Kĩ thuật phân tích vật liệu rắn - Tia X

Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được khoảng 1 mm trong khi khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể vào khoảng vài A.Bước sóng của tia X : ~ vài , chục A... Một số electron bị hãm

Phaàn 2

Một cách trực tiếp nhất để biết dạng của các vật thể là

nhìn chúng

Nếu chúng quá nhỏ ta dùng kính hiển vi Tuy nhiên với

kính hiển vi thông thường có một giới hạn khi nhìn các vật nhỏ

Giới hạn đó ( “ giới hạn nhiễu xạ “ ) làm cho ta không

thể thấy các vật có kích thước rất nhỏ hơn bước sóng được dùng để nhìn chúng Bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được khoảng 1 mm trong khi khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể vào khoảng vài A.Bước sóng của tia X : ~ vài , chục A

Ta có thể dùng các loại sóng khác có bước sóng nằm trong khoảng vài Ao đến vài chục Ao.

Từ Cơ học lượng tử : các hạt có bản chất sóng Hạt chuyển động càng nhanh thì bước sóng càng ngắn Hai loại hạt có thể gia tốc đến vận tốc đủ tạo ra

sóng có bước sóng ngắn đó là : nơtron và electron.

Không thể phân biệt được các chi tiết bé hơn bước sóng của bức xạ mà ta dùng để quan sát chúng Khoảng cách của các nguyên tử trong tinh thể chỉ vào khoảng Å

Muốn quan sát được cấu trúc bên trong tinh thể cần dùng những bức xạ có

bước sóng cỡ Å

) eV ( E

28 , 0 ) eV ( E

28 , 0

,

keV E

4 12

)(

,

eV E

280

)

(eV

E

12

Khối lượng nơtron = 1,675x10-27 kg

Bước sóng điển hình 1- 0,01 nm

Vận tốc điển hình 400 – 40000 ms-1

Năng lượng điển hình 0,8 – 8000 meV

Nhiệt độ điển hình 9 – 90000 K (nơtron nhiệt )

Nơtron

Tính chất của tia X

Tia X là sóng điện từ với

bước sóng λ vào khoảng vài

Ao (= 0,1 nm), nằm giữa

bước sóng của tia γ và ánh

Tia X

Tia X được sinh ra khi một hạt tích điện ( thường là electron ) với năng lượng đủ lớn bị hãm đột ngột

Thiết bị phát tia X gồàm có sợi đốt phát xạ electron Các

electron này được gia tốc trong điện trường cao đến đập vào bia kim loại ( đóng vai trò anôt )

Hệ phát tia X có anod cố định

Máy có giá không cao

• * Cường độ thấp

• * Phổ trắng và vạch

• * Bộ phận đơn sắc hóa

Oáng tia X hoạt động với thế hiệu điển hình 30 kV có thể gia tốc electron đến vận tốc chừng 1/ 3 vận tốc ánh sáng Phổ tia X có dạng phổ liên tục trên đó có 1 số đỉnh khi electron được gia tốc đủ lớn:

Sự phụ thuộc của phổ tia X của Mo vào thế hiệu

Đặc trưng

Các phổ ứng với thế hiệu đến 20

kV chỉ chứa bức xạ liên tục hay

trắng Cường độ bằng 0 cho đến

một bước sóng tối thiểu nào đó,

λmin , tăng nhanh đến cực đại và

giảm dần về phía bước sóng λ

dài

Phổ này phản ánh sự bức xạ từ

các electron bị chậm dần khi

chúng đập vào bia

gia tốc phát ra sóng điện từ Khi sự

gia tốc đủ lớn, bức xạ phát ra có

bước sóng ngắn nằm trong vùng tia

X.

Phổ tia X liên tục

Bước sóng (A)

Bức xạ Đặc trưng

λmin

Một số electron bị hãm khá

đột ngột ( các electron đập

vào hạt nhân hoặc bay

ngang rất gần chúng ) phần

lớn năng lượng của chúng

được chuyển thành photon

có năng lượng cao

Các electron khác lướt qua

các nguyên tử của bia và

giảm tốc độ từ từ, bức xạ ra

các photon có năng lượng

thấp hơn

Phổ tia X liên tục

Với đơn vị thường được dùng trong thực tế :

trong đó V là thế hiệu gia tốc các electron

Giới hạn bước sóng ngắn được quy định bởi các electron dừng lại sau một lần va chạm, khi đó toàn bộ năng lượng của chúng được chuyển đổi thành năng lượng photon :

min

hc

mv eV

Cường độ của bức xạ trắng, Iwh , phụ thuộc vào thế hiệu V, dòng i chạy qua ống tia X và nguyên tử số Z của bia :

A là một hằng số và m ~ 2.

Aûnh hưởng của dòng i (mA), thế

gia tốc V (keV) và nguyên tử số

Z của bia lên phổ liên tục

Phổ tia X liên tục

Các đỉnh trên phổ tia X được

gọi là các vạch đặc trưng , tạo nên phổ đặc trưng của

vật liệu làm bia

Với molybdenum, chúng chỉ xuất hiện

khi V > 20 kV

Khi V tăng, cường độ của các vạch tăng

nhưng vị trí của chúng không thay đổi.

Bức xạ

Đặc trưng

Phổ Mo ở 35 kV

Phổ đặc trưng

Các vạch đặc trưng được sinh ra khi một electron bị bắn ra khỏi các quỹ đạo trong của nguyên tử trong bia

Các electron ở quỹ đạo ngoài chuyển xuống các quỹ đạo trong và bức xạ photon đặc trưng có năng lượng bằng hiệu năng lượng của các quỹ đạo đầu và cuối:

Phổ đặc trưng

Số lượng tử

Các vạch Kα và Kβ xuất hiện khi một

chỗ trống trên lớp vỏ K được lấp đầy bởi

1 electron từ các lớp vỏ L và M Thuận

lợi hơn chỗ trống được lấp đầy bởi

electron từ lớp vỏ L, nên đỉnh Kα lớn

hơn.

Nguyên nhân không xuất hiện các vạch

đặc trưng khi điện áp gia tốc nhỏ là các

electron đến không có đủ năng lượng để

đẩy electron ra khỏi nguyên tử của bia

Khi động năng của các electron bắn phá

đủ để ion hóa các nguyên tử thì quan sát

được các vạch đặc trưng Điện áp gia tốc

càng lớn thì cường độ của các vạch càng

mạnh.

Phổ đặc trưng

Cấu trúc tinh tế của các vạch đặc trưng

∆l = +1 ∆j = 0 , +1

Phổ đặc trưng

Mo : Ở 30 kV, các vạch K có

cường độ ~90 lần cường độ của bức xạ trắng ở bước sóng lân cận Độ rộng của vạch ~0,001 Ao ở vị trí có cường độ cực đại bằng ½

Cu : Phổ bức xạ của Cu với thế gia tốc 10 keV và 20 keV

Ở 10 keV, chỉ có các vạch L khá mạnh (Kαβ = 8.98 keV) (theo Kevex Corporation 1983)

Phổ vạch gồm một số nhóm đường ( dãy ) Các dãy đó có bước sóng và điều kiện tạo thành khác nhau

Với các yếu tố nặng có các dãy K, L, M và N Mỗi dãy gồm một số vạch có bước sóng xác định Dãy K có bước sóng ngắn nhất còn dãy N có bước sóng dài nhất

Ví dụ, với tungsten (W) có các dãy :

K với bước sóng 0,178 - 0,213 A0

L với bước sóng 1,025 - 1,675 A0

M với bước sóng 6,066 - 6,973 A0

Phổ đặc trưng

• Mỗi dãy xuất hiện chỉ khi thế hiệu gia tốc vượt qua một giá trị tới hạn Ukt nào đó, được gọi là thế hiệu kích thích :

 Tất cả các vạch của dãy K xuất hiện đồng thời khi V ≥ UK

 Dãy L xuất hiện với 3 giá trị của thế hiệu kích thích

UL.I , UL.II và UL.III

 Dãy M có 5 giá trị của thế kích thích

 Dãy N có 7 giá trị của thế kích thích

Phổ đặc trưng

Thế kích thích của các dãy sắp xếp theo thứ tự sau

UN < UM < UL < UK

Với W : U = 2,81 kV ; U = 12,1 kV và U = 69,3 kV

• Phổ bức xạ đặc trưng của các nguyên tố khác nhau giống nhau về cấu trúc

Để phân tích cấu trúc bằng tia X, người ta thường dùng dãy Kù có 4 vạch α1, α2, β1 và β2

Bước sóng của các vạch này sắp xếp theo thứ tự

λα2 > λα1 > λβ1 > λβ2

tố gần như nhau và bằng

Phổ đặc trưng

Bước sóng (Ao) của các vạch đặc trưng

của các nguyên tố Phổ đặc trưng

• Cường độ I của phổ đặc trưng tăng khi thế hiệu V đặt lên ống và cường độ dòng điện i qua ống tăng Thực nghiệm cho hệ thức

I = k i ( U - Ukt ) n

trong đó Ukt là thế kích thích của dãy,

n = 1,5 với dãy K và n = 2 với dãy L

Khi tăng thế hiệu trên ống rơn-ghen, cùng với sự tăng cường độ của các vạch, cường độ của phổ liên tục cũng tăng lên Vì vậy, trong thực tế khi phân tích cấu trúc, để tránh nền lớn trên các phim tia X, người ta dùng thế làm việc không vượt quá ( 3,5 ÷ 4,0 ) Ukt

Phổ đặc trưng

Định luật Moseley : hệ thức giữa tầàn số ν của các vạch đặc trưng và nguyên tử số Z

C và σ là các hằng số

Hệ thức Moseley giữa và Z cho 2 vạch đặc trưng

Phổ đặc trưng Định luật Moseley

ν

Dãy K : Dãy L :

Hệ thức Moseley giữa bước sóng và nguyên tử số cho các vạnh Kα1, Lα1 và Mα1 (theo Goldstein et al 1981)

Cường độ I của chùm tia X giảm theo hàm mũ e khi nó

đi quãng đường x xuyên qua vật chất:

I0 là cường độ ban đầu của chùm tia X

µ là hệ số hấp thụ dài, tỷ lệ với khối lượng riêng ρ của vật liệu , phụ thuộc mạnh vào bước sóng

Sự phụ thuộc vào bước sóng của năng

lượng photon tia X và của hệ số hấp

thụ khối của Ni.

Sự hấp thụ tia X

) Nang lượng tới hạn Wk để bứt electron vành K

Bờ hấp thụ

Sự gián đoạn đột ngột được gọi là bờ hấp thụ Ở hai bên bờ

hấp thụ, đường cong tuân theo phương trình dạng :

Phương trình này cho thấy bức xạ với bước sóng ngắn có độ

xuyên sâu lớn và được gọi là tia X cứng Các tia có bước sóng dài được gọi là tia mềm Sự hấp thụ của tia X khá mạnh : gần

½ cường độ tới bị hấp thụ khi xuyên qua lớp dày 25 mm tính từ mặt ngoài của một kim loại như Cu

Sự hấp thụ tia X

) / (cm2 g

ρ µ

Khi tia X được dùng để phân tích cấu trúc của tinh thể thuận lợi hơn là dùng bức xạ gần đơn sắc, đặc biệt chỉ dùng vạch KαDạng của đường hấp thụ trên hình sau cho phép loại trừ bước sóng không mong muốn

Sự hấp thụ tia X

) / (cm2 g

ρ µ

Có thể chọn vật liệu có bờ hấp thụ nằm giữa các vạch Kα và

Kβ của bia và do đó có thể làm giảm đáng kể cường độ tương đối của các vạch đó

Sự hấp thụ tia X

Phổ hấp thụ của Ni và phổ tia X của Cu

Cụ thể : Nếu tỷ số ban đầu Kβ / Kα ~1/ 9 , có thể giảm tỷ số

đó xuống ~1/ 500 trong khi chỉ làm giảm ½ cường độ của

vạch Kα

Phổ bức xạ của Cu ( a ) và (b ) phổ sau khi đi qua tấm lọc Ni

Đường chấm chấm là hệ số hấp thụ khối của Ni

• Tia X ion hóa các chất khí và làm huỳnh quang nhiều chất

 Khi chùm tia X tới có λKα < λKβ của chất được chiếu xạ sẽ có hiện tượng huỳnh quang

Ví dụ : nếu dọi bức xạ CuKα (λ = 1,5418 Ao ) vào Ni ( có λKβ

= 1,497 Ao ) thì Ni không bức xạ huỳnh quang nhưng nếu dọi vào Co ( có λKβ = 1,6207 Ao ) thì sẽ có bức xạ huỳnh quang cộng hưởng ký sinh Fe, Mn, Cr, V cũng bức xạ huỳnh quang khi dọi bức xạ CuKα

 Khi có huỳnh quang sẽ xuất hiện phông mạnh nên để nghiên cứu vật liệu sắt ta không nên dùng bức xạ tia X của

Cu để chụp phim mà dùng bức xạ tia CoKα ( λ = 1,7902 Ao ) hoặc FeK (λ = 1,7565 Ao)

Tác dụng ion hóa và huỳnh quang của tia X

Hết phần

2

Tiếp theo :

Sự nhiễu xạ tia X

bởi tinh thể chất rắn

• Chúng tôi đã dịch được một số chương của một số khóa học thuộc chương trình học liệu mở của hai trường đại học nổi tiếng thế giới MIT và Yale.

• Chi tiết xin xem tại:

• http://mientayvn.com/OCW/YALE/Ki_thuat_y_sinh.html