Nhiễu xạ Roentgen hiện nay là một kĩ thuật phổ biến cho việc nghiên cứu cấu trúc tinh thể và khoảng cách giữa các nguyên tử. Nó dựa trên sự giao thoa giữa tia Roentgen đơn sắc và mẫu tinh thể. Các tia Roentgen đƣợc tạo ra bởi một ống phát tia âm cực và đƣợc lọc để tạo ra các bức xạ đơn sắc chiếu tập trung và hƣớng vào mẫu. Sự tƣơng tác của các tia và mẫu tạo ra sự giao thoa và thỏa mãn định luật Bragg (Hình 8).
* Điều kiện nhiễu xạ: n = 2dsin là bƣớc sóng tia Roentgen tới
d là khoảng cách giữa các mặt nhiễu xạ là góc phản xạ
Hình 8. Nhiễu xạ Roentgen
a. Bản chất phƣơng pháp
Chiếu một chùm tia lên bề mặt mẫu có cấu trúc tinh thể sẽ gây ra hiện tƣợng nhiễu xạ cho các đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng trên giản đồ nhiễu xạ tuỳ thuộc vào cấu trúc ô mạng của từng khoáng vật.
Phƣơng pháp phân tích pha khoáng vật định tính dựa trên cơ sở so sánh đối chiếu tập hợp các giá trị khoảng các ô mạng (d) và giá trị cƣờng độ các pic (I) thu đƣợc trên giản đồ nhiễu xạ với các số liệu chuẩn.
Phƣơng pháp nhiễu xạ Roentgen cho phép xác định các thông số mạng, sự hình thành dung dịch rắn, các khuyết tật mạng lƣới tinh thể và mức độ tạo thành của các tinh thể không kết tinh.
b. Nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ Roentgen
Máy nhiễu xạ tia Roentgen (Hình 9) bao gồm 3 yếu tố cơ bản: nguồn phát tia Roentgen, giá để mẫu và thiết bị thu nhận tín hiệu (bộ thu tín hiệu). Dƣới đây là sơ đồ nguyên lí hoạt động máy nhiễu xạ Roentgen (Hình 10).
- Nguồn phát tia Roentgen: Tia Roentgen đƣợc tạo ra do sự tƣơng tác giữa e năng lƣợng cao và bia kim loại.
- Bộ lọc đơn sắc: chùm tia từ ống phát tia Roentgen gồm nhiều bƣớc sóng, thƣờng dùng đơn tinh thể để đơn sắc hóa chùm tia.
Hình 9. Máy nhiễu xạ Roentgen D8 - Advance
(Trung tâm phân tích thí nghiệm Địa chất - Phòng khoáng vật)
- Giá để mẫu: có nhiều kích thƣớc khác nhau để chứa mẫu bột hoặc mẫu khối mỏng. Giá để mẫu có thể quay quanh vị trí để các hệ mặt đều rơi vào góc nhiễu xạ.
- Bộ thu tín hiệu nhấp nháy: là bộ thu tín hiệu thông dụng nhất trong việc phân tích vật liệu bởi nhiễu xạ tia Roentgen. Bộ thu tín hiệu có 2 thành phần cơ bản: tinh thể phát ra ánh sáng nhấp nháy (scintillates) khi tƣơng tác với tia Roentgen và ống nhân quang có chức năng chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện.
Kỹ thuật nhiễu xạ tia Roentgen đƣợc sử dụng phổ biến nhất là phƣơng pháp bột. Trong kĩ thuật này, mẫu đƣợc tạo thành bột với mục đích có nhiều tinh thể có tính định hƣớng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng có một số lớn hạt có định hƣớng thỏa mãn điều kiện Bragg.
Mẫu đƣợc tạo dƣới dạng lớp mỏng cỡ vài miligam bột tinh thể trải trên đế phẳng (đối với phân tích mẫu tổng). Tia Roentgen đơn sắc đƣợc chiếu tới mẫu và cƣờng độ tia nhiễu xạ thu đƣợc bằng bộ thu tín hiệu. Mẫu đƣợc quay với tốc độ còn bộ thu tín hiệu quay với tốc độ 2, cƣờng độ tia nhiễu xạ đƣợc tự động ghi lại và từ đó vẽ đƣợc giản đồ nhiễu xạ của mẫu. Kết hợp với định luật Bragg, cấu trúc và thông số mạng của từng pha chứa trong mẫu bột và cƣờng độ của tia nhiễu xạ cho phép xác định sự phân bố và vị trí nguyên tử trong tinh thể. Mặt khác cƣờng độ đỉnh nhiễu xạ còn phụ thuộc vào hàm lƣợng của pha đó trong mẫu.
Đối với phân tích mẫu định hƣớng cũng giống nhƣ việc phân tích mẫu tổng nhƣng cách chuẩn bị mẫu và mục đích của phƣơng pháp phân tích là khác nhau. Phƣơng pháp phân tích mẫu định hƣớng này mang lại khá nhiều thông tin nhằm kiểm tra khoảng cách 00k và sự thay đổi khoảng cách này trong điều kiện bão hòa hay nung. Ngoài ra nó còn cung cấp thông tin khả năng phản ánh: bản chất thành phần lớp xen, độ lớn các lớp, vị trí các lớp (Schroeder, 2010).
c. Chuẩn bị mẫu và phƣơng pháp phân tích
Mẫu đƣợc nghiền nhỏ và rây tới độ hạt < 63 m, sau đó lấy khoảng 2 gram cho vào giá đựng mẫu, rồi ấn nhẹ mẫu bằng một tấm kính cỡ 4,5 x 5cm để tạo bề mặt phẳng cho mẫu và cao bằng mặt giá đựng mẫu. Trong trƣờng hợp lƣợng mẫu ít
không đủ để cho vào giá đựng theo qui định, dùng một tấm kính mỏng 0,1cm với kích thƣớc 1,5 x 1,5cm, cho vào giá đựng mẫu và đƣợc gắn bởi đất nặn. Trên bề mặt tấm kính đó quét một ít mỡ vaselin, sau đó rắc đều mẫu lên và dùng tấm kính to để ép mẫu. Cần lƣu ý sao cho lớp mẫu đó bằng với mặt phẳng giá đựng mẫu.
Nghiên cứu tiến hành trên máy D8 Advance sử dụng bức xạ Cu(Kα1,2). Các thông số cài đặt bao gồm hiệu điện thế 35 kV, dòng điện 30 mA bƣớc nhảy 0.02°2Θ, thời gian ngƣng 3 giây, và phạm vi quét 4-57 °2Θ.
Từ các kết quả và biểu đồ XRD thu đƣợc, phần mềm Diffrac plus Evaluation đƣợc sử dụng nhằm phân tách các đƣờng nhiễu và chồng phủ của các đỉnh nhiễu xạ. Do đó, có thể tìm đƣợc tối ƣu các giá trị d - vị trí của các đỉnh nhiễu xạ. Các giá trị d của mẫu tổng không định hƣớng sẽ đƣợc đối chiếu với hệ thống dữ liệu ICDD/JCPDS để xác định các khoáng vật (JCPDS, 1978, 1979). Dựa vào sự thay đổi khoảng cách ô mạng mô tả trong nghiên cứu của Starkey và cộng sự (1984), các khoáng vật có mặt trong mẫu phân tích định hƣớng cũng đƣợc xác định.