X IŞINLARI KIRINIMINA GİRİŞ
ENVER CAN KILIÇAplikasyon Mühendisi
SUNUM AKIŞI
•KRİSTAL VE KRİSTAL SİSTEMLERİ•X IŞINLARI DİFRAKSİYONU•BRAGG KANUNU•TOZ DİFRAKTOMETRELERİ•SLİT SİSTEMLERİ•DEDEKTÖRLER
Kristal
Kaynak: κρυσταλλος (Yunanca - buz)
Kristal durumu
Sıvı durumu
Katı durumu
Atomlar, iyonlar ve moleküller
Gaz durumu
Madde
Amorf yapı (düzensiz) Kristal yapı (düzenli)
Kristal durumu
Bir kristal, uzaydaki özdeş yapı taşlarının sonsuz tekrarı ile oluşur.
b
a
Kafessistemi
Yapı taşı Kristal+ =
Kristal durumu
Yapı taşı Atom gruplarının düzenini tanımlar
Kafes sistemi Yapı taşlarının uzayda nasıl tekrarlılık gösterdiğini tanımlar
Kafes parametreleri sonsuz tekrarlılığı tanımlar.
Kristal durumu
Kafes parametreleri
b
a
βc
αγ
a b c - kenarlarα β γ - açılar
Kristal sistemleri ve Bravais kafesleri
Basit kübik
Basit tetragonal
Hacim merkezli kübik
Yüzey merkezli kübik
Hacim merkezli tetragonal
Basit monoklinik
Basit triklinik
Taban merkezli monoklinik
Basit rombohedral
Basit rombohedral&hekzagonal
Basit ortorombik
Taban merkezli ortorombik
Hacim merkezli ortorombik
Yüzey merkezli ortorombik
Difraksiyon
Difraksiyon bir girişim fenomenidir.
Dalgalar bir cisim ile etkileşime girer.
X ışınlarının kırınımı – tek bir atomda dağılmaEğer tek bir atoma X ışınları dalgası çarparsa, atom X ışınlarını dağıtır ve bir nokta kaynağı olarak davranır.
X-rays
λλλλλ
X ışınlarının kırınımı – birkaç atomda dağılma
X-rays
λλλλλ
Birkaç atomun her birinin nokta kaynağıolarak hareket etmesiyle dağılan X ışınları girişim göstericektir.
Belli yerlerde dalgalar güçlenir veyabirbirlerini yok eder.
Difraksiyon – kafesteki birkaç atomda dağılma
λ = d sinθ + d sinθ = 2d sinθ (Bragg kanunu)
-periyodik olarak tekrarlanma
-dalga boyu λ ve atomlar arasımesafe (Cu kα ∼ 1.54 Å)
-yapıcı girişim
Difraksiyon – Bragg kanunu
Bragg kanunu, bütün dağılan dalgaların yapıcı bir şekilde girişime girmesiyle oluşur:
3 boyutlu kristallerde atomlar düzlemlerin içindedir. Bragg kanunu için gelen ışınlar birbirine paralel ve dağılan ışınlarda birbirine paralel olmalıdır.
λ = d sinθ + d sinθ = 2d sinθ (Bragg kanunu)
Difraksiyon - gelen ve dağılan ışınlar
θθ
NGelen ve dağılan ışınları N ayırır.
gelen ışın açısı = dağılan ışın açısı
Bragg yansıması nλ= 2d sinθ
• λ (X ışınının dalga boyu)• θ (Yansıma açısı)• d (Kafes düzlemleri arası mesafe)
Difraksiyon – yansıyan veya yansımayan
Bir kristal için, X ışını sadece kristal doğru yönlenmişse yansır.
λ
λ
2θ
2θ
Yansıma yok
Yansıma var
Kristalitlerin yönlenmeleri
Tek bir kristal
Rastgele yönlenme
Tercihli yönlenme
Tek kristal ve tozlar
Tek kristal ve tozlar
Debye halkaları(tozlar)
Rastgele yönlenme
2D ve 1D XRPD: gümüş numunesi
2θ
2D
1D
2D X ışınları toz kırınımı
2θ
Toz difraktometreleri
Klasik toz difraktometre kurulumu – BraggBrentano
X-ray tübü
Soller slit Soller slit
Anti-scatterslit
Receiving slit
Monokramatör
Divergence slit
Numune tutucu
Mask
Point Detector
Gonyometre
Modern toz difraktometre kurulumu – BraggBrentano
X-ray tübü
Soller slit
Soller slit
Anti-scatter slit
β filtresi
Divergence slit
Numune tutucuMask
Line Detectors
Gonyometre
Modern toz difraktometre kurulumu – BraggBrentano
X ışınının yolundaki optik donanımlar
Bragg Brentano kurulumu
N
▪ Numunenin yüzeyinde N doğrusu gelen ve giden ışınları ayırır.▪ X ışını tübü ve dedektör, aynı anda aynı mesafe ile yukarıya doğru dairesel
biçimde hareket ederler → Focusing circle (Rowland circle)▪ Gelen ışının açısı (ω) ve giden ışının açısı (θ) eşit olmak zorundadır▪ Optimum çözünürlük
X ışınının yolu
Giden ışın:▪ Receiving slit▪ Soller slit▪ Anti-scatter slit▪ Mask
▪ β filtresi▪ Monokramatör
Gelen ışın:• X-ray tübü• Soller slit• Divergence slit• Mask• inc. Anti-scatter slit• β filtresi• Monokramatör
X-ray tübü
X-ray tübü (ve receiving slit):→Cihaz çözünürlüğünü belirler
X-ray tübü
Divergence slit & Anti-scatter slit
Divergence slit & anti-scatter slit:→Divergence slit, x ışınlarının numune üzerinde ne kadar alana gidiceğini belirler→ Anti-scatter slit, dedektörün ne kadar x ışını gözlemleyeceğini belirler
anti-scatter slit
divergence slit
Divergence slit
Tube focus µNumune
Işınlanmış mesafe
β
Programlanabilir divergence slitin prensibi
Giden ışın ve anti-scatter slitler
Polikristalin numune
Line detector
X-ray tübü(Line
Focus)
Tarama yönü
Divergence slit & Anti-scatter slit▪ Divergence slit, numune üzerindeki ışınlanmış mesafeyi belirler
▪ Intensity üzerinde büyük etki yapar▪ Çözünürlük üzerinde az etki yapar
▪ Anti-scatter slit, dedektörünne kadar x ışını gözlemleyeceğini belirler▪ Backgroundu azaltır▪ Pik-background oranını fazla etkiler▪ İdeal olarak ışınlanmış mesafe gözlemlenen mesafeye eşittir
PDS PASS
Divergence slit & Anti-scatter slit
▪ Programlanabilir Divergence Slit (PDS)▪ Sabit mod (4, 2, 1, ½, ¼, 1/8, 1/16, 1/32º)▪ Otomatik mod (mm cinsinden ışınlanmış uzunluk)
▪ Programlanabilir Anti-Scatter Slit (PASS)▪ Sabit mod (4, 2, 1, ½, ¼, 1/8, 1/16, 1/32º)▪ Otomatik mod (mm cinsinden gözlemlenen uzunluk)▪ Takip modu (reflektivite için receiving slit ile eşleşme)
Sabit anti-scatter slitleri (gelen ışın)
0.1 mm slit hizalama amacıyla kullanılır.
Divergence slit boyutu1/32º
1/16º1/8º¼º½º1º2º4º
Anti-scatter slit boyutu5 mm (5.7)5 mm (5.7)5 mm (5.7)5 mm (5.7)5.5 mm6.6 mm8.7 mm 13 mm
(6.4)(7.7)(10.4)(15.8)
Divergence slit & Anti-scatter slit
Divergence slit açısınındeğişiminin pik şekli ve şiddetiüzerinde etkisi
Divergence slit & Anti-scatter slit
Sabit divergence slit Sabit ışınlanmış uzunluk
düşük 2θ açıları düşük 2θ açıları
yüksek 2θ açıları yüksek 2θ açıları
Divergence slit & Anti-scatter slit
▪ Başlangıç açısına ve numunenin boyutuna bağlı olarak divergence slit açısı seçilir.▪ Daha küçük açılı bir divergence slit numune üzerinde daha az aydınlık ve daha az şiddetli pik verir.
Işınlanmış uzunluk vs. 2θ açıları
Divergence slit boyutunun aşırı ışınlanma üzerindeki etkisi
0
2000
4000
Counts
10 20Position [°2θ]
30
1 deg divergence¼ deg divergence factor 3.75!
factor 1.47!
20 mm uzunluk
İpucu:Işınlanmış uzunluğu data toplayıcıdan gözlemleyebilirsiniz.
Programlanabilir slitler ve lineer dedektör
0
Counts
22500
Position [°2θ]10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
10 mm sabit uzunluk1/2 açılı divergence’ye dönüştürülmüşDirek ½ açılı divergence ile ölçülmüş
10000Düşük açılarda
daha iyi background
2500
Yüksek açılardadaha az dalgalanma
Square-root scale!
Numune:SRM 640cSi tozu;5 dakkalık tarama
Anti-scatter slit (gelen ışın)
Polikristalin numunesi
Line detectorScan direction
Line focus
Divergenceslitin
uçlarındaki dağılma
Anti-scatter slit (gelen ışın)
▪ Numune üzerinde aşırı ışınlanma olmaması içindivergence slitin açısını tanımlar.
▪ Şunları dikkate alır:▪ Numunenizin boyutu▪ Deneyinizin başlangıç açısı
▪ Gelen ışın kısmındaki anti-scatter slit geneldedivergence slitin 2 katı olucak şekilde seçilir:
½° divergence slit → 1° anti-scatter slit¼ ° divergence slit → ½° anti-scatter slit
Soller slit
Soller slit eksen çeşitliliğini azaltır→Pik asimetrisini ve ışın genişliğini azaltır
diffr. soller slit
inc. soller slit
Soller slit
▪ Soller slitler difraksiyon düzleminde büyük miktarda paralel levhalar içerir.
▪ Soller slitler gelen ve giden x ışınların difraksiyon düzleminden dışarıya saçılmasını engeller: 0.01, 0.02, 0.04 and 0.08 rad.▪ Intensitylerde büyük efekt▪ Çözünürlükte normal efekt (düşük ve yüksek 2θ)
▪ Soller slitler, gelen ve giden ışın kısımlarında aynı boyutta yerleştirilirse iyi bir ölçüm olur.
Soller slit
Maske
Maske→Numune üzerindeki ışınlanmış genişliği limitler
Beam mask
β filtresi
β filtresi için mümkün yerler
β filtresi (veya monokramatör):→ İstenmeyen radyasyonu kaldırır
β filtresi
▪ β filtresi, Kβ ve sürekli radyasyon gibi istenmeyen dalga uzunluklarını kaldırır, ama başka bir şekilde çalışır
▪ β filtresi tercihen radyasyonu absorplar
Eğer X ışınlarının enerjisi gereken enerjidenyüksekse, X ışınları β filtresinde şiddetliceabsorplanır.
β filtresi
▪ Absorban bir malzemeyi Kα ve Kβ arasında filtre olarak kullanın.
Örnek olarak:Cu-radyasyonu Kα = 1.542 Å
Kβ = 1.387 ÅNi filtresi Niabs.edge = 1.488Å
▪ Intensity Cu Kα : 50 %▪ Intensity Cu Kβ : 1%
β filtresi
▪ β filtrelerinin yerleri▪ Genelde giden ışın kısmında▪ Numune fazla β filtre malzemesi içermediği zaman gelen ışın
kısmında (e.g. Ni, Cu radyasyonu ile ve Fe, Co radyasyonu ile)
▪ β filtresi monokramatörle karşılaştırıldığında▪ Daha fazla background ama daha az Kα azalması
Thumb kuralları - β filtreleri
Dedektör
Dedektörler:→ Kırınım sinyallerini okur
Dedektör
Dedektör türleri
▪ Gaz ile dolu uygun dedektörler
▪ Işıldayan dedektörler
▪ X’Celerator
▪ PIXcel1D
▪ PIXcel3D
▪ PIXcel3D 2x2
PSD vs. 0D uygun dedektörler
Polikristal numunesi
Klasik geometri (Bragg-Brentano)
Line focus
Tarama yönüTarama yönü
Bir zamanda yalnızca tek bir nokta ölçülür
Point detector
PSD vs. 0D uygun dedektörler
PSD
Line focus
Tarama yönü
1D modda tarama
Tarama yönü
Polikristal numunesi
PSD vs. 0D uygun dedektörler
Line focus
Ölçüm yönü PSD
Polikristal numunesi
1D modda tarama
Ölçüm yönü
PSD vs. 0D uygun dedektörler
Polikristal numunesi
Line focus
Ölçüm yönüÖlçüm yönü PSD
1D modda tarama
X-ray diffraction (XRD) sistemleri
GSM: 549 745 30 [email protected]
Daha fazlası için: http://atomikateknik.com/aplikasyon/bilgi-merkezi/