Рентгеноструктурный анализ на СИ

Второе дыхание рентгеноструктурному анализу принесло появление доступных для исследователей источников синхротронного излучения рентгеновского диапазона. Эти источники дали в руки исследователей такой рентгеновский зонд, о котором можно было только мечтать: огромная яркость пучков, возможность легко настраиваться на любую длину волны и получать интенсивные пучки микронного и даже субмикронного сечения, естественная высокая коллимированность и поляризованность. Уникальные свойства СИ еще больше расширили область применения рентгеноструктурного анализа, позволив уменьшить размеры образцов для наиболее эффективного метода анализа по рентгенограммам монокристаллов до размера частиц порошка. Коллимированность пучков рентгеновских лучей из источников СИ повысило разрешающую способность, как монокристальной, так и порошковой дифрактометрии. Непрерывный, хорошо опредезо ленный спектр СИ, в сочетании с параллельностью лучей возродил подзабытый метод Лауэ, сделав его современным инструментом рентгеноструктурного анализа, а в сочетании с появлением детекторов, обладающих высоким энергетическим разрешением, также сделал реальностью энергодисперсионную дифрактометрию, которая может быть очень эффективным средством исследования структуры веществ в экстремальных условиях и при химических реакциях. Благодаря СИ появились новые области применения рентгеноструктурного анализа, часть из которых мы постараемся рассмотреть.

При дифракционных измерениях на СИ обычно стараются использовать схемы с вертикально расположенной дифракционной плоскостью. (Напомним, что дифракционной плоскостью называют плоскость, проходящую через первичный и дифрагированный лучи). Поэтому, если измерения проводятся точечным детектором, а пучок падающих на образец рентгеновских лучей отбирается из центральной части пучка СИ, линейно поляризованной в горизонтальной плоскости, то при угле между направлением поляризации первичного пучка и дифракционной плоскостью в 90° поляризационный фактор всегда равен единице и может не учитываться при определении интегральной интенсивности отражений. Однако, при измерениях двумерными детекторами, которые очень часто используются в экспериментах на СИ, для большинства отражений эта схема не работает, даже если плоскость приемного окна детектора перпендикулярна первичному пучку. В этих случаях для большинства регистрируемых рефлексов плоскость дифракции расположена под углом, отличающимся от 90° и разным для разных рефлексов. При таких измерениях необходимо вычислять и учитывать поляризационный множитель для каждого отражения. Подробные пояснения и рекомендации на этот счет можно найти в [5, 7].

Какие области структурного анализа требуют применения синхротронного излучения, а где можно обойтись без него?

Если есть монокристаллы хорошего качества с размерами порядка нескольких сотен микрон и не очень большим числом атомов в элементарной ячейке, что-бы не растянуть процесс дифракционных измерении на месяцы, то структуру объектов можно успешно исследовать на лабораторных дифрактометрах с рентгеновскими трубками и изучать статические структурные состояния кристаллов, как при нормальных условиях, так и при экстремальных воздействиях. Такие исследования, как правило, не требуют спешки и гораздо дешевле, чем эксперименты на синхротронном излучении. Хорошо разработанная современная лабораторная техника и теория подобных исследований позволяют проводить рентгеноструктурный анализ почти автоматически и с высокой точностью.

Но есть области кристаллографии, где рентгеноструктурный анализ на лабораторных дифрактометрах бесилен или не способен конкурировать с дифрактометрией на синхротронном излучении. Главными объектами рентгеноструктурных исследований, которые лучше проводить с помощью СИ, а в некоторых случаях можно выполнить лишь благодаря уникальным свойствам этого излучения, являются: кристаллография объектов микронного и субмикронного размера; кристалллография макромолекулярных кристаллов, в частности биологических веществ; кристаллография веществ в переходных короткоживуших состояниях, например, в процессах сложных химических реакций разного типа. Кроме того, есть еще большое число случаев исследования структуры конденсированных состояний под внешними воздействиями, например, динамика распространения полей деформации в кристаллах или магнитное упорядочение, для изучения которых СИ является очень удобным.