Δρ. Στεφανόπουλος Γ. Βασίλειος ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Δομική και Χημική Ανάλυση Υλικών Δρ. Στεφανόπουλος Γ. Βασίλειος Εαρινό εξάμηνο 2017-2018

ΑΚΤIΝΕΣ Χ Οι ακτίνες-Χ ή ακτίνες Rontgen αποκαλείται ένα τµήµα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος µε περιοχή µήκους κύµατος µεταξύ 10 nm µε 10 pm, που αντιστοιχεί σε περιοχή ενέργειας 120 eV - 120 keV. Η δεύτερη ονοµασία της ακτινοβολίας προέρχεται από το όνοµα ενός από τους πρώτους ερευνητές της, του Γερµανού φυσικού, Βίλχελµ Ρέντγκεν ( Wilhelm Rontgen) που τις ανακάλυψε το 1895. Οι ακτίνες - Χ πρωταρχικά χρησιµοποιήθηκαν από την Ιατρική ως διαγνωστικό εργαλείο µε τη µορφή της ακτινογραφίας και από τη Φυσική και τη Χηµεία µε τη µορφή της κρυσταλλογραφίας. Όµως, οι ακτίνες - Χ ανήκουν στις ιονίζουσες ακτινοβολίες, αφού η ενέργειά τους είναι ικανή να προκαλέσει τον ιονισµό ατόµων και µορίων. Εποµένως παρουσιάζει κινδύνους βλαβών σε ζωντανούς οργανισµούς και όχι µόνο. Οι ακτίνες - Χ διαχωρίζονται σε 2 περιοχές: 1. «Μαλακές ακτίνες - Χ»: 10 nm - 100 nm, 120 eV - 12 keV. 2. «Σκληρές ακτίνες - Χ»: 100 - 10 pm, 12 - 120 keV.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ • Ίδια φύση με την ακτινοβολία γ • Προέρχονται από μεταβάσεις e στις ατομικές στιβάδες (χαρακτηριστική ακτινοβολία) • Προέρχονται από επιβράδυνση ταχέως κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων (ακτινοβολία πέδησης) •Παράγονται σε λυχνίες και επιταχυντές σωματιδίων • Παρόμοια διεισδυτικότητα με τις ακτίνες γ

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΠΑΡΑΓΩΓH Οι ακτίνες - Χ παράγονται όταν ηλεκτρόνια µε µεγάλη κινητική ενέργεια αλληλεπιδρούν µε ύλη και µετατρέπουν την ενέργειά τους σε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία. Η λυχνία είναι κατάλληλα θωρακισµένη (ώστε οι ακτίνες - Χ να εξέρχονται µόνο από το ειδικό παράθυρο) και εξοπλισµένη µε συστήµατα ψύξης. Ειδικοί κατευθυντήρες διαµορφώνουν τη γεωµετρία της εξερχόµενης δέσµης και ειδικά φίλτρα διαµορφώνουν την ποιότητα της εξερχόµενης ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΠΑΡΑΓΩΓH Η γεννήτρια είναι η πηγή ενέργειας για τη λειτουργία της λυχνίας και µε αυτήν ρυθµίζονται: (α) η τιµή της διαφοράς δυναµικού που θα επιταχύνει τα ηλεκτρόνια (ενέργεια), (β) η τιµή της έντασης του ρεύµατος που καθορίζει τον αριθµό των παραγοµένων φωτονίων (ένταση) και (γ) ο χρόνος έκθεσης.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΠΑΡΑΓΩΓH n = Ex/Ee = CZV Απόδοση λυχνίας C, σταθερά µε τιµή 1 x 10-9 – 1,5 x 10-9, όταν η V µετριέται σε kV Σύµφωνα µε την παραπάνω σχέση, η απόδοση π.χ. λυχνίας µε αντικάθοδο W (Z = 74) και τάση λειτουργίας V = 50 kV είναι περίπου 0,5 %.

Κατανοµή της έντασης του ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΠΑΡΑΓΩΓH Κατανοµή της έντασης του συνεχούς φάσµατος

Ακτινοβολία Bremsstrahlung (πέδησης): Χαρακτηριστική Ακτινοβολία: ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΦAΣΜΑ Ακτινοβολία Bremsstrahlung (πέδησης): Εκπέμπεται κατά την επιβράδυνση των e όταν αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες των ατόμων της καθόδου. H μείωση της Εκιν εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίων. Χαρακτηριστική Ακτινοβολία: Τα επιταχυνόμενα e συγκρούονται με τα ατομικά e προκαλώντας διεγέρσεις - ιονισμούς στα άτομα. Κατά την αυτοδιέγερση τους εκπέμπεται χαρακτηριστική ακτινοβολία Χ.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΣΥΝΕΧEΣ ΦAΣΜΑ Απότομος μηδενισμός της έντασης στο ορικό μήκος κύματος, αυξάνεται γρήγορα μέχρι μιας μέγιστης τιμής που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος περίπου ίσο με 3λο/2 και ακολούθως ελαττώνεται βαθμιαία χωρίς σαφές όριο στην πλευρά των μεγάλων μήκη κυμάτων. 2) Αύξηση της τάση λειτουργίας της λυχνίας Αυξάνει την ένταση της ακτινοβολίας για όλα τα μήκη κύματος, ενώ το ορικό μήκος κύματος, λο και η θέση του μέγιστου μετατοπίζονται προς τα μικρότερα μήκη κύματος. 3) Ορικό μήκος κύματος και τάση λειτουργίας δεν εξαρτάται από το στοιχείο δηλαδή τον ατομικό αριθμό, Ζ του στοιχείου της αντικαθόδου.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΓΡΑMMΙΚO ΦAΣMΑ Ορισµένα e- αποδίδουν όλη την ενέργεια τους σε ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων µεµονωµένων ατόµων της ανόδου τα οποία διεγείρονται. Τα αποδιεγειρόµενα άτοµα εκπέµπουν φωτόνια µε διακριτές ενέργειες που είναι χαρακτηριστικές του υλικού της ανόδου  γραµµικό φάσµα εκποµπής. Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια (e-) των ατόµων κατανέµονται στις στοιβάδες Κ, L, M κλπ. Έστω ότι το e- που προσπίπτει στην άνοδο εκτοπίζει ένα e- από την Κ. Το κενό γεµίζει µε µετάπτωση e- από ανώτερη στοιβάδα & η περίσσεια της ενέργειας → φωτόνιο ακτίνων-Χ. Η µέγιστη ενέργεια των γραµµών εκποµπής δίνεται από τη σχέση:

Ανάλογα µε την ενέργειά τους οι ακτίνες - Χ διακρίνονται σε: ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΓΡΑMMΙΚO ΦAΣMΑ Το 99% της ενέργειας των e- χάνεται υπό µορφή θερµότητας  η άνοδος κατασκευάζεται από δύστηκτο υλικό, ενώ η ψύξη της ανόδου είναι απαραίτητη. Σύνηθες υλικό για την άνοδο: W (tungsten) επειδή είναι δύστηκτο µέταλλο: Τm (W) = 3422°C, Tm (Fe) = 1538oC, Tm (Si) = 1414 °C. Ανάλογα µε την ενέργειά τους οι ακτίνες - Χ διακρίνονται σε: Σκληρές ακτίνες - Χ: → µεγάλες τιµές του ∆V (>2000eV) Μαλακές ακτίνες - Χ: → µικρές τιµές του ∆V (100-2000eV)

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Οι γραµµές του γραµµικού φάσµατος των στοιχείων ανήκουν σε διακριτές σειρές που, κατά την ονοµατολογία του Barkla, ονοµάζονται σειρές Κ, L, Μ, Ν κλπ (κατά ανιούσα τάξη µήκους κύµατος). Οι γραµµές κάθε σειράς συµβολίζονται µε τα πρώτα γράµµατα του ελληνικού αλφάβητου κατά κατιούσα τάξη µήκους κύµατος, π.χ. Κα, Κβ, Lα. Οι συνιστώσες λεπτής υφής µιας γραµµής συµβολίζονται µε αριθµητικούς δείκτες π.χ. Κα1, Κβ2, Lα1 κλπ.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Όλες οι γραµµές µιας οµάδας εµφανίζονται συγχρόνως µόλις η τάση µεταξύ καθόδου – αντικαθόδου της λυχνίας ακτίνων–Χ υπερβεί µια τιµή, ορισµένη για κάθε οµάδα και κάθε στοιχείο της αντικαθόδου. Η τάση αυτή λέγεται τάση διεγέρσεως και συµπίπτει µε το κρίσιµο δυναµικό ιονισµού της αντίστοιχης στοιβάδας των ατόµων της αντικαθόδου. Επίδραση παραμέτρων •Αύξηση kV μετατοπίζει το συνεχές φάσμα & όχι το γραμμικό •Αύξηση των mA αυξάνει συνολικά την ένταση • Υλικό ανόδου Ζ: ποσότητα ακτινοβολίας Ενέργεια κορυφών: εξαρτάται από το υλικό

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: Moseley’s Law

ΑΠΟΡΡOΦΗΣΗ ΑΚΤIΝΩΝ-Χ ΑΠO ΤΗΝ YΛΗ Όταν µια δέσµη ακτίνων-Χ διέρχεται µέσα από την ύλη, ένα µέρος της απορροφάται και η ένταση της µειώνεται κατά την αλληλεπίδραση της µε τα ηλεκτρόνια των ατόµων, λαµβάνουν χώρα διάφορα φαινόµενα, όπως η φωτοηλεκτρική απορρόφηση (φθορισµός), η σύµφωνη σκέδαση και η σκέδαση Compton.

ΑΚΤIΝΕΣ Χ: ΑΠΟΡΡOΦΗΣΗ

ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Οι περισσότερες από τις µεθόδους έρευνας της δοµής των υλικών, µε περίθλαση ακτίνων–Χ, απαιτούν τη χρήση λεπτής, παράλληλης, µονοχρωµατικής δέσµης ακτίνων–Χ, δηλαδή δέσµης ακτίνων ενός µόνο µήκους κύµατος. Η ακτινοβολία όµως που παράγουν οι συµβατικές πηγές (λυχνίες) ακτίνων–Χ δεν είναι µονοχρωµατική, αφού εκτός από την ισχυρή γραµµή Κα περιέχουν και την ασθενέστερη Κβ και την συνεχή ακτινοβολία. Για τους λόγους αυτούς, στις διάφορες διατάξεις περίθλασης ακτίνων–Χ, χρησιµοποιούνται µονοχρωµατιστές, οι οποίοι επιτρέπουν να διέρχονται ή να επιλέγουν (µε περίθλαση) µόνο ακτίνες µε ορισµένο µήκος κύµατος. Οι µονοχρωµατιστές είναι ηθµοί ακτινοβολίας Κβ ή κρυσταλλικοί µονοχρωµατιστές.

ο λόγος εντάσεων των Κβ και Κα να είναι 1:500. ΗΘMΟI ΑΚΤΙΝΟΒΟΛIΑΣ Κβ Είναι είτε απλοί ηθµοί είτε ηθµοί αντισταθµίσεως. Ο απλός ηθµός ακτινοβολίας Κβ είναι έλασµα, κατάλληλου πάχους, από ένα στοιχείο του οποίου η ακµή απορροφήσεως Κ βρίσκεται ανάµεσα στις γραµµές Κα και Κβ της αντικαθόδου που χρησιµοποιείται για την παραγωγή ακτίνων–Χ. Κατά τη διέλευση ακτινοβολίας µέσα από τον ηθµό, η ακτινοβολία Κβ καθώς και η συνεχή ακτινοβολία απορροφούνται πολύ περισσότερο από ότι η Κα. Συνήθως το πάχος του ελάσµατος – ηθµού επιλέγεται τέτοιο ώστε µετά την απορρόφηση ο λόγος εντάσεων των Κβ και Κα να είναι 1:500. Ο ηθµός αντισταθµίσεως περιλαµβάνει δυο απλούς ηθµούς, από δυο στοιχεία γειτονικά στον περιοδικό πίνακα. Η ακµή απορροφήσεως Κ του ενός είναι λίγο µικρότερη και του άλλου λίγο µεγαλύτερη από την γραµµή Κα της αντικαθόδου. Τα πάχη των ελασµάτων των δυο φίλτρων επιλέγονται έτσι ώστε ο ηθµός να λειτουργεί για την Κα σαν ηθµός απλού πάχους ενώ για τα υπόλοιπα µήκη κύµατος σαν ηθµός διπλάσιου πάχους. Πρακτικά, η Κβ απορροφάται εντελώς.

Ο κρυσταλλικός µονοχρωµατιστής είναι ένας µονοκρύσταλλος, ο οποίος ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟI MΟΝΟΧΡΩMΑΤΙΣΤEΣ Ο κρυσταλλικός µονοχρωµατιστής είναι ένας µονοκρύσταλλος, ο οποίος τοποθετείται στην πορεία της εξερχόµενης από την λυχνία δέσµης σε θέση µιας έντονης ανάκλασης Βragg, έτσι ώστε να περιθλά ακτίνες ενός µόνο µήκους κύµατος, λ. Η περιθλώµενη δέσµη είναι σχεδόν απόλυτα µονοχρωµατική & δεν είναι πολύ ισχυρή επειδή η προσπίπτουσα στον κρύσταλλο δέσµη δεν είναι εντελώς παράλληλη και εποµένως δεν περιθλώνται όλες οι ακτίνες µε µήκη κύµατος, λ.

ΑΝIΧΝΕΥΣΗ – ΜEΤΡΗΣΗ ΤΗΣ EΝΤΑΣΗΣ ΑΚΤIΝΩΝ Χ Η ανίχνευση των ακτίνων–Χ στηρίζεται σε φαινόµενα τα οποία προκαλούν φθορισµό ορισµένων σωµάτων, αµαύρωση φωτογραφικών πλακών κλπ. Κατά την διαδικασία της ρύθµισης µιας διάταξης περίθλασης ακτίνων – Χ χρησιµοποιούνται φθορίζοντα εξαρτήµατα. Το φωτεινό ίχνος της δέσµης στο φθορίζον εξάρτηµα επιτρέπει την παρατήρηση της πρωτογενούς δέσµης των ακτίνων–Χ και καθοδηγεί τη διαδικασία της ρύθµισης. Για την ακριβή µέτρηση της έντασης των περιθλωµένων από ένα κρυσταλλικό υλικό δεσµών ακτίνων – Χ χρησιµοποιούνται απαριθµητές (παλµών) όπως ο αναλογικός ή ο σπινθηριστικός. Φωτογραφικές πλάκες ή φιλµς χρησιµοποιούνται σε συνδυασµό µε ορισµένες διατάξεις περίθλασης σχεδόν αποκλειστικά στην κρυσταλλογραφία µακροµορίων.

ΑΝΑΛΟΓΙΚOΣ ΑΠΑΡΙΘMΗΤHΣ Αποτελείται από ένα µεταλλικό κύλινδρο που λειτουργεί συγχρόνως σαν κάθοδος και ένα µεταλλικό σύρµα κατά µήκος του άξονα του κυλίνδρου, που χρησιµεύει σαν άνοδος. Ο κυλινδρικός θάλαµος είναι γεµάτος ευγενές αέριο υπό πίεση λίγο µικρότερη από την ατµοσφαιρική. Μεταξύ ανόδου - καθόδου εφαρµόζεται τάση 800 – 1000 V. H ακτινοβολία Χ εισέρχεται στον απαριθµητή από ένα παράθυρο κλεισµένο µε λεπτότατο φύλλο βηρυλλίου. Τα φωτόνια των ακτίνων – Χ προκαλούν εξιονισµό των ατόµων του ευγενούς αερίου οπότε δηµιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων ιόντων. Υπό την επίδραση του ηλεκτροστατικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια επιταχυνόµενα συνεχώς, αποκτούν ενέργεια αρκετή ώστε εκδιώκουν ηλεκτρόνια και άλλα άτοµα του αερίου, τα οποία ακολούθως προκαλούν εξιονισµό άλλων ατόµων κ.ο.κ. Αν ο αριθµός των ζευγών ηλεκτρονίων – ιόντων που παράγονται αρχικά από ένα φωτόνιο ακτίνων – Χ είναι n, ο αριθµός των ηλεκτρονίων που φτάνουν στην άνοδο είναι Αn, όπου ο συντελεστής ενισχύσεως Α έχει τιµή µεταξύ 103 και 105, ανάλογα µε την τάση µεταξύ ανόδου – καθόδου.

ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΙΚOΣ ΑΠΑΡΙΘMΗΤHΣ Η λειτουργία στηρίζεται στην ιδιότητα των ακτίνων–Χ να προκαλούν φθορισµό ορισµένων υλικών. Σαν σπινθηριστής χρησιµοποιείται συνήθως µονοκρύσταλλος ΝaI ενεργοποιηµένος µε ίχνη Τl, ο οποίος υπό την επίδραση των ακτίνων-Χ εκπέµπει ιώδες φως. Τα απορροφούµενα φωτόνια ακτίνων-Χ διεγείρουν ηλεκτρόνια από την θεµελιώδη στην ζώνη αγωγιµότητας του NaI. Τα ηλεκτρόνια αυτά προσδίδουν µέρος της ενέργειας τους σε ιόντα Τl+. Όταν τα διεργεµένα ιόντα επιστρέφουν στην θεµελιώδη κατάσταση εκπέµπουν φως.