O Difratometro de Raios-X

O difratmetro de Raios-X 1

1. O Difratmetro de Raios-X

1.1. Gerao de Raios-X

Os raios-X so ondas eletromagnticas de comprimentos de onda entre 0,05

e 0,25 nm ocupando uma posio intermediria entre o ultra-violeta e a

radiao gama no espectro eletromagntico (Error! Number cannot be

represented in specified format.).

Figura 1-1 Espectro de ondas eletromagnticas.

2002 Roberto R de Avillez


Figura 1-2 Seo transversal de um tubo de raios-X.



Os raios-X so produzidos quando partculas carregadas com alta energia

cintica so desaceleradas rapidamente. Os eltrons so as partculas

normalmente empregadas com este propsito e eles so normalmente

acelerados pela aplicao de um campo de potencial eltrico acima de 10

kV.Quando estes eltrons colidem com um alvo, grande parte da energia

cintica convertida em calor e somente 1% chega a ser transformada em

raios-X. Os raios-X emitidos desta desacelerao normalmente consistem de

um espectro contnuo, denominado de radiao branca pois formado por

ondas de diversos comprimentos de onda. Este espectro resulta do processo

de desacelerao que no uniforme para todos os eltrons. Alguns so

parados depois de um nico impacto enquanto outros sofrem impactos

consecutivos com perdas progressivas da energia cintica. Os eltrons

parados num nico impacto do origem a radiao de menor comprimento

de onda, denominada limite de pequeno comprimento de onda:

eV h max= , logo min V=12400 ,

onde e a carga de um eltron, V a tenso de acelerao, h a constante de

Planck, max a freqncia mxima da onda eletromagntica formada e min o comprimento de onda correspondente (unidade metro).




Figura 1-3 Espectro de Raios-X gerado por um alvo de Molibdnio.

A intensidade do espectro contnuo depende da tenso aplicada, do nmero

atmico do alvo, Z, e da corrente do tubo, i:

I Aespectro continuom

_ = iZV .

Muito importante atentar que o material do alvo afeta a intensidade do

espectro mas no sua distribuio.

1.2. Radiao Caracterstica

A radiao caracterstica de raios-X tem sua origem na radiao gerada por

um alvo quando os eltrons que colidem com o mesmo excedem uma certa

energia cintica (tenso de acelerao). Esta radiao fica superimposta ao


espectro contnuo e constituda de uma srie de linhas caractersticas do

material empregado como alvo. Tenses maiores que o valor mnimo, VK,

para gerar a radiao caracterstica no afetam o comprimento de onda da

radiao do raios-X emitido, mas alteram a intensidade da linha

caracterstica:

I Bi V VK Kn= ( ) ,

onde n varia de 1 a 2 e B uma constante de proporcionalidade.

A radiao caracterstica resulta do arrancamento dos eltrons mais internos

de um tomo pelos eltrons incidentes. Estes eltrons arrancados

correspondem s camadas eletrnicas K, L, M, etc. O espao vazio da

camada provoca um rearranjo das demais camadas eletrnicas e eltrons de

camadas mais afastadas do ncleo saltam para a camada mais interna

liberando um energia, que pode ser emitida na forma de um foton de raios-X

ou na expulso de um outro eltron da camada mais externa (eltron Auger).

A energia liberada caracterstica do material e corresponde a diferena de

energia entre as duas camadas envolvidas. Esta energia caracterstica

tambm pode ser gerada pela incidncia de ftons de raios-X com energia

suficiente para arrancar os eltrons mais internos do tomo. Neste caso, a

radiao denominada de radiao fluorescente. A radiao caracterstica

pode, portanto, ser empregada para caracterizar os tomos que a emitem, i.e.,

uma anlise qumica do material.




Figura 1-4 Esquema das transies eletrnicas num tomo.

1.3. Absoro e Filtros

Quando uma radiao de raios-X incide sobre um material, parte absorvida

e parte transmitida. A absoro resulta do espalhamento do raios-X pelos

tomos do material, similar ao espalhamento da luz por partculas de poeira

presentes na atmosfera, e da absoro real causada por transies eletrnicas

que do origem a radiao fluorescente e a fotoeltrons com diferentes

energias cinticas.

A absoro mxima, limite de absoro, ocorre para ftons com

comprimento de onda ligeiramente inferior a radiao caracterstica do

material, i.e, energia maior que a necessria para causar a fluorescncia. Este

limite de absoro funo do comprimento de onda e varia com o nmero


atmico de maneira similar ao comprimento de onda da radiao

caracterstica.

Figura 1-5 Coeficiente de absoro do chumbo mostrando os limites de

absoro K e L.

O decrscimo da intensidade da radiao transmitida em funo da espessura

do material dado por:

I I e I ex ox

ox= = ( / ) ,



onde o coeficiente de absoro linear, a densidade do material e Io a intensidade incidente. O coeficiente de absoro de massa / uma constante do material e independe do seu estado fsico (slido, lquido e

gasoso). Se w1, w2, ... so as fraes em peso dos elementos 1, 2, ... na

substncia, e os coeficientes de absoro de massa de cada elemento for

(/)i , ento, o coeficiente de absoro de massa da substncia dado por:

=

+

+w w1

12

2

. . .

Figura 1-6 Comparao do espectro da radiao de cobre antes e depois do

emprego de um filtro de nquel.

O filtro uma extenso prtica natural do fenmeno de absoro do raios-X.

Muitos experimentos de raios-X requerem um feixe to monocromtico



quanto possvel, mas a radiao gerada num tubo de raios-X contm as

radiaes caractersticas superimpostas radiao branca. A escolha

judiciosa de um material que absorva o raios-X de maneira a eliminar as

radies de comprimento de onda menor que a radiao caracterstica mais

intensa, K, permite decrescer de maneira acentuada a radiao K, tornando

o feixe aproximadamente monocromtico. A tabela apresenta os filtros

tpicos para os diferentes alvos de raios-X.

Alvo Mo Cu Co Fe Cr

Filtro Zr Ni Fe Mn V

1.4. Colimao do Feixe e Fendas

O feixe de raios-X no pode ser alterado com a tica tpica de radiao

visvel, por isso, ele no pode ser colimado, i.e, tornado paralelo, nem

focalizado com lentes ou espelhos comuns. No entanto, a necessidade de

saber exatamente onde o feixe incide sobre a amostra e sua inclinao levou

ao emprego de dispositivos denominados de colimadores. Estes dispositivos

consistem, na sua verso mais simples, de duas fendas perfeitamente

alinhadas ao longo do feixe tico e separadas de uma certa distncia. Este

dispositivo limita o ngulo de divergncia do feixe de raios-X e transforma o

ponto central do colimador entre as duas fendas como uma fonte virtual dos

raios divergentes. A divergncia mxima dada pela geometria do

colimador. Se este for retangular, conforme mostrado na figura, o ngulo

mximo de divergncia :

= 2du

radianos .



A reduo do tamanho das fendas do colimador melhoram o paralelismo do

feixe mas reduzem a energia transmitida. Estas fendas tambm so

empregadas para delimitar a rea iluminada da amostra.

Figura 1-7 Geometria de um colimador, mostrando a fonte de raios-X, S, e o

cristal, C.

Alm das fendas de colimao, comum empregar antes do detector uma

fenda para reduzir a entrada de radiao espalhada pela amostra em direes

distintas do eixo tico. Um aumento da largura desta fenda causa um

aumento na intensidade mxima de qualquer linha difratada mas resulta

simultaneamente em perda de resoluo. No entanto, a intensidade integrada

relativa de um pico de difrao no depende da largura da fenda.

Um outro grupo de fendas muitas vezes empregado nos difratmetros a

fenda de Soller. Esta fenda consiste de um grupo de placas metlicas

paralelas ao plano do crculo de difrao. Seu efeito reduzir uma grande

proporo dos feixes inclinados com relao ao plano do crculo do

difratmetro possibilitando manter uma fonte linear de bom comprimento.




Figura 1-8 Desenho esquemtico da Fenda de Soller.


1.5. Focalizao

A focalizao de um feixe de raios-X depende do arranjo da amostra e do

seguinte teorema de geometria. Todos os ngulos inscritos num crculo e

limitados por um arco SF so iguais entre si e seu valor a metade do ngulo

definido pelas extremidade S, F e o centro do crculo. A principal cmara

focalizadora o arranjo de Seeman-Bohlin apresentada na .

Figura 1-9 Geometria das cmaras focalizadoras.




Figura 1-10 Geometria da cmara focalizadora de Seemann-Bohlin.

O arranjo de Bragg-Brentano, a disposio usual dos gonimetros, pode

satisfazer aproximadamente esta condio se a amostra for plana e de

dimenses pequenas. Neste caso, o foco estar sempre localizado no crculo

do difratmetro, na posio F. Um foco perfeito s ocorre para amostra

curva cuja superfcie coincide exatamente com o crculo de foco. Amostras

planas causam uma pequena mudana no foco e um alargamento do pico

difratado para ngulos 2 menores que 60o. Ambos efeitos podem ser minimizados com o emprego de fendas menores, mas existir

simultaneamente um decrscimo na intensidade.



Figura 1-11 Geometria de foco para amostra plana numa cmara de Bragg-

Brentano.

A fenda de Soller essencial para a difrao com ngulo rasante, quando as

condies de focalizao do feixe num gonimetro comum esto muito

longe de serem satisfeitas.

1.6. Deteo

Existem trs grandes grupos de detectores: os contadores proporcionais, os

contadores por cintilao e os contadores de semicondutor.

O contador proporcional consiste num tubo de gs que sob a ao de um

campo eltrico de aproximadamente 1000V causa um efeito de ionizao

mltipla ou amplificao gasosa. O fton de raios-X quando se choca com

uma molcula gasosa ioniza a molcula, liberando eltrons que so

acelerados pelo potencial aplicado e provocam novas ionizaes. Este

processo resulta numa avalanche de eltrons para cada fton que chega ao

detector. A quantidade de eltrons gerados proporcional energia do fton

incidente, permitindo distinguir ftons de diferentes comprimentos de onda,

energia. A tenso tima do campo eltrico precisa ser calibrada para cada


tubo de raios-X e radiao de maior comprimento de onda requer uma maior

tenso. O contador proporcional muito rpido e apresenta uma resposta

linear at 10000 cps.

O contador de cintilao emprega substncias que fluorescem na regio

visvel do espectro quando recebem um fton de raios-X. A quantidade de

luz emitida proporcional a intensidade de raios-X e amplificada por um

tubo fotomultiplicador. Este detector tambm permite distinguir ftons de

diferentes comprimentos de onda mas no apresenta a mesma resoluo que

o detector proporcional. Sua eficincia chega alcanar 100% dos ftons que

entram o detector.

Os contadores de semicondutor podem ser considerados como uma cmara

de ionizao no estado slido, mas no existe nenhum efeito multiplicador

como no detector proporcional. Eles apresentam uma excelente resoluo de

energia e podem diferenciar os picos K e K de uma radiao incidente,

separao impossvel com os outros dois detectores. A principal

desvantagem destes detectores a necessidade de operarem a temperaturas

do nitrognio lquido. No entanto, alguns fabricantes j dispem de

detectores resfriados por um dispositivo Peltier.

1.7. Segurana

1.7.1. Segurana dos Operadores

Operadores de equipamentos de equipamentos de raios-X esto expostos a

dois perigos bsicos: alta tenso e radiao. A emisso de raios-X depende

da acelerao de eltrons por tenses acima de 10 kV e correntes eltricas

elevadas (com baixa tenso) podem estar presentes em fornos para aquecer a



amostra in situ. Por isso, o operador deve desligar todo o equipamento

sempre que tiver que realizar algum tipo de manuteno. Jamais tocar no

forno sem conferir que a temperatura j est baixa e que os elementos

resistivos esto desligados. Quando for imprescindvel realizar uma

manuteno com o equipamento ligado, o operador dever estar

acompanhado de uma outra pessoa na sala.

Os danos causados por radiao so mais insidiosos pois normalmente seus

efeitos no so visveis a curto prazo, mas requerem um tempo longo de

exposio e acumulao. Por isso, importante que o operador disponha de

um dosmetro pessoal e realize uma avaliao mdica regular. A melhor

maneira de prevenir danos por radiao operar o equipamento com os

dispositivos de segurana ligados. Na hiptese rara de precisar ajustar o

equipamento sem dispositivo de segurana, deve-se observar claramente

qual o eixo tico do raios-X e jamais atravessar este caminho com qualquer

parte do corpo. No entanto, o operador ainda estar sujeito a radiao

espalhada pelas diferentes partes do equipamento e, por isso, dever

minimizar o tempo de exposio.

1.7.2. Segurana do Equipamento

A segurana do equipamento depende da manuteno de uma boa fonte de

tenso estabilizada e um sistema de refrigerao capaz de manter baixa a

temperatura do tubo de raios-X. A melhor opo o emprego de

estabilizadores de tenso e sistemas de refrigerao em circuito fechado.

Alm disso, o sistema de refrigerao deve dispor de um alarme para acusar

a eventual falta de fluxo de gua ou aumento da temperatura. Os

equipamentos mais modernos tambm dispe de um dispositivo que desliga



a fonte de tenso do tubo de raios-X, protegendo-o contra eventuais danos

causados por um aumento da temperatura.


O Difratmetro de Raios-XGerao de Raios-XRadiao CaractersticaAbsoro e FiltrosColimao do Feixe e FendasFocalizaoDeteoSeguranaSegurana dos OperadoresSegurana do Equipamento

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