта ДБО. Но при ε < 2" интенсивность МУР на порядок выше интенсивности ДБО. Отделение истинного МУР от ДБО в этом случае основано на различном характере зависимостей МУР и ДБО от используемой длины волны. Для этого получают кривые интенсивности I (ε/λ) на двух излучениях, например, CrK α и CuK α . Если обе кривые совпадают, то это свидетельствует, что все рассеяние обусловлено эффектом МУР. Если кривые разойдутся так, что в каждой точке ε/λ отношение интенсивностей окажется постоянным, то все рассеяние обусловлено ДБО.

Когда присутствуют оба эффекта, то

I 1 = I 1 ДБО + I 1 ДБО; I 2 = I 2 ДБО + I 2 ДБО

Б. Я. Пинесом и др. показано, что поскольку при ε 1 /λ 1 = ε 2 /λ 2

I 1 МУР /I 2 МУР = 1 и I 1 ДБО /I 2 ДБО = К,

I 2 ДБО = (I 1 – I 2)ε 1 /λ 1 = ε 2 /λ 2 (К – 1),

где постоянную К вычисляют теоретически для каждого конкретного случая.

По эффекту ДБО можно определить средние углы разориентации блоков внутри кристаллитов или монокристаллах .

где и – экспериментальная и исправленная интенсивности МУР, – вектор дифракции, – угол рассеяния, – длина волны; – постоянный коэффициент; – переменная интегрирования . Следует также отметить, что формулу Гинье можно обосновано применять лишь в случаях предусматривающих отсутствие интерференции лучей рассеянных различными частицами, простоту форм и электронную однородность рассеивающих частиц (шар, эллипс, пластинка при ), в противном случае зависимость не будет содержать линейных областей, и обработка картин МУР существенно усложняется .

2.2. Анализ нанокомпозитной структуры методами рентгеновской дифракции на большие и малые углы.

Среди косвенных методов определения размера частиц основное место принадлежит дифракционному методу. Одновременно этот метод является наиболее простым и доступным, так как рентгеновское иссле­дование структуры распространено повсеместно и хорошо обеспечено соответствующей аппаратурой. С помощью дифракционного метода наряду с фазовым составом, параметрами кристаллической решётки, статическими и динамическими смещениями атомов из положения равновесия и микронапряжениями в решётке можно определить размер зёрен (кристаллитов).

Определение дифракционным методом размера зёрен, частиц (или областей когерентного рассеяния) основано на изменении формы профиля дифракционного отражения при уменьшении размера зёрен. При обсуждении дифракции под когерентным рассеянием понимается рассеяние дифрагирующего излучения, при котором обеспечивается выполнение условий интерференции. В общем случае размер отдельного зерна может не совпадать с размером области когерентного рассеяния.

В дифракционных экспериментах изучение дефектов структуры проводят по уширению дифракционных отражений от поликристалла или порошка. Однако при практическом применении этого метода для определения размера зёрен зачастую сравнивают ширину дифракционных отражений от вещества с крупным размером зёрен (частиц) и от того же вещества в наносостоянии. Такое определение уширения и последующая оценка среднего размера частиц не всегда верны и могут давать очень большую (несколько сотен процентов) ошибку. Дело в том, что уширение следует определять относительно дифракционных отражений от бесконечно большого кристалла. Реально это означает, что сравнивать измеренную ширину дифракционных отражений следует с инструментальной шириной, т. е. с шириной функции разрешения дифрактометра, заранее определенной в специальном дифракционном эксперименте. Кроме того, точное определение ширины дифракционных отражений возможно только путем теоретического восстановления формы экспериментального отражения. Весьма существенно, что могут быть и другие, помимо малого размера кристаллитов, физические причины уширения дифракционных отражений. Поэтому важно не только определить величину уширения, но и выделить вклад в него, обусловленный именно малым размером частиц.

Поскольку дифракционный метод определения размера частиц яв­ляется самым распространенным и доступным, рассмотрим особенно­сти его применения более подробно .

Ширина дифракционной линии может зависеть от ряда причин. К ним относятся малые размеры кристаллитов, наличие разного рода дефектов, а так же неоднородность образцов по химическому составу. Уширение, обусловленное микродеформациями и хаотически распределенными дислокациями, зависит от порядка отражения и про­порционально tg υ. Величина уширения, вызванного негомогенностью Δх ; (или Δу), пропорциональна (sin 2 υ)/cos υ. В случае нанокристаллических веществ наиболее интересно уширение, связанное с малым размером D кристаллитов (D < 150 нм), причем в этом случае величина уширения пропорциональна seс υ. Рассмотрим вывод выражения, учитываю­щего уширение дифракционного отражения, обусловленное конечным размером частиц поликристаллического вещества.

Пусть v - усреднённая по объёму высота колонки плоскостей когерентного рассеяния, - усреднённый по объёму диаметр ча­стиц. Для частиц со сферической формой интегрирование приводит к выражению

Введем в рассмотрение вектор рассеяния s = 2sin υ / λ, где λ - длина волны излучения. Математически его дифференциал (или неопределенность с физической точки зрения, поскольку в конечном кристалле волновой вектор становится плохим квантовым числом) равен

ds= (2.12)

В этом выражении величина d(2υ) является интегральной шириной дифракционного отражения (линии), выраженной в углах 2υ и измеряемой в радианах. Интегральная ширина определяется как интегральная интенсивность линии, деленная на её высоту, и не зависит от формы дифракционной линии. Это позволяет использовать интегральную ширину для анализа дифракционного рентгеновского, синхротронного или нейтронографического эксперимента, выполненного на разных установках с отличающейся функцией разрешения дифрактометра и в разных интервалах углов.

Неопределенность вектора рассеяния ds обратно пропорциональна усреднённой по объёму высоте колонки плоскостей когерентного рассеяния v, поэтому произведение этих величин равно единице, v·ds = 1. Из этого соотношения ясно, что при бесконечной высоте колонки (т. е. при бесконечно большом размере кристаллитов) неопределенность ds равна нулю. Если же высота колонки мала и стремится к нулю, то неопределенность ds волнового вектора и, соответственно, ширина d (2υ) дифракционной линии становятся очень большими. Поскольку v = 1/ds, то для дифракционной линии произвольной формы размер зерна (в предположении, что все зёрна являются сферическими) с учётом (2.11) и (2.12) можно определить как

где d (2 ) - интегральная ширина дифракционной линии. На практике часто пользуются не интегральной шириной, а полной шириной дифракционной линии на половине высоты FWHM (full width at half maximum). Связь между интегральной шириной линии и FWHM зависит от формы экспериментальной дифракционной линии и в каждом конкретном случае должна определяться специально. Для линии в виде прямоугольника и треугольника интегральная ширина линии в точности равна FWHM. Для функций Лоренца и Гаусса связь описывается выражениями: d (2 ) L ≈ 1,6∙FWHM L (2 ) и d (2 ) G ≈ 1,1∙FWHM G (2 ), а для псевдо-функции Фойгта, которая будет рассмотрена ниже, эта связь более сложная и зависит от соотношения вкладов Гаусса и Лоренца. Для дифракционных линий в малых углах соотношение между интегральным уширением и FWHM можно принять равным d(2 ) ≈ 1,47 ∙ FWHM(2 ); подставляя это соотношение в (2.13), получим формулу Дебая:

В общем случае, когда частицы вещества имеют произвольную форму, средний размер частиц можно найти по формуле Дебая-Шеррера:

где - постоянная Шеррера, значение которой зависит от формы частицы (кристаллита, домена) и от индексов (hkl ) дифракционного отражения.

В реальном эксперименте из-за конечного разрешения дифрактометра линия уширяется и не может быть меньше, чем инструментальная ширина линии. Иначе говоря, в формуле (2.15) следует использовать не ширину FWHM(2υ) отражения, а её уширение β относительно инструментальной ширины. Поэтому в дифракционном эксперименте средний размер частиц определяют по методу Уоррена:

где уширение дифракционного отражения. Заметим, что .

Полную ширину на половине высоты FWHM R или инструментальную ширину дифрактометра можно измерить на хорошо отожжённом и полностью гомогенном веществе (порошке) с частицами размером 1-10 мкм. Иначе говоря, за эталон сравнения нужно брать отражение без каких-либо дополнительных, кроме инструментального, уширений. Если функция разрешения дифрактометра описывается функцией Гаусса, a υ R - её второй момент, то FWHM R =2.355υ R .

Дифракционные отражения описывают функциями Гаусса g(υ) и Лоренца l(υ):

, (2.17)

или их суперпозицией V l () + (1-c) g() - псевдо-функцией Фойгта:

где относительный вклад функции Лоренца в общую интенсивность отражения; параметры распределений Лоренца и Гаусса; А - нормирующий множитель.

Рассмотрим особенности распределений Гаусса и Лоренца, которые необходимы далее. Для распределения Гаусса параметр является вторым моментом функции. Второй момент , выраженный в углах , связан с полной шириной на половине высоты, измеренной в углах 2 , известным соотношением () = FWHM(2 )/(2·2,355). Это соотношение легко получить непосредственно из распределения Гаусса. На рис. 6 а показано распределение Гаусса, описываемое функцией

где - второй момент функции Гаусса, т. е. значение аргумента, соответствующее точке перегиба функции, когда . Найдем величину , при которой функция (2.20) принимает значение, равное половине её высоты. В этом случае и , откуда . Как видно на рисунке 6 а, полная ширина функции Гаусса на половине высоты равна .

Для распределения Лоренца параметр совпадает с полушириной этой функции на половине высоты. Пусть функция Лоренца,

принимает значение, равное половине высоты, т. е. (рис. 6 б). Значение аргумента, которое соответствует такому значению функции, найдем из уравнения

откуда и .Таким образом, действительно для функции Лоренца . Второй момент функции Лоренца, т. е. значение аргумента, соответствующего точке перегиба функции, можно найти из условия . Расчет показывает, что второй момент функции Лоренца равен .

Псевдо-функция Фойгта (2.19) обеспечивает наилучшее по сравнению с функциями Гаусса и Лоренца описание экспериментального дифракционного отражения.

Учитывая это, функцию разрешения дифрактометра представим как псевдо-функцию Фойгта; для упрощения записи примем, что в (2.19) А=1. Тогда

Поскольку функция разрешения есть суперпозиция функций Лоренца и Гаусса, то в нулевом приближении ее ширину можно аппроксимировать выражением

Если , то . Пусть некоторая эффективная функция Гаусса , площадь которой совпадает с площадью псевдо-функции Фойгта, имеет ширину , равную , тогда второй момент такой функции . Таким образом псевдо-функция разрешения Фойгта и эффективная функция Гаусса эквивалентны по полуширине. Это позволяет, в нулевом приближении, заменить функцию (2.22) функцией

где при условии, что .

Экспериментальная функция , описывающая форму произвольного дифракционного отражения, является сверткой функции распределения и функции разрешения (2.24), т. е.

Из (2.25) ясно, что второй момент экспериментальной функции . (2.26)

Уширение β дифракционного отражения выражается через полную ширину отражения на половине высоты как .Если вторые моменты и полная ширина выражены в одинаковых единицах (все в углах или все в углах 2 ), то и уширение отражения (hkl) равно

Как уже отмечалось, уширения, вызванные малым размером зёрен, деформациями и негомогенностью, пропорциональны sec , tg и (sin ) 2 /cos , соответственно, поэтому благодаря разной угловой зависимости можно разделить три разных вида уширения. При этом следует иметь в виду, что размер областей когерентного рассеяния, определяемый из размерного уширения, может соответствовать размеру индивидуальных частиц (кристаллитов), но может также отражать субдоменную структуру и характеризовать среднее расстояние между дефектами упаковки или эффективный размер мозаичных блоков и т. д. Кроме того, нужно учитывать, что форма дифракционного отражения зависит не только от размера, но и от формы наночастиц. В неоднофазных наноматериалах заметное искажение формы наблюдаемых дифракционных линий может быть следствием суперпозиции дифракционных отражений нескольких фаз.

Рассмотрим, как можно разделить уширение, обусловленное несколькими разными факторами, на примере наноструктурированных карбидных твёрдых растворов системы Zr C – Nb C. При рентгеновском исследовании этих твёрдых растворов было обнаружено, что дифракционные отражения на рентгенограммах образцов (ZrС) 0.46 (NbС) 0,54 сильно уширены. Известно, что эти твёрдые растворы имеют склонность к распаду в твёрдом состоянии, однако по рентгеновским данным образцы были однофазны. Для выяснения причины уширения отражений (негомогенность, малый размер зёрен или деформации) был выполнен количественный анализ профиля дифракционных отражений с использованием псевдо-функции Фойгта (2.19). Проведенный анализ показал, что ширина всех дифракционных отражений существенно превышает ширину функции разрешения дифрактометра.

В кубической кристаллической решётке кристаллиты имеют размеры одного порядка в трех перпендикулярных направлениях. В этом случае для кристаллов с кубической симметрией коэффициент отражений с различными кристаллографическими индексами Миллера (hkl) кубической кристаллической решётки, можно вычислить по формуле

Деформационные искажения и обусловленные ими неоднородные смещения атомов из узлов решётки могут возникать при хаотическом размещении дислокаций в объёме образца. В этом случае смещения атомов определяются суперпозицией смещений от каждой дислокации, что можно рассматривать как локальное изменение межплоскостных расстояний. Иначе говоря, расстояние между плоскостями непрерывно меняется от (d 0 -Δd) до (d 0 +Δd) (d 0 и Δd - межплоскостное расстояние в идеальном кристалле и среднее по величине изменение расстояния между плоскостями (hkl) в объёме V кристалла, соответственно). В этом случае величина ε = Δd / d 0 есть микродеформация решётки, которая характеризует усреднённую по кристаллу величину однородной деформации. Дифракционный максимум от областей кристалла с измененным межплоскостным расстоянием возникает под углом , несколько отличающимся от угла о для идеального кристалла, и в результате этого происходит уширение отражения. Формулу для уширения линии, связанного с микродеформацией решётки, легко вывести, продифференцировав уравнение Вульфа-Брегга: ; .Уширение линии в одну сторону от максимума линии, соответствующего межплоскостному расстоянию d, при изменении межплоскостного расстояния на +Δd равно , а при изменении на - (рис. 6 а) функции разрешения рентгеновского дифрактометра определяли в специальных экспериментах на отожжённых крупнозернистых соединениях, не имеющих области гомогенности (большой размер зёрен, отсутствие деформационных искажений и однородность состава образцов исключали уширение отражений): монокристалле гексагонального карбида кремния 6Н-SiC и на стехиометрическом карбиде вольфрама WС. Сопоставление найденных величин; в - зависимость экспериментального уширения дифракционных отражений образца (ZrС) 0.46 (NbС) 0,54 от

Guinier A., Fournet G. Small-angle scattering of x-rays. New York-London: J. Wiley and Sons. Chapman and Hall Ltd. 1955.

Игнатенко П. И., Иваницын Н. П. Рентгенография реальных кристаллов. - Донецк: ДГУ, 2000. – 328 с.

Русаков, А. А. Рентгенография металлов - М. : Атомиздат, 1977. - 479 с.

Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416 с.