рентгеновские стоячие волны

РЕНТГЕНОВСКИЕ СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ - стоячие волны, возникающие в достаточно толстых монокристаллич. пластинах при падении на них «жёсткого» рентг. излучения (с длиной волны ~ 5-20 нм) под углом Брэгга (при выполнении Брэгга - Вульфа условий)и осуществлении в них динамич. дифракции рентгеновских лучей. Метод Р. с. в.- перспективный метод исследования структуры вещества.

Если на кристалл под углом Брэгга падает плоская волна рентг. излучения , то в объёме кристалла возникают когерентная суперпозиция этой волны и дифрагиров. волны (Е₀, E_h - векторы напряжённости электрич. поля падающей и дифрагиров. волн соответственно, k₀,k_h - их волновые векторы, r - радиус-вектор точки наблюдения, w - круговая частота, t - время, h - k_h, - k₀ - вектор обратной решётки, направленный перпендикулярно отражающим плоскостям, величина, d - межплоскостное расстояние, п - порядок отражения).

Интенсивность I(z) поля излучения в Р. с. в. не зависит от t и равна

где z - координата вдоль вектора обратной решётки, - фаза комплексного отношения Е_h/Е₀- Значения отношения и фазы зависят от конкретных условий, в частности от степени выполнения условия Брэгга - Вульфа и геометрии дифракции. При дифракции в геометрии Лауэ (вектор h параллелен поверхности кристалла) возникают две Р. с. в., для к-рых при точном выполнении условий Брэгга - Вульфа , а фазы равны нулю и. Соответственно в одной волне положения пучностей совпадают с положением атомных плоскостей (в первом порядке отражения), а во второй - пучности располагаются между атомными плоскостями.

При дифракции в геометрии Брэгга (вектор h перпендикулярен поверхности кристалла) в толстом кристалле, полностью поглощающем падающее излучение, существует одна Р. с. в. Условие выполняется в нек-рой области углов падения - в т. н. области полного дифракц. отражения (ПДО), причём фаза непрерывно меняет своё значение от нуля до при сканировании через эту область.

Возникновение в кристалле Р. с. в. приводит к существ. изменению всех процессов взаимодействия рентг. излучения с веществом, в первую очередь процессов неупругого рассеяния (фотоэлектрич. поглощения, комптоновского рассеяния, теплового диффузного рассеяния). Эти изменения в свою очередь приводят к аномальной угл. зависимости интенсивности вылетающих из кристалла рентг. фотоэлектронов, рентг. флуоресцентного излучения, диффузного излучения, угл. зависимости рентгено-эдс и др. процессов. Типичные кривые угл. зависимости коэф. рентг. отражения (кривая 1)и интенсивности поля излучения на атомных плоскостях (кривая 2)при дифракции в геометрии Брэгга приведены на рис. Кривая 2 описывается ф-лой (*) при z = 0, т. е. на поверхности кри-сталлич. пластины. В области полного дифракц. отражения, т. е. когда, изменение интенсивности обусловлено только монотонным изменением фазы от нуля до. При этом узлы и пучности Р. с. в. перемещаются на половину межплоскостного расстояния.

Рентг. излучение при взаимодействии с веществом выбивает электроны в осн. из внутр. оболочек атомов. Эти электроны сильно локализованы вблизи атомных ядер и реагируют на наличие поля излучения только вблизи ядра. Поэтому угл. зависимость поглощения веществом рентг. излучения приближённо описывается кривой 2. В точке, для к-рой , поглощение резко уменьшается, что является причиной аномального пропускания эффекта. Но наиб. ярко этот эффект проявляется в геометрии Лауэ, когда рентг. пучок падает под большим углом к поверхности кристалла, а коэф. экспоненциального затухания интенсивности уменьшается в десятки раз.

Возникновение Р. с. в. следует из общей динамич. теории дифракции рентг. лучей, разработанной П. П. Эвальдом (P. P. Ewald) и Ч. Дарвином (Ch. Darwin) в нач. 20 в., однако первым косвенным эксперим. доказательством их существования явилось наблюдение X. Борманом (H. Borrmann) в 1941 эффекта аномального пропускания. Наиб, прямое доказательство существования Р. с. в.- измерение выхода вторичных излучений. Первый такой эксперимент был выполнен в 1962 Б. В. Баттерманом (В. W. Battermann), к-рый измерял выход флуоресценции Ge при дифракции Мо-излучения в кристалле Ge в геометрии Брэгга. Однако ему не удалось получить кривую 2, впервые она была получена в 1970 В. Н. Шепелевым, М. В. Кругловым и В. П. Прониным при измерении фотоэлектронной эмиссии в монокристаллах Ge и Si.

Метод Р. с. в. используется для исследования структуры тонких приповерхностных слоев монокристаллов, деформированных в результате внеш. воздействий (диффузии примесей, ионной имплантации, эпитаксиального наращивания плёнок разл. состава и т. д.). Этим методом изучают также структурное состояние примесных атомов в кристаллах и адсорбиров. слоев на его поверхности, определяют степень аморфизации приповерхностных слоев, измеряют разбухание кристаллич. структуры, приводящее к сдвигу атомных плоскостей по сравнению с исходным положением на малые доли ангстрема.

Ширина угл. области полного дифракц. отражения составляет величину порядка угл. секунды (~0,5*10^-5 рад). Поэтому для эфф. развития метода разрабатывается прецизионная гониометрия, аппаратура (см. Рентгеновский гониометр), работающая в автоматич. режиме и управляемая ЭВМ. С помощью этой аппаратуры кристалл можно поворачивать в прямом и обратном направлениях через положение полного дифракц. отражения в течение неск. ч, причём положение кристалла сохраняется с точностью до сотых долей угл. секунды. Разрабатываются также новые эфф. счётчики вторичных излучений. Р. с. в. возникают также при динамич. дифракции др. типов излучений (электронов, нейтронов, ядерного гамма-излучения) с длиной волны ок. 10 нм.

Лит.: Ковальчук М. В., Кон В. Г., Рентгеновские стоячие волны - новый метод исследования структуры кристаллов, «УФН», 1986, т.149, с. 69. В. Г. Кон.

   <<      Предметный указатель      >>