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 07envercan@atomikateknik.com

Daha fazlası için: http://atomikateknik.com/aplikasyon/bilgi-merkezi/