دستگاه پراش اشعه ایکس یا XRD چیست؟

با استفاده از اشعه ایکس ماهیت بلوری مواد را با اندازه‌گیری پراش اشعه ایکس(XRD) از صفحات اتم­‌های داخل ماده بررسی کیفی و کمی می­‌کنند، که هم به نوع و موقعیت نسبی اتم­‌ها در ماده و هم به مقیاس طولی که نظم کریستالی بر روی آن ادامه دارد وابسته است. بنابراین، می­تواند برای اندازه­‌گیری محتوای بلوری مواد استفاده شود. فاصله بین صفحات شبکه و مقیاس‌­های طول را که آنها ادامه می‌­دهند تعیین می‌­کند. نمونه‌­ها برای تجزیه و تحلیل معمولاً به صورت پودرهای ریز تقسیم شده هستند ، اما می­توان پراش را از روی سطح نیز بدست آورد، به شرطی که نسبتاً مسطح و خیلی خشن نباشد. علاوه بر این مواد می‌­توانند از انواع مختلفی از جمله غیر آلی، آلی، پلیمرها، فلزات یا کامپوزیت‌ها باشند و کاربردهای بالقوه تقریباً همه زمینه­‌های تحقیقاتی، به عنوان مثال متالورژی، داروسازی، علوم زمین، پلیمرها و کامپوزیت ها، میکروالکترونیک و فناوری نانو را پوشش می­‌دهد. همچنین می­توان از پراش اشعه ایکس برای بررسی ساختار شبه بلوری مواد مزوپور استفاده کرد.

مفاهیم:

بسیاری از تکنیک‌­ها ، از جمله پراش اشعه ایکس، نیاز به استفاده از تابش اشعه ایکس با طول موج منفرد دارند. این به این دلیل است که شدت زیاد و ماهیت تک فام خطوط مشخصه آنها را برای تجزیه و تحلیل XRD ایده آل می­کند.

باید تعدادی مفاهیم درباره اشعه ایکس و پراش درک شود تا از دستگاه پراش اشعه ایکس بیشترین بهره را برد. مفاهیم اصلی شامل اشعه ایکس، بلورها و تفرق می‌باشد.

1-اشعه ایکس:

اشعه ایکس در سال 1895 توسط فیزیکدان آلمانی، رونتگن کشف شد، پیش از آنکه فون لاو و براگ پراکندگی اشعه ایکس توسط شبکه داخلی اجسام کرستالی را کشف کنند. از پرتو ایکس برای ساختن تصاویری از ساختار داخلی اجسام استفاده می‌­شد. اشعه ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی با طول موج بسیار کوتاه در ناحیه آنگستروم و نانومتر است.  طول موج معمول اشعه ایکس 1 آنگستروم است، در حالی که طول موج نور مرئی معمولاً 1میکرومتر است. اشعه ایکس هنگامی تولید می­‌شود که هر ذره دارای بار الکتریکی با انرژی حرکتی کافی به سرعت کاهش یابد. از الکترون به عنوان ذره در تیوب‌­های اشعه ایکس به همراه دو الکترود فلزی استفاده می­شود. یک ولتاژ بالا (به طور معمول ده ها هزار ولت) در سراسر این الکترودها حفظ می­شود ، که الکترون­ها را به آند یا هدف می­‌کشاند. اشعه ایکس در نقطه برخورد تولید شده و در همه جهات منتشر می‌­شود.

هنگامی که ولتاژ بالاتر از مقدار بحرانی به فلز هدف اعمال شود، حداکثر شدت در طیف ظاهر می‌­شود. اینها “خطوط مشخصه” هستند و با تحریک الکترون از پوسته آن تولید می‌­شوند (فقط خطوط K در پراش اشعه ایکس به دلیل جذب استفاده می­شود). خطوط Kα به عنوان الکترون از یکی از لایه­‌های بیرونی که در فضای خالی ایجاد شده در لایه K ایجاد می‌­شود، تولید می­‌شود و بدین ترتیب به عنوان اشعه ایکس انرژی ساطع می­‌کند. بسیاری از تکنیک­‌ها، از جمله پراش اشعه ایکس، نیاز به استفاده از تابش تک فام دارند. از این رو، شدت زیاد و ماهیت تک فام خطوط مشخصه، آنها را برای تجزیه و تحلیل XRD ایده آل می‌کند.

2-کریستال­‌ها:

در سال 1669، نیکلاس استنو، پزشک و دانشمند دانمارکی، یکی از قوانینی را کشف کرد که کریستالوگرافی بر اساس آن بنا شده است. با بررسی نمونه‌­های بیشماری از همان مواد معدنی، او دریافت که زاویه بین الگوهای بلوری مشابه بدون در نظر گرفتن اندازه یا شکل کریستال ثابت می‌­ماند. در طی فرآیند تبلور در محیط مناسب، بلورها اشکال مختلف هندسی وابسته به ساختار اتمی خود و شرایط فیزیکی و شیمیایی تحت رشد خود را می‌گیرند. به عنوان مثال، کربنات کلسیم(CaCO3) می­تواند به عنوان ماده معدنی آراگونیت ، یا به عنوان کلسیت، کاملاً وابسته به آرایش اتمی اتم­‌های آن رخ دهد. یکی از این آرایش­‌ها در یک سیستم بلوری وجود دارد، در حالی که سیستم دیگر در یک سیستم متفاوت است. مهمترین واقعیتی که می­توان از این مورد گرفت این است که در هر کریستال صفحات زیادی وجود دارد، ساختار اتمی یک کریستال، ترازبندی این صفحات را تعریف می­‌کند و این روابط در پراش اشعه ایکس برای تعیین خصوصیات خاص در مورد یک نمونه استفاده می‌­شود.

3-تفرق:

هنگامی که یک اشعه ایکس تک فام به یک شبکه بلوری برخورد پیدا می‌­کند ، الگوهای پراش توسط هر اتمی که توسط پرتو برخورد می­‌کند تولید می‌­شود. بسیاری از این الگوها با یکدیگر تداخل می‌­کنند و یکدیگر را محو می­‌کنند. با این حال، در فاصله و زاویه مناسب این الگوها می‌­توانند با یکدیگر هم فاز باشند و باعث تداخل سازنده شوند که این پدیده به عنوان پراش شناخته می‌­شود.

در سال 1912 براگ متوجه شد كه بین طول موج تابش، زاویه اشعه ایکس و فاصله داخلی در بلور رابطه وجود دارد كه به صورت زیر بیان می شود:

nλ = 2dsinθ

که n یک عدد صحیح است، λ طول موج اشعه ایکس است، d فاصله بین صفحات در شبکه اتمی نمونه است و θ زاویه پراش بر حسب درجه است. این به قانون براگ معروف است. در مورد قانون براگ باید دو نکته مهم را در نظر گرفت: 1-هرچه فاصله d کوچکتر باشد، زاویه پراش θ بیشتر است. 2-هرچه طول موج λ بزرگتر باشد، زاویه پراش θ بزرگتر است.

اجزا دستگاه:

قسمت­های اصلی دستگاه پراش اشعه ایکس شامل موارد زیر است:
1-منبع 2-اپتیک اصلی 3-دارنده نمونه 4-مرحله نمونه 5-اپتیک ثانویه و 6-آشکارساز

1-منبع:

منبع تولید اشعه ایکس است که برای تجزیه و تحلیل نمونه‌­های پراش اشعه ایکس استفاده می‌­شود. به طور معمول منبع یک تیوب X-Ray است. این شامل یک ظرف سرامیکی یا شیشه‌­ای تخلیه شده است که شامل یک رشته تنگستن به عنوان کاتد است که الکترون منتشر می‌­کند و یک آند بر روی آن که این الکترون‌­ها با پتانسیل چند ده هزار ولت برخورد می‌­کنند. چندین فرآیند منجر به انتشار تابش الکترومغناطیسی در محدوده اشعه ایکس می­‌شود که الکترون­‌ها به هدف آند برخورد می‌­کنند. الکترون‌­های شتاب زده از الکترون‌­های پوسته داخلی از اتم‌­های ماده هدف برخورد کرده، آنها را برداشته و حفراتی را پشت سر می­‌گذارند. این حفره‌­ها به سرعت از الکترون‌­های سطح بالاتر همان اتم پر می­‌شوند. با پایین آمدن سطح انرژی، اتم‌­ها تشعشعات مشخصی منتشر می‌­کنند که مربوط به سطح انرژی ماده آند است. شدیدترین خطوط مشخصه تابش Kα1 و Kα2 و Kβ هستند. دو مورد اول معمولاً در آزمایش‌­های پراش استفاده می­‌شود. انواع دیگر تابش‌­ها، محصولات جانبی ناخواسته هستند. مس متداول‌­ترین ماده آند در XRD است. با این حال، اگر نمونه‌­ای اثر فلورسانس را نشان دهد، نمونه به سادگی اشعه ایکس را از آند مس جذب و دوباره تابش می‌­کند و منجر به تولید مقدار زیادی نویز در خروجی می­‌شود. با استفاده از آند کبالت که شدت سیگنال کمتری ایجاد می­‌کند اما نویز ناشی از پس زمینه فلورسانس نیز از بین می‌­رود، این مسئله قابل حل است.

2-اپتیک اولیه:

اپتیک اولیه، پرتوی تولید شده توسط منبع اشعه ایکس را کنترل می­‌کند و آن را به اشکال مفیدتر برای آزمایش پراش کنترل می­‌کند. شکاف­‌های سلر(soller slits) واگرایی محوری پرتو ایکس را به کمتر از 6 درجه کاهش می­‌دهد (در بعضی از ابزارها حتی 4 درجه یا حتی 2 درجه). کاهش واگرایی محوری عدم تقارن پیک در خروجی را کاهش می­‌دهد. این باعث کاهش قله‌­ها و افزایش وضوح خروجی می­‌شود. معمولاً یک فیلتر وجود دارد که بیشتر اشعه Kβ و تابش فلئورسنس را جذب می­‌کند. فقط تابش Kα1 و Kα2 اجازه عبور از آن را دارد. نکته قابل توجه در برخی دستگاه­‌های تفرق اشعه ایکس با وضوح بالا دقیقاً بعد از منبع اشعه X از یک سینگل کریستال استفاده می­‌کنند تا فقط تابش Kα1 تک فام اجازه عبور از آن را داشته باشد.

3-نگهدارنده نمونه:

بیشتر دستگاه­‌ها با انواع مختلفی از نگهدارنده‌­های نمونه برای انواع مختلف نمونه‌­ها مانند پودرها ، نمونه‌­های بالک و فیلم­‌های نازک استفاده می‌­کنند. بهترین نتیجه با نگه­دارندگان نمونه چرخشی بدست می‌­آید که به طور قابل توجهی آمار اندازه‌­گیری را بهبود می‌­بخشد، اما برای همه ماشین آلات در دسترس نیست. شدیدترین خطا در هنگام تهیه نمونه پر کردن بیش از حد و یا بالا پایین نگه داشتن نمونه منجر می‌­شود. هر دو منجر به تغییر قابل توجهی در موقعیت پیک­‌ها می­شود که می­‌تواند تفسیر را دشوار کند.

4-استیج نمونه:

استیج نمونه در طول آزمایش نمونه را در موقعیت مناسب ثابت نگه می‌­دارد. نگهدارنده نمونه بر روی استیج نمونه نصب می­‌شود که نمونه را در معرض پرتو قرار دهد و حرکت نمونه را کنترل کند.

5-اپتیک ثانویه:

اپتیک ثانویه، اشعه X پراش یافته را از نمونه بازیابی می­‌کند. درست مانند اپتیک اولیه، در اینجا اجزای زیادی نیز وجود دارد. اولین جز کامپوننت(component) است که شکافی جهت ضد پراکندگی است. به دنبال آن مجموعه­‌ای از شکاف‌­های سلر و سپس در نهایت شکاف دریافت کننده وجود دارد. شکاف دریافتی یا به طور مستقیم توسط آشکارساز یا یک تک فام ساز ثانویه منتهی می شود که معمولاً تک فام کریستال است.

6-آشکارساز:

آشکارساز اشعه X پراش یافته را شناسایی می­‌کند. انواع مختلفی از آشکارسازها در بازار موجود است. یکی از پرکاربردترین انواع آشکارسازها، شمارنده سینتیلیشن(scintillation counter) به دلیل مقاومت و قابلیت اطمینان است. این بخش از یک سینتیلاتور تشکیل می‌­شود که با قرار گرفتن در معرض اشعه X، فوتون ساطع می­‌کند. این تابش باعث می‌­شود که فوتوالکترونهایی از یک فوتو کاتد را که توسط یک ضرب فوتوالکترون تقویت می­‌شوند، ساطع کند. سپس این مورد توسط تجهیزات الکترونیکی محاسبه می شود.

آماده سازی نمونه:

تهیه نمونه مناسب یکی از مهمترین نیازها در بررسی نمونه­‌های توسط پراش اشعه X است. این جمله به ویژه برای خاک‌­ها و رس‌­های حاوی کلوئیدهای ریز که بازتابنده ضعیفی از اشعه ایکس هستند و همچنین انواع دیگر مواد مانند پوشش‌­های اکسید آهن و مواد آلی که توصیف توسط XRD را دشوارتر می­کند، صادق است. تهیه نمونه نه تنها شامل روش‌­های مناسب برای از بین بردن مواد نامطلوب است ، بلکه شامل تکنیک­‌های مناسب برای بدست آوردن اندازه ذرات مطلوب ، جهت گیری، ضخامت و غیره است.

تجزیه و تحلیل پودرها توسط XRD برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز مناسب و جلوگیری از شدت نوسان، جلوگیری از چسبندگی ذرات و به حداقل رساندن جهت­گیری پراکنده، نیاز به دانه‌­بندی ریز می­باشد. دامنه اندازه توصیه شده در حدود 1-5 میکرومتر است، به خصوص اگر کمی ­سازی فازهای مختلف مورد نظر باشد. برای ارزیابی کیفی معمول اجزای معدنی، نمونه­‌ها معمولاً آسیاب می‌­شوند تا از غربال 325 مش (45 میکرومتر) عبور کنند. سنگ زنی یا از طریق آسیاب دستی و یا در یک چرخ مکانیکی انجام می‌­شود. اثرات سنگ زنی بیش از حد شامل اعوجاج شبکه و تشکیل احتمالی یک لایه آمورف در خارج دانه­ ها است.

فاکتورهای مهم در آماده سازی نمونه:
  • اندازه بلور و کرنش: پهنای یک قله پراش به طور متقابل با متوسط اندازه بلورین مطابقت دارد. هرچه میانگین اندازه کریستالیت کمتر باشد­، بازتاب گسترده‌­تر و شدت پیک پایین­‌تر است. این اثر در زیر و اندازه متوسط کریستالیت کمتر از 200 نانومتر قابل مشاهده است. گسترش کرنش به دلیل وجود نقص در بلورها اتفاق می‌­افتد. چنین کششی می­تواند از طریق جایگزینی اتم­های تشکیل­‌دهنده بلکه از طریق عملیات حرارتی ویژه نیز ایجاد شود.
  • ارتفاع آماده سازی نمونه: چرخش نگهدارنده نمونه، آمار اندازه‌گیری را بهبود بخشیده و در نتیجه بهترین نتایج را ارائه می‌­دهند. با این حال، آنها برای همه دستگاه­‌ها در دسترس نیستند. شدیدترین خطا در هنگام تهیه نمونه پر کردن خیلی زیاد یا خیلی کم نمونه در نگه دارنده است. هر دو منجر به تغییر قابل توجهی در موقعیت‌های پیک می­‌شوند که می‌­تواند تفسیر را دشوار کند.

داده های آنالیز:

1-بررسی کیفی:

برخی از موارد انجام تجزیه و تحلیل کیفی یک نمونه XRD به شرح زیر است:

  • تفریق پس زمینه: الگوهای پراش پودری به دلیل پراکندگی هوا و وجود فازهای بی شکل ، مقدار قابل توجهی پس زمینه را شامل می شوند. پس زمینه با یک چند جمله ای ریاضی مجهز شده و سپس کسر می شود. از این طریق در ارزیابی داده ها تداخلی ایجاد نمی کند.
  • هموارسازی: بیشتر الگوهای پراش حاوی مقدار قابل توجهی نویز هستند. این ممکن است مانع از تیز شدن قله ها شود. معمولاً برای کاهش نویز تصادفی از یک مرحله هموارسازی سطح استفاده می شود.
  • جستجوی پیک: هموارسازی با شناسایی واقعی قله ها دنبال می شود. با الگوهای خوب (نسبت سیگنال به نویز بالا ، قله های باریک) این کار را می توان به صورت خودکار انجام داد. در غیر این صورت لازم است قله ها را با دست وارد کنید.

بررسی کمی:

پراش کمی ماده منجر به تعیین پارامترهای شبکه می‌­شود و همچنین می‌­تواند کسر هر فاز را در یک نمونه شناسایی کند. روش‌های جدید تجزیه و تحلیل الگوهای پراش، تصفیه ساختار را امکان پذیر می‌­کند. تجزیه و تحلیل پیک به ما اطلاعاتی در مورد میزان کریستالیته شدن، تجزیه و تحلیل ریز کرنش ها و غلظت نواقص را می­‌دهد.

یکی از دستگاه های قابل عرضه در شرکت آریافن ورزان دستگاه XRD ساخت شرکت روسیه ای Bourevestnik می باشد.

مقالاتNano Science

XRD

امکان ارسال دیدگاه وجود ندارد!

en_USEnglish
fa_IRفارسی en_USEnglish