Röntgendiffraktometer

Ein Röntgendiffraktometer (von Diffraktion, lat. für Beugung) ist ein Gerät, das Beugungsphänomene von Röntgenstrahlung misst.

Dieses Gerät wird in der Kristallographie zur Aufklärung von Strukturen eingesetzt (Kristallstrukturanalyse). Dabei macht man sich zunutze, dass die Wellenlänge der Röntgenstrahlung im Bereich eines Atomabstandes liegt (0,1..0,3 nm).

Gemäß Bragg'scher Gleichung wird ein Röntgenstrahl, der auf einen Kristall trifft, so gebeugt, dass Reflexe an diskreten Orten im Raum auftreten. Das Diffraktometer detektiert nun Ort und Intensität der auftretenden Reflexe.

Röntgenquelle

Im Labor werden in Röntgendiffraktometern meistens Molybdän- oder Kupferanoden eingesetzt. Die Röntgenstrahlung wird durch einen Monochromator und einen Kollimator geschickt, so dass ein Primärstrahl mit charakteristischer Kα-Wellenlänge (Mo 0,71 Å; Cu 1,54 Å) entsteht. Das dort vorliegende Dublett kann mit Hilfe der Rachinger-Korrektur korrigiert werden. Am Synchrotron kommen auch andere Wellenlängen zum Einsatz.

Im Labor werden Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet:

• feste Anode (wassergekühlt, etwa 2 kW)
• Drehanode (wassergekühlt, etwa 3-6 kW)
• Microsource (wasser- oder luftgekühlt, etwa 30 W)

In den Primärstrahl wird ein Einkristall gebracht. Dieser wird an einem amorphen Glas- oder Nylonfaden oder in einer Glaskapillare befestigt, die auf einem sogenannten Goniometerkopf sitzen, der die Feinjustage des Kristalls im Primärstrahl ermöglicht. Meistens wird der Kristall zusätzlich von einem Stickstoffstrom gekühlt.

Goniostat

Da die Reflexe abhängig von der Anordnung der Netzebenen des Kristalls zum Primärstrahl sind und in allen Richtungen des Raumes auftreten, ist es notwendig den Kristall zu drehen. Deshalb haben alle Diffraktometer einen Goniostat, der diese Drehungen ermöglicht.

Vierkreisdiffraktometer

Beim Vierkreisdiffraktrometer hat der Goniostat 4 Kreise. Die besten Ergebnisse werden erreicht, wenn die Drehachse der Kristallbewegung senkrecht auf dem Primärstrahl steht.

Lage der Kreise in einem Vierkreisdiffraktometer (Euler-Geometrie)

In der Euler-Geometrie (siehe auch Eulersche Winkel) dreht der ω-Kreis in der horizontalen Ebene, der χ-Kreis in der darauf stehenden vertikalen Ebene. Im χ-Kreis sitzt der Goniometerkopf, der sich weiterhin um seine Achse drehen kann, den φ-Kreis. In der Ebene des ω-Kreises dreht sich nun der vierte Κreis, der θ-Kreis an dem der Detektor befestigt ist. Es ist somit möglich, die Position und Intensität jedes einzelnen Reflexes zu messen. Das kartesische Koordinatensystem des Diffraktometers wird in der Euler-Geometrie so definiert, dass die e₁-Achse vom Kristall zur Röntgenquelle zeigt, die e₂-Achse horizontal und die e₃-Achse vertikal liegt, so dass ein rechtshändiges System entsteht.

In der Kappa-Geometrie ist die χ-Bewegung der Euler-Geometrie durch eine κ-Drehung ersetzt. Die κ-Achse bildet einen Winkel von 50° bezüglich e₃. Die Kappa-Geometrie hat den Vorteil, dass im Prinzip nur die untere Hälfte der Kugel gebraucht wird, so dass die obere Hälfte frei ist, um beispielsweise eine Stickstoffkühlung anzubringen.

Dreikreisdiffraktometer

Dreikreisdiffraktrometer sind Diffraktometer in Kappa-Geometrie, bei denen κ nicht drehbar ist, sondern feststeht. Um einen vollständigen Datensatz zu erhalten, kann es notwendig sein, Kristalldrehungen durchzuführen, bei denen die Drehachse nicht senkrecht auf dem Primärstrahl steht.

Einkreisdiffraktometer

Einkreisdiffraktrometer sind Diffraktometer bei denen nur der φ-Kreis drehbar ist. Bei niederer Kristallsymmetrie lassen sich hiermit keine vollständigen Datensätze in hoher Auflösung messen.

Detektor

Als Detektoren im Röntgendiffraktometer kommen zum Einsatz:

• Punktdetektoren (Zählrohr)
• Flächendetektoren (CCD, Imaging-Plate, usw.)

Wenn der Detektor aus einem Zählrohr (Szintillationszähler) besteht, muss jeder Reflex einzeln gemessen werden. Da aber ein Kristall meistens eine fünfstellige Zahl von Reflexen erzeugt, ist dieses Verfahren relativ zeitaufwendig. Punktdetektoren kommen fast ausschließlich mit Vierkreisdiffraktometern zur Anwendung.

Beim Flächendetektor werden zeitgleich mehrere Reflexe aufgenommen. Der Kristall wird um einen kleinen Winkel (0.3-2.0°) gedreht und während der Drehung belichtet. Dann wird das Signal ausgelesen und danach wieder um einen kleinen Winkel gedreht. Flächendetektoren werden in Vier-, Drei- und Einkreisdiffraktometern eingebaut.

CCD-Detektor

Der CCD-Detektor arbeitet wie eine Digitalkamera, hier wird mittels einer Fluoreszenzschicht Röntgenstrahlung in Licht umgewandelt, welches das CCD detektieren kann oder ein im Röntgenspektrum empfindlicher CCD direkt belichtet.

Das Imaging-Plate ist eine runde Bildplatte, die mit Eu²⁺ dotiertem BaBrF beschichtet ist. Trifft ein Röntgenquant auf die Platte, findet an dieser Stelle eine photoinduzierte Oxidation zu Eu³⁺ statt. Es entsteht ein Farbzentrum mit einer Halbwertszeit von etwa 10 Stunden. Nach der Belichtung wird die Platte von einem Laser ausgelesen und anschließend mit hellem Halogenlicht gelöscht.

Der CCD kann sehr schnell messen, jedoch ist die Fläche des Detektors begrenzt, daher können nicht alle Reflexe gemessen werden. Das Imaging-Plate braucht je nach Belichtungszeit bis zu einer Stunde pro Frame, aber es sind Plattendurchmesser von bis zu 35 cm möglich.

Auf dem Gebiet der Flächendetektoren findet sehr viel Entwicklung statt, um schneller messen zu können und/oder ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. So können heute auch CMOS-Chips in Detektoren verwendet werden.

Einzelnachweise

• Diffractometer computation library