X-I Ş INLARI D İ FRAKS İ YON DÜZENE Ğİ N İ N ÇALI Ş MA PRENS İ B İ

1. X-IŞINLARI DİFRAKSİYON DÜZENEĞİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Nisan 2009

2. Referanslar • George. Sakharow (2002), Haim Prigozin (2003), Avigdor Shtechman (2005), Department of Materials EngineeringBen-Gurion University of the Negev. • Dr. S.M. Condren ,X-Ray Analysis, Christian Brothers University. • Branislav K. Nikolić, Experimental Determination of Crystal Structure, Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, U.S.A. • P. N. Kalu, D. Waryoba, A.D. Rollett, X-ray Diffractometer,2008. • http://www.teknis.com.tr/xrd.html • Ulrike Troitzsch, X-Ray Diffraction,Department of Earth and Marine SciencesAustralian National University, 2007. • Türkiye Atom Enerjisi Kurumu (www.taek.gov.tr)

3. İçerik • X-ışını kırınımı • X-ışını kırınım metotları Tek kristal kırınımı Toz kristal kırınımı • Difraksiyon düzeneğinin çalışma prensibi • Uygulama alanları

4. Tarihsel Süreç • 1895: X-Işınlarının Wilhelm Röntgen tarafından keşfi. ( 1901 Nobel Fizik Ödülü ) X-Işını radyografisi • 1912 : X-Işınlarının parçacık ve dalga olmak üzere çift karakterinin ve kristalden X-Işın kırınımının Max Von Laue tarafından bulunması. ( 1914 Nobel Fizik Ödülü ) X-Işını kristalografisi • 1913 : KCl ve NaCl ‘nin X-Işınları ile Bragg tarafından incelenmesi ve Bragg yasasının ortaya çıkışı. ( 1915 Nobel Fizik Ödülü ) X-Işını spektroskopisi

5. X-Işınları 0.1 - 100 A° • Yüksek enerjili, düşük dalga boylu elektromanyetik ışımalardır. • Yüksek hızlı elektronların hedef malzemenin atomlarına çarpmasıyla oluşur. • Hedef atomlar karakteristik ve sürekli ışınlar yayarlar. • Kristal yapısının ve simetrisinin anlaşılmasında önemlidirler. E = hn

6. X-Işın Tüpü hedef (Co, Cu) • Tungsten Filaman ısıtılarak elektronlar hızlandırılır. • Elektronlar elektrik alanda ivmelenirler. • 3.Elektronlar hedef anota çarparak X-Işınları oluştururlar. Soğuk su girişi Soğuk su çıkışı X- Işınları vakum 25-30 kV potansiyel elektronlar Tungsten Filaman

7. Oluşan X-Işınları Sürekli X-Işınları Karakteristik X-Işınları X-Işını kırınımında Karakteristik Işınlar kullanılır.

8. X-Işını Kırınımı LAUE; Elde ettiği kırınım desenleri ile maddenin kristal yapısı hakkında önemli bilgiler elde etmiştir.

9. X-Işını Kırınımı BRAGG; n l = 2 dhkl sinq dhkl Işınlar birbirine paralel ardışık ağ düzlemleri üzerinde yansırlar.

10. X-Işını Kırınımı X-Işınları Kırınım Tekniği ( XRD) ; • Malzemenin içerdiği fazları belirlemekte, • Nicel faz analizinde, • Sıcaklık, basınç v.s. fiziksel parametrelere bağlı faz değişimlerinde, • Tanecik boyutu belirlemede, • Tanecik yönelimi belirlemede, • Kimyasal komposizyonu belirlemede, • Örgü sabitlerini bulmakta kullanılan bir tekniktir.

11. X-Işını Kırınımı • X-ışını difraksiyonu şu üç parametreye göre çeşitlenmektedir: 1.Işınım: Tek renkli veya değişken dalga boylu 2.Dedektör:Işınım sayacı veya fotoğraf filmi 3.Örnek fazı:Tek kristal, toz veya katı parçası • Bu değişkenlere bağlı olarak şu XRDteknikleri bulunmaktadır: 1. Difraksiyon2. Debye-Scherrer3. Guinier4. Dönme - Salınım5. Weissenberg6. Buerger7. Otomatik Difraksiyon8. Laue

12. X-Işını Kırınım Metotları Filtreler - Yönlendiriciler - Monokromatörler Monokromatörler (dalga boyu seçicileri), ışık kaynağından gelen polikromatik ışıktan tek bir dalga boylu monokromatik ışık elde edilmesini sağlayan düzeneklerdir. Monokromatik (tek renkli ışık) Polikromatik (çok renkli ışık)

13. X-Işını Kırınım Metotları Filtreler - Yönlendiriciler - Monokromatörler Filtre ile maddeye direkt gelen ışınımın istenmeyen dalgaboyları absorbe edilir. Böylece kırım deneyi için kullanılacak dalgaboylu ışınımın geçmesi sağlanır. Yönlendiriciler x-ışını demetini yönlendirir, saçılmasını önler. X-ışını demetini mümkün olduğu kadar paralel tutar Bakır anottan üretilen beyaz ışınım μm = kütle soğurma katsayısı

14. X-Işını Kırınım Metotları Dedektörler; içersinden geçen bir radyasyonun enerjisinin hepsini veya bir kısmını elektrik sinyali haline çeviren cihazlardır. Çeşitleri Geiger – Müller Sayacı 1. Radyasyon Dedektörleri: Presesyon kamerası Weissenburg 2. Kristal Dedektörleri 3. Alan Dedektörleri 4. Elektriksel Dedektörler: Sintilasyon sayaçları 5. Yarıiletken Dedektörler 6. Geiger – Müller Sayaçları 7. Fotoğrafik Sayıcılar Debye – Scherrer toz kamerası

15. X-Işını Kırınım Metotları Tek Kristal Metodu (Single Crystal) 1. Laue Metodu:θ sabit, λ değişken 2. Döner Kristal Metodu: θ değişken, λ sabit Yapısı ve simetrisi bilinmeyen malzemelerin tanımlanmasında önemlidir. Dezavantajı: Tek bir kristal elde etmek zordur. Genellikle malzemeler polikristal yapıdadır.

16. X-Işını Kırınım Metotları • Kristal analizinde kullanılan en güçlü tekniktir. •  sabit, değişken • Toz metodunda monokromatik X-Işını demeti ince toz haline getirilmiş örnek üzerine gönderilir. • Bu küçük kristalcikler demet doğrultusuna göre gelişi güzel doğrultularda bulunurlar. •  sabit olduğundan kristal düzlemi ile uygun  açısı denk geldiğinde maksimum yansıma meydana gelir. • Bu teknik özellikle gelişi güzel yönelmiş polikristal örnekler söz konusu olduğunda çok kullanışlıdır. Toz Kristal Metodu (Powder Crystal)

17. X-Işını Kırınım Metotları Toz Kristal Metodu (Powder Crystal) Toz kırınımıyla ilgili veriler hem X-Işınlarını örnekten yansıtma ile hem de örnekten geçirme ile elde edilebilir.

18. Difraktometre • Katı bir kristal örneğinden X-Işını kırınımı için kullanılan bir cihazdır. • Bilinmeyen bir malzemeyi tanımlamak için veya bilinen malzemenin atomik boyutlardaki yapısını tayin etmek için kullanılır. XRD Bileşik analizi yapar. Bileşikteki elementlerin yapısıyla ilgili bilgi vermez. XRF Element analizi yapar. Bu elementlerin nasıl bir araya geldiğiyle ilgili bilgi vermez. örnek

19. Difraktometre Tek Kristal Difraktometresi • X-Işın detektörü ve gonyometreden oluşur. • Gonyometre: Kristali istenen Bragg açılarında (θ) X-ışını alacak şekilde difraktometre merkezinde tutar.

20. Difraktometre Tek Kristal Difraktometresi Stoe IPDS Bruker-Nonius KappaCCD Bruker SMART or APEX

21. Difraktometre Toz Kristal Difraktometresi (XRPD) Katıların kristal yapısını incelemek için kullanılabilecek en kolay en güçlü sonucu veren araçtır.

22. Difraktometre

23. Difraktometre Powder diffractometer.Siemens D5000

24. Difraktometre XRPD ‘den Alınan bilgiler İdeal Kristal • Pikin Konumu: • Kalitatif faz tanımlanması • Uzay grup simetrisi • Pikin Şiddeti: • Kantitatif faz tanımlanması • Nokta Simetrisi • Pikin Şekli / Genişliği: • Kristalin kusurları • Boyutları İdeal olmayan Kristal Sıvı veya Camlar

25. Difraktometre • Süleyman Demirel Üniversitesi • Erciyes Üniversitesi (Toz Kırınım Difraktometresi) • On dokuz Mayıs Üniversitesi (Stoe IPDS- Tek Kristal Difraktometresi) • Kırıkkale Üniversitesi • İstanbul Üniversitesi (Toz Kristal Difraktometresi) • Orta Doğu Teknik Üniversitesi (Toz Kristal Difraktometresi) • TAEK - Bruker D8 Advance

26. Difraktometrenin Kullanım Alanları • Jeoloji: Yerbilimlerinde kayaç analizi yapılır. • Polimer, metal ve alaşım analizlerinde kullanılır. • Arkeoloji: Tarihi yapıları oluşturan malzemelerin tayininde kullanılır. • Madencilik: Maden mineralleri ve metaller difraktometre sayesinde belirlenmektedir. • Sanayi / İnşaat: Boya ve kimya endüstrisi ve inşaat bölümü. • Tıp: Böbrek ve safra taşları analiz edilebilmekte ve buna uygun tedavi yöntemleri belirlenebilmektedir.