Синхротронное излучение представляет собой интенсивный и квазимонохроматический источник рентгеновских фотонов, обладающий высокой коллимацией и широкой энергетической вариабельностью. Эти характеристики делают его уникальным инструментом для изучения тонких структурных особенностей кристаллов, включая локальные дефекты, распределение механических напряжений, а также микродеформации. Основное преимущество заключается в возможности получать дифракционные данные с высоким пространственным и угловым разрешением, что недостижимо при использовании лабораторных рентгеновских источников.
1. Метод синхротронной рентгеновской дифракции (XRD): Применение поликристаллических образцов позволяет регистрировать сдвиги в межплоскостных расстояниях, вызванные упругими деформациями. Сдвиг дифракционных максимумов напрямую связан с компонентами тензора напряжений. Высокая интенсивность излучения позволяет производить измерения даже при малых деформациях, вплоть до порядка 10⁻⁴.
2. Энергетически-дисперсионная дифракция (EDXRD): Используется преимущественно в исследованиях материалов под давлением или при высоких температурах. Сканирование по энергии фотонов дает возможность фиксировать изменения в параметрах решетки без вращения образца, что особенно удобно для исследований в условиях ограниченной геометрии.
3. Трёхмерная рентгеновская дифракционная микроскопия (3DXRD): Позволяет реконструировать внутреннее распределение напряжений в объёме кристалла. Этот метод применяется для изучения развития текстуры, формирования границ зерен и эволюции напряженно-деформированного состояния при механических нагрузках.
Дислокации: Высокое пространственное разрешение синхротронной топографии рентгеновских пучков позволяет визуализировать дислокационные линии. Пучки с когерентностью на масштабе микро- и нанометров дают возможность проводить исследования взаимодействия дислокаций, их зарождения и движения при пластической деформации.
Вакансии и примесные атомы: Сдвиги в интенсивности и асимметрия дифракционных профилей указывают на наличие точечных дефектов. Использование методов дифракции с аномальным рассеянием (Anomalous X-ray Scattering) делает возможным выборочное выявление атомов определённых элементов, что особенно ценно при анализе твердых растворов и легированных систем.
Границы зерен: С помощью высокоразрешающей томографии на базе синхротронного излучения выявляются угловые несогласования и локальные искажения вблизи границ зерен. Это имеет ключевое значение для понимания процессов рекристаллизации, роста зерен и разрушения поликристаллических материалов.
При энергиях выше 50–100 кэВ синхротронное излучение проникает на глубину до миллиметров в плотных материалах. Это открывает возможность анализа напряженного состояния в массивных образцах, таких как компоненты авиационных сплавов, железнодорожные рельсы, детали энергетических установок. Методика используется в сочетании с томографией для построения карт трёхмерного распределения напряжений без разрушения образца.
Рентгеновская топография: Представляет собой метод визуализации распределения дефектов кристаллической решетки на больших площадях. Синхротронное излучение позволяет получать изображения с высоким контрастом, регистрируя искажения волнового фронта, вызванные упругими полями дислокаций.
Когерентная рентгеновская дифракционная визуализация (CXDI): Использует когерентность пучка для реконструкции трёхмерного распределения деформаций в нанокристаллах. Благодаря фазовой реконструкции становится возможным исследование отдельных дефектов, невидимых традиционной дифракции.
Синхротронное излучение дает возможность изучать дефекты и напряжения при высоких давлениях (ячейки Дакуаня), температурах, а также под действием сильных магнитных и электрических полей. В таких экспериментах получают фундаментальную информацию о фазовых переходах, пластичности и разрушении материалов в условиях, близких к реальным эксплуатационным.