5268
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А.А. Мольков
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лабораторным работам по дисциплине «Научные методы исследований в строительном материаловедении»
по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов,
изделий и конструкций
Нижний Новгород
2022
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А.А. Мольков
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебно-методическое пособие
по подготовке к лабораторным работам по дисциплине «Научные методы исследований в строительном материаловедении»
по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов,
изделий и конструкций
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
УДК 620.179
Мольков, А.А. Рентгенографические методы исследования строительных материалов : учебно-методическое пособие / А.А. Мольков ; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород : ННГАСУ, 2022. – 10 с. : ил. – Текст : электронный.
Приведены указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Научные
методы исследований в строительном материаловедении», рассмотрены цели, содержание и
последовательность выполнения лабораторной работы по рентгенографическим методам.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лабораторной работе по
направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Производство и применение
строительных материалов, изделий и конструкций.
© А.А. Мольков © ННГАСУ, 2022
|
|
3 |
|
|
Содержание |
1 |
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ............................................................................................................................... |
4 |
2 |
Порядок выполнения работы .................................................................................................................. |
7 |
Список использованных источников ...................................................................................................... |
10 |
|
4
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия рентгеновской аппаратуры; изучить методику приготовления образцов для рентгеноструктурного анализа;
освоить методику рентгеноструктурного анализа веществ.
1.1 Получение рентгеновского излучения
Рентгеноструктурный анализ основан на получении и анализе дифракционной картины,
возникающей в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами атомов облучаемого объекта. Эта картина определяется помимо атомной и электронной структуры изучаемого объекта еще двумя факторами: характеристикой рентгеновского излучения и способом регистрации дифракционной картины [1, 2].
Источником рентгеновского излучения служат рентгеновские трубки. Они определяют
характер рентгеновского излучения и геометрию рентгеновского луча. Рентгеновская трубка
(рис.1) представляет собой стеклянную колбу, внутри которой создается высокий вакуум,
обеспечивающий свободное движение электронов от катода к аноду. Катод состоит из нити накала и фокусирующего колпачка. Нить из вольфрамовой спирали нагревается током накала до ~ 2000
С. Анод представляет собой полый массивный цилиндр, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, чаще всего из меди. В торцевую часть анода впрессовывается специальная металлическая пластинка – антикатод (зеркало анода). Между анодом и катодом создается высокое напряжение (10–60 кВ). При резком торможении ускоренных электронов об анод возникает рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение имеет ту же природу, что и видимый свет (электромагнитная волна), но значительно более короткую длину волны. В
рентгеноструктурном анализе обычно используют лучи с длинами волн от 0,5 до 2,5 Å
(1 нм = 10 Å). Во избежание перегрева и нарушения вакуума рентгеновские трубки охлаждается проточной водой или маслом. Материал зеркала анода определяет тип характеристического излучения генерируемого рентгеновской трубкой. Наиболее часто используются трубки с анодами из хрома, железа, кобальта, никеля, меди, молибдена. Рентгеновское излучение, испускаемое трубками сильно, поглощается материалом корпуса трубки, поэтому для выпуска рентгеновских лучей в корпус трубок впаивают специальные окошки, изготовленные из сплава гетан,
содержащего легкие элементы (бериллий, литий, бор), либо из металлического бериллия, которые практически не поглощают рентгеновское излучение.
В практике рентгеноструктурного анализа существует два основных способа регистрации дифракционной картины: 1) фотографический, в котором регистрация осуществляется на фотопленку при помощи различных рентгеновских камер; 2) дифрактометрический,
5
реализованный в специальных приборах – дифрактометрах, в которых регистрация осуществляется при помощи различных счетчиков (детекторов) рентгеновского излучения
(сцинтилляционных, пропорциональных и др.).
Рисунок 1 - Схема рентгеновской трубки:
1 - катод; 2 - фокусирующий колпачок; 3 - окна для выпуска рентгеновских лучей;
4 - анод; 5 - зеркало анода; 6 - защитный кожух; 7 - стеклянная колба
1.2 Устройство и принцип работы рентгеновского дифрактометра ДРОН-4-7
В рентгеновском дифрактометре ДРОН-4-7 (дифрактометр рентгеновский общего назначения) регистрация дифракционной картины осуществляется с помощью сцинтилляционного счетчика рентгеновского излучения. Зафиксированную таким образом зависимость интенсивности рассеяния от угла дифракции называют дифрактограммой, а метод, реализующий такую регистрацию – дифрактометрическим.
Дифрактометр ДРОН-4-7 содержит три основных узла:
1.Высоковольтный источник питания, предназначенный для подвода к рентгеновской трубке высокого напряжения (до 60 кВ) и напряжения накала катода (ток трубки до 50 мА).
2.Дифрактометрический узел, состоящий из рентгеновской трубки в защитном кожухе и гониометра с блоком детектирования. Рентгеновский гониометр это устройство для отсчета углов поворота образца и детектора по отношению к первичному пучку рентгеновских лучей. Он обеспечивает синхронный поворот образца и счетчика вокруг общей оси с требуемыми угловыми скоростями.
3.Счетно-регистрирующее и управляющее устройство, в котором регистрируются импульсы напряжения, вырабатываемые счетчиком при попадании в него кванта рентгеновского излучения, а так же осуществляется управление работой электродвигателей гониометра, что позволяет реализовать разные способы автоматизированной регистрации дифрактограмм.
Дифрактометр также укомплектован сменными приставками-держателями образца для вращения его в собственной плоскости, для исследования текстур, для изучения интенсивности отражения от монокристалла и т.д.
6
В дифрактометре используется фокусировка по Бреггу-Брентано, которая допускает вращение образца в собственной плоскости. Схема получения рентгенограммы в дифрактометре приведена на рис. 2.
Рисунок 2 - Схема получения рентгенограммы в дифрактометре:
1- гониометр; 2 - образец; 3 - рентгеновская трубка; 4 - детектор рентгеновских лучей;
5 – счетно-регистрирующее устройство
Первичный луч формируется системой горизонтальных и вертикальных щелей для получения заданной степени параллельности (расходимости) и направляется на образец,
закрепленный в гониометре. Регистрация дифракционных картин осуществляется при синхронном вращении детектора и образца вокруг оси гониометра, проходящей через центр окружности гониометра, причем угловая скорость вращения детектора вдвое больше угловой скорости вращения образца. Расходящийся пучок рентгеновских лучей дифрагирует от атомных плоскостей параллельных поверхности образца и фокусируется на приемной щели детектора. Результаты анализа выводятся на монитор компьютера или на диаграммную ленту в координатах
«интенсивность – угол поворота детектора».
Дифрактометры имеют некоторые преимущества по сравнению с фотографическим методом. Это – быстрота получения рентгенограмм для фазового и других видов анализа,
простота определения углового положения дифракционных максимумов; возможность простого и точного количественного определения интегральной интенсивности линии на рентгенограмме фигур и т.д. Однако дифрактометры общего назначения не позволяют регистрировать пространственное распределение интенсивности (например по длине дебаевского кольца, по различным рефлексам лауэили эпиграммы и т.п.). Кроме того, с помощью дифрактометра
7
затруднительно регистрировать максимумы малой интенсивности, которые легко можно обнаружить на рентгенограмме визуально.
1.3 Виды образцов
С помощью рентгеноструктурного анализа можно исследовать поликристаллические
образцы и монокристаллы металлов, сплавов, минералов, полимеров, органических и неорганических соединений.
1.4 Определение вещества по межплоскостным расстояниям
Одной из наиболее часто встречающихся задач рентгеноструктурного анализа является
задача определения вещества по данным о межплоскостных расстояниях.
Каждая фаза, обладая своей кристаллической структурой, характеризуется определенным,
присущим только данной фазе набором дискретных значений межплоскостных расстояний (dHKL).
Из уравнения Вульфа-Брегга: |
|
n =2 dHKL sin , |
(1) |
где n - порядок отражения, |
|
- угол отражения дифракционного пучка, |
|
- длина волны рентгеновского излучения, следует, что: |
|
d |
= dHKL = |
|
|
|
|
|
, |
(2) |
|
|
||||
n |
2 sin |
|||
т.е. каждому значению межплоскостного расстояния соответствует линия на рентгенограмме под определенным углом . Таким образом, зная длину волны характеристического излучения (материал анода трубки) и определив из рентгенограммы угол
отражения можно вычислить значения |
d |
для каждой линии, а по полученному ряду |
d |
|
n |
n |
|||
|
|
однозначно определить фазу, от которой была получена данная рентгенограмма.
2 Порядок выполнения работы
1)Ознакомиться с устройством и принципом действия рентгеновской аппаратуры.
2)Изучить методику приготовления образцов для рентгеноструктурного анализа.
3)Ознакомиться с методикой рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-4-7.
4)Получить дифрактограмму от анализируемого образца.
5)По дифрактограмме идентифицировать вещество.
8
2.1. Подготовка образцов для съемки
Образцы из неметаллических материалов готовят измельчением в порошок (с полным проходом через сито 008), смешивая его со слабо поглощающей и слабо рассеивающей связкой
(например чистым вазелином). Приготовленную смесь помещают в кварцевые кюветы,
поверхность образца выравнивают на плоском стекле, убирая излишки с помощью лезвия.
2.2 Съемка дифрактограммы
1.Запустить программу Dif Win 1.
2.Посмотреть угол на гониометре (если требуется подкорректировать ручкой на правой боковой стороне гониометра).
3.В программе нажать «плэй» и выставить начальный угол равным углу на гониометре
(установить скорость съемки), затем нажать «запуск». (Проконтролировать открытие заслонки
рентгеновской трубки).
4.В программе нажать «очки» и посмотреть идет ли съемка (если нет, вкладка контроллер → перезапуск).
5.Ожидаем конца съемки дифрактограммы.
2.3 Обработка дифрактограммы
1.Из «очков» взять текущий спектр.
2.Нажать сглаживание спектра, затем фона.
3.Откорректировать процент от МАХ для таблицы пиков.
4.Создать таблицу пиков (если не нравится корректируем и создаем заново (пики можно корректировать вручную – нажать «бинокль», «минус» – удалить, «плюс со стрелочкой» –
добавить).
5.Во вкладке «файл» «сохранить спектр».
6.Закрыть программу.
7.Запустить Dif Win По 11.11.
8.Открыть сохраненный спектр (если произошел сбой «вывод спектра из интерфейса).
9.Нажать «таблицу», в ней выделить и скопировать («правка» → «копировать») угол и интенсивность (полностью!!!).
10.Создать файл «блокнот» и вставить в него углы и интенсивности.
11.Переименовать файл «блокнот» без расширения.
12.Открыть файл спектра (*.sp) и убрать все кроме углов и интенсивностей (сверху и
снизу).
9
2.4 Расшифровка дифрактограммы
1.Запустить Search-Match из 1.1 серийник скопировать лицензию.
2.Открыть вкладку «Setting → Search-Match» установить галку «Apply Restrictions».
3.На большом поле, правой кнопкой мыши → «импорт» выбрать файл спектра (*.sp).
4.Во вкладке «файл» → «импорт» → «Peak Data» выбрать сохраненный без расширения файл.
5.Во вкладке «Setting → «Restrictions» открыть «Sub-file» выбрать нужную базу
(ненужные отключить).
6.В окне найденных веществ выбираем подходящие и перетаскиваем в верхнее окно.