Рентгеноспектральные методы исследования материалов на основе синхротронного излучения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТРЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ 
ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ 
СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Учебное пособие 

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019

УДК 535.37(075.8)
ББК 22.344я73
       Я 51 

Печатается по решению кафедры физики наносистем 
и спектроскопии физического факультета 
Южного федерального университета 
(протокол № 18 от 2 апреля 2019 г.) 

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, 
главный научный сотрудник Южного научного центра 
Российской академии наук Ю. Ф. Мигаль;
кандидат физико-математических наук, 
ведущий научный сотрудник НИИ физики 
Южного федерального университета В. Г. Власенко

Авторский коллектив:

Г. Э. Яловега, М. И. Мазурицкий, А. Т. Козаков, В. А. Шматко, 
М. А. Кременная

Рентгеноспектральные методы исследования материалов на основе синхротронного излучения : учебное пособие / Г. Э. Яловега [и др.] ; Южный федеральный университет. – 
Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2019. – 146 с.
ISBN 978-5-9275-3202-5
Учебное пособие содержит изложение материала, входящего в учебную 
программу курсов «Специальный физический практикум», «Физика рентгеновских лучей», «Синхротронное излучение в исследовании материалов», 
изучаемых студентами специальностей «Физика конденсированного состояния», «Физика», «Физика, химия и технология функциональных материалов» 
физического факультета и НИИ физики Южного федерального университета. 
Содержит контрольные вопросы и проектные задания. 
Предназначено для студентов, которые обучаются по программам бакалавриата и магистратуры в области физики конденсированного состояния, материаловедения, нанотехнологий. Создано при поддержке Южного федерального университета (ВнГр-07/2017-30).
УДК 535.37(075.8)
ББК 22.344я73
ISBN 978-5-9275-3202-5

© Южный федеральный университет, 2019
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2019

Я 51

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................5

Глава 1. ИСТОЧНИКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, 
МОНОХРОМАТОРЫ, ДЕТЕКТОРЫ ............................................8

1.1.  Источники рентгеновского излучения .................................. 8
1.1.1. Рентгеновские трубки ........................................................ 8
1.1.2. Ускорители заряженных частиц ..................................12
1.1.3. Циклические ускорители электронов – 
синхротроны .........................................................................13
1.1.4. Основные свойства и характеристики 
синхротронного излучения ...........................................18
1.1.5. Линейные ускорители электронов – 
рентгеновские лазеры 
на свободных электронах ..............................................29
1.2.  Кристаллы-монохроматоры ......................................................31
1.2.1. Дифракция рентгеновского излучения 
на монокристаллах ............................................................31
1.2.2. Спектральное разрешение ............................................37
1.2.3. Апертура плоского кристалла ......................................38
1.2.4. Фокусирующие методы 
с цилиндрическим изгибом кристалла ....................40
1.3.  Детекторы ионизирующего излучения ...............................43
1.3.1. Ионизационные детекторы ...........................................44
1.3.2. Ионизационная камера ...................................................44
1.3.3. Пропорциональные камеры .........................................46
1.3.4. Счетчики Гейгера–Мюллера ..........................................47
1.3.5. Сцинтилляционные детекторы ....................................48
1.3.6. Полупроводниковые детекторы .................................51

1.3.7. Позиционно-чувствительные детекторы 
излучения ...............................................................................53
1.3.8. Микроканальные пластины...........................................56
1.3.9. Энергетическое разрешение спектрометра .........58
Контрольные вопросы к главе 1 ......................................................60
Проектные задания к главе 1 ............................................................62

Глава 2. РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ................................. 63

2.1.  Метод рентгеновской флуоресцентной 
спектроскопии .................................................................................65
2.1.1. Физические принципы .....................................................65
2.1.2. Аппаратная реализация ..................................................67
2.1.3. Примеры решения научных задач методом 
рентгенофлуоресцентного анализа 
с использованием синхротронного 
излучения ...............................................................................74
2.2.  Спектроскопия рентгеновского поглощения ...................76
2.2.1. Физические принципы .....................................................77
2.2.2. Аппаратная реализация ..................................................87
2.2.3. Примеры решения научных задач методом 
рентгеновской спектроскопии поглощения 
с использованием синхротронного 
излучения ...............................................................................93
2.3.  Рентгеновская фотоэлектронная 
спектроскопия .............................................................................. 101
2.3.1. Физические принципы .................................................. 102
2.3.2. Аппаратная реализация ............................................... 105
2.3.3. Примеры решения научных задач 
методом рентгеновской фотоэлектронной 
спектроскопии с использованием 
синхротронного излучения ........................................ 130
Контрольные вопросы к главе 2 ................................................... 137
Проектные задания к главе 2 ......................................................... 139

Литература ..........................................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Развитие и достижения современной науки во многом зависят 
от набора инструментальных средств, имеющихся в распоряжении исследователей. Многие методы исследования, применяемые 
в химии, материаловедении, биологии, медицине и даже археологии и искусствоведении основаны на взаимодействии атомов 
вещества изучаемого объекта с электромагнитным излучением 
разных спектральных диапазонов. Существуют группы методов, 
в которых используют радиочастотное, инфракрасное, видимое, 
ультрафиолетовое, рентгеновское излучение. Однако исследование взаимодействия рентгеновского излучения с веществом дает 
уникальную информацию, невосполнимую другими методами, об 
элементном составе, электронном и атомном строении материи. 
Взаимодействие (поглощение и рассеяние) рентгеновского излучения происходит с атомами, со свободными и связанными электронами облучаемого материала. Существенное влияние на этот 
процесс оказывает связь рассеивающихся электронов с ядром и их 
положение в атоме в момент рассеяния. Рассеяние, т. е. изменение 
направления распространения фотонов, может происходить когерентно, без изменения энергии (упругое взаимодействие), и некогерентно (неупругое взаимодействие), с передачей части энергии фотона одному из электронов атома. Поглощение вызывает 
возбуждение атома, который переходит в основное состояние, в 
том числе испуская кванты характеристического излучения. Оба 
процесса лежат в основе широко востребованных рентгеноспектральных методов.
Современный уровень научной аппаратуры позволяет с высокой точностью регистрировать результаты процессов, происходящих при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом, 
создавать новые и модифицировать хорошо известные рентге

Введение

новские методы для получения информации о составе и строении 
вещества. В классических (назовем их лабораторными) вариантах 
рентгеноспектральных методов, как правило, в качестве источника рентгеновского излучения используют рентгеновские трубки. 
Однако в последние десятилетия в качестве источников излучения с широким спектральным диапазоном используются источники синхротронного излучения (СИ, SR – synchrotron radiation) 
и излучения рентгеновских лазеров на свободных электронах 
(XFEL). Это привело к возможности значительного расширения 
фронта научных исследований, проводимых рентгеновскими методами, повышению качественного уровня получаемой информации, усовершенствованию и расширению возможностей классических рентгеновских методов. В данном учебном пособии рассмотрены ключевые конструкционные узлы, параметры и свойства 
источников рентгеновского излучения, детекторов, монохроматоров, а также физические принципы, аппаратная реализация и 
примеры применения таких рентгеноспектральных методов, как 
рентгенофлуоресцентный анализ (международный термин – X-ray 
Fluorescence (XRF)), рентгеновская спектроскопия поглощения 
(международный термин – X-ray Absorption Spectroscopy (XAS)) и 
рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (международный 
термин – X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)), в лабораторных 
и синхротронных модификациях. 
Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ дает возможность делать выводы о химическом составе вещества, поскольку 
все химические элементы имеют строго индивидуальный набор 
эмиссионных линий характеристического излучения. В сравнении с традиционным химическим методом элементного анализа 
рентгеноспектральный метод обладает экспрессностью и является неразрушающим методом качественного и количественного 
анализа состава вещества. Рентгеновская спектроскопия поглощения является надежным инструментом для изучения локального 
окружения исследуемого типа атома, включая параметры локальной структуры – координаты окружающих атомов, межатомные 
расстояния и локальную симметрию окружения поглощающего 

Введение

атома. Также методом рентгеновской спектроскопии поглощения 
возможно исследовать локальную электронную структуру вещества: симметрию и энергию вакантных молекулярных орбиталей 
в молекулах или электронных зон в конденсированных веществах, 
лежащих выше уровня Ферми; распределение электронной плотности на атомах и степень окисления поглощающего атома. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия изучает электронное 
строение вещества на основе энергетических спектров электронов, вылетающих в результате фотоионизации атомов, молекул 
или твердых тел. Положение линий в фотоэлектронных спектрах 
дает информацию об электронном состоянии атомов на поверхности исследуемого вещества (химические сдвиги остовных уровней), а также об энергетическом строении валентной зоны. Следует отметить, что выбор именно этих методов не случаен, так как 
лабораторные модификации этих методов реализуются в Южном 
федеральном университете и используются при проведении физических практикумов и научных исследований студентов, аспирантов и научных сотрудников. 

Глава 1

ИСТОЧНИКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, 
МОНОХРОМАТОРЫ, ДЕТЕКТОРЫ

1.1. Источники рентгеновского излучения

В настоящее время для физических экспериментов используется три основных вида источников рентгеновского излучения: 
рентгеновские трубки, радиоактивные источники (изотопные источники альфа-, бета- и гамма-излучения) и  ускорители заряженных частиц. Для рентгеноспектральных методов, рассматриваемых в рамках данного пособия, источниками рентгеновского излучения в лабораторных спектрометрах являются рентгеновские 
трубки, в установках Mega-science (ускорителях заряженных частиц) – синхротронное и рентгеновское лазерное излучение (синхротроны или рентгеновские лазеры на свободных электронах).

1.1.1. Рентгеновские трубки

Основными частями рентгеновской трубки являются корпус, 
катод и анод. Герметичный корпус обеспечивает возможность создания внутри рентгеновской трубки высокого вакуума (порядка 
10–7–10–5 торр), необходимого, чтобы электроны, вылетевшие из катода, смогли достичь анода без рассеяния. Оболочка большинства 
рентгеновских трубок представляет собой стеклянный баллон с 
максимальной толщиной в средней части 2,5 мм. Встречаются также 
керамические рентгеновские трубки. Стекло (керамика) имеет хорошие вакуумные и диэлектрические свойства, а также коэффициент 
теплового расширения, близкий к металлам, с которыми стекло (ке

1.1. Источники рентгеновского излучения

рамика) спаивается. Трубки бывают разборными и запаянными. При 
этом чаще всего применяют трубки с термонакаливаемым катодом 
(источник электронов), представляющим собой вольфрамовую нить 
заданной формы, через которую пропускается электрический ток. 
Под действием тока нить накаляется, и электроны с ее поверхности переходят в окружающее пространство – вакуум, образуя вокруг 
нити электронное облако. Чем выше ток накала, а следовательно, и 
температура нити, тем больше электронов в единицу времени испускается с ее поверхности. Обычно нить накала изготавливается из 
вольфрамовой проволоки диаметром 0,2–0,3 мм и длиной 8–12 см. 
Под действием высокого напряжения, приложенного между катодом 
и анодом, электроны, окружающие катод, устремляются к аноду. Вакуум внутри корпуса должен обеспечить длину свободного пробега 
электронов, достаточную для того, чтобы они достигали поверхности анода без соударений с молекулами остаточных газов. 
Нить катода может иметь форму плоской, круговой или цилиндрической спирали. Нить помещается на дне металлического 
колпачка, назначение которого состоит в формировании электронного пучка, направляемого к аноду. Испытывая воздействие кулоновских сил отталкивания от поверхности колпачка, электроны 
концентрируются в узкий пучок. Та часть поверхности анода, на 
которой непосредственно тормозится основной поток электронов, 
образует фокусное пятно, которое бывает различной формы: круглой, прямоугольной и т. д. Афокальное излучение генерируется на 
поверхности анода в местах, находящихся вне фокусного пятна. 
Массивное тело анода изготавливается из меди для того, чтобы 
обеспечить хороший отвод тепла. Существенное значение имеет материал зеркала анода – той его части, которая обращена к катоду и 
из поверхности которой выходит тормозное и характеристическое 
излучение. Спектральные свойства генерируемого излучения и его 
интегральная интенсивность существенно зависят от атомного номера вещества. Зеркало анода часто изготавливается из меди, железа, хрома, кобальта, молибдена, родия, вольфрама, серебра и др. 
Электроны, испущенные катодом, ускоряются благодаря приложенному высокому напряжению в направлении анода. Далее они 

Глава 1. Источники рентгеновского излучения, монохроматоры, детекторы

проникают в материал анода и теряют там свою энергию в результате торможения. Только малая часть энергии электронов, достигших 
анода (1–2 %), испускается в виде рентгеновских квантов. Большая 
часть энергии уходит на нагрев материала анода. Отсюда следует, вопервых, что КПД рентгеновских трубок очень низкий, во-вторых, что 
анод должен охлаждаться. Технически это реализуется с помощью 
подключения циркуляционного контура водяного охлаждения или 
воздушно-конвекционного для маломощных рентгеновских трубок.
Основные различия между типами трубок заключаются в потребляемой мощности, способе защиты от ионизирующего излучения и 
назначении трубки, способе охлаждения, значении высокого напряжения и анодного тока, расположении выходных окон, а также форме поперечного сечения пучка рентгеновского излучения на выходе.
Часть энергетических потерь электронов, которая эмитируется 
в виде рентгеновского излучения, представляет собой тормозное и 
характеристическое излучения зеркала анода. Выход излучения из 
корпуса трубки осуществляется, как правило, через тонкое бериллиевое окно. Трубки бывают с торцевым (концевым) и боковым окном.
В трубке с боковым окном (рис. 1) к катоду приложено отрицательное напряжение. Электроны испускаются нагретым катодом 
и ускоряются в направлении анода, который находится под нуле
Рис. 1. Схема рентгеновской трубки с боковым окном

1.1. Источники рентгеновского излучения

вым потенциалом. При этом разность потенциалов между анодом 
и материалом корпуса с боковым выходным окном отсутствует.
В трубке с боковым окном часть электронов всегда рассеивается на поверхности анода. Обратно рассеянные электроны способствуют нагреву окружающих материалов (корпуса), но особенно – бокового окна трубки. Выходное окно должно быть устойчивым к высоким температурам и не может быть очень тонким. Минимальная толщина бериллиевых окон, используемых в трубках 
с боковым окном, составляет 300 мкм. Это приводит к слишком 
высокому поглощению низкоэнергетического характеристического излучения материала анода в выходном окне и в связи с этим к 
ограничению в возбуждении легких элементов в пробе.
Трубка с торцевым окном (рис. 2) отличается тем, что к аноду 
приложено положительное высокое напряжение, а бериллиевое 
выходное окно расположено на торцевой стороне заземленного 
корпуса трубки. 

Рис. 2. Схема рентгеновской трубки с торцевым окном

Глава 1. Источники рентгеновского излучения, монохроматоры, детекторы

Кольцевой катод располагается вокруг анода и находится под 
нулевым потенциалом. Электроны испускаются нагретым катодом 
и ускоряются в направлении анода. При этом выходное бериллиевое окно не будет нагреваться, а потому может быть значительно 
более тонким по сравнению с трубками с боковым окном. Обычно 
толщина окна составляет порядка 100 мкм. Это дает преимущество при анализе легких элементов.

1.1.2. Ускорители заряженных частиц

Ускорители заряженных частиц – это устройства для получения заряженных частиц высоких энергий (ионов или элементарных частиц – электронов, протонов, позитронов). Помимо типа 
частиц, ускорители различаются характеристиками генерируемого излучения и конструкцией. В зависимости от конструкции они 
делятся на два класса: линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямолинейным 
и пучок частиц однократно проходит ускоряющий промежуток. 
В циклических ускорителях частицы двигаются по замкнутой 
траектории (окружность, спираль), многократно проходя ускоряющие промежутки. Современными представителями циклических 
ускорителей являются синхротроны, линейных ускорителей – лазеры на свободных электронах. В ускорителях обоих видов электромагнитное излучение, в том числе и рентгеновское, возникает 
как результат ускоренного движения электронов в магнитном 
поле по криволинейной траектории. Когда электроны двигаются 
с релятивистскими или ультрарелятивистскими скоростями по 
изогнутой траектории в магнитном поле, они испускают электромагнитное излучение в направлении своего движения, известное 
как синхротронное излучение (СИ) в случае его генерации синхротронами, либо рентгеновское лазерное излучение, генерируемое 
рентгеновскими лазерами на свободных электронах (XFEL). 
В рамках данного пособия мы остановимся на рассмотрении 
только этих источников рентгеновского излучения. Хотя нужно 
отметить, что ускорители заряженных частиц представлены ши