Monokromatiske røntgenstråler til XRD: K-kant filtrering via masseabsorption

At opnå en næsten monokromatisk røntgenstråle til Røntgendiffraktion (XRD) bygger på absorptionskant-filtrering ved brug af den energi-afhængige masse-absorptionskoefficient (μ/ρ) for specifikke elementer.

Fysisk princip

Masse-absorptionskoefficienten viser skarpe diskontuiteter (absorptionskanter) ved energier, der svarer til elektron-binding-energier (K, L, M-skal). Netop over en kant stiger absorptionen skarpt; netop under falder den dramatisk.

Filtrens valg og operation

1. Røntgen-kilde: Producerer kontinuerligt Bremsstrahlung-spektrum plus karakteristiske linjer (Kα, Kβ).
2. Filter-materiale (K-kant filter): Vælg et element, hvis K-absorptionskant ligger mellem den ønskede karakteristiske linje (f.eks. Cu Kα = 8,04 keV) og de højere-energetiske Bremsstrahlung eller uønskede linjer (f.eks. Cu Kβ = 8,90 keV, W L-linjer).
3. Almindelige filter-par:
   • Cu-target → Ni-filter (K-kant 8,33 keV) absorberer Cu Kβ og højere energier.
   • Mo-target → Zr-filter (K-kant 17,99 keV) absorberer Mo Kβ og Bremsstrahlung.
   • Fe-target → Mn-filter (K-kant 6,54 keV).
4. Tykkelse-optimering: Beregnet til at transmittere ~50% af Kα mens Kβ undertrykkes til <1% (typisk 10–50 µm metal-folier).

Resulterende stråle-kvalitet

• Kα₁/Kα₂ dobbelt: Forbliver (ΔE/E ~ 0,1%); "næsten monokromatisk" til laboratorie-XRD.
• Reduceret baggrund: Undertrykt Bremsstrahlung sænker støj under diffraktions-toppe.
• Forbedret top-til-baggrund-forhold: Forbedrer detektion af svage reflektioner og trace-faser.
• Reduceret fluorescens: Prøve-fluorescens fra højenergi-fotoner minimeret.

Avancerede alternativer

• Krystal-monokromatorer (Johann/Ge(111)): Sand monokromatisitet (ΔE/E ~ 10⁻⁴); brugt i synchrotroner og high-end laboratorier.
• Göbel-spejle / Multilag-optik: Fokuserer og monokromatiserer samtidigt; højt flux.

K-kant filtrering forbliver den omkostningseffektive standard for laboratorie-XRD-systemer.