کاربرد پراش پرتو ایکس

تعداد بازدید: 1779
چهارشنبه 03 دي 1393

کاربرد پراش پرتو ایکس

کاربرد پراش پرتو ایکس (Application of X-ray Diffraction) تنها به شناسایی مواد محدود نمی شود. شناسایی مواد و تعیین ساختار بلوری به کمک پراش پرتو ایکس مهم ترین کاربرد پراش پرتو ایکس در حوزه علم مواد است. به طور کلی کاربرد های پراش پرتو ایکس عبارتند از:

1- شناسایی مواد

2- تعیین اندازه ذرات

3- تعیین ثابت شبکه

4- پراش سنجی دما بالا

5- اندازه گیری تنش باقی مانده

6- آنالیز کمی

شناسایی مواد با پراش پرتو ایکس

الگوی پرتو ایکس هر ترکیب، منحصر به فرد است. در آزمایش پراش‌ سنجی، هدف اصلی تعیین زاویه‌ های مربوط به هر پیک و سپس مشخص کردن فاصله صفحه‌ های اتمی (مقدار d) می‌ باشد. با در دست داشتن ارقام مربوط به d که با دست کم سه رقم پس از اعشار ارائه می‌ شود، می‌ توان با مراجعه به جدول‌ های مربوطه، ماده مجهول را شناسایی کرد. بنابراین نخستین گام پس از به دست آوردن الگوی پراش پرتو ایکس، تهیه جدولی است که در آن 2θ، d و شدت نسبی هر پیک مشخص شده باشد. مقدار d بر حسب آنگستروم است و با استفاده از رابطه براگ به دست می‌ آید. امروزه دستگاه‌ های پراش پرتو ایکس، مقدارهای d و 2θ را ارائه می‌ کنند و احتیاجی به محاسبه و اندازه‌گیری آن‌ ها از روی الگوی پراش نیست. شدت نسبی (I/Io) که به صورت ارتفاع هر پیک نسبت به بلندترین پیک تعریف می‌ شود، با در نظر گرفتن رقم 100 برای بلندترین پیک، به سادگی تعیین خواهد شد. برای تعیین نوع فاز ها و یا کانی‌ های موجود در نمونه مجهول، معمول‌ ترین روش، مقایسه اطلاعات به‌ دست آمده در جدول‌ های موجود با اطلاعات داده شده در کارت مربوط به آن ماده می‌ باشد. برای هر ترکیب شیمیایی یا کانی با ساختار بلوری مشخص، یک کارت استاندارد وجود دارد. نمونه ای از این کارت در شکل روبرو نمایش داده شده است.

 

نمونه‌ ای از کارت استاندارد پراش‌سنجی

این کارت ها PDF یا Powder diffraction File و یا JCPD یا Joint Committee for Powder Diffraction نامیده می شوند. مهم ترین اطلاعات، ارقام مربوط مربوط به سه پیک قوی در الگوست که در سمت بالا و چپ کارت مشخص شده‌اند. نمودار راهنمای استفاده از کارت پراش سنجی در شکل زیر نمایش داده شده است.

 نمودار راهنمای استفاده از کارت پراش سنجی

اگر این d ها با اطلاعات تعیین شده در آزمایش مورد نظر، همخوانی داشته باشد، می‌ توان بقیه d ها را برای قضاوت نهایی مقایسه کرد. اما اگر این d ها با اطلاعات به دست آمده از پراش‌ سنجی، همخوانی نداشته باشد، باید کارت ترکیب دیگری را بررسی کرد. در عمل، لازم نیست برای مقایسه ابتدایی از کارت‌ های پراش‌ سنجی استفاده کرد. برای سرعت عمل بیشتر، باید ابتدا از جدول‌ های موجود در کتاب‌ های پراش‌ سنجی استفاده شود. این جدول‌ ها برحسب حروف الفبا تنظیم شده و هشت d مربوط به هر ترکیب را می‌ توان به سرعت پیدا کرد. علاوه بر ارقام مربوط به d، اطلاعات مربوط به شدت‌ های نسبی نیز به صورت اندیس، همراه با این ارقام آورده شده است. روش تعیین فاز به کمک پراش‌ سنجی، یک روش تجربی است. به این ترتیب که پس از تعیین d ها و شدت‌ های نسبی، پس از آزمایش پراش‌ سنجی، باید آن‌ ها را با d ها و شدت‌ های یک ترکیب حدسی مقایسه کرد. به همین ترتیب، به روش حدس و مقایسه می‌ توان فاز های مربوط را مشخص نمود. اگر نمونه مجهول، دارای فاز ها یا ترکیب‌های زیاد (به عنوان مثال بیش از 5 فاز یا ترکیب) باشد به علت تداخل پیک‌ های مربوط به فاز ها، شناسایی فازی با اطمینان بالا همراه نخواهد بود. به ویژه برای فاز هایی که مقدار آن‌ ها در نمونه مجهول کم است (کمتر از 10 درصد وزنی) این مشکل در مقایسه با d های اندازه‌گیری شده با آنچه در کارت استاندارد وجود دارد نمود بیشتری خواهد داشت.

از جمله عوامل مؤثر بر مقدار d، درجه تبلور و حضور ناخالصی‌ ها است. آنچه در کارت‌ های استاندارد، به عنوان d ارائه می‌ شود، به نمونه‌ های تهیه شده در شرایط آرمانی تعلق داشته و بنابراین نمی‌ توان هم خوانی کاملی را با d های اندازه‌گیری شده توسط پراش‌ سنجی انتظار داشت. تهیه این نمونه‌ ها با مواد اولیه خالص، حرارت دادن طولانی در شرایط کنترل‌ شده و تعادلی بوده است. بنابراین تبلور و تشکیل ساختار کامل‌ تری را باید برای آن‌ ها انتظار داشت.

تاکنون بحث اصلی در شناسایی مواد به روش XRD، بر اساس مقدار d استوار بوده و به شدت پیک اشاره نشده است. از شدت‌ های نسبی پیک‌ ها می‌ توان وقتی که همخوانی d ها رضایت‌ بخش نبوده و یا شناسایی ترکیب‌ ها ساده نیست استفاده کرد. در این گونه موارد، مقایسه شدت‌ های ثبت شده در الگوی پرتو ایکس با آنچه در کارت پیش‌بینی شده است، می‌ تواند کمک بزرگی باشد. به ویژه زمانی که یکی از سه پیک اصلی یک فاز بر روی یک پیک از فاز دیگر افتاده باشد، قضاوت با اطمینان در مورد حضور آن فاز مشکل خواهد بود. در چنین حالتی، متفاوت بودن شدت آن پیک با آنچه در کارت استاندارد پیش‌بینی شده، راهنمای مناسبی برای تأیید فاز مورد نظر است. در مواردی که نمونه به طور کامل ناشناخته است، چون در عمل، مشخص نیست که d های الگوی اندازه‌گیری شده را باید با چه کارتی مقایسه کرد، تشخیص فاز های موجود در نمونه، کار مشکلی خواهد بود. گرچه این نوع شناسایی به ندرت پیش می‌ آید، در بیشتر مواقع با اطلاعات جانبی که از نمونه مجهول در دست است امکان مقایسه فراهم می‌ شود. برای این حالت نیز یک روش مقایسه‌ای وجود دارد، به این معنی که با مراجعه به کتاب‌های ویژه‌ای که در آن مقدار d مواد بسیاری با سیر کاهشی و یا افزایشی نشان داده شده‌اند امکان‌پذیر می‌باشد. در این روش با در دست داشتن d های مربوط به سه پیک، به روش جستجو و تطابق مناسب در جداول کتاب، می‌توان فاز با ترکیب مورد نظر را مشخص نمود.

اگر نمونه مجهول، فقط یک فاز داشته باشد، تعیین آن به این روش آسان است ولی در صورتی که دارای بیش از 3 فاز باشد، شناسایی آن بسیار مشکل خواهد بود. علت این است که ردیف جدول‌ ها در این کتاب‌ ها برحسب d های یک ترکیب تنظیم شده و زمانی که تعداد فاز ها زیاد باشد به راحتی نمی‌ توان سه d مربوط به یک فاز را از مجموعه d ها انتخاب کرد. امروزه استفاده از نرم‌ افزار های کامپیوتری، فرآیند مقایسه d ها و شناسایی فازی را سرعت بخشیده‌اند. بیشتر دستگاه‌ ها، به قسمت جستجو مجهز بوده و بنابراین با وارد کردن d های اندازه‌گیری شده، نوع فاز ها را می‌ توان مشخص کرد. البته نتیجه‌ ای که از این نرم‌ افزار ها به دست می‌ آید همراه با خطاست. نکته اول آن که، با خطای جزیی که در اندازه‌ گیری d وجود دارد، با توجه به این که دستگاه ارقام وارد شده به عنوان d را با هزاران ماده مقایسه می‌ کند، امکان اشتباه زیاد است و گاه مشاهده می‌ شود که فاز مورد نظر را بسیار اشتباه پیشنهاد می‌ کند. دوم آن که زمانی که نمونه مجهول، دارای چند فاز است، چون دستگاه قادر به تفکیک d های مربوط به هر فاز نیست، در تشخیص ترکیب‌ های موجود، علاوه بر فاز های واقعی، ترکیب‌ های دیگری را نیز پیشنهاد خواهد کرد. به این ترتیب استفاده از نرم‌ افزار های جستجوی کامپیوتری مفیدند ولی باید با احتیاط انجام شود. یکی از مهم ترین نرم افزار های موجود در این زمینه Xpert Highscore Plus است.

تعیین اندازه ذرات با پراش پرتو ایکس

در روش پراش‌ سنجی، پهن شدن پیک یک ماده به کاهش اندازه ذرات آن وابسته بوده که به رابطه شرر معروف است. بنابراین می‌ توان اندازه ذرات یک ماده را با این روش مشخص کرد. رابطه شرر به صورت زیر است:

در این رابطه، t اندازه ذره، B عرض پیک در نصف شدت بیشینه، λ طول موج پرتو ایکس و θB زاویه براگ مربوط به پیک ناشی از پراش است. در این رابطه B برحسب رادیان است و برای اندازه‌گیری آن باید یک ماده استاندارد را با ماده مورد نظر مخلوط و پیک‌ های آن‌ ها را با هم مقایسه کرد. در این حالت می‌توان از رابطه B2=B2M-B2S استفاده کرد که در آن BM و BS به ترتیب عرض پیک ماده و عرض پیک استاندارد در نصف شدت بیشینه هستند. در انتخاب ماده استاندارد باید دقت کرد که اندازه ذرات آن بزرگ‌ تر از 1000 آنگستروم باشد و دیگر آن که پیک اصلی آن به پیک اصلی نمونه مجهول، از نظر مقدار 2θ نزدیک باشد. استفاده از این روش برای تعیین اندازه ذره، وقتی امکان‌ پذیر است که اندازه ذرات کمتر از 1000 آنگستروم باشد. به عبارت دیگر، تغییر اندازه عرض پیک، به ازای تغییر اندازه ذره، برای ذرات بزرگ‌ تر از 1000 آنگستروم، در عمل به اندازه‌ ای کوچک است که حساسیت لازم وجود ندارد. از آنجا که بسیاری از روش‌ های دیگر تعیین اندازه ذرات پودر (مانند روش لیزر و روش ته‌ نشینی) برای اندازه ذرات بزرگ‌تر از 1000 آنگستروم به کار می‌ روند، روش شرر می‌ تواند برای اندازه‌ گیری ذرات کوچک‌ تر استفاده شود.

تعیین ثابت شبکه با پراش پرتو ایکس

تعیین ثابت شبکه در علم مواد اهمیت زیاد دارد. به عنوان مثال، می‌توان با اندازه‌ گیری آن درباره حلالیت یک ماده در ساختار بلورین ترکیب دیگر، قضاوت کرد. همچنین با اندازه‌گیری ثابت شبکه در دما های گوناگون، می‌توان ضریب انبساط حرارتی ماده را تعیین نمود. از آنجا که در هر ساختار بلورین، فاصله بین صفحه‌ های بلوری (d) و ثابت شبکه (a) روابط مشخصی وجود دارد، با اندازه‌گیری دقیق d، مقدار a تعیین خواهد شد. شاید گمان شود که چون در کار پراش‌ سنجی، مقدار d را می‌توان تعیین کرد، پس مقدار a هم قابل تعیین است. واقعیت این است که در کار روزانه شناسایی فازی و تعیین مقدار های مربوط به d که از روی زاویه‌ های 2θ مربوط به دست می‌ آیند، این کار با دقت خیلی بالا که برای تعیین ثابت شبکه مورد نظر است انجام نمی‌ شود. بنابراین وقتی در کار پراش‌ سنجی، هدف اندازه‌گیری مقدار a است، مشکل اصلی تعیین دقیق مقدار θ یا d است. طبق رابطه براگ تعیین دقیق مقدار d بیشتر از آن که وابسته به تعیین دقیق مقدار θ باشد به تعیین دقیق sinθ وابسته است. خطای تعیین مقدار sinθ در زاویه‌ های بزرگ‌ تر و به ویژه نزدیک به 90 درجه، بسیار کمتر از زاویه‌ های کوچک است. پس اگر بتوان از زاویه‌ های بزرگ (پیک‌ های موجود در 2θ های بالا) استفاده کرد، دقت کار بیشتر خواهد شد. برای تعیین دقیق مقدار 2θ توسط دستگاه پراش‌ سنج، باید سرعت چرخش نمونه بسیار کم (به عنوان مثال 0.1 درجه بر دقیقه) و سرعت حرکت کاغذ سیستم ثبت‌کننده، زیاد (به عنوان مثال 50 سانتی‌متر بر دقیقه) انتخاب شود تا پیک مورد نظر در گستره وسیعی از 2θ قرار بگیرد.

پراش سنجی دما بالا

مطالعه دگرگونی فازی به هنگام گرمایش نمونه، در بسیاری از شاخه‌ های علم مواد نیاز است و پراش سنجی دما بالا در این حالت بسیار کمک‌ کننده است. در حالت معمولی، برای مطالعه دگرگونی فازی، پس از گرمایش نمونه در دما های گوناگون، آن را سرد کرده و با آزمایش پراش سنجی در دمای اطاق، دگرگونی فازی را در آن بررسی می‌ کنند. در این حالت همواره این تردید وجود دارد که شاید به هنگام سرمایش، نمونه دچار دگرگونی فازی شده باشد و بنابراین قضاوت درباره فاز های موجود در دمای بالا را مخدوش می‌ کند. در پراش سنجی دما بالا، چون کار مطالعه فازی در دما هایی انجام می‌ شود که دگرگونی فازی پدید می‌ آید، اطلاعات واقعی و دقیق‌ تری از وضعیت فاز های موجود به دست خواهد آمد. در این روش، در حالی که نمونه توسط یک کوره کوچک که بر روی دایره پراش سنج قرار دارد، گرم می‌ شود، الگو های پراش پرتو ایکس در دما های گوناگون ثبت خواهد شد. مشکل اصلی مطالعه مواد به کمک پراش سنجی دما بالا، دست و پا گیر بودن اجزای جانبی آن یعنی کوره است که روی دایره پراش سنج قرار می‌ گیرد. این اجزای جانبی، محدوده چرخش 2θ را کم می‌ کنند. همچنین باید به وجود قسمت گردش آب، قسمت جریان برق کوره، ذوب شدن نمونه و واکنش آن با جا نمونه‌ای نیز اشاره کرد که کاربرد پراش سنجی دما بالا را محدود می‌ کند.

اندازه گیری تنش باقی مانده در نمونه با پراش پرتو ایکس

به کمک روش XRD می‌ توان تنش باقیمانده را در یک ماده بررسی کرد. اساس این روش، تغییر فاصله صفحه‌ های بلورین ماده به دلیل وجود تنش است که باعث جا به‌ جایی محل پیک‌ ها می‌ شود. اگر در ماده بدون تنش، فاصله صفحه‌ های بلورین do باشد، موقعیت پیک در زاویه 2θ خواهد بود. حال اگر صفحه‌ های اتمی تحت تنش باشند، برحسب این که تنش فشاری باشد یا کششی، باید فاصله آن‌ ها کمتر یا بیشتر از do شده و بنابراین موقعیت پیک از 2θ ابتدایی تغییر می‌کند. اگر صفحه‌ های اتمی، تحت تنش خمشی قرار بگیرند، از آنجا که این صفحه‌ ها از یک طرف تحت تنش کششی هستند، فاصله‌ای بیشتر از do و در طرف دیگر که تحت تنش فشاری می‌باشند، فاصله‌ ای کمتر از do دارند، بنابراین در الگوی پراش پرتو ایکس این ماده یک پیک پهن به وجود می‌ آید.

آنالیز کمی با پراش پرتو ایکس

از آنجا که شدت پیک در الگوی پراش پرتو ایکس، متناسب با مقدار فازهای موجود در نمونه است، می‌ توان به کمک این روش، آنالیز کمی نیز انجام داد. به عبارت دیگر نه تنها می‌ توان نوع فاز ها را مشخص کرد، بلکه امکان تعیین مقدار آن‌ ها نیز وجود دارد. ولی با توجه به مشکلات زیاد و تقریبی بودن آن، کمتر از روش XRD استفاده می‌ شود. بدیهی است که شدت پیک‌ ها که شدت پرتو پراشیده را نشان می‌ دهند، علاوه بر مقدار فاز به عوامل دیگری نیز وابسته است. شدت پرتو ابتدایی، توسط شدت جریان لوله پدید آورنده پرتو ایکس و ولتاژ اعمالی تعیین می‌شود، بنابراین باید به آن‌ ها توجه کرد. از طرف دیگر اندازه ذرات، نوع فازهای موجود در زمینه، حساسیت آشکارساز و همچنین سرعت چرخش نمونه، همگی بر ارتفاع پیک اثر دارند. بنابراین باید با ساخت نمونه‌های ویژه و یا استفاده از مواد استاندارد، این اثرات را تصحیح نمود.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

فرهاد گلستانی فرد ، روش های شناسایی و آنالیز مواد ، انتشارت دانشگاه علم و صنعت ، 1383.

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

 

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

کاربرد پراش پرتو ایکس
کاربرد پراش پرتو x
کاربرد پراش اشعه ایکس
کاربرد پراش اشعه x
برچسب ها: پرتو ایکسپراش پرتو ایکسروش های شناسایی و آنالیز مواد
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97   ...بیشتر
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی ساختمان و صنایع سرمایشی و گرمایشی مشهد 97
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی ساختمان و تاسیسات سرمایشی گرمایشی مشهد 97 &n ...بیشتر
بازديد دكتر خدابخش استاندار اذربايجان شرقی از مجتمع تجاری رفاهی باراما، گلزار شهدای شهر سهند، روستای تاريخی كندوان
بازديد دكتر خدابخش استاندار اذربايجان شرقی از مجتمع تجاری رفاهی باراما، گلزار شه ...بیشتر
تقویم نمایشگاه های بین المللی سال 1397
نمایشگاه به عنوان يكی از مهمترين بخش های تجاری و اقتصادی ایران با بهره مندی از ف ...بیشتر
بیست و سومین نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران 97
بیست و سومین نمایشگاه بین المللی نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی تهران 97   ...بیشتر
بیست و یکمین دوره نمایشگاه بین المللی حرارتی، برودتی و سیستم های تهویه تبریز 97
بیست و یکمین دوره نمایشگاه بین المللی حرارتی، برودتی و سیستم های تهویه تبریز 97 ...بیشتر
هفدهمین همایش روز ملی حمایت از حقوق مصرف کنندگان
  درباره همایش با توجه به تغییر و تحولات هر کشوری در مسیر توسعه ا ...بیشتر
دریافت لوح تقدیر هفدهمین همایش روز ملی حمایت از حقوق مصرف کنندگان
پاکمن مفتخر به دریافت لوح تقدیر و گواهینامه هفدهمین همایش روز ملی حمایت از حقوق ...بیشتر
هشتمین دوره نمایشگاه ساختمان، برق، تاسیسات آب و فاضلاب اردبیل 96
عنوان: نمایشگاه ساختمان، برق، تاسیسات آب و فاضلاب اردبیل 96 شهر:  ...بیشتر
سومین کنفرانس ملی تهویه مطبوع و تاسیسات حرارتی و برودتی
عنوان: سومین کنفرانس ملی تهویه مطبوع و تاسیسات حرارتی و برودتی شهر: ق ...بیشتر
اولین نیروگاه خورشیدی یزد به بهره برداری رسید
اولین نیروگاه خورشیدی استان یزد با حضور اسحاق جهانگیری معاون اول رییس جمهور و جم ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر