نحوه کارکرد دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)

دستگاه پراش سنج اشعه ایکس XRD از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
۱) لوله تولید پرتو ایکس
۲) نگهدارنده نمونه
۳) آشکارساز (Detector)

پرتو ایکس در یک لامپ کاتدی تولید می‌شود. در این لامپ، ابتدا رشته گرم شده و الکترون‌ها آزاد می‌شوند. سپس با اعمال ولتاژ بالا، الکترون‌ها به سمت آند شتاب می‌گیرند و در برخورد با ماده هدف، پرتوهای ایکس مشخصه تولید می‌شوند. این تابش شامل چندین مؤلفه است که مهم‌ترین آن‌ها Kα و Kβ هستند. خط Kα خود شامل دو مؤلفه Kα1 و Kα2 است که Kα1 شدت بیشتری داشته و طول موج کوتاه‌تری نسبت به Kα2 دارد.

طول موج هر خط تابشی تابع جنس هدف (Target) است؛ به‌عنوان مثال Cu، Fe، Mo یا Cr. به‌طور معمول از مس (Cu) به‌عنوان ماده هدف استفاده می‌شود و پرتوی Cu Kα با λ = 1.5418 Å متداول‌ترین گزینه برای تحلیل نمونه‌های پودری است. برای تک‌فام‌سازی نور، از فیلتر فلزی یا مونوکروماتور بلوری استفاده می‌شود.

پس از تولید، پرتو ایکس به نمونه تابانده شده و هم‌زمان با چرخش نمونه و آشکارساز، شدت اشعه پراش‌یافته ثبت می‌شود. زمانی که شرایط تداخل سازنده برقرار شود، رابطه بروگ:

$$n\lambda =2d\sin \theta$$

در نمونه صدق کرده و پیک پراش ایجاد می‌شود. آشکارساز این سیگنال را به پالس‌های الکترونیکی تبدیل کرده و برای پردازش به سیستم رایانه‌ای ارسال می‌کند.

در دستگاه‌های XRD پودری، نمونه حول زاویه θ چرخش می‌کند و آشکارساز روی بازویی قرار دارد که با زاویه 2θ حرکت می‌کند. این سیستم چرخش، گونیا‌متر (Goniometer) نامیده می‌شود. محدوده معمول اسکن پودری بین ۵ تا ۷۰ درجه 2θ است.

راهنمای آماده‌سازی نمونه دستگاه پراش سنج XRD

برای شناسایی یک ماده ناشناخته با XRD، تهیه یک نمونه پودری مناسب بسیار مهم است. مراحل اصلی شامل موارد زیر است:

۱. خالص‌سازی اولیه

حدود ۰٫۱ گرم یا بیشتر از نمونه را انتخاب کرده و در صورت امکان ناخالصی‌های فیزیکی را جدا کنید.

۲. آسیاب و یکنواخت‌سازی

نمونه باید تا حد امکان به پودر بسیار ریز (کمتر از ۱۰ میکرومتر) تبدیل شود. این کار معمولاً با آسیاب در حضور یک مایع انجام می‌شود تا از ایجاد فشار اضافی جلوگیری شده و جهت‌گیری ترجیحی کریستال‌ها کاهش یابد.

۳. انتقال روی نگهدارنده

پودر باید کاملاً صاف، یکنواخت و بدون حفره روی اسلاید شیشه‌ای یا نگهدارنده نمونه قرار گیرد. برای جلوگیری از ایجاد الگوهای غیرطبیعی، معمولاً یک پوشش نازک یا چسب روی نمونه اعمال می‌شود.

برای خاک رس یا نمونه‌هایی که نیاز به جهت‌گیری خاص دارند، روش‌های تخصصی (مانند روش USGS) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در صورتی که به اصلاح موقعیت پیک نیاز باشد، مقدار کمی استاندارد دارای پیک‌های شناخته‌شده به نمونه افزوده می‌شود.

جمع‌آوری داده‌ها و تحلیل اولیه

در هنگام اسکن، دستگاه به‌طور پیوسته شدت اشعه پراش‌یافته را در مقابل زاویه 2θ ثبت می‌کند. پیک‌های XRD زمانی ظاهر می‌شوند که فاصله بین صفحات کریستالی (d-spacing) با زاویه θ شرایط پراش را ارضا کند.

در زوایای پایین، پیک‌های Kα1 و Kα2 کاملاً روی هم قرار می‌گیرند، اما با افزایش زاویه، این دو مؤلفه از یکدیگر قابل تفکیک می‌شوند. در اکثر دستگاه‌ها پیک‌ها ترکیب شده و به‌صورت یک پیک واحد گزارش می‌شوند.

موقعیت پیک‌ها معمولاً در ۸۰٪ ارتفاع پیک اندازه‌گیری می‌شود.

کاهش داده و ارائه نتایج

نتایج XRD به‌صورت:

• موقعیت پیک‌ها (2θ)

• شدت (I)

• شدت نسبی (I/Imax × 100)

به‌صورت جدول یا نمودار Intensity vs. 2θ گزارش می‌شوند.

شدت می‌تواند به صورت ارتفاع پیک یا شدت یکپارچه (مساحت زیر پیک) بیان شود.

تشخیص ماده ناشناخته

ابتدا فاصله بین‌صفحه‌ای d برای هر پیک از طریق قانون براگ محاسبه می‌شود. سپس مجموعه d-spacing به کمک نرم‌افزارهای جستجو/مطابقت مانند:

• ICDD PDF Database

• AMCSD (American Mineralogist Crystal Structure Database)

با الگوهای شناخته‌شده مقایسه می‌شود. هر ماده معدنی مجموعه‌ای منحصربه‌فرد از فاصله‌های d دارد و تطبیق این الگوها امکان شناسایی نمونه را فراهم می‌کند.

تعیین پارامترهای سلول واحد

در صورت نیاز، هر پیک باید با یک شاخص hkl مشخص شود. پس از شاخص‌گذاری، می‌توان با استفاده از فاصله‌های d و روابط بلورشناسی، ابعاد سلول واحد را محاسبه کرد.