Promieniowanie rentgenowskie ma naturę elektromagnetyczną, może pochodzić od lampy rentgenowskiej, źródeł izotopowych lub akceleratorów. Taka lampa rentgenowska jest złożona ze szklanego cylindra, w którym znajdują się elektrody z metalowymi końcówkami będące stykami kontaktowymi, do których przyłącza się wysokie napięcie, jak pokazuje rys.2.1.

We wnętrzu lampy panuje próżnia rzędu 0.1-0.01Pa, a między katodą i anodą wytwarza się znaczne napięcie. We wnętrzu katody jest włókno, którym płynie prąd elektryczny. Włókno to żarzy się i nagrzewa do temperatury blisko 2500K emitując elektrony. Ich strumień formowany jest w cylindrze katody Wehneltan, który ma ujemny potencjał. Przyspieszone elektrony znajduję się w polu elektrycznym między anodą a katodą, po czym rozpędzone trafiają w anodę tracąc część posiadanej energii ∆E, która promieniuje w postaci fotonu zgodnie z zależnością:

E = h υ (2.1)

gdzie :

h - stała Plancka

υ - częstość drgań.

Elektrony w wyniku zderzenia z atomami na anodzie zmieniają swoją dotychczasową energię, dzięki czemu tworzy się widmo ciągłe mające różną długość fali, która zależy od tego, w jaki sposób elektrony zderzyły się z atomami na anodzie. Dla zakresu widma ciągłego dostrzega się znaczną granicę ze strony krótkich fal, która jest zależna w znaczącym stopniu od napięcia przyśpieszającego. Wpływ na postać krzywych promieniowania ma materiał, z którego wykonana jest anoda, natężenie wiązki trafiających nań elektronów oraz jej grubość. Promieniowanie jakiego używa rentgenografia do badań strukturalnych jest wielkości bliskiej stałej sieciowe w krysztale lub nieco mniejsze. Promieniowanie pada na kryształ, a następnie ulega wpierw dyfrakcji, następnie interferencji zgodnie z prawami Lauego i Bragga.

Prawo Lauego dotyczy interferencji promieniowania rentgenowskiego. Jego warunkiem jest, aby trójwymiarową sieć wyrażać za pomocą trzech równań:

a (cosα - cosα0) = n1 λ

b (cosβ- cosβ0) = n2 λ (2.3)

c (cosγ - cosγo) = n3 λ 

gdzie:

α0, β0, γo- kąty padania pierwotnego promieniowania

α, β, γ- kąty między kierunkami promienia ugiętego a kierunkami osi układu,

λ - długość fali promieni rentgenowskich,

n1, n2, n3 - liczby całkowite

Bragg pokazał, że dzięki prostemu modelowi możliwe jest wyznaczenie lokalizacji promieni ugiętych na powierzchni kryształu. Odbywa się to przy założeniu, że promienie rentgenowskie odbijają się podobnie jak działa zwierciadło, czyli od różnorodnych płaszczyzn atomowych w krysztale. Samo promieniowanie ugięte można zaobserwować tylko w niektórych przypadkach, gdy odbicie od płaszczyzn sobie równoległych jest przyczyną interferencji nie wygaszających się wiązek zgodnie z zależnością Bragga:

gdzie:

  • n - liczba naturalna określająca kolejne płaszczyzny sieciowe
  • λ - długość fali promieniowania rentgenowskiego
  • d - odległość międzypłaszczyznowa, albo ogólnie średnia odległość powtarzalnych warstw atomów, na których zachodzi rozpraszanie
  • θ - kąt odbłysku mierzony jako kąt między wiązką promieni pierwotnych a płaszczyzna odbijającą

Intensywność z jaką przechodzą promienie rentgenowskie przez adsorbent ulegają osłabieniu poprzez szereg złożonych zjawisk absorpcji oraz rozpraszania. Jest jednak kilka czynników, które to są charakterystyczne dla określonych substancji i dokładnie opisują ich składowe zjawiska zarówno absorpcji jak i rozpraszania promieni rentgenowskich.

Za najważniejsze czynniki, które rozpraszają promienie rentgenowskie uważa się:

a) czynnik polaryzacyjny, który uwzględnia rozproszenie omawianych promieni przez elektron. Thomson wykazał, że natężenie rozproszonej wiązki dzięki pojedynczemu elektronowi oraz masie m będącej w od jądra w odległości r zależy od kąta rozproszenia

b) czynnik atomowy, który bierze pod uwagę rozpraszanie się promieniowania poprzez pojedyncze atomy. W pierwszym z przybliżeń można przyjąć że atom mający liczbę porządkową Z posiada Z razy większą zdolność rozpraszającą elektrony. Stosunek amplitudy Ee fali, która ugięła się na atomie do amplitudy Eg ugiętej z kolei na elektronie określa się jako czynnik atomowy.

c) czynnik strukturalny bierze pod uwagę rozproszenie omawianych promieni na atomach, które rozmieszczone są w charakterystyczny sposób na krysztale. Fale, które się rozproszyły na pojedynczym atomie w sieci przestrzennej nie wykazują zgodności w fazie. Rozproszenie promieni na sieci kryształu można sprowadzić do sumy fal o różnorodnych fazach i amplitudach, po to by odnaleźć falę wypadkową. Należy tu również zwrócić uwagę na rozproszone fale na wszystkich atomach w sieci krystalicznej.

d) czynnik kinematyczny Lorenza nazywany też inaczej czasowym, bierze pod uwagę kinematyczne warunki, w których powstaje refleks dyfrakcyjny, ma on maksymalne natężenie dla konta Bragga, zaś przy małym nachyleniu płaszczyzny sieciowej określonego rzędu odbijane są również od niego promienie rentgenowskie. Dlatego dyfrakcyjna krzywa ma określone poszerzenie. Zupełne natężenie refleksu będące obszarem jaki znajduje się pod krzywą jest zależne od wielkości kąta θ

e) czynnik krotności płaszczyzn sieciowych , czyli P (hkl) określa liczba odmiennych płaszczyzn, które to uczestniczą w odbiciu się promieni rentgenowskich. Jest on zależny od typu układu krystalograficznego, a także od wskaźników (h,k,l) dla danych rodzin płaszczyzn sieciowych. Omawiany czynnik krotności płaszczyzn P(hkl) jest zależny od symetrii kryształu, czyli od tego ile płaszczyzn jest z sobą równoważnych (hkl) i odbijają promienie rentgenowskie z tym samym natężeniem i pod identycznym kątem

f) Czynnik temperaturowy, bierze pod uwagę pomocnicze rozpraszanie się promieni rentgenowskich, które powodowane jest cieplnymi drganiami atomów.

g) czynnik absorpcyjny, bierze pod uwagę absorpcję omawianego promieniowania w preparacie. Zależy on od geometrii preparatu , a także od współczynnika absorpcji dla zastosowanego promieniowania

Analiza jakościowa w rentgenografii. Każda z faz, jaka wchodzi w skład danej substancji posiada specyficzny rozkład linii interferencyjnych, które można zaobserwować na rentgenogramie, a dzięki nim identyfikuje się badaną analizę. Badanie można przeprowadzić dwoma sposobami, mianowicie gdy fazowy substancji jest nieznany, to ocenia się intensywność oraz rozmieszczenie linii na rentgenogramach substancji, która jest badana po czym poddaje się identyfikacji linie dzięki porównaniu intensywności oraz odległości doświadczalnych ze wzorcami. Gdy jest możliwe do przewidzenia skład fazowy substancji to dokonuje się porównania odległości oraz intensywności pomiędzy płaszczyznowe doświadczalne z wzorcami dla spodziewanych składników fazowych. Najmniejsza ilość fazy jaka znajduje się w mieszaninie, która daje wystarczające natężenie linii dyfrakcyjnych do jej rozpoznania określa się mianem czułości omawianej metody.

Analiza rentgenowska ilościowa opiera się na związkiem między natężeniem promieniowania i ilością występującej w poddawanej substancji fazy. Największa intensywność linii jaka może się pojawić jest zależna od ilości określonej fazy, ale również od wymiaru ziarna bądź bloków, tekstury czy zniekształceń sieciowych. Omawiana analiza ilościowa bada maksymalną intensywność stosownych linii dyfrakcyjnych albo całkowitą intensywność będącą miarą całkowitej energii promieniowania ugiętego dla określonych płaszczyzn. Energię całkowitą wyznacza się mierząc ograniczone zarysem pole oraz tłem dyfrakcyjnym.

Dokładne wyznaczenie stałych sieciowych polega na właściwym doborze promieniowania oraz metody, która umożliwi uzyskanie linii dyfrakcyjnych na rentgenogramie dla badanego preparatu o znacznych kątach θ oraz ich właściwą wyrazistość. Kolejno jest wykonywana rejestracja linii na dyfraktometrze bądź kamerze, a następnie w sposób bardzo precyzyjny wyznacza się kąty ® dla konkretnych linii oraz wyznacza stałe sieciowe dla zastosowanego promieniowania, mającego długość fali λ . W sieci regularnej związek ten przyjmuje następującą formę:

Struktura krystaliczna substancji, jaka jest poddawana analizie jest oceniana na bazie dyfraktogramu. Natomiast zarówno typ jak i stałe sieciowe są wyznaczane na podstawie położenia linii dyfrakcyjnych, zaś atomy rozmieszczone wewnątrz sieci są określana na podstawie natężeń konkretnych linii.

Określenie niewiadomej struktury kryształu substancji, którą badamy polega na uzgodnieniu sieci krystalicznej. W kolejnym etapie należy wyliczyć liczbę atomów, które przypadają na pojedynczą komórkę na podstawie jej wymiarów, zmierzonej gęstości oraz składu chemicznego. Ostatni etap jest wymaga największej precyzji, gdyż konieczne jest użycie specjalnych programów oraz kamer do analizy komputerowej , podczas pomiaru ustala się położenie atomów w obrębie komórki. Często w rozważaniach metaloznawczych wymagane jest określenie zarówno wskaźników odpowiednich linii pojawiających się na dyfraktogramie jak i typu sieci. Po rejestracji lin dyfrakcyjnych dla badanej substancji określa się dalsze linie od kątów θ w kolejności od najmniejszych wartości do największych, po czym za pomocą badania analitycznego bądź graficznego wyznacza się wskaźniki dyfraktogramów.

Tekstura jest główną orientacją w krysztale. Aby powstała tekstura w stopach lub metalach potrzeba wzrostu kryształów albo uprzywilejowanego zarodkowania, bądź tej jednoczesnego wystąpienia obu zjawisk. Jeśli chodzi o teksturę, to może ona wystąpić w różnorodnym etapie wytwarzania, dlatego wyróżnia się kilka rodzajów tekstur: - krystalizacji, która to powstaje podczas procesu krzepnięcia stopów czy też metali bądź napylania w próżni, elektrolitycznego osadzania się metalu) - deformacji (w wyniku odkształceń plastycznych) - przemian (w wyniku procesów rekrystalizacji, rozrostu ziaren normalnego lub też nadmiernego, zdrowienia, przemian fazowych). Znacznie prostszym określeniem rodzaju tekstury jest rodzaj tekstury włóknistej, która posiada uprzywilejowaną orientację pewnych kierunków odpowiednio każdego z ziaren wzdłuż pewnej osi (drutu) oraz zupełnie przypadkową orientację wzdłuż wspólnego kierunku. Jeśli mowa o rentgenogramie drutu do badania tekstury, to nie ma on ciągłych pierścieni interferencyjnych, posiada bowiem symetryczne rozmieszczenie. Pojawiające się intensywne plamy, mające kształt łuków niejednakowej długości.

Przygotowanie preparatów w celach badawczych

Preparaty które pobieramy do badań strukturalnych mogą być w kształcie płaskim (bywają wygięte lub ich kształt zostaje nadany pod kątem promienia kamery) lub pręcikowym. Oba rodzaje próbek można wyznaczyć zarówno z materiału wcześniej sproszkowanego jak i litego. Przygotowywać preparat należy z dużą dokładnością, aby nie spowodować odkształceń elementów strukturalnych, będących przedmiotem badań. Próbki o kształcie pręcikowym mają średnicę w granicach 0,2-0,5 mm , długość zaś dopasowuje się do konstrukcji kamery. Wszystkie z próbek poddawanych badaniom strukturalnym muszą być pozbawione zniekształconej warstwy na powierzchni, co odbywa się po etapie ogólnego ścienienia. Korzystnie jest aby odbywało się to w sposób chemiczny lub poprzez polerowanie elektrochemiczne. Próbki proszkowe znajdują zastosowanie wówczas, gdy jest pewność, że ich otrzymanie nie spowoduje niepożądanych zniekształceń strukturalnych. Lepiszczem jest kolodium, kleje, żywice, balsam kanadyjski czy lakiery, które to nie absorbują silnie promieni, ani też nie deformują promieniowania.

Wybór anody lampy jest dostosowany do długości fali specyficznego promieniowania, które to będzie emitowane przez ta lampę. Złe dobranie długości fali do absorbatu badanej próbki powoduje nadmierne zagęszczenie linii bądź złą rozdzielczość używanej metody albo niewystarczającą liczę linii. Liczba atomowa materiału, z którego jest anoda powinna być równa, a najlepiej niższa niż liczba atomowa najlżejszego z pierwiastków, który posiada badana próbka.

Dobór typu urządzenia użytego do pomiaru strukturalnego (lampa bądź dyfraktometr) zależy nie tylko od celu badań ale od najbardziej optymalnej metody. Zbadanie zjawisk związanych ze strukturą odbywa się zazwyczaj za pomocą specjalistycznych kamer lub dyfraktometrów. Te urządzenia różnią się nie tylko konstrukcją ale również rozdzielczością oraz dokładnością. Zdarza się niejednokrotnie, że przy badaniu identycznych defektów stosowane są inne kamery , oraz używa się odmiennej techniki badawczej. Aby dobór urządzenia i metody był jak najlepszy powinien brać pod uwagę rozdzielczość oraz koszt badania. W celu poprawienia jakości promieniowania, za czym idzie bardziej precyzyjna rozdzielczość i dokładność stosuje się szereg urządzeń pomocniczych, tj. filtry, monochromatory promieniowania czy szczeliny ograniczające.

Przy odpowiednio wysokiej energii jest możliwe wzbudzenie charakterystycznego widma, jest to widmo emisyjne mające wysoką energię fotonu. Elektrony zderzając się z atomami na anodzie wybijają elektrony z wewn. poziomów energetycznych z kolejnymi przeskokami elektronów na poziomy o niższej energii stosując się do prawa Pauliego. Różnica między poziomami energetycznymi musi być wypromieniowana w formie promieni rentgenowskich o danej długości fali. W zależności od tego jakie są różnice w energii między kolejnymi poziomami powstają charakterystyczne serie promieniowania charakterystycznego.

Filtry jakie stosuje się by usunąć składową Kβ, promieniowania rentgenowskiego oraz części zaabsorbowanej promieniowaniem fluorescencyjnym. Pozwala to na zminimalizowanie tła na rentgenie, a także ulepszenie czytelności za sprawą ograniczonej liczby refleksów, które to pochodziły wyłącznie od promieniowania K α

Monochromatory to urządzenia, dzięki którym można znacznie ograniczyć długość fali rentgenowskiego promieniowania, , stosuje się je w badaniach strukturalnych. Aby wydzieliła się z emitowanej fali poszczególna wiązka należy zastosować kryształy- tzw. monochromatory, ustawione na drodze promieniowania rentgenowskiego. Gdy taka wiązka będzie zawierać kilka długości fal i padnie na kryształ, to odbije się zgodnie z zależności Bragga

Generator o wysokim napięciu, mający za zadanie zasilić lampę rentgenowską wysyła promieniowanie w czterech kierunkach. Stabilność wynosi 0,02%

Zadaniem goniometru jest obrót próbki o kąt θ z zakresu od 100 - 1400