Röntgendiffrakció

Szinkrotron sugárforrásnál működő XRD

 

Szinkrotronsugárzás akkor keletkezik, amikor relativisztikus sebességű könnyű elemi részecskék (elektronok, pozitronok) sebességük vagy mozgásirányuk megváltoztatására kényszerülnek (azaz gyorsulnak). Ez a sugárzástípus nagyon intenzív, fényessége 106- 1012-szerese a konvencionális röntgencsövek által emittált sugárzásnak. Energiatartománya az infravöröstől a kemény röntgensugárzásig terjed, és az elektron  tárológyűrű pályasíkjában kibocsátott sugárzás általában lineárisan polarizált.

A szinkrotronokból nyerhető röntgennyalábok egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek hatékony kihasználhatóságukat bizonyítják.

  1. Nagy fényesség
  2. Széles spektrális tartomány folytonos energiaeloszlással, a monoenergetikus nyalábok széles energiatartományban állíthatók elő
  3. Magas polarizációfok az elektronpálya síkjában, fontos a röntgenfluoreszcenciás kísérleteknél
  4. Az impulzusos időbeli struktúra időbeli felbontású méréseket tesz lehetővé, a röntgensugarak rövid impulzusok formájában emittálódnak
  5. Természetes kollimáció, a röntgensugarak a teljes szögtartományban emittálódnak horizontális irányban, de függőleges irányban jól kollimáltak.

Földi körülmények között a sugárzást általában szinkrotronokkal hozzák létre. A szinkrotron a részecskegyorsítók egyik fajtája.

Az elektronok az elektron ágyúban keletkeznek, amelyeket lineáris gyorsító (linac) gyorsít fel közel fénysebességre. Utána az elektronokat a gyorsító gyűrűbe küldik, ahol megnövekszik energiájuk (250MeV-ról-2900MeV-ra), majd a külső tároló gyűrűbe jutnak. Az elektronok a tároló gyűrű körül köröznek mágnesek sorának segítségével. Mivel az elektronokat a mágneses mező eltéríti, elektromágneses sugárzást adnak le, így minden egyes mágnesnél szinkrotron sugárzás jön létre. Ezeket a sugarakat megfelelő hullámhosszúságra fókuszálhatják az adott technikákhoz. A szinkrotronból a sugárzást kivezetik a különböző laborokba, melyek a szinkrotron körül helyezkednek el. Legfőképp a röntgensugarakat alkalmazzák, de az egyéb elektromágneses sugarakat is fel lehet használni az infravörös tartományig. Anyagtudományi szempontból a legtöbb alkalmazást a szerkezet és a kémiai összetétel meghatározására alkalmas, ezenkívül vékonyrétegek fizikai jellemzésére, továbbá mikro-méretű felületmódosításra is felhasználható.

Rengeteg alkalmazási területe van, de az én munkámban az amorf minták röntgendiffrakciós vizsgálata szempontjából fontos.  A nagy intenzitásnak és a változó hullámhosszú röntgensugaraknak köszönhetően lehetővé válik a pontos szerkezetmeghatározás.

A vizsgált több-komponensű mintáink könnyű és nehéz atomokat egyaránt tartalmaznak, ezért indokolt volt neutrondiffrakciós mérérsek mellett röntgendiffrakciós mérések elvégzése is. A könnyű atomok környezetére (Si, B, O) a neutrondiffrakció ad pontosabb szerkezeti információt, míg a nehéz atomokra (Ba, Zr, U) a röntgendiffrakciós mérésekből nyerhetünk több információt.

A röntgendiffrakciós méréseket egy részét a hamburgi Desy szinkrotronnál működő BW5 röntgen-diffraktométeren végeztem - amelyet azóta leszereltek - valamint grenoble-i ESRF szinkrotronforrásnál működő ID22 berendezésen.