دستگاه XRD

اصول طراحی دستگاه XRD بر پایه تابش پرتو X به نمونه در زوایای مختلف و تحلیل الگوی پراش یا بازتابش آن می باشد. از جمله مواردی که می توان در آنالیز با دستگاه XRD تعیین کرد تشخیص فاز کریستال، اندازه و شکل دانه کریستال، فاصله بین لایه های کریستال، تعیین جهت گیری و موقعیت بلور، اندازه گیری درصد کریستالیته نمونه، ترکیب اتم ها های کریستال و ساختار آن می باشد. الگوی پراش اشعه X برای هر ماده، یکتا و منحصر به فردی می باشد. تاکنون الگوی پراش تعداد زیادی از مواد کریستالی توسط تجهیز XRD جمع آوری شده است. در حالت کلی با مقایسه الگوی پراش اشعه ایکس بدست آمده با الگوی پراش استاندارد ترکیب کریستالی شناسایی می شود.

بخش های اصلی دستگاه XRD

• منبع x-ray


• نگهدارنده نمونه


• دتکتور

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 معمولاً به صورت پودری و در حدود 3-5 گرم می باشد. 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 بدین 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 بازتابیده می شود و یا اصطلاحاً پراش می یابد. بازتابش پرتو در XRD از اصل پراکندگی رایلی یا Rayleigh scattering پیروی می کند. یعنی فرکانس پرتو تابیده و پراش یافته یکی می باشد و فتونی در حین برخورد به اتم جذب نمی شود (در XRD تابش فلورسانس نیز 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. هنگامی که اشعه پراش یافته و بازتابیده از نمونه کریستالی توسط دتکتور دریافت می گردد 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 زاویه 2θ می باشد. 2θ در واقع زاویه بین امتداد پرتو تابش و پرتو بازتابش می باشد که معمولاً از 0-160 درجه گزارش می شود. هنگامی که پرتوهای بازتابش با هم تداخل سازنده داشته باشند، نمودار درآن زاویه 2θ دارای قله ماکزیمم می باشد و در سایر 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.

اگر بخواهیم یک تحلیل کلی از نمودار خروجی دستگاه XRD داشته باشیم باید به این نکته اشاره کنیم که زاویه قله ماکزیمم نشان دهنده فاصله بین صفحات کریستالی و شدت هر قله حاوی اطلاعاتی از نحوه آرایش اتم ها می باشد. علت تداخل سازنده و ماکزیمم شدن قله توسط قانون براگ توضیح داده می شود. طبق این قانون هنگامی که پرتو به اتم در لایه های مختلف برخورد می کند پرتو بازتابش لایه های زیرین دارای یک اختلاف راه با لایه قبل از خود دارد این اختلاف راه به صورت زیر تعریف می شود.

ΔX=2dsinθ

در این معادله d فاصله بین صفحات کریستالی می باشد. این اختلاف راه مضربی از طول موج (λ) اشعه می باشد و به صورت زیر تعریف می شود:

nλ=2dsinθ

در این معادله معمولاً n=1 می باشد.

اختلاف فاز بین پرتوهای بازتابش لایه ها بر حسب اختلاف راه به صورت زیر تعریف می شود:

ΔΦ=2π ΔX / λ

در صورتی که اختلاف فاز دو اشعه بازتابش مضرب صحیحی از 2π باشد دو اشعه تداخل سازنده ایجاد می کنند و قله ماکزیمم ایجاد می شود.

هنگامی که قانون براگ برقرار باشد با استفاده از اطلاعات موجود در الگوی پراش ایکس می توان فاصله متوسط بین صفحه های کریستالی را بدست آورد. همچنین، با در نظر گرفتن شدت قله های ماکزیمم و مقایسه آن با الگوهای استاندارد میتوان ساختار اتم ها و فاز کریستالی تعیین کرد.

نقاط قوت آنالیز دستگاه XRD

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

در بیشتر موارد تشخیصی کاملاً دقیق و واضح دارد.

آماده سازی نمونه بسیار ساده می باشد.

تفسیر داده ها امری نسبتاً ساده می باشد.

نقاط ضعف آنالیز دستگاه XRD

نمونه تشخیصی مجهول ترجیحاً باید تک فاز و همگن باشد.

دسترسی به یک منبع الگو های پراش استاندارد الزامی است.

ترجیحاً نمونه باید کاملاً در حالت پودری باشد.

در نمونه های مخلوط حد تشخیص 2% نمونه می باشد.

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

کاربردهای مختلف دستگاه XRD

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

از برترین برندهای ارئه دهنده دستگاه پراش اشعه X می توان برند شیمادزو (Shimadzu)، بروکر (Bruker)، ترموفیشر (Thermo Fisher)، پنالیتیکال (PANalytical) و فیلیپس (Philips) را نام برد.  

در سال 1912 براگ متوجه شد که بین طول موج تابش، زاویه اشعه ایکس و فاصله داخلی در بلور رابطه وجود دارد که 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.

 XRDمخفف عبارت X-ray Diffraction است که به معنی پراش پرتو ایکس است. دستگاه XRD یک ابزار تحلیلی است که برای تعیین ساختار بلوری مواد استفاده می‌شود. این دستگاه از پرتوهای ایکس برای تعیین ساختار بلوری مواد استفاده می‌کند.

نحوه کار با دستگاه XRD به شکل زیر است:

1. نمونه مورد نظر روی بستر دستگاه قرار داده می‌شود.

2. پرتوهای ایکس به نمونه تابیده می‌شوند.

3. پس از تابش پرتوهای ایکس به نمونه، پرتوهای پراش شده توسط بلورهای نمونه بازتاب می‌شوند.

4. این پرتوهای پراش شده توسط دتکتور دریافت می‌شوند.

5. با تحلیل پراش‌های دریافتی، الگوی پراش بلوری نمونه بدست می‌آید.

6. با استفاده از الگوی پراش بلوری، ساختار بلوری نمونه به صورت کامل تعیین می‌شود.

نتیجه

در کل، دستگاه XRD یک ابزار قدرتمند برای تعیین ساختار بلوری مواد است که در بسیاری از زمینه‌های مختلفی از جمله شیمی، فیزیک، مهندسی مواد، متالورژی، زیست‌شناسی، محیط‌زیست و ... مورد استفاده قرار می‌گیرد.