Основным оборудованием лаборатории является спектрометр рентгеновского диапазона, способный к регистрации рентгеновских спектров поглощения химических элементов с разрешением, достаточным для анализа тонкой структуры спектров (XANES - X-ray absorption near edge structure спектроскопия).
Рисунок. 1. Схема круга Роуленда (слева), схематическое изображение спектрометра, выставленного в круг Роуленда (справа), схема предоставлена Helsinki X-ray Laboratory
Когда три компонента расположены на окружности Роуленда, расходящиеся рентгеновские лучи от источника рентгеновского излучения собираются с помощью монохроматора и все лучи преломляются от поверхности монохроматора на тот же угол Брэгга θB. Монохроматор фокусирует отраженные рентгеновские лучи в место расположения детектора. Он определяет длину отражаемой волны в соответствии с законом Брэгга nλ = 2dhkl sinθB, где dhkl – межплоскостное расстояние кристаллической решетки материала монохроматора. dhkl определяется выражением: d=a/(h2+k2+l2)1/2 , где h,k,l - индексы Миллера материала монохроматора, которые обозначают ориентацию кристалла, которая соответствует, например, для Ge (111), h=k=l=1, а для Ge (220) h=k=2, l=0, a - параметр ячейки монохроматора, равный 5,4306 Å и 5,6574 Å для Si и Ge соответственно. Соответствие между длиной волны (λ) [Å] и энергией фотона E [кэВ] может быть получено из формулы E = 12.39842/λ, в этом случае закон Брэгга с выражением для энергии выглядит следующим образом:
sin θB = n 12.39842 / 2 E dhkl (1)
Фактически монохроматор такой конструкции представляет собой сферическое зеркало, изменение геометрического положения которого позволяет выполнить сканирование энергетического диапазона спектра.
В декабре 2020 была проведена регистрация первичных рентгеновских спектров поглощения на лабораторном спектрометре в режиме пропускания. В качестве источника рентгеновского излучения, используется стеклянная рентгеновская дифракционная трубка производства XRD Eigemenn GmbH, Германия мощностью 1,5 кВт с серебряным анодом. Выбор серебра в качестве анодного материала трубки, обусловлен тем, что серебро не имеет характерных рентгеновских линий в области 3–22 кэВ и, таким образом, подходит для работы с областью тормозного излучения в диапазоне энергий 4–20 кэВ. В декабре 2020 самый высокий край по энергии, измеренный в режиме пропускания, был край Se K с энергией 12658 эВ, с использованием монохроматора Ge (880). Угол Брэгга составил 78,35°, режим работы трубки - 20 кВ, 10 мА. Самые низкие по энергии спектры были получены для края Сe L3 5723 эВ с использованием Ge (333) и углом 84.21°, а также К-края марганца с использованием образца MnO2 на энергии 6539 эВ с монохроматором Si (440), при этом угол был равен 80.92°, напряжение трубки составило 10 кВ, а сила тока - 5мА. На рисунке 2 представлены спектры XANES измеренные на Ce L3 крае, Mn К крае, Se К крае.
Рисунок. 2. XANES-спектры стандартных образцов церия (сверху), марганца (посередине) и селена (снизу)
Рисунок. 3. Схема держателя образцов с возможностью продувки инертным газом
Важным аспектом применения созданного спектрометра является его использование для изучения физико-химического состояния элементов в момент протекания химических реакций с их участием – так называемых in situ измерения. С этой целью также была произведена разработка ячейки, включающей в себя нагрев реакционной смеси, а также транспорт реакционной массы под пучок рентгеновского излучения (Рисунок 4).
Рисунок. 4. Ячейка спектрометра, предназначенная для проведения in situ измерений при изучении реакций в растворе
