بررسی آنالیز XRD و اجزاء دستگاه پراش اشعه ایکس XRD - دقیق شیمی

بررسی آنالیز XRD  و اجزاء دستگاه پراش اشعه ایکس XRD 

آنالیز XRD چیست؟

این تکنیک یک روش بسیار سریع و تحلیلی است که برای شناسایی فاز یک ماده ی بلوری مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه این تکنیک یکی از روش های معمول برای مطالعه ساختارهای بلوری و فاصله اتمی است. این تکنیک که XRD  نامیده می شود برای اولین بار توسط ماکس فون لاو در سال 1912 کشف شد.

پرتو های اشعه ی ایکس توسط یک لوله ی اشعه ی کاتدی (با بمباران کردن نمونه هدف) تولید می شوند. این پرتو ها برای تولید اشعه های مونوکرومیک فیلتر می شوند و به سمت نمونه هدایت می شوند.

تعامل پرتو های برخورد کرده با نمونه اصلی، باعث ایجاد برخورد سازنده و برقراری قانون براگ می شود. (nλ=2d sin θ) این قانون طول موج تابش الکترومغناطیسی را به زاویه پراش و فاصله شبکه در یک نمونه بلوری مرتبط می کند. این پرتوهای X پراکنده شده شناسایی، پردازش و شمارش می شوند. پیک هایی که در زاویه ی2θ  به دست می آید می تواند به شناسایی عناصر موجود در ترکیب کمک کند. هر ماده ی معدنی دارای مجموعه ای از فاصله های d منحصر به فرد است  و با تبدیل قله های پراش به فاصله های d امکان شناسایی  هر ماده ی معدنی وجود دارد.

هر ماده طیف اشعه ی XRD مربوط به خود را دارد و طبق الگوی خاصی باعث پراکندگی اشعه ی ایکس تابیده شده می شود. این طیف برای هر ماده مانند اثر انگشت است و امکان ندارد طیف دو ماده شبیه به هم باشد.

تمام روش های پراش مبتنی بر تولید X-Ray در لوله اشعه X تولید می شوند. این پرتوهای X به سمت نمونه هدایت می شوند و پرتوهای پراکنده جمع می شوند. یکی از مؤلفه های مهم پراش، زاویه بین برخورد و پرتوهای پراکنده شده است.

بیشتر بخوانید: انجام آنالیز آب و فاضلاب به صورت تخصصی

اجزاء دستگاه پراش اشعه ایکس XRD

منبع اشعه ایکس

در آنالیز XRD معمولا به یک منبع اشعه ایکس تک ‌فام (لامپ تولید پرتو) نیاز است که در شیوه‌ های متداول از لوله اشعه ایکس (x-ray tube) استفاده می ‌شود. اشعه ایکس به صورت واگرا با زاویه بر روی نمونه مجهول می تابد و پرتو پراشیده به صورت همگرا با زاویه نسبت به نمونه، بعد از عبور از اپتیک، وارد آشکار ساز می شود.

پراش سنج

دستگاه پراش اشعه ایکس از یک دایره فلزی به نام پراش سنج تشکیل شده است که نمونه مورد نظر در مرکز آن قرار گرفته و بر روی یک سکوی قابل چرخش قرار دارد که این سکو با چرخاندن نمونه به دور محور محوری عمود بر صفحه کاغذ باعث می شود تا نمونه مجهول زوایای مختلفی نسبت به پرتو اختیار کند.

اپتیک

پرتوهای پراشیده، لازم است قبل از ورود به آشکارساز از دریچه هایی عبور کنند که فلزی بوده و پرتو اولیه و ثانویه را متمرکز و هدایت می کنند. لازم است پرتو ایکس موقع خروج و قبل از ورود به آشکارساز به وسیله ی یک صافی فیلتر شوند تا پرتو ایکس نیز تک رنگ (تک فام) شود و پرتوهای فلوئورسانس تابیده شده از نمونه که مزاحم پراش سنجی هستند حذف شود و به آشکارساز وارد نشوند.

آشکارساز

آشکارساز و دریچه های دریافت کننده پرتو ثانویه، بر روی قسمت های حمل کننده که می تواند به دور محور خود بچرخد قرار گرفته اند. زاویه بین پرتو ورودی به آشکار ساز و پرتو ابتدایی  است و سیستم حمل کننده، بر روی مسیر درجه بندی شده ای با سرعت ۲ برابر سرعت گردش نمونه مجهول می چرخد.

پرتو دریافتی در آشکارساز به یک جریان الکتریکی متناسب تبدیل می شود. یک سیستم تثبیت کننده، تغییرات شدت پرتو پراشیده را بر حسب زاویه  رسم می کند. آنچه که در پایان به عنوان الگوی پراش، از پراش سنج به دست می آید، تغییر شدت پرتو بر حسب زاویه  است. زاویه قله ها به فاصله بین صفحات و شدت قله ها به آرایش اتم ‌ها در صفحات وابسته است.

این تکنیک از سه عامل مهم تشکیل شده است:

1)لوله ی اشعه ی ایکس

2)نگهدارنده ی نمونه

3)دتکتور

اشعه ی ایکس با گرم کردن یک سری رشته های موجود در لوله باعث تولید الکترون می شود. شتاب دادن الکترون ها به سمت هدف با استفاده از اعمال ولتاژ در لامپ اشعه کاتدی صورت می گیرد. و بمباران مورد نظر رخ می دهد.

موقعی که الکترون ها انرژی کافی برای جدا کردن الکترون های پوسته داخلی هدف مورد نظر را داشته باشد،  طیف های پرتو نگاری مشخص تولید می شوند.

این طیف ها از چندین مولفه تشکیل شده اند که رایج ترین آنها Kα و Kβ هستند. Kα شامل بخش هایی از جمله Kα1 و Kα2می باشد.

Kα1 دارای طول موج کمتر و شدت جریان بیشتری نسبت به Kα2 می باشد.

ماده هدف

هر ماده هدف (مس ، آهن ، مولیبدن، کروم و…) طول موج مخصوص به خود را دارند و فیلترینگ توسط فویل و یا کریستال های مونوکرومیک برای تولید اشعه ی ایکس تک فام (مونوکرومیک)  برای پراش لازم است.

Kα1 و Kα2 از نظر طول موج به یکدیگر نزدیک می شوند در نتیجه از میانگین وزنی این دو استفاده می شود.

مس با تابش CuKα = 1.5418Å رایج ترین ماده هدف برای پراش تک کریستالی است .پرتو های ایکس منتشر شده جمع و به سمت نمونه هدایت می شوند. با چرخش نمونه و دتکتور، شدت اشعه X بازتاب شده ثبت می شود.

یک آشکارساز (دتکتور) این سیگنال اشعه ایکس را ضبط و پردازش می کند و سیگنال را به یک میزان قابل شمارش تبدیل می کند. این دستگاه به وسیله ای مثل چاپگر یا کامپیوتر متصل می شود تا خروجی به کاربر ارائه شود.

پراش سنج X-Ray به صورتی است که نمونه در مسیر پرتوی اشعه X در یک زاویه θ می چرخد در حالی که دتکتور اشعه ایکس برای جمع آوری اشعات پراکنده شده در زاویه ی 2θ قرار دارد.

ابزاری که برای حفظ زاویه و چرخش نمونه استفاده می شود، گونیومتر می گویند. برای نمونه های پودری معمولی داده ها در 2 تتا و با زاویه ی 5 تا 70 درجه جمع آوری می شوند و در اسکن اشعه ایکس از پیش تعیین می شوند.

بیشتر بخوانید: آنالیز افت حرارتی (LOI)

اساس کار با دستگاه XRD

دستگاه XRD به طور گسترده در شناسایی نمونه های مجهول جامد کریستالی مورد استفاده قرار می گیرد. نمونه آنالیز XRD معمولا به صورت پودری و در حدود 3-5 گرم است. دستگاه XRD دارای یک دایره فلزی می باشد که منبع پرتو X و دتکتور روی جداره داخلی آن و نمونه در مرکز آن قرار می گیرد. عملکرد دستگاه XRD به این صورت است که پرتو X در زوایای مختلف(θ)  به بلور کریستال تابیده می شود. در اثر این تابش و برخورد پرتو به اتم ها، اشعه باز تابیده می شود و یا پراش می یابد.

بازتابش پرتو در XRD از اصل پراکندگی رایلی یاRayleigh scattering  پیروی می کند. فرکانس پرتو تابیده و پراش یافته یکی است و فتونی در حین برخورد به اتم جذب نمی شود (در XRD تابش فلورسانس وجود دارد و بخشی از فتون ها توسط اتم ها جذب می شود که پرتو بازتابش توسط فیلتر های اپتیکی حذف می شوند، در واقع تابش فلورسانس اساس کار با دستگاه XRF می باشند.)

بلور کریستال به این صورت است که دارای صفحاتی به فاصله d و روی هم می باشد. بازتابش پرتو از اتم های بلور در لایه های مختلف می تواند با هم تداخل داشته باشند. این تداخل می تواند تداخل سازنده و یا تداخل ویرانگر باشد. هموقعی که اشعه پراش یافته و بازتابیده از نمونه کریستالی توسط دتکتور دریافت می شود به سیگنال تبدیل شده و در نهایت به صورت یک نمودار گزارش می شود.

نمودار خروجی فرآیند، الگوی پراش نامیده می شود و نمایشگر شدت پرتو بازتابیده بر حسب زاویهθ 2 می باشد. θ2 در واقع زاویه بین امتداد پرتو تابش و پرتو بازتابش است که معمولا از 160-0 درجه گزارش می شود. موقعی که پرتوهای بازتابش با هم تداخل سازنده داشته باشند، نمودار درآن زاویه θ2 دارای قله ماکزیمم می باشد و در دیگر زوایا به دلیل تداخل ویرانگر شدت ناچیزی دارد.

اطلاعات مهمی که از نمودار پراش ایکس جهت تحلیل نتایج استخراج می شود، شامل زاویه قله بیشینه، شدت نسبی هر قله و پهنای قله ها می باشد.

نقاط قوت آنالیز دستگاه  XRD

• تکنیکی سریع و قدرتمند در تشخیص مواد معدنی ناشناخته (کمتر از 20 دقیقه) است.

• در بیشتر موارد تشخیصی کاملا دقیق و واضح دارد.

• آماده سازی نمونه بسیار ساده است.

• تفسیر داده ها کاری نسبتا ساده است.

بیشتر بخوانید: آنالیز GC یا گاز کروماتوگرافی چیست

نقاط ضعف آنالیز دستگاه  XRD

• نمونه تشخیصی مجهول ترجیحا باید تک فاز و همگن باشد.

• دسترسی به یک منبع الگو های پراش استاندارد لازم است.

• ترجیحا نمونه باید کاملا در حالت پودری باشد.

• در نمونه های مخلوط حد تشخیص 2% نمونه است.

• ممکن است پیک ها همدیگر را پوشش دهند، که احتمال این اتفاق در زوایای بالاتر بیشتر می شود.

کاربرد ها

پرتوی X-Ray  بیشتر برای شناسایی مواد کریستالی ناشناخته (به طور مثال مواد معدنی و ترکیبات معدنی) استفاده می شود. تعیین مواد جامد ناشناخته برای مطالعات زمین شناسی، محیط زیست، علوم مواد، مهندسی و زیست شناسی از اهمیت بالایی برخوردار است.

دستگاه XRD در صنایع مختلفی از جمله علم مواد و کانی شناسی، شیمی، فیزیک، زمین شناسی، صنایع دارویی و … کاربرد دارد. به طور مثال از پراش اشعه ایکس در شناسایی ساختار نانو مواد سنتزی، تشخیص فاز کریستالی سیمان و آنالیز مواد معدنی استفاده می شود.

بررسی آنالیز XRD یا پراش اشعه X از نظر هزینه

آنالیز XRD یا پراش اشعه X روشی کم هزینه اما بسیار پرکاربرد است که می تواند طیف وسیعی از خصوصیات و کمیت های کریستال ‌‌ها را تعیین کند. این روش نیازی به خل ندارد و این یکی از مزایایی است که باعث کاهش هزینه ساخت دستگاه ها و برتری آن  نسبت به تکنیک‌ های الکترونی دیگر می شود. آنالیز XRD یا پراش اشعه X تکنیکی غیر تماسی و غیر مخرب است و آماده ‌سازی آن دشوار نیست.

دستگاه XRD در صنایع مختلف ازجمله علم مواد و کانی شناسی، شیمی، فیزیک، زمین شناسی، صنایع دارویی و در شناسایی ساختار مواد نانو سنتزی، تشخیص فاز کریستالی سیمان و آنالیز مواد معدنی مورد استفاده قرار می گیرد. این روش برای دانشجویان مهندسی و علم مواد به منظور تعیین و بررسی خواص مواد و تقویت آن ها بسیار کاربردی است.

موارد زیر از این طیف سنجی استفاده می کنند:

• اندازه گیری خلوص ماده

• شناسایی مواد معدنی ریز دانه مثل خاک رس و ذرات مخلوط

• تعیین ابعاد سلول واحد

• خصوصیات مواد کریستالی

با تکنیک های تخصصی تر XRD می تواند در زمینه های زیر مورد استفاده قرار بگیرد:

• تعیین ساختار کریستالی با کمک روش ریتولد

• تعیین مقدار مواد معدنی (تجزیه و تحلیل کمی)

• مشخص کردن اندازه ی ذرات با رابطه ی شرر

• اندازه گیری خصوصیات فیلم نازک

• تعیین عدم مطابقت شبکه بین فیلم و بستر

• تعیین ضخامت، زبری و چگالی فیلم با استفاده از اندازه گیری بازتابی اشعه  X

• اندازه گیری نوع بافت مثل جهت گیری دانه ها در یک نمونه چند بلوری

بیشتر بخوانید: تعیین درصد خلوص اسید سولفوریک

آماده سازی نمونه در این تکنیک:

چند دهم گرم از ماده (یا بیشتر) را جدا کنید.

نمونه را به یک پودر ریز خورد کنید. با این کار فشار اضافی (انرژی سطح) به حداقل می رسد و از جا به جایی پیک جلوگیری می شود. پودر ها در سایز های کمتر از 10 میکرومتر (یا 200 مگ) ترجیح داده می شوند.

نمونه ساخته شده را بر روی نگهدارنده ی نمونه به صورت یکنواخت قرار دهید و اشعه ها را به آن بتابانید.

شرایط نمونه برای آزمایش XRD:

نمونه ها برای مواد معدنی باید به صورت پودر باشند ( اندازه آن ها کمتر از 70 میکرون ). برای فازهای متالورژی باید نمونه ها جامد و دو طرف آن ها صاف و یکنواخت و صیقل خورده باشد. 

برای کلیه شرایط نمونه ها باید خدمات قابل ارائه در زمینه آنالیز فازی مواد عبارت است از:

انجام آزمون XRD  از طیف گسترده ای از مواد مایع، پودری، بالک، ورقه و شیت، نمونه های نانو ساختار و لایه های نازک

شناسایی ترکیب و ساختار کریستالین

تعیین پهنای پیک الگوی پراش (جهت محاسبه ی سایز کریستالیت مواد در ابعاد نانو)

تعیین سطح زیر منحنی (جهت محاسبه درصد کریستالینیتی نمونه)

انجام آزمون Low Angle XRD و SAXS  بر روی نمونه های نانوساختار و نانوسایز

انجام آزمون Grazing Incident XRD وreflectivity  بر روی پوشش ها و لایه های نازک

انجام آزمون Azimuthal Scan

انجام آزمون Stress Test