تحليل XRD

تحليل XRD

التعرف علی تحليل (XRD) مطيافية حيود الأشعة السينية

 مقدمة

 كما نعلم ، تعتمد الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد على المواد الخام المستخدمة بالإضافة إلى البنية المجهرية أو التركيب المجهري للمواد ، لذا فإن موضوع تحليل المواد وتحديدها له أهمية خاصة في هندسة المواد. في الوقت الحاضر ، يتم تحديد المواد وتحليلها بطرق مختلفة. إحدى هذه الطرق هي طريقة تحليل XRD ، والتي سنشرحها فيما يلي.

ما هي طريقة حيود XRD؟

الانعراج (Diffraction) هو ظاهرة تنتشر فيها الأشعة السينية بواسطة الذرات في بنية بلورية في اتجاهات مكانية محددة ، مما يؤدي إلى تضخيم بعضها البعض لإنتاج أشعة أقوى. هذه الظاهرة هي الطريقة المباشرة الوحيدة لتحديد تركيب الأطوار وهيكل المواد. يمكن استخدامه لتحديد الكمية العامة للبنية البلورية مثل ثابت الشبكة ، وهندسة الشبكة ، والتحديد النوعي للمواد غير المعروفة ، وتحديد المرحلة البلورية ، وتحديد حجم البلورة ، وإتجاه البلورة الواحدة ، والإضطراب ، والإجهاد ، وعيوب الشبكة ، إلخ. يستخدم على نطاق واسع في تحديد التركيب البلوري للمواد والمراحل في العينات المعدنية. في ما يلي ، سوف نتعرف على أساس عمل ومكونات محلل XRD.

أساس طريقة تحليل XRD

عندما تصطدم الأشعة السينية بذرة مادة ما ، فإن إلكتروناتها تنبه و تتأرجح ، ولأن الجسيمات المشحونة و المسرعة تصدر موجات كهرومغناطيسية بسرعة ، فإن هذه التذبذبات تبعث موجات جديدة وتشتت الأشعة السينية المدخلة حول الذرة.

تضخم الأشعة المتناثرة بعضها البعض إذا كانت في طور واحد (المسافة التي تقطعها الأشعة المبعثرة هي عدد صحيح مضاعف لطول موجة الأشعة السينية). خلاف ذلك ، تضعف الأشعة وتزيل بعضها البعض ويخلق الاختلاف في المسار الناتج اختلافًا في الطور. يعتمد تضخيم أو ضعف الأشعة ببعضها البعض على اختلاف الطور.

في المواد غير المتبلورة (Amorphous solid)، تضعف الأشعة بعضها البعض ولا تحدث ظاهرة الانعراج ، ولكن إذا تم وضع الذرات معًا على فترات منتظمة (مادة أن تکون بلورية) ، فإن الاختلاف في المسار هو مضاعف الطول الموجي للأشعة السينية وتحدث ظاهرة الحيود.

حيود XRD للألواح الذرية على مسافات d من بعضها البعض

مكونات جهاز حيود الأشعة السينية  XRD:

۱- مصدر الأشعة:

يتطلب تحليل XRD عادةً مصدر أشعة سينية أحادي الحزمة (مصباح إنتاج  الأشعة) ، والذي يستخدم أنابيب الأشعة السينية (x-ray tube) بالطرق الشائعة تتباعد الأشعة السينية بزاوية على العينة غير المعروفة ، ويتقارب الشعاع المتناثر بزاوية مع العينة ، بعد المرور عبر البصريات ، يدخل الكاشف.

۲- مقياس الحيود:

يوجد الكاشف وصمامات استقبال الحزمة الثانوية على الأجزاء الحاملة التي يمكن أن تدور حول محورها. الزاوية بين شعاع الإدخال للكاشف والحزمة الأولية ، وبالتالي النظام الحامل ، تدور على مسار معاير بضعف سرعة دوران العينة غير المعروفة.

يتم تحويل الحزمة المستلمة في الكاشف إلى تيار كهربائي متناسب. ثم يقوم نظام التثبيت برسم شدة الحزمة المبعثرة من حيث الزاوية. في النهاية ، ما يتم الحصول عليه من مقياس الحيود كنمط حيود هو التغيير في شدة الحزمة وفقًا للزاوية. هذا بسبب خاصية موجة الأشعة السينية والترتيب الدوري للبلورة. تعتمد زاوية القمم على المسافة بين الصفائح وتعتمد شدة القمم على ترتيب الذرات في الصفائح.

۳- البصریات:

يجب أن تمر الحزم المتناثرة ، قبل دخول الكاشف ، عبر الصمامات المعدنية التي تركز وتوجه الحزم الأولية والثانوية. من الضروري تصفية الأشعة السينية عند الخروج وقبل دخول الكاشف باستخدام مرشح حتى تصبح الأشعة السينية أحادية اللون ويتم إزالة الأشعة الفلورية المنبعثة من العينة التي تتداخل مع قياس الانعراج ولا تدخل الكاشف.

۴-الکاشف:

يتم وضع الكاشف وصمامات استقبال الحزمة الثانوية على الأجزاء الحاملة التي يمكن أن تدور حول محورها. الزاوية بين شعاع الإدخال للكاشف والحزمة الأولية هي نفسها ، وبالتالي فإن نظام الموجة الحاملة يدور على مسار متدرج بسرعة ضعف سرعة العينة غير المعروفة.

يتم تحويل الحزمة المستقبلة إلى تيار كهربائي متناسب في الكاشف. ثم يرسم نظام التثبيت التباين في شدة الحزمة المبعثرة كدالة للزاوية. ما يتم الحصول عليه في النهاية كنمط حيود من مقياس الحيود هو التغيير في شدة الحزمة اعتمادًا على الزاوية. يرتبط تفسير ذلك بالخصائص الموجية للأشعة السينية والترتيب الدوري للبلورة. تعتمد زاوية القمم على المسافة بين المستويات وتعتمد شدة القمم على ترتيب الذرات في المستويات.

نموذج المعلومات المسجلة من حيود

كشف المواد عن طريق حيود الأشعة السينية

الغرض الرئيسي من اختبار الانعراج هو تحديد زوايا كل قمة ثم تحديد مسافة الألواح الذرية (d).

نظرًا لحقيقة أن كل مركب له نمط فريد ، يمكن التعرف على المادة غير المعروفة من خلال الجداول ذات الصلة. لذلك ، فإن الخطوة الأولى بعد الحصول على نمط حيود XRD لمركب ما هي إعداد جدول يتم فيه تحديد d والشدة النسبية لكل قمة.

اليوم ، توفر أجهزة حيود XRD قيم d ، ولا تحتاج لطرق بها الأخطاء الحسابیة وقياسها من نمط الانعراج. لتحديد نوع المراحل أو المعادن في عينة غير معروفة ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا هي مقارنة المعلومات التي تم الحصول عليها من التجربة مع المعلومات الواردة في البطاقة القياسية لتلك المادة. (توجد بطاقة قياسية لكل مركب كيميائي أو معدني بهيكل بلوري محدد.)

وتجدر الإشارة إلى أنه من بين العوامل التي تؤثر على قيمة d ، ودرجة التبلور ووجود الشوائب ، من ناحية أخرى ، تنتمي البطاقات القياسية إلى العينات المعدة في ظروف مثالية. لذلك ، فإن ds المقاسة بطريقة الانعراج لا تتطابق تمامًا مع ds المسجلة على البطاقات القياسية. في هذه الحالة ، لفحص العينة غير المعروفة ، نقارن شدة القمة المسجلة مع شدة القمة للبطاقات القياسية ، وبالتالي نحدد مراحل العينة غير المعروفة.

تطبيقات تحليل XRD

• تحديد المرحلة: إن أبسط تطبيق لطريقة تحليل XRD هو تحديد المرحلة. كما ذكرنا سابقًا ، يحتوي موقع القمم (زاوية القمة وشدة القمة) على معلومات من العينة ، والتي يمكن استخدامها لتحديد التركيب الذري ومرحلة لوحات التشتيت ، وبالتالي معرفة نوع وبنية العينة.
• التبلور: نعلم أن البلورات ليست كاملة في أي مادة وأن المواد موجودة في مزيج من المواد البلورية وغير المتبلورة. في مخطط XRD ، تحتوي المواد غير المتبلورة على قمم واسعة والأشكال الكروية البلورية لها القمم العریضة. يمكن استخدام نسبة شدة هذه القمم لتحديد التبلور.

• قياس الكرات البلورية: يحتوي عرض القمم على معلومات من العينة. يعد حجم الكرة البلورية وmicro  strain(strain قصير المدى ناتج عن عيوب الشبكة) من العوامل الفعالة في عرض القمم. من الواضح أنه كلما زادت مساحة البلورة وصغر عيوب الشبكة ، كان عرض القمم أصغر. باستخدام العلاقات الموجودة وتحليل العينة ، يمكن فهم حجم الكرة البلورية.

• Tensor الإنبساط: لتحديد خصائص العينة كدالة لدرجة الحرارة أو الضغط ، يمكن أن تتعرض العينة لدرجة حرارة وضغط متحكم فيهما وفي نفس الوقت يمكن فحص معلومات حيود .XRD في هذه الحالة ، في XRD ، تتم إضافة معدات الحرارة أو الضغط المطلوبة وتتعرض العينة للحرارة أو الضغط أثناء الانعراج والفحص. يمكن تحديد Tensor الإنبساط عن طريق فحص العينة في زوايا وشروط مختلفة.
• تحليل النسیج: التوزيع غير العشوائي للألواح والتفضيل الاتجاهي المحدد في العينة يغير شدة القمم. يسمى هذا التوزيع غير العشوائي للصفحات نسيج. بمقارنة شدة القمم مع حالة عشوائية تمامًا ، يمكن تحقيق توزيع غير عشوائي للألواح. النسیج له تأثير كبير على الخواص الميكانيكية مثل التوتر والقوة.
• الإجهاد المتبقي: يعد تحليل XRD أحد الأساليب الأكثر استخدامًا لفحص الإجهاد المتبقي ، نظرًا لطبيعته غير المدمرة. يغير الإجهاد المتبقي تباعد الصفائح وبالتالي زاوية الانعراج. تأثير الضغط على زاوية الانعراج وعرض القمم. من خلال فحص وتحليل الرسم، يمكن تحديد الإجهاد المتبقي.

استنتاج

حيود XRD هو طريقة منخفضة التكلفة ومستخدمة على نطاق واسع بسبب مبادئها الفيزيائية البسيطة. يمكن أن تحدد المعلومات التي تم الحصول عليها من هذه الطريقة ، والتي تتضمن الزاوية القصوى لكثافة الإشعاع المتناثرة ، وشدة الإشعاع المتناثرة في كل زاوية ، والعرض الأقصى لكل حد أقصى ، مجموعة واسعة من خصائص وكميات البلورات ، مما يؤدي إلى العديد من تطبيقات XRD ..

من مزايا تحليل XRD عدم الحاجة إلى الفراغ مما يقلل من تكلفة التصنيع ويضعه في موقع متميز مقارنة بالتقنيات الإلكترونية. XRD هي أيضًا تقنية غير تلامسية وغير مدمرة ولا تتطلب تحضيرًا صعبًا.

تشير المزايا المذكورة والعديد من تطبيقات تحليل XRD إلى الحاجة إلى تعلم مهارة استخدام هذا الجهاز وتحليل البيانات التي تم الحصول عليها من هذه الطريقة لطلاب الهندسة وعلوم المواد من أجل تحديد وتقييم خصائص المواد وتقويتها.

مصدر:

كتاب طرق تحديد وتحليل المواد ، فرهاد كلستاني فرد

مقدمة في طرق تحليل المواد المتقدمة ، يانغ لانج

الإلمام بأساليب جديدة للتعرف على المواد وتحليلها ، وحيد أبويه المحرزي

جمیع التحلیلات