ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 10, с. 105-110
УДК 539.22
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ EXAFS-CnEKTPOMETP КУРЧАТОВСКОГО ИСТОЧНИКА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2004 г. А. Н. Артемьев1, Н. А. Артемьев1, А. В. Забелин1, Б. Ф. Кириллов1, В. П. Колотушкин2, В. Г. Кон1, А. Г. Маевский1, К. Г. Потловский1, В. А. Резвов1,
А. И. Шамов1, Л. И. Юдин1
1 Федеральное государственное учреждение российского научного центра "Курчатовский институт",
НТК КЦСИ, Москва, Россия 2 Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. A.A. Бочвара,
Москва, Россия Поступила в редакцию 29.12.2003 г.
Дано описание флуоресцентного EXAFS-спектрометра, разработанного, изготовленного и апробированного на канале 6.2 большого накопительного кольца Курчатовского центра синхротронного излучения. Приводятся EXAFS-спектры сплавов на основе никеля и результаты их математической обработки.
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновская спектроскопия в различных формах используется для получения информации об электронной и кристаллической структуре. EXAFS - аббревиатура английского названия метода исследования тонкой структуры края поглощения рентгеновского излучения в материале (extended X-ray absorption fine structure). EXAFs является широко применяемым мощным методом исследования твердых тел [1, 2]. Он позволяет определить расстояние от поглощающего атома до ближайшей координационной сферы - с точностью 0.001 нм, а до двух - четырех последующих с точностью 0.01 нм. Определяются амплитуда тепловых колебаний, тип окружающих атомов и координационные числа. Метод применим к моно- и поликристаллам, аморфным веществам и даже к жидкостям. Исследуются также и разбавленные образцы с концентрацией элементов до 0.1%.
Методы экспериментального исследования EXAFS основаны на определении частотной зависимости поглощения рентгеновских лучей либо путем измерения линейного коэффициента поглощения в исследуемом образце, либо по выходу вторичных частиц (электронов, фотонов или ионов), возникающих при заполнении свободных внутренних электронных уровней, образующихся при фотопоглощении. Практически EXAFS-экс-перименты ведутся только на источниках синхротронного излучения (СИ).
СПЕКТРОМЕТР
Нами разработан, изготовлен, смонтирован на пучке СИ и отлажен спектрометр для измерения
EXAFS-cпeктpoв. Спектрометр расположен на канале 6.2 поворотного магнита большого накопительного кольца Курчатовского центра синхротронного излучения (КЦСИ) [3]. Это источник СИ второго поколения с энергией накопленных электронов до 2.5 ГэВ и током до I = 0.1 A.
Спектрометр работает в режиме регистрации флуоресцентного излучения образца и состоит (рис. 1) из монитора положения пучка СИ, моно-хроматора, монитора интенсивности, кронштейна образцов и рабочего детектора. Блок-схема электроники спектрометра представлена на рис. 2. В верхней части рис. 2 представлена система стабилизации вертикального положения пучка СИ (без такой системы дрейф пучка СИ по вертикали достигает 1 мм, что исключает возможность получения разумных результатов), содержащая лю-
Рис. 1. Схема стенда EXAFS-cпeктpoмeтpа: 1 - накопитель, 2 - белый пучок СИ, 3 - Be-фoльги канала СИ, 4 - монитор положения пучка, 5 - монохроматор, 6 - монитор интенсивности, 7 - образец, 8 - рабочий детектор, 9 - мониторный рассеиватель.
Рис. 2. Блок-схема электроники стенда для исследования EXAFS-спектров.
минофор, телекамеру, компьютер № 2. Люминофор расположен под углом 45° к оси пучка и регистрирует неиспользуемую часть пучка СИ. Изображение пучка наблюдается телекамерой, оцифровывается и вводится в компьютер с помощью коммерческой платы ввода изображений. Используется разработанный нами комплекс программ [4] (на рис. 3 показан соответствующий интерфейс). Компьютер № 2 (IBM Pentium-4) соединен цифровой обратной связью с системой управления накопителем. Эта обратная связь обеспечивает постоянство вертикального положения следа пучка СИ в точке наблюдения. При времени измерения положения пучка, равном 10 с, и токе пучка электронов в накопителе порядка нескольких миллиампер статистическая неопределенность этого положения составляет менее 10 мкм. Эта же величина поддерживается системой обратной связи.
Монохроматор представляет собой монокристалл Si с прорезанным каналом, поверхность которого параллельна отражающим атомным плоскостям (220). Практический энергетический диапазон монохроматора составляет 6-20 кэВ. Энергетическое разрешение монохроматора определяется расходимостью падающего пучка и с входной вертикальной щелью 1 мм составляет 2.4 эВ. Это разрешение близко к оптимальному для EXAFS-исследований. Ниже на блок-схеме электроники показана система движения монохроматора, состоящая из гониометрического модуля, пьезодвигате-ля, вращающего ротор этого модуля, и измерителя угла поворота - индуктосина. Дискретность отсчета
угла составляет одну угловую секунду. Этот прецизионный гониометрический модуль был нами разработан ранее [5].
Мониторный детектор регистрирует излучение, рассеянное тонким рассеивателем из органической пленки, расположенной непосредственно после монохроматора. Мониторирование моно-хроматизированного пучка позволяет учитывать снижение интенсивности за счет естественного уменьшения тока электронов в накопителе со временем (время жизни пучка) и узкие провалы в интенсивности, обусловленные многоволновыми процессами отражения рентгеновского излучения в монохроматоре. Рабочим и мониторным детекторами служат коммерческие счетчики БДС-10 - фотоумножители со сцинтилляторами. Таймер, счетчики, дифференциальные дискриминаторы -коммерческие блоки в стандарте САМАС. Контроллер связи компьютера № 1 (1ВМ486) с САМАС разработан в РНЦ КИ. Разработан комплекс управляющих программ, обеспечивающих, в частности, полностью автоматическую работу спектрометра. Типичное время измерения одного спектра составляет 3 ч.
ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБРАБОТКА
Ниже в качестве примеров работы спектрометра представлены БХАР8-спектры некоторых сплавов на основе никеля. Эти спектры представляют интерес в связи с предполагаемой возможностью тонких исследований методом БХАБ8-механизмов упорядочения сплавов на основе N1 и
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ ЕХАББ-СПЕКТРОМЕТР КУРЧАТОВСКОГО ИСТОЧНИКА
107
17:18:18 (64).
Date: 13.01.03; time start : 17:29:19; time stop: 17:29:26 (64).
Horizontal distribution
Изображение пучка СИ на люминофоре
Диапазон интегрирования
64
Measur_Dur Step
171 172 J -I J- SaveFon "¿J 917
SubFon - + 1o
r_Dur Step Brightness fr 100
327680
3200 Lt^O
2 Label50 245760
: date 13.01.03
time start 17:29:19 163840
time now 17:29:27
Ai
0
-fV.
wait I restart stop ' next | A 1. 0
Положение центра тяжести пучка СИ
Распределение яркости пучка е интегрированном диапазоне значений
Рис. 3 Интерфейс программы мониторирования вертикального положения пучка СИ.
Ц(Е), отн. ед.
Экспериментальный спектр
2.0 1.5 1.0 0.5 0
8250 8500 8750
|FT(R)| 4
Фурье-трансформанта
X(k)k 2
2
XAFS-функция
1 0 -1 -2
9000 E, эВ
12
k, А-1
BFT(k)
2 1 0 -1 -2
Отфильтрованная XAFS-функция
10 12 R, А
12
k, А-1
Рис. 4. ЕХАБ8-спектр N1 и его математическая обработка.
Сг, используемых в ядерных энергетических установках. Ряд сплавов из указанного материала обладает высокой радиационной и коррозионной стойкостью.
Оригинальные экспериментальные спектры имеют около 5000 точек (шаг - две угловые секунды). Для достижения оптимального соотношения
разрешения и статистической погрешности в одной точке производилось усреднение соседних девяти точек. Эффективный коэффициент поглощения получен простым делением сигнала от флуоресцентного счетчика на сигнал от счетчика мониторинга интенсивности падающего пучка. Тонкие эффекты, связанные с геометрией рассеяния, не учитывались.
409600
81920
1. 17128
2. 24635
0
4
8
6
0
4
8
0
2
4
8
Ц(Е), отн. ед.
Экспериментальный спектр
2.0 1.5 1.0 0.5 0
8250 8500 8750 9000
Е, эВ
|FT(R)| 4
I Фурье-трансформанта
3 "
2 1 0
X(k)k 2
2
1 0 -1 -2
12
k, А
А-1
BFT(k)
2 1 0 -1 -2
Отфильтрованная XAFS-функция
0
2
4
6
8 10 12 R, А
0
4
8
12
k, А-1
Рис. 5. EXAFS-спектр сплава на основе Ni, содержащего 41% Cr, 1% Mo, и его математическая обработка.
Ц(Е), отн. ед.
Экспериментальный спектр
2.0 1.5 1.0 0.5 0
X(k)k 2
2 1 0 -1 -2
XAFS-функция
8250 8500 8750 9000
E, эВ
12
k, А
-1
|FT(R)| 4
BFT(k)
Фурье-трансформанта
2 1 0 -1 -2
Отфильтрованная XAFS-функция
4 6 8 10 12 R, А
12
k, А
-1
Рис. 6. EXAFS-спектр сплава на основе Ni, содержащего 32% Cr, 1.28% Mo, и его математическая обработка.
Экспериментальные результаты были предва- выделения одноатомного (среднего) коэффици-рительно обработаны с помощью программы ента поглощения ц0 использовался режим VIPER, разработанной К. Клементевым [6]. Для сплайн-интерполяции (один из трех возможных).
0
4
8
0
4
8
0
4
8
0
2
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ EXAFS-СПЕКТРОМЕТР КУРЧАТОВСКОГО ИСТОЧНИКА
109
Ц(Е), отн. ед.
Экспериментальный спектр
2.0 1.5 1.0 0.5 0
8250
8500 8750
|FT(R)| 4
3
2
1
0
0
9000 E, эВ
Фурье-трансформанта
2
4
6
8
10 12 R, Ä
X(k)k 2 2 1 0 1 2
BFT(k)
12
k, Ä
A-1
2 1 0 -1 -2
Отфильтрованная XAFS-функция
0
4
8
12
k, Ä-1
Рис. 7. EXAFS-спектр сплава на основе Ni, содержащего 44.5% Cr, 1.3% Mo, и его математическая обработка.
4
8
На рис. 4-7 представлены результаты измерений и последующей математической обработки. В левой верхней части каждого рисунка приведен соответствующий усредненный экспериментальный спектр, деленный на мониторный сигнал (ц -коэффициент поглощения). Справа в верхней части каждого рисунка приведены выделенные в чистом виде зависимости осцилляции коэффициента поглощения рентгеновского излучения, т.е. собственно XAFS-функции (%(к) = (ц(к) - Цо(к)/Цо(к)); к - модуль волнового вектора фотоэлектрона, равный P/K). Слева внизу каждого рисунка приведены фурье-трансформанты соответствующих XAFS-функций FT(R), где R - расстояние от исследуемого атома. Фурье-трансформанты называют еще функциями псевдорадиального распределения электронной плотности вокруг атома, на котором идет погл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.