专利名称：用于获得非晶材料具体是非晶玻璃的结构因子的方法
技术领域：
本发明涉及用于获得非晶材料的结构因子的方法。此材料例如是非晶玻璃。本发 明特别适用于确定用于保护放射性元素的玻璃的结构因子，以研究此因子在累积的放射性 的影响下的发展。
背景技术：
放射性元素的存储必需满足非常严格的持续性(ongoing)安全和可靠性标准。具 体地，关于外部环境的保护必需保持数十年有效，或实际上数个世纪有效。放射性废物按照 数个等级分级。最敏感的放射性材料，也就是说呈现出最高放射性的那些放射性材料，存 储在非晶玻璃中，就放射性观点来说，非晶玻璃是中性材料，从而对放射性的传播形成了屏 障。实际上，放射性废物通过高温熔化嵌入于玻璃中，从而产生玻璃块。从而放射性束缚于 这些玻璃块中，玻璃块通常为管的形式以方便存储。在几年的规模上，或实际上在数十年的规模上，对放射性泄漏的防护保持有效是 公知的。然而，在超过此观察期时，玻璃对泄漏的防护的绝对效果是不确定的。具体地，保 持在玻璃中的放射性原子随时间的过去具有不可忽略的影响，可能逐渐引起放射性泄漏。因此需要非晶玻璃的结构的特征化，以预料可能的长期问题。具体地，需要特征化 放射性元素对玻璃的结构的影响，以便特别是确定放射性辐射是否会改变此结构，如何或 根据什么定律改变，从而使得可能确定防护是否在长的时期保持或是否减弱，减弱到何种 程度以及如何对此进行补救。与晶体基体不同，非晶基体不具有任何周期性结构。该结构的特征化因此是非常 复杂的问题，其中建模起很重要的作用。因此，此特征化相当地依赖于在小的原子间距离范 围中获得的信息。实验上，可以实施一组诊断，其包括核磁共振(NMR)或广角X射线散射 (WAXS)。为了研究非晶玻璃的无序结构，使用统计方法是可能的，包括在通过WAXS方法实 验记录的光谱的基础上获得关于原子分布的信息，其是非晶结构的最特征化的表征之一。在此上下文中，重要的量(quantity)是基于发射的X射线和关于电磁波通过被视 作散射中心的原子附近时发生的相长干涉的包含信息的在玻璃里面的弹性散射，相干的、 相关的或干涉的。X射线衍射是X射线与物质相互作用时发生的相干和弹性散射现象。衍 射的波源自每个原子散射的波的干涉。通过WAXS方法记录的实验光谱是在散射角的最广可能范围上记录的。在此情况 下，其是弹性和非弹性散射现象的结果，弹性和非弹性散射现象对于小的散射角是相关的， 而对于大的散射角是准不相关的。因此，通过针对改变初始光谱的各种现象校正初始光谱， 以仅提取相关干涉信号的部分是必要的。这需要特别是存在于研究的样本周围的残余气体 对入射束的散射的知识、此样本的吸收的知识、以及X射线束在单色器的晶体或样本的表 面上反射时发生的各种极化(polarization)的知识。此各种校正涉及使用的衍射仪的细节，具体涉及单色仪的类型、使用的衍射仪周围的残余气体的性质、检测器的类型、X射线的路径中的滤光器的存在以及反射或透射的束 的散射。借助于从头计算得到的表格，以理论方式评估应用于实验光谱的其它校正，这些校 正可以没有像不相关相干散射或不相关不相干散射那样实验上被估计。各种校正的应用使得可能构建玻璃的结构因子，并且从而构建径向分布函数。其 使得可能本质上量化原子间距离，以及研究的基体的配位数(coordinance number)。所有上述操作以及径向分布函数的计算必需通过如下连续的步骤执行-一方面，获得合适的结构因子需要数次迭代，在此过程中可以调整校正参数；-另一方面，通过傅立叶变换计算径向分布函数在散射向量的模的高值范围中碰 到了光谱截断(truncation)效应，引入了随后难以识别的数学伪影。

发明内容
本发明的目的特别是将使得可能基于特别是通过WAXS方法获得的实验光谱获得 径向分布函数的所有计算集合成单个程序。为此目的，本发明的主题是诸如权利要求描述的方法。


借助于以下关于附图提供的描述，本发明的其它特点和优点将变得明显，附图描 绘图1为根据本发明的方法使用的通过X射线测量散射光谱的原理的示例；图2为入射射线在反射之前在非晶材料样本内的穿透长度的示例；图3为基于反射光子的强度的实验测量结果获得的范例散射光谱；图4为依照描绘作为Q的函数的量Q · i的变化的曲线的另一光谱表征，量Q · i 为散射向量的模和约化强度(reduced intensity)的乘积；图5为径向原子分布函数的范例分布。
具体实施例方式图1示例根据本发明的方法使用的X射线散射原理。源11朝向玻璃样本11发射 的X光子的入射束1被玻璃样本背散射或反射。玻璃样本10设置在衍射仪3上。在衍射仪的配置中可以考虑存在或不存在后单 色仪。入射X射线1被玻璃反射。图1描绘被样本10反射的射线2。检测器12设置在 反射射线2传播的方向上。此检测器12使得特别是测量反射光子的强度成为可能。在WAXS类型的方法中，使得发射的X射线1的入射角在相当大的角度范围内 变化，使得散射角θ在相当大的角度范围内变化。反射光子的强度于是作为此散射角 θ的函数变化。散射强度不随方向改变，其是各向同性的，并仅取决于散射波向量Q = (4π8 ηθ)/λ的模，λ为发射波1的长度。实际上，入射射线11在玻璃中散射之前通过玻璃的某一厚度。图2示例此散射现象。此图实际上示出在散射之前，并且特别是在生成诸如图1中 示例的射线2的反射射线之前，入射射线1穿过长度1，与入射射线的方向形成角2 θ。实际上，在通过反射散射的情况下，X光子束在散射现象之前和之后通过玻璃样本10中的材 料的某一厚度。图3通过第一曲线31示例通过检测器12测量的作为散射角2 θ的函数的反射光 子的实验强度Iexp的形状。基于实验测量点30获得此曲线31。如先前所指出的，实验光谱31的此表征是弹性和非弹性散射现象的结果，对小的 散射角θ是相关的，且对大的散射角θ是准不相关的。因此，有必要通过针对改变此实验 光谱的各种现象校正此实验光谱来仅提取相关相干信号的部分。根据本发明的方法使得可 能以简化的过程基于此光谱获得样本10的结构因子或径向分布函数，最大程度上克服了 在确立计算的各种量时用户的主观干扰。第二曲线32示例通过分析计算获得的简化的光谱，对应于校正光谱。为使两个光 谱一致，因此需要针对吸收、极化现象以及存在于玻璃样本10的周围的残余气体的效应校 正实验光谱。光子强度Ia吸收于玻璃中，此吸收的光子的量由以下关系式给出
权利要求
1.一种用于基于实验记录的非晶材料的样本(10)内的X射线散射的光谱获得所述非 晶材料的结构因子的方法，其中，至少一X射线作为入射射线(1)朝向所述样本发射并且朝 向检测器(12)反射O)，所述入射X射线(1)按给定的入射角扫描所述样本的表面，所述方 法的特征在于其包括-记录步骤，记录由所述检测器(1 执行的作为所述入射角的函数的实验光子强度测 量结果；-校正步骤，校正实验强度，至少考虑所述样本内的吸收现象，每次测量时吸收的强度 的量取决于反射之前入射波在所述样本内的穿透长度1 ；-归一化步骤，按归一化系数(α)将从所述实验强度得到的校正强度折合为电子强度；-计算步骤，计算离散化函数Q · i (Q)，i为约化强度，其是反射的相关相干强度与反射 的不相关相干强度的比率(IcViJ并且是从校正并归一化的实验强度的测量结果得到的， 且Q为与量(Sine)M成比例的波散射向量的模，2 θ为散射角，λ为发射的波长，归一化 常数(α)按递归方式变化以最小化通过所述函数Q · i(Q)的值的线性回归获得的仿射直 线0 的斜率，在每次迭代期间，针对穿透长度1计算所述约化强度的值，寻求的所述函数 Q · i (Q) (41)对应于最小斜率；-确定步骤，基于取决于Q · i(Q)的径向原子浓度P (r)的分布确定所述结构因子。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于寻求的所述函数Q· i (Q)对应于零斜率
3.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，基于不相关不相干强度Iii、不相关 相干强度Icd、以及针对吸收、极化和残余气体的现象进行了校正的所述实验强度corrected 获得所述约化强度
4.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述归一化系数α由以下关系式给出
5.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，获得的所述函数Q*i(Q)按照以下关 系式与径向原子浓度分布函数P (r)相关
6.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述X散射方法是所谓的广角散射 方法(WAXS)。
7.如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述材料是非晶玻璃。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述玻璃可以封装放射性元素。
全文摘要
入射X射线朝向非晶材料样本以广角扇形发射，非晶材料样本背散射该X射线。所述方法包括记录步骤，记录作为入射角的函数的实验光子强度测量结果；校正步骤，校正实验强度，至少考虑所述样本内的吸收现象，吸收现象取决于反射之前入射波在所述样本内的穿透长度l；归一化步骤，按归一化系数(α)将从所述实验强度得到的校正强度折合为电子强度；计算步骤，计算离散化函数Q·i(Q)，i为从校正并归一化的实验强度的测量结果得到的约化强度，且Q为与量(sinθ)/λ成比例的波散射向量的模，2θ为散射角，λ为发射的波长，所述归一化常数(α)按递归方式变化以最小化通过函数Q·i(Q)的值的线性回归获得的仿射直线(42)的斜率，在每次迭代期间，针对穿透长度l计算所述约化强度的值，寻求的所述函数Q·i(Q)(41)对应于最小斜率；确定步骤，基于取决于Q·i(Q)的径向原子浓度ρ(r)的分布确定结构因子。
文档编号G01N23/207GK102144157SQ200980132671
公开日2011年8月3日 申请日期2009年7月8日 优先权日2008年7月22日
发明者O·布蒂 申请人:原子能和辅助替代能源委员会