W celu rozwiązywania zadań krystalografii rentgenowskiej stosowane są odpowiednie metody doświadczalne, różniące się między sobą sposobami rejestracji obrazu dyfrakcyjnego, umieszczeniem i ruchem kryształu i detektora, rodzajem stosowanego promieniowania.
Przez kilkadziesiąt lat w krystalografii rentgenowskiej głównym sposobem rejestrowania obrazu dyfrakcyjnego kryształu była metoda fotograficzna. Obecnie powszechnie stosowane są tzw. dyfraktometry rentgenowskie, rejestrujące położenie i natężenie ugiętych promieni za pomocą liczników promieniowania jonizującego: proporcjonalnych, scyntylacyjnych, czułych na pozycję,przetworników CCD oraz płyt obrazujących (imaging plate). Niemniej nadal pewne znaczenie mają metody fotograficzne, zwłaszcza gdy zawodzi standardowa metoda wyznaczania grupy przestrzennej kryształu za pomocą dyfraktometru czterokołowego.
Przyrządy umożliwiające rejestrowanie obrazów dyfrakcyjnych kryształów na błonie fotograficznej nazywają się kamerami rentgenowskimi. Zasady konstrukcji kamer są rozmaite. Istnieją zarówno kamery uniwersalne, pozwalające na wykonywanie rentgenogramów różnymi metodami, jak i kamery przeznaczone do wykonywania rentgenogramów tylko jedną metodą. Istnieją kamery przeznaczone do badania monokryształów oraz kamery do badania ciał polikrystalicznych. Zarówno jedne, jak i drugie budowane są z przeznaczeniem do badań w warunkach normalnych temperatur i ciśnień oraz do badań w warunkach specjalnych, jak np. wysokie i niskie temperatury, wysokie ciśnienia, próżnia, atmosfery ochronne.
Kamery rentgenowskie do badań kryształów dzielą się na trzy zasadnicze typy: 1) kamery do badania kryształów nieruchomych, 2) kamery do badania kryształów obracających się lub kołyszących wokół wybranej prostej sieciowej, z rejestracją obrazu dyfrakcyjnego na nieruchomej błonie fotograficznej, 3) kamery do badania kryształów obracających się lub kołyszących wokół określonej prostej sieciowej przy rejestracji obrazu dyfrakcyjnego na ruchomej błonie fotograficznej. Mimo istotnych różnic w budowie różnych typów kamer, we wszystkich występują takie części, jak: 1) kolimator, 2) pochłaniacz wiązki pierwotnej, 3) uchwyt kryształu (preparatu), 4) kaseta na błonę fotograficzną.

Dyfraktometr kołowy
Każdy dyfraktometr zbudowany jest z:

1. Źródła promieniowania rentgenowskiego
2. Kolimatora
3. Monochromatora
4. Pochłaniacza wiązki pierwotnej
5. Uchwytu kryształu – goniostatu
6. Detektora
7. Układu sterującego
8. Opcjonalnie dyfraktometry wyposażone są w przystawkę umożliwiającą pomiary w obniżonej temperaturze.

Najważniejszą częścią dyfraktometrów czterokołowych jest goniostat. Istnieją dwa podstawowe rodzaje goniostatów: Eulera oraz Kappa.

Rys. 14. Dwa sposoby dochodzenia do tego samego położenia kryształu wzgledem wiązki padającej promieni: a) w konwencjonalnym czterokołowym goniometrze o geometrii Eulera, b) w goniometrze z geometrią kappa.

Fot. 5. Dyfraktometr czterokołowy o geometrii Eulera. Wskaż kursorem element by wyświetlić opis.

Goniostat Eulera składa się z czterech kół, które podobnie jak i ich osie są oznaczone literami greckimi.

Rys. 15. Schemat ideowy działania goniostatu Eulera

Pierwsze z kół ω umożliwia takie ustawienie kryształu, by wiązka pierwotna padała na jego płaszczyzny sieciowe pod żądanym kątem. Dwa następne koła ψ i φ służą do zorientowania kryształu względem geometrii przyrządu. Czwarte koło θ umożliwia ustawienie detektora (licznika) pod kątem 2θ w stosunku do kierunku wiązki pierwotnej (rys. 15). Kierunek wiązki pierwotnej, kryształ i detektor wyznaczają tzw. płaszczyznę dyfrakcji. Wokół osi przechodzącej przez kryształ prostopadle do płaszczyzny przyrządu, po kole ω obraca się detektor, a więc oś ta pokrywa się z osiami ω i 2θ.

Rys. 16. Schemat nowoczesnego dyfraktometru o geometrii Kappa firmy Nonius.

Fot. 6. Zbliżenie głowicy goniometru. Wskaż kursorem element by wyświetlić opis.

Fot. 7. Dyfraktometr rentgenowski Nonius-Kappa CCD w Instytucie Fizyki PAN. Wskaż kursorem element by wyświetlić opis.

Fot. 8. Demonstracja dyfraktometru firmy Nonius podczas pracy.

Fot. 9. Najnowszy dyfraktometr firmy Nonius w obudowie.

W większości doświadczalnych metod krystalografii rentgenowskiej stosuje się monochromatyczne (tzn. składające się tylko z fal o jednej długości) promieniowanie rentgenowskie. Monochromatyzacja promieniowania polega na usunięciu z wiązki promieniowania emitowanego przez lampę wszystkich długości fal z wyjątkiem jednej. Można w tym celu wykorzystać istnienie opisanych wcześniej progów absorpcji. Jeżeli wiązkę promieni przepuści się przez cienką warstwę substancji (tzw. filtr absorpcyjny), której długość fali progu absorpcji znajduje się pomiędzy długościami fal linii Kα i Kβ promieni, to linia Kβ zostaje osłabiona wiele razy silniej niż linia Kα (rys.17). Silnie osłabione zostaje również widmo ciągłe.

Rys. 17. Monochromatyzacja promieniowania rentgenowskiego za pomocą filtru absorpcyjnego: 1 — widmo rentgenowskie ciągłe (a) i charakterystyczne (b), 2 — krzywa absorpcji filtru, 3 — widmo rentgenowskie po przejściu promieniowania przez filtr; I — natężenie, λ — długość fali promieniowania

Osłabienie linii Kβ powodowane jest tym, że linia ta znajduje się w zakresie silnej absorpcji materiału filtru i wobec tego jest prawie całkowicie przez filtr absorbowana. Pierwiastki używane na filtry mają liczby atomowe o 1 lub 2 mniejsze od liczby atomowej pierwiastka, z którego wykonana jest anoda. Promieniowanie filtrowane nie jest jednak dokładnie monochromatyczne, gdyż zawsze składa się z silnej linii Kα₁ i słabszej od niej linii Kα₂ niewiele różniących się długościami fal. Oczywiste jest, że filtry powodują również osłabienie linii Kα₁ i Kα₂. Dobierając jednak odpowiednią grubość filtru, można osiągnąć zmianę stosunku natężenia linii Kα:Kβ z 5:1 (bez filtru) do 600:1, a wtedy niewielka ilość promieniowania Kβ nie odgrywa już znaczącej roli przy otrzymywaniu rentgenogramów.
Filtry absorpcyjne stosuje się zwykle w postaci cienkiej metalowej folii, można je także sporządzać np. z tlenków odpowiednich metali.
W tablicy zostały podane pierwiastki chemiczne, z których wykonuje się anody lamp rentgenowskich najczęściej używanych w badaniach strukturalnych i długości fal promieni rentgenowskich przez nie emitowanych. W tablicy zamieszczono również dane dotyczące filtrów absorpcyjnych oraz ich grubości wymaganej w celu osłabienia natężenia linii Kβ do 1/600 natężenia linii Kα.

Tab. 2.

Promieniowanie monochromatyczne można również otrzymać w wyniku selektywnego odbicia promieni rentgenowskich od płaszczyzn sieciowych kryształów stosując tzw. monochromatory krystaliczne. Jako monochromatory stosuje się monokryształy krzemu, fluorku litu, kwarcu α — odpowiednio wycięte, płaskie lub wygięte. Wygięcie monokryształu pozwala wykorzystać efekt ogniskowania. W celu zwiększenia natężenia monochromatyzowanej wiązki. Jednym z najlepszych monochromatorów jest polikrystaliczny grafit, silnie sprasowany i w wyniku tego steksturowany. Wiązka promieniowania uzyskana za pomocą monochromatorów krystalicznych zawiera tylko jedną, wybraną linię widma charakterystycznego. Wadą monochromatorów krystalicznych jest silne zmniejszanie przez nie natężenia monochromatyzowanej wiązki promieniowania.

Detektor stosowany w pomiarach rentgenostrukturalnych składa się z licznika scyntylacyjnego o bardzo dużej szybkości zliczeń (ponad 10 tys./s) oraz z analizatora natężeń (amplitudy impulsów). W starszych dyfraktometrach zamiast licznika scyntylacyjnego stosowano klisze fotograficzne.

Obecnie najpopularniejsze są detoktory CCD. Istota ich działania jest dokładnie taka sama jak w przypadku detektorów scyntylacyjnych. Głównym elementem takiego detektora jest kryształ scyntylacyjny (Gd₂O₂S domieszkowany terbem) orac przetwornik CCD. Elementem przekazującym scyntylacje do elementu CCD jest zwężka światłowodowa (taper). Dodatkowo detektor zamknięty jet okienkiem wykonanym z berylu które izoluje detektor od światła z otoczenia a także pozwala utrzymać próżnię wewnątrz detektora. Element CCD jest chłodzony do ok -60 stopni Celsjusza w celu zachowania dobrej rozdzielczości i czułości. Próżnia wewnątrz detektora pomaga utrzymać odpowiednią temperaturę pracy detektora. Obraz otrzymany przy pomocy przetwornika CCD przesyłany jest do komputera zbierającego dane. Popularność tych detektorów wynika przede wszystkim z dużej szybkości zbierania danych doświadczalnych.

Rys. 18. Schemat detektora CCD

Fot. 10. Detektor CCD

Rys. 19. Obaraz dyfrakcyjny "widziany" przez przetwornik CCD

Inym typem detektora jet tzw. Imaging Plate. Jest to nic innego niż płytka powleczona substancją zmieniającą barwę pod wpływem promieniowania rentgenowskiego. Naświetlona płytka jest skanowana laserem a obraz przesyłany jest do komputera. "Kasowanie" płytki polega po prostu na podgrzaniu jej. Ten typ detektorów jest obecnie coraz bardziej popularny gdyż zapewnia on bardzo wysoką rozdzielczość w stosunku do detektorów CCD.

Rys. 20. Detektor typu "Imaging plate" firmy Rigaku.

Pracą dyfraktometru steruje zazwyczaj komputer wyposażony w pakiet programów umożliwiających określenie optymalnej orientacji monokryształu w stosunku do goniostatu, automatyczny pomiar położenia refleksów i ich natężeń, wyliczenia parametrów komórki elementarnej, stałych sieciowych, rozwiązania struktury oraz jej udokładnienie.

Kolimator wydziela z szerokiej wiązki promieni rentgenowskich otrzymywanej z lampy rentgenowskiej wąską wiązkę promieni możliwie równoległych. Kolimator (rys. 21) składa się zwykle z rurki metalowej (o długości 5-8 cm) i zamykających ją z obydwu stron nasadek zaopatrzonych w szczeliny (S1, S2), przez które przechodzi pierwotna wiązka promieni. Szczeliny mają kształt kolisty lub prostokątny, a ich średnica (szerokość) jest równa od 0,5 do 1,2 mm. Część wiązki przechodzącej przez kolimator zostaje rozproszona we wszystkich kierunkach na brzegach szczeliny S2, a rozproszone w ten sposób promieniowanie może utrudnić interpretację rentgenogramu. W celu usunięcia tego efektu nasadka ze szczeliną S2 zaopatrzona jest w ochronną tulejkę S3.

Rys.21. Kolimator; S1, S2 — szczeliny, S3 — tulejka ochronna

Wiązka pierwotna promieni nie może padać na ściankę kasety z błoną fotograficzną lub na detektor - dlatego też stosuje się elementy pochłaniające wiązkę pierwotną.

Obecnie dyfraktometry maja specjalne układy chłodzenia ciekłym azotem umożliwiające pomiary rentgenograficzne w stałej temperaturze, znacznie niższej od temperatury otoczenia. Umożliwia to badania rentgenostrukturalne substancji będących w normalnych warunkach cieczami, a także ogranicza drgania termiczne atomów w monokryształach.