Rentgenografia

1. Co to jest promieniowanie fluorescencyjne, kiedy i jak powstaje?

Jest to promieniowanie charakterystyczne emitowane przez badany preparat. Jest zjawiskiem niekorzystnym - zwiększa poziom tła.

Powstaje wtedy, gdy energia kwantu bombardującego preparat osiągnie pewną wartość W_k, czyli gdy długość fali wiązki pierwotnej jest mniejsza od pewnej wartości krytycznej λ_K (bo W_K = hc/ λ_K). Kwant promieni rentgenowskich o energii W_k może wyrzucić elektron z powłoki K
i atom znajdzie się w stanie wzbudzonym. Wtedy jeden z zewnętrznych elektronów spadnie w lukę emitując energię w postaci promieniowania fluorescencyjnego.

2. Do czego służą filtry rtg, jaka jest ich zasada działania i sposób doboru?

Filtry służą do usuwania K_β i widma ciągłego (a dokładniej zmniejszenia ich natężenia w stosunku do natężenia linii K_α, bo nie można usunąć ich całkowicie). Są wykonane z materiału o krawędzi absorpcji K leżącej między długościami fal K_α i K_β materiału anody lamby (liczba atomowa Z filtru jest o 1 lub 2 mniejsza od Z anody).

Pogrubiając filtr zmniejszamy
w wiązce przechodzącej. Ponieważ filtrowanie nie jest zupełne i spadkowi
towarzyszy zmniejszenie natężenia K_α, w praktyce filtr dobiera się tak, aby natężenie K_α = ½ natężenia początkowego i
w wiązce przechodzącej.

3. Od czego zależy szerokość pików dyfrakcyjnych (wzór Scherrera)?

Szerokość pików B zależy od:

• t - grubości kryształu (zmniejsza się wraz z jej wzrostem)

• kąta 2Θ (szerokość zwiększa się wraz z jej wzrostem)

• długości fali λ (jw.)

4. Jak powstaje widmo ciągłe promieniowania rentgenowskiego?

Elektrony przyspieszone przez napięcie przyłożone między elektrodami lampy rentgenowskiej uderzają z wysoką energią w anodę. Ich gwałtownemu zahamowaniu towarzyszy wyzwalanie energii. Hamowanie nie jest jednakowe. Jedne elektrony tracą energię od razu, powodując powstanie fotonów o maksymalnej energii (E_max - powstałą fala ma minimalną długość λ_min), inne odchylają się od prostoliniowego biegu tracąc energie stopniowo na różnych atomach anody. Zakres tak powstałych fal, począwszy od λ_min, tworzy widmo ciągłe.

5. Jak powstaje widmo charakterystyczne promieniowania rentgenowskiego?

Gdy energia kwantu bombardującego anodę lampy osiągnie dostatecznie dużą energie kinetyczną, może wyrzucić elektron z powłoki K i atom znajdzie się w stanie wzbudzonym. Wtedy jeden z zewnętrznych elektronów spadnie w lukę emitując energię w postaci promieniowania charakterystycznego, przy czym wypełnienie luki przez elektron z powłoki sąsiedniej L jest bardziej prawdopodobne niż z M. Analogicznie powstają charakterystyczne linie od innych powłok.

6. Co to jest efektywna głębokość wnikania i od czego zależy jej wielkość?
   Jest to grubość x powierzchniowej warstwy materiału, z której pochodzi dowolnie ustalony, uznany za wystarczający, procent informacji (część G_x całkowitego natężenia ugiętego), np.: 95% czy 99%.

μ - współczynnik absorpcji

Wielkość x zależy więc od przyjętego G_x (rośnie z nim wykładniczo), kąta padania (rośnie wraz z nim), współczynnika absorpcji, czyli tym samym od rodzaju substancji, jej gęstości oraz długości fali promieni rentgenowskich (
)

7. Jakie znaczenie ma czynnik krotności płaszczyzn sieciowych p dla natężenia wiązki ugiętej i co on opisuje?

Jest jednym ze współczynników proporcjonalności we wzorze na natężenie wiązki ugiętej - natężenie rośnie wraz z jego wzrostem. Odpowiada liczbie rodzin płaszczyzn danego typu (mających jednakowe odległości międzypłaszczyznowe, ułożenie atomów). Np.: dla {100} układu regularnego p = 6 a dla {111} p = 8. Wartość p zależy od układu krystalograficznego, np.: dla {100} w układzie tetragonalnym p = 4, a nie 6 jak w regularnym.

8. Czy zmniejszenie długości fali promieniowania rentgenowskiego polepsza czy pogarsza rozdzielczość metody dyfrakcji i dlaczego?

Odpowiedź zależy od celu stosowania analizy rentgenowskiej. Zmniejszenie długości fali przesuwa położenie pików do mniejszych wartości kątów Θ. Dla mniejszych kątów piki są mniej rozmyte. Jednak przesuwając piki w niższy zakres kątowy można sprawić, że uzyskamy bardzo duże zagęszczenie pików które pogorszy rozdzielczość metody. Natomiast przy dokładnym wyznaczaniu odległości międzypłaszczyznowej należy dobrać długość fali tak, by pik którego d określamy znajdował się w zakresie bliskim kątowi 90°.

9. W jaki sposób możemy zmieniać ilość rejestrowanych pików dyfrakcyjnych danej fazy i po co to robimy?

Można zmieniać długość fali wybierając odpowiednią lampę - zmieniając λ zmieniamy położenie kątowe pików - oraz zmieniając zakres kątowy w jakim przeprowadza się analizę. Długość fali i zakres kątowy dopiera się zależnie od tego, po co badamy preparat, np:

• w analizie jakościowej zwiększamy ilość pików na dyfraktogramie, aby móc określić dokładniej obecność poszczególnych faz

• przy dokładnym wyznaczaniu odległości międzypłaszczyznowej „ustawić” analizowany pik blisko kata 90°

• w analizie ilościowej otrzymać piki których natężenie będzie można policzyć z małym błędem (mniej rozmyte) i tak, by jednocześnie wybrać piki leżące blisko siebie.

10. Jakie są kryteria doboru lamp rentgenowskich?

• głębokość preparatu z jakiej chcemy uzyskać informacje - im mniejsza λ tym grubsze warstwy,

• położenie kątowe pików - w zależności od doboru λ część pików można:

• usunąć z dyfraktogramu,

• przesunąć je do niższych kątów gdzie są mniej rozmyte

• przesunąć pik w położenie ~ 90° gdzie błąd wyznaczania d jest najmniejszy

• eliminacja promieniowania fluorescencyjnego - λ powinna być większa niż krawędź absorpcji K.

11. Co to są monochromatory krystaliczne? Opisz zasadę ich działania oraz cel stosowania.

Monochromator krystaliczny umożliwia uzyskanie monochromatycznej wiązki promieniowana X poprzez ugięcie wiązki pierwotnej na krysztale monochromatyzującym, wygiętym tak, że jego powierzchnia odbijająca jest równoległa do określonej płaszczyzny sieciowej o znanym d. Zastosowanie monochromatora zapobiega powstawaniu tła od promieniowania fluorescencyjnego i dyfrakcji widma ciągłego. Jednocześnie wiązka kierowana na preparat jest słabsza, więc czas rejestracji musi być znaczne wydłużony.

12. Co to jest tekstura i jaki jest jej wpływ na kształt dyfraktogramu?

Jest to występująca najczęściej w wyniku przeróbki plastycznej na zimno lub gorąco wyróżniona w stosunku do innych orientacja sieci krystalicznej kryształu. W trakcie przeróbki, ziarna dążą do tego, by zorientować się płaszczyznami łatwego poślizgu do kierunku odkształceń. Tym samym udział jednych kierunków braagowskich rośnie, podczas gdy innych maleje. Tym samym, tekstura zmienia natężenia względne poszczególnych pików - te które odpowiadają uprzywilejowanym kierunkom rosną, inne maleją.

13. W jaki sposób możemy zwiększyć rozdzielczość dyfraktogramów?

Poprzez zależny do potrzeb badania:

• dobór lampy, czyli długości fali

• wybór zakresu kątowego odpowiednio dobrany do potrzeb eksperymentu

• dłuższy czas eksperymentu

• mniejszy krok pomiarowy

• odpowiedni dobór natężenia prądu

• zastosowanie monochromatora krystalicznego

14. Co to jest krótkofalowa granica widma? Czego dotyczy i od czego zależy jej wartość?
    Jest to minimalna długość fali widma ciągłego odpowiadająca maksymalnej energii uzyskanej ze zderzenia z anodą lampy:

Jej wartość zależy od przyłożonego napięcia U.

15. Opisz szczegółowo jak powstaje wiązka ugięta.

Czy to jest dobrze poprawione to nie jestem pewna.. Chciał, żeby było coś o wpływie ułożenia atomów..

Wiązka ugięta, to wiązka postała w wyniku nakładania się i wzmacniania promieni ugiętych na preparacie.

Na pojedynczym atomie:

Promieniowanie rentgenowskie padające na preparat oddaje energię jego atomom. Elektrony silnie związane z atomem, które dostały w ten sposób energię, oscylując wokół swoich położeń równowagi wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne o tej samej energii i długości fali co wiązka pierwotna.

Na komórce elementarnej:

Jeżeli promienie ugięte są zgodne w fazie, czyli spełniony jest warunek Braaga:

to może zajść zjawisko dyfrakcji - promienie sumują swoje amplitudy i wzmacniają, tworząc wiązkę ugiętą, silniejszą od innych rozproszonych wiązek, które ulegają wygaszeniu nawzajem się „znosząc”. Wpływ uporządkowania atomów w komórce elementarnej na natężenie wiązki ugiętej wyrażone jest za pomocą czynnika struktury F.

16. Co to jest czynnik struktury F i jakie jest jego znaczenie dla natężenia wiązki ugiętej?

Jest to wielkość podająca jak, zależnie od rozmieszczenia atomów w komórce elementarnej będzie wyglądać natężenie rejestrowanych wiązek ugiętych.

Jest sumą fal rozproszonych na wszystkich atomach komórki. Jest liczbą zespoloną; przedstawia fazę i amplitudę zsumowanej fali wypadkowej.

|F| określa amplitudę fali wypadkowej jako funkcję amplitudy fal rozproszonych na poszczególnych atomach

|F| = amplituda fali rozproszonej przez wszystkie atomy kom. / amplituda f. rozprosz. przez 1 elektron.

Natężenie wiązki ugiętej na wszystkich atomach komórki w kierunku określonym prawem Braaga jest wprost proporcjonalne do |F|² - kwadratu amplitudy wiązki wypadkowej.

17. Jakie są metody dokładnego wyznaczania odległości międzypłaszczyznowej w kryształach i co stanowi kryterium ich doboru?

Wybór metody zależy od wyglądu otrzymanego dyfraktogramu, a dokładniej od jego dokładności i szerokości piku dyfrakcyjnego oraz tła dyfraktogramu. Gdy wartość tła mieści się zarówno z lewej i prawej strony w granicach odchylenia standardowego stosujemy metodę obliczania środka ciężkości linii.

18. Jaką rolę odgrywają natężenia względne wiązek ugiętych w rentgenowskiej jakościowej analizie fazowej substancji wielofazowych?

W analizie jakościowej natężenia względne odgrywają bardzo małą rolę, m.in. ze względu na nakładanie się pików -sumowania ich natężeń - możliwy efekt tekstury. Opieranie się na porównywaniu natężeń względnych mogłoby być mylące i prowadzić do nie uwzględnienia faz, które w preparacie występują. Może być natomiast pomocne, np.: jeżeli występowanie pewnej fazy zależy od wielkości efektu od innej (przy czym trzeba wziąć pod uwagę czy jakieś inne fazy mogą składać się na jej piki i jaki mogą mieć wpływ na ich wielkość)

19. Opisz w punktach kolejność postępowania przy wykonywaniu interpretacji metodą jakościowej analizy fazowej substancji wielofazowej

• analiza metalograficzna:

• określenie składu pierwiastkowego,

• rodzaju obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej, przeróbki plastycznej jakiej substancja została poddana,

• wyciągnięcie na tej podstawie wniosków jakie możliwe fazy mogą występować w badanym materiale i które z dużym prawdopodobieństwem, które ze znikomym (jaka jest procentowa zawartość faz, czy dadzą się wyróżnić z tła i czy warto je analizować, jakie jest powinowactwo do siebie poszczególnych pierwiastków tworzących związki),

• wybranie z tablic faz tych, które uznaliśmy za prawdopodobne; określenie kolejności dalszej analizy dyfraktogramu (czy zawartość danej fazy zależy od zawartości innej).

• analiza dyfraktogramu:

• określenie odległości międzypłaszczyznowych dla poszczególnych pików

• przyporządkowanie pików do odpowiedniej fazy/faz na podstawie porównania ich odległości międzypłaszczyznowych z danymi w tablicach zgodnie z ustaloną wcześniej kolejnością (natężenia względne mogą być pomocne, ale nie należy się nimi bardzo sugerować ze względu, m.in. na możliwość nakładania się pików czy efekt tekstury)

• stwierdzenie, które fazy są najbardziej prawdopodobne

20. Opisz metodę bezpośredniego porównania rentgenowskiej ilościowej analizy fazowej i wyjaśnij jej zasady/podstawy.

Tego Lisak nie widział.

Natężenie wiązki ugiętej jest wprost proporcjonalne do udziału objętościowego danej fazy w preparacie. Wykorzystujemy to w metodzie bezpośredniego porównania. Metoda opiera się na porównaniu natężeń teoretycznych pików faz których udział objętościowy chcemy określić, obliczonych ze wzoru na natężenie wiązki ugiętej, z doświadczalnymi całkowitymi (pole powierzchni pod pikiem). Odnosi się do materiałów dwufazowych (ewentualnie 3-fazowych, jeśli jedna faza występuje w śladowych ilościach i jej udział objętościowy jest znany - wyznaczony innymi metodami).

Dla materiału dwufazowego:

V₁ + V₂ = 100%

J₁ = KR₁V₁

J₂ = KR₂V₂

gdzie:

V - udział objętościowy

J - pole powierzchni pod pikiem

KRV - natężenie teoretyczne piku

K - stała zależna od aparatury

R - stała związana z budową krystalograficzną (czynnik struktury, krotności płaszczyzn itd.).

Jeżeli podzielimy przez siebie dwa równania na natężenia, po czym utworzymy układ równań z pierwszym równaniem, to po rozwiązaniu układu otrzymamy wzór na udział objętościowy faz:

W analizowanym dyfraktogramie określamy od jakiego typu płaszczyzn jakiej fazy pochodzą piki. Do analizy potrzebujemy pary pików (kilku par) pochodzących od różnych faz. Piki pary powinny leżeć blisko siebie, ale być łatwe do rozdzielenia i jednocześnie być wyraźne i jak najmniej zniekształcone. Określamy dla nich pole powierzchni pod pikiem (za pomocą wzoru prostokątów, trapezów lub parabol), teoretyczne natężenia, a właściwie stałą R
(obliczając bądź sprawdzając w tabelach czynniki, objętość komórki elementarnej). Podstawiając otrzymane wartości do wzoru obliczamy udział procentowy faz.

Opis powyżej dotyczy materiału, w którym nie stwierdziliśmy obecności tekstury.

21. Czy dla materiału wykazującego efekt tekstury możemy stosować metodę bezpośredniego porównania rentgenowskiej ilościowej analizy fazowej? Uzasadnij.

W takim przypadku metoda daje mało wiarygodne wyniki. Można wtedy co prawda uwzględnić w analizie wszystkie piki (ich natężanie w sumie będzie równe 100%), jednak po pierwsze na dyfraktogramie musiałyby się wszystkie te piki znajdować, po drugie duża niedokładność wynikałaby z analizowania również pików zniekształconych przy większych kątach. Można też przeanalizować wiele par pików i podać średnią wartość zawartości faz, jednak obarczone jest to bardzo dużym błędem.

22. Czy dla rentgenowskiej ilościowej analizy fazowej austenitu szczątkowego istotnym jest stwierdzenie czy w materiale powstał tetragonalny martenzyt?

Tak. Ferryt ma komórkę A2, natomiast martenzyt tetragonalną (większy parametr c). Zarówno wartości czynników jak i objętość komórki elementarnej są dla niego inne. Inna jest więc wartość natężenia i otrzymana metodą ilościowej analizy wartość udziału objętościowego.

23. Dlaczego w metodzie bezpośredniego porównania rentgenowskiej ilościowej analizy fazowej korzystne jest dobieranie w pary pików leżących blisko siebie? Uzasadnij.

Im bliżej siebie są dobrane w parę piki , tym bardziej zbliżone są wartości błędu określenia ich natężeń (pola powierzchni pod pikiem), ponieważ podobny jest stopień ich zniekształcenia (tym większy im wyższe położenie kątowe). Również efektowna głębokość wnikania jest dla nich podobna, więc analizowana jest podobna objętość materiału, co jest istotne zwłaszcza przy nierównomiernym rozkładzie austenitu . Im bliżej siebie znajdują się wybrane piki, tym mniejszy błąd określenia zawartości poszczególnych faz.

24. Jakie szczeliny należy umieścić na drodze wiązki pierwotnej i jaką rolę spełniają?

• Szczelina Sollera - zawiera szereg położonych bardzo blisko siebie cienkich metalowych płytek, równoległych do płaszczyzny koła dyfraktometru, które pochłaniają dużą część promieni nachylonych do tej płaszczyzny, pozostawiając promienie padające równolegle. To, by promienie były równoległe jest konieczne dla ogniskowania wiązki ugiętej na obwodzie koła dyfraktometru

• szczelina pionowa - ogranicza wysokość wiązki. Należy ją dobrać tak, aby nie przekraczała wysokości próbki (żeby nie zafałszować wyników) bądź do wielkości obszaru na próbce który chcemy zbadać.

• szczelina pozioma - ogranicza szerokość wiązki, spełnia rolę analogiczną do szczeliny pionowej, przy czym dodatkowo należy uwzględnić ustawiony kąt padania promieni - w miarę jego zwiększania badany obszar się zwęża.

• Wszystkie szczeliny powodują osłabienie wiązki.

25. W jakim zakresie kątowym należy rejestrować pik dyfrakcyjny aby najlepiej wyznaczyć odpowiadającą mu odległość międzypłaszczyznową?

W zakresie możliwie zbliżonym do kąta 90° (ze względu na możliwości techniczne - 70 - 85°). Wtedy błąd wyznaczania d jest najmniejszy:

26. Opisz szczegółowo zasady i sposób wykonywania pomiaru tetragonalności martenzytu metodą dyfraktometryczną - tego nie będzie na kolosie.

27. Dlaczego w rzeczywistych dyfraktogramach ferrytu nie występują piki od płaszczyzn typu {100}?

Ponieważ szczególne ułożenie atomów w jego sieci (A2 - RPC) wygasza wiązkę ugiętą. Czynnik struktury jest w tym wypadku równy zero, więc natężenie wiązki ugiętej również.

28. Jak najprościej można stwierdzić obecność tekstury w badanym materiale?

Poprzez porównanie natężeń względnych w zarejestrowanym dyfraktogramie ze wzorcowym. Materiał z teksturą będzie miał jedne piki zdecydowanie wyższe, inne zdecydowanie niższe niż w dyfraktogramie wzorcowym.

29. Wymień zjawiska rejestrowane jako tło dyfraktogramu i określ możliwość ich eliminacji

• promieniowanie fluorescencyjne

• długość fali linii charakterystycznej powinna być większa niż krawędź absorpcji K

• stosowanie filtrów

• użycie monochromatora krystalicznego

• dyfrakcja widma ciągłego

• stosowanie filtrów

• dobór lampy (I_w.ciągłego = AiZV^m)

• użycie monochromatora

• promieniowanie Comptona

• im mniejszy kąt 2Θ tym mniejsze przesunięcia Δλ (Δλ=0,0243(1-cos2Θ)

• dyfrakcja i rozpraszanie od substancji nie będących preparatem

• szczeliny pionowe/poziome

• promieniowanie rozproszone spójne

• dobór długości fali - większa efektywna głębokość wnikania - lepsze wygaszenie

• promieniowanie dyfuzyjne rozproszone w powietrzu

Nie da się całkowicie wyeliminować efektu tła, ponieważ: nie da się osiągnąć warunków idealnych, promieniowaniu charakterystycznemu towarzyszy zawsze ciągłe
i promieniowanie L, M itd., również nie da się wyeliminować wybijania elektronów walencyjnych, słabo związanych z atomem.

30. Jak powstaje promieniowanie Comptonowskie i jaką rolę odgrywa w badaniach dyfrakcyjnych?

Promieniowanie Comptonowskie powstaje w wyniku rozproszenia na luźno związanych z jądrem elektronów walencyjnych. Gdy wiązka pierwotna pada na elektrony mocno związane zostają one wprowadzone w drgania i wytwarzają promieniowanie o tej samej długości fali. Przy rozpraszaniu na luźniej związanych elektronach, jeśli wiązka pierwotna miała długość fali λ₁ to długość fali wiązki powstającej wzrasta do λ₂

Δλ= λ₂-λ₁ = 0,0243(1-cos2Θ)

hν_{1 e}

hν₂

Natężenie tego promieniowania wzrasta ze spadkiem liczby atomowej Z (większa liczba e. walencyjnych).

Promieniowanie Comptona nie bierze udziału w dyfrakcji i jest zakłóceniem.

---