2. Определение размера частиц величиной от 0,2—0,3 до 1 — 2 мкм, в частности определение размеров блоков в мозаичной структуре кристаллов основано на эффекте первичной экстинкции— •уменьшении интенсивности линий на рентгенограмме достаточно крупных кристаллов за счет взаимодействия первичного пучка рент­ геновских лучей с лучами, отраженными от атомных плоскостей кристалла. Уменьшение размера частиц приводит к ослаблению эф­ фекта экстинкции. Например, для кристаллов с размером мозаич­ ных блоков менее 0,2—0,3 мкм (такие кристаллы принято назы­ вать идеально мозаичными) эффект экстинкции полностью исче­ зает.

Размеры блоков мозаики по эффекту экстинкции находятся из зависимости, выведенной в динамической теории рассеяния рентге­ новского излучения:

_ / ____th (nq)

перболический тангенс; п — число параллельных отражающих плос­ костей в одном блоке; q — отражающая способность, отнесенная к одной плоскости.

Величина q определяется расчетным путем; п при известном q определяется из произведения nq, а последнее находится по спра­ вочным таблицам или графикам зависимости nq от величины ’

ным интенсивностям ///эт. Размер блоков D вычисляется из выраже­

ния D = ndhki•

Эталонный образец изготавливается из исследуемого материала. Основные требования к эталону: размеры частиц должны быть до­ статочно малы (<0,2—0,3 мкм), чтобы не возникал эффект первич­ ной экстинкции; расположение блоков должно быть достаточно беспорядочным, что исключает появление эффекта вторичной эк­ стинкции, заключающегося в ослаблении интенсивности отраже­ ния за счет интерференции между волнами, дифрагированными соседними блоками, что происходит, если угол дезориентировки между блоками мал. При исследовании порошкообразных образ­ цов эталон может быть приготовлен, например, интенсивным «на­ клепом» порошка в процессе продолжительного помола.

3. Определение размера частиц (блоков мозаики) величиной <0,1 мкм и степени микроискажений кристаллической решетки ос­ новано на измерении степени расширения (размытия) линий на рентгенограмме. Общая ширина линий рентгенограммы зависит, с одной стороны, от дисперсности частиц в образце и наличия в крис­ таллической решетке микроискажений (физическое уширение), с другой — от особенностей исследуемого образца и условий съемки (инструментальное или геометрическое уширение).

Сложность определения размера частиц и степени микроиска­

жений по величине уширения линий заключается в том, что из об­ щей экспериментально найденной на рентгенограмме ширины линии необходимо исключить инструментальное уширение, а после" этого разграничить уширения, вызванные, с одной стороны, дисперсно­ стью частиц, а с другой — наличием в решетке микроискажений. Для определения величины инструментального уширения приготов­ ляется эталон, в качестве которого используется исследуемый ма­ териал, подвергнутый полной рекристаллизации и отжигу с по­ мощью термической обработки. Уширение линий рентгенограммы такого крупнозернистого материала, кристаллы которого лишены искажений, будет чисто инструментальным уширением. Поскольку, однако, инструментальная ширина линий не всегда арифметически складывается с истинно физическим уширением, давая общую ре­ зультирующую ширину линий, для вычисления последнего пользу­ ются поправочной кривой графика зависимости между величинами Ь/В и р/В, где b — инструментальное уширение, определяемое по рентгенограмме эталона; В — общая ширина линии исследуемого образца и р — истинное физическое уширение. По этому графику в зависимости от величины b/В находят величину р/В, затем р.

Выбор вида поправочной кривой определяется распределением интенсивности в интерференционных максимумах, т. е. формой пи­ ков исследуемого образца и эталона, для описания которых под­ бираются соответствующие аппроксимирующие функции.

После того как найдено истинно физическое уширение, необхо­ димо оценить, связано ли оно с дисперсностью частиц, микроиска­ жениями решетки или обоими этими факторами одновременно. Для разделения этих факторов используют различную угловую зависи­ мость уширения линий, связанного с дисперсностью и микроиска­ жениями. Уширение р, связанное только с дисперсностью, обратно

прямо пропорционально tg0, т. е. p2/Pi==:tg02/tg0i. Если же ушире­ ние вызвано обоими указанными факторами одновременно, имеет место следующее неравенство:

что физическое уширение вызвано только дисперсностью частиц, их размер определяется по формуле

0,94Х

ш~ РС О8 0 Ш

где Lhki — средний размер частиц в направлении, перпендикуляр­ ном к плоскости отражения с индексом hkl\ р — величина истинно­ го физического уширения линии исследуемого образца, выражен­ ная в значениях угла 0; %— длина волны рентгеновского излучения.

Если уширение линии вызвано только наличием в кристалличе­ ской решетке микроискажений, характеризуемых отношением &dmax/d (А^тах — максимальное изменение межплоскостного рас­

ределяется по формуле

= Р / 4 ^hkl-

В реальных веществах, как правило, уширение линий связано как с дисперсностью частиц, так и с микроискажениями. В этом случае задача раздельного определения этих уширений усложня­ ется и может быть решена различными способами.

Истинное физическое уширение р связано с уширением т от дис­ персности частиц и уширением п от наличия микроискажений выра­ жением

тп

^ = J N (х) М (х) d x ’

где N('x) и М(х) — функции, описывающие угловое распределение интенсивностей (т. е. форму) пика за счет соответственно ушире­ ний, связанных с дисперсностью частиц и наличием микроискаже­

можно графически получить эти функции, произвести графическое

интегрирование и определить значения т и /г, по которым затем,

м

используя приведенные формулы, находят значения —-— и Lhhl.

§ 9. РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИ ВЫСОКИХ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ, В ВАКУУМЕ И ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рентгенографические исследования при высоких температурах используются для изучения высокотемпературных фазовых перехо­ дов, определения параметров решетки высокотемпературных поли­ морфных фор'м веществ в области их стабильного существования, качественного и количественного рентгенофазового анализа при вы­ соких температурах, нахождения величины коэффициента термиче­ ского расширения и т. д. Для исследования веществ при высоких температурах применяются специальные высокотемпературные ка­ меры и приставки к дифрактометрам, причем для изучения испаря­ ющихся или окисляющихся в обычной атмосфере веществ применя­ ются вакуумные или заполненные инертным газом камеры и при­ ставки. Основные требования к подобного рода устройствам: нагрев до достаточно высокой температуры, малый температурный гради­ ент в нагреваемом объеме, постоянство и точное измерение темпе­ ратуры образца. Нагрев исследуемого образца может, например, производиться за счет его контакта с плоским нагревательным эле­ ментом; значительно лучшие результаты в отношении градиента температур получаются, если образец помещается внутри нагрева­ теля цилиндрической или сферической формы с окнами для па­ дающего и дифрагированного рентгеновских пучков. При необхо­ димости съемки в вакууме или любой нужной атмосфере эти окна закрываются бериллием, пропускающим рентгеновское излучение.

Рентгенографический анализ при низких температурах применя­ ется для изучения кристаллической структуры веществ, жидких или газообразных при обычной температуре, нахождения коэффициента термического расширения, уменьшения влияния тепловых колеба­ ний при определении с повышенной точностью положения атомов и структуры монокристаллов и т. д. Для указанных целей использу­ ются низкотемпературные камеры и приставки для дифрактомет­ ров. Принципы охлаждения образцов могут быть различными, на­ пример обдувка парами сжиженных газов с достаточно низкой тем­ пературой кипения или газами, предварительно охлажденными до нужной температуры; охлаждение за счет обливания образца хо­ лодной легко испаряющейся жидкостью или контакта с металли­ ческой поверхностью или стержнем, охлаждаемым, например, жид­ ким азотом, гелием и т. д.

Для съемки по фотографической методике употребляются раз­ личные по конструкции дебаевские камеры. Низкая температура достигается, например, за счет подачи в полость основания .держа­ теля образца жидкого кислорода, пары которого откачиваются на­ сосом. Температура регулируется изменением скорости откачки и электроподогревом с помощью небольшого нагревателя, смонтиро­ ванного на держателе образца. При работе на дифрактометрах ДРОН-1, УРС-50ИМ может использоваться низкотемпературная приставка УРНТ-180, позволяющая исследовать образцы в виде порошков и шлифов при температурах до —180°С. Образцы охлаж­ даются путем обдувки парами азота, точность измерения темпера­ туры ±0,3°С. В низкотемпературной установке КРН-190, предназ­ наченной для работы на дифрактометре ДРОН-1 при температурах до —190°С, образцы охлаждаются в вакууме за счет теплового кон­ такта.

Рентгенографический анализ образцов под давлением проводит­ ся с использованием камер, в которых исследуемое вещество нахо­ дится внутри конуса из бериллия, пропускающего рентгеновское излучение. Давление на образец подается специальными поршнями. Для усиления конструкции бериллиевый конус помещен в большой конус из стали, а последний — в стальную оправу. Рентгеновские лучи попадают на образец через щель и после рассеяния образцом фиксируются на фотопленке.

гл а в а 4 Электронографический

инейтрбнографический

анализы

§ 1. ЭЛЕКТРОНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Электронографический анализ — один из методов изучения атомно-кристалли­ ческой структуры веществ, в котором используется дифракция потока движу­ щихся электронов, обладающего волновыми свойствами. От рентгеновских лучей волны потока электронов отличаются меньшей длиной. При ускоряющем напря­ жении 30— 100 кВ, которое применяют в электронографах, длина волны потока электронов колеблется в пределах 0,07—0,04 А, что в 20—30 раз меньше длин волн, используемых в рентгенографическом анализе. Кроме того, длина пробега электронного луча в исследуемом веществе по сравнению с рентгеновским мень­

же задачи, что и рентгенографическим анализом: исследование кристаллической структуры, проведение фазового анализа, определение межплоскостных расстоя­

и определенную специфику их использования, а также преимущества и недо­ статки по сравнению с рентгенографическим методом исследования кристаллов.

Преимущество электронограмм заключается прежде всего в том, что в свя­ зи с малой длиной волны и сильным взаимодействием электронов с веществом этим методом можно получить резкие и интенсивные рефлексы при меньших размерах кристаллов и меньшем количестве вещества, чем при рентгенографиче­ ском анализе. В рентгенографии, например, расширение линий начинается при размере частиц 500—900 А, а в электронографии оно становится заметным лишь при размерах 20—30 А. Интенсивность электронного луча гораздо больше, а не­ обходимая экспозиция гораздо меньше, чем рентгеновских лучей, что дает су­ щественные методические преимущества. Интенсивность отражений при дифрак­ ции электронов обычно настолько велика, что позволяет визуально на флюорес­ цирующем экране наблюдать дифракционную картину. Указанные особенности электронографии делают ее особенно ценной, например, при исследовании за­ родышей новых фаз. Электронография может использоваться также при изуче­ нии положений легких атомов в кристаллической решетке, хотя для этого более пригодна нейтронография.

В связи с малой глубиной проникновения электронов в вещество электроно­ графия обычно применяется для структурного анализа очень тонких пленок (толщиной порядка 0,01 мкм} и порошков, а также поверхностных слоев мас­ сивных образцов. В соответствии с этим существуют два метода электроногра­ фической съемки — «на просвет» и «на отражение». В последнем случае элект­ ронный луч в. отличие от рентгеновского направляется на образец под очень ма­ лыми углами, т. е. отражение проводят в пучке электронов, скользящих вдоль поверхности образца.

К недостаткам электронографии относится невысокая точность при опреде­ лении межплоскостных расстояний и периодов решетки по сравнению с точ­ ностью, достигаемой в. рентгенографии. Следует отметить также, что в связи с существенным различием рентгеновских и электронографических факторов дан­ ные, приведенные в справочниках об интенсивности рентгеновских дифракцион-

ных максимумов различных веществ, можно, как правило, использовать при электронографическом анализе лиш ь для грубой оценки соотношения интенсив­

электронные микроскопы, позволяя получать теневые электронно-оптические изо­ браж ения, хотя их работа в этрм реж им е имеет вспомогательное значение. К таким приборам, напримёр, относится электронограф ЭГ-100А. По ходу элек­ тронного пучка сверху он имеет следую щ ие основные узлы: электронную пушку

ресцирующим экраном для визуальной работы ; низко- и высоковольтные блоки

водится на флюоресцирую щ ем экране или фотографическим методом. Э лектроно­ графическая картина различна в зависимости от типа снимаемого объекта: точеч­

ческие исследования проводят наиболее часто «на просвет» тонких порошков,

ностных выступах.

§ 2. НЕЙТРОНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

В нейтронографическом анализе для исследования веществ использую тся монохроматические пучки медленных нейтронов. Специфика использования ней­ тронографии для структурных и других исследований веществ обусловлена сле­

ного номера элемента, а в случае рентгеновских лучей функция атомного рас­

состава кристаллов; структуры соединений, состоящих из элементов с, близкими атомными номерами; положения легких атомов в структуре в присутствии тяжелых и т. д. Так, например, если на рентгенограмме соединения урана с бериллием (UBei3) видны только пики урана, хотя его атомная доля в этом соединении едва превышает 7%, поскольку рассеяние рентгеновских лучей ураном несравненно выше, чем бериллием, то на нейтронограмме фиксируются и пики, вызванные рассеянием нейтронов на бериллии. Использование нейтро­ нографии позволяет различать в структурах веществ такие, например, изотопы, как 54Fe, 56Fe л 57Fe, 58Ni и 60Ni, *Н и 2Н (Д) и т. д. С помощью нейтроногра­ фического анализа устанавливается тип структуры и степень упорядоченности сплавов и твердых растворов, состоящих из элементов с близкими атомными номерами, чего не дает рентгенографический метод. Весьма перспективна нейтро­ нография при изучении структур соединений, богатых водородом, в частности этим методом подробно исследована структура льда.

Взаимодействие нейтрона, имеющего магнитный момент, с магнитным момен­ том атомов и кристаллической решетки позволяет с помощью нейтронографии исследовать магнитные структуры веществ и их изменение в зависимости от температуры, поскольку, например, рассеяние нейтронов ферромагнитными ве­ ществами резко отличается от рассеяния парамагнитными, а также изучать на­ личие доменов — областей с определенным расположением магнитных моментов, поскольку наличие доменов вызывает рассеяние нейтронов под малыми углами.

Метод нейтронографии нашел применение при изучении текстуры тел боль­ ших объемов, детальном изучении дефектов кристаллов, структур аморфных ве­ ществ и т. д.

Принцип действия установок для нейтронографического анализа в общих чертах сводится к следующему (рис. 51). Пучок нейтронов, источником которых является атомный реактор, проходит биологическую защиту / и по трубе кад­ миевого коллиматора попадает на монохроматизирующий кристалл 2 (например, меди, свинца и т. д.), помещенный в защитную камеру 3 из боризованного пара­ фина и свинца. Монохроматизировапный пучок нейтронов попадает на образец 5 обычно в виде порошка в тонкой алюминиевой оболочке, слабо поглощающей нейтроны, и после отражения регистрируется счетчиком нейтронов 6. На пути луча перед образцом помещается контрольный счетчик 4. Вследствие того что нейтроны не действуют на фотопластинку, их регистрация проводится по слож­ ной схеме, которая основана на фиксации вторичных электронов, возникающих при взаимодействии нейтронов с определенными веществами. Так, например, рас­ сеянные образцом нейтроны могут бомбардировать двухслойный экран, состоя­ щий из пластинки индия и обычной фотопластинки. Нейтроны выбивают из индия электроны, и последние экспонируют фотопластинку, фиксируя на ней дифракционную картину, создаваемую нейтронами.

в ультрафиолетовом и инфракрасном свете, при воздействии ультразвука и т. д.

Показателями совершенствования микроскопии являются уве­ личение и разрешающая способность. Использование нового вида электромагнитного излучения и новых способов получения изобра­ жения'повысило разрешающую способность микроскопов от 0,1 мм для невооруженного глаза до 10~10 м (1 А) для ионного проектора. Современные микроскопы позволяют исследовать различные виды дефектов в кристаллах (рис. 52).

§ 1. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ МИКРОСКОПЫ

М и к р о с к о п МИН-8 предназначен для исследования прозрач­ ных препаратов в проходящем свете.

.Оптическая система микроскопа следующая: от источника све­ та лучи идут в две собирательные линзы-конденсоры, позволяющие повысить освещение объекта. После конденсоров лучи попадают на призму, преломляются и проходят поляризатор. Поляризованный пучок света проходит один из трех сменных конденсоров и освещает исследуемый объект. От препарата лучи направляются в объектив, анализатор и окуляр. Между объективом и анализатором в сис­ тему могут вводиться компенсационные пластинки. Диафрагмы рас­ положены около осветителя, под поляризатором, над ним и в насад­ ке. Диафрагма около осветителя является полевой. Две диафраг­

свете.

На качество получаемого в микроскопе изображения влияет со­ стояние всей оптической системы и в первую очередь объектива. В микроскопе имеется 5 объективов с различной разрешающей спо­ собностью. Окуляр микроскопа состоит из двух линз: нижней — кол­ лектора, и верхней — глазной. Между ними .расположена диафраг­ ма, ограничивающая поле зрения. Глазная линза сфокусирована на диафрагму.

Оптическая система микроскопа обычно дает недостаточно плос­ кое изображение, в связи с чем отчетливость картины по краям и в центре оказывается различной, особенно при больших увеличени­ ях после фотографирования. Для устранения этого явления приме­ няются специальные фотообъективы: в микроскопе МИН-8 окуляр 10х позволяет получить практически плоское изображение.

При работе в коноскопическом свете между конденсором и объ­ ектом вводится линза Лазо, а в насадке — линза Бертрана. Фоку­ сировка на резкость коноскопической картины производится пере­ движением окуляра.

При работе в отраженном свете на микроскоп устанавливается на место щипцового устройства осветитель ОИ-12 и объектив кре­ пится непосредственно к осветителю. Окулярная насадка при этом разворачивается на 180°, т. е. располагается со стороны осветителя.

Световые лучи от лампы осветителя попадают на установленную под нужным углом стеклянную пластинку, которая направляет их на объект. Отраженные от объекта лучи идут далее по обычной оптической системе микроскопа.

При работе с фазовоконтрастным устройством из системы мик­ роскопа удаляется кронштейн с конденсором. На место снятого кронштейна устанавливается другой кронштейн, а в кольцо послед­ него— фазовоконтрастное устройство КФ-1. Работа осуществляет­ ся на фазовых объективах, входящих в комплект КФ-1. Фазово­ контрастное устройство позволяет.определять показатели прелом­ ления мелкокристаллических веществ и изучать тонкие структуры

свете. Л е й т ц - О р т о л ю к с - П о л ь БК — поляризационный микроскоп для бинокулярных исследований с орто- и коноскопическим ходом* лучей; позволяет проводить оптические поляризационные измерения в проходящем или отражен­ ном свете, а также исследования с универсальным поворотным столиком, в свет­ лом поле, темном поле, при фазовом и интерференционном контрасте, осущест­ влять интерференционные измерения по методу Ямина — Лебедева. Имеют микротвердометр и приспособления для нагревания столика и микрофотографиро­ вания.

М и к р о с к о п ы с е р и и M i k r o v a l (ГДР) — Amplival, Laboval и др., оснащены револьверным конденсором и позволяют применять светлопольный, темнопольный и фазово-контрастный методы.

§ 2. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ

К металлографической аппаратуре, предназначенной для иссле­ дования непрозрачных объектов в отраженном свете, относятся следующие приборы: вертикальные малогабаритные металлографи­ ческие микроскопы; горизонтальные микроскопы для различных исследований веществ при больших увеличениях; специальные фо­ тографические установки для изучения макроструктуры различных твердых предметов при небольшом увеличении; специализирован­ ные микротвердомеры.

К в е р т и к а л ь н ы м м е т а л л о г р а ф и ч е с к и м м и к р о ­ с к о п а м относятся микроскопы МИМ-5, МИМ-6 и МИМ-7. Микро­ скоп МИМ-6 дает увеличение от 60 до 660х и предназначен для ви­ зуального наблюдения непрозрачных микропрепаратов в обычном и поляризованном свете, в светлом поле, в прямом и косом освеще­ нии и для фотографирования. Аналогичные определения можно делать и на микроскопе МИМ-7. Кроме того, микроскоп МИМ-7 позволяет проводить исследования в темном поле. Они представля­ ют собой комбинацию фотокамеры и микроскопа.

Г о р и з о н т а л ь н ы й м е т а л л о г р а ф и ч е с к и й м и к р о ­ скоп МИМ-8М предназначен для точных работ. Весь прибор со­