Diffrazione dei Raggi X DIY

Con il tubo a raggi X che abbiamo acquisito di recente vogliamo provare a realizzare un diffrattometro !

Introduzione

La diffrazione dei raggi X è una delle tecniche più importanti per lo studio dei solidi cristallini. La tecnica della diffrazione di raggi X si basa sullo scattering elastico coerente : il fenomeno macroscopico della diffrazione nasce infatti dalla somma coerente di tutte le onde elettromagnetiche diffuse dagli atomi che si trovano lungo una stessa famiglia di piani reticolari. Per manifestarsi, richiede necessariamente la presenza di un ordine reticolare, come si riscontra nei cristalli, sebbene questo fenomeno possa essere osservato con successo anche nei liquidi.

A seconda della natura del campione sotto esame la tecnica si divide in diffrazione su cristallo singolo (SC-XRD, single crystal X-ray diffraction) e diffrazione di polveri (XRPD, X-ray powder diffraction). La prima tecnica è in grado di dare informazioni tridimensionali sulla densità elettronica e sui moti termici di ogni atomo costituente il cristallo: tuttavia, la difficoltà di ottenere cristalli singoli e la complessità dell’analisi dei dati la rendono una tecnica non routinaria. Estremamente più diffusa è invece la diffrazione di raggi X di polveri, che è molto più veloce ed economica, e permette di quantificare le varie componenti di un campione solido, e di ricavare anche informazioni sulla struttura cristallina e sulla dimensione dei cristalliti.

La cristallografia a raggi X è una tecnica della cristallografia in cui l’immagine, prodotta dalla diffrazione dei raggi X attraverso lo spazio del reticolo atomico in un cristallo, viene registrata e quindi analizzata per rivelare la natura del reticolo. In genere, questo porta a determinare il materiale e la struttura molecolare di una sostanza.
Le dimensioni del reticolo cristallino possono essere determinate con la legge di Bragg. Gli elettroni che circondano gli atomi, piuttosto che i nuclei degli atomi stessi, sono le particelle che interagiscono fisicamente con i fotoni dei raggi X.
Nella cristallografia a raggi un fascio di raggi X colpisce il cristallo stesso e viene quindi diffratto in direzioni specifiche. A seconda degli angoli e dell’intensità di questi raggi diffratti un cristallografo può produrre un’immagine tridimensionale della densità di elettroni nel cristallo. Da questa è possibile ricavare la posizione media degli atomi, così come i loro legami chimici ed altre informazioni.

Tubo a Raggi X

Le immagini sotto mostrano il tubo di fabbricazione sovietica BH4. Si tratta di un tubo con finestra di emissione frontale, ampiamente schermato nella zona anodica. Il fascio esce dalla finestra frontale presente sulla “protuberanza” che si vede nella seconda immagine. Il tubo BH4 si trova in due tipologie : anodo in Argento oppure anodo in Germanio. Il nostro tubo è in Germanio.
Il tubo è progettato per funzionare con una tensione anodica di massimo 50 KV, mentre la zona operativa è compresa tra 20 e 40 KV, mentre la corrente anodica deve essere compresa tra 200 e 600 μA. La corrente anodica viene efficacemente controllata dal filamento la cui corrente massima vale 3.5 A.

Il fascio di uscita collimato, la schermatura anodica, l’anodo in Germanio ed i parametri elettrici non proibitivi rendono questo tubo un buon candidato per essere la sorgente X di un piccolo diffrattometro “amatoriale”.

Lo schema rappresentato sotto, tratto direttamente dal manuale originale del tubo, mostra i collegamenti : i terminali 1 e 2 sono quelli del filamento, l’elettrodo 3 è il catodo, mentre l’elettrodo 4 è l’anodo; l’anodo corrisponde alla calotta metallica presente nella parte anteriore del tubo.

I grafici riportati sotto, anch’essi ricavati direttamente dal manuale originale, mostrano le caratteristiche I/V del filamento e del circuito catodo-anodo.

Dalle caratteristiche costruttive del tubo si può dedurre che l’anodo, non essendo isolato, era pensato per essere collegato a massa, mentre il catodo andava alimentato ad una tensione negativa, insieme alla alimentazione flottante del filamento. Nella nostra configurazione abbiamo invece collegato a massa il catodo e collegato l’anodo alla alta tensione positiva : questo collegamento è più semplice ma bisogna fare attenzione alle superfici che si portano ad alta tensione positiva !

L’immagine sotto mostra il nostro setup. Il tubo è stato posto in un contenitore di legno, a sua volta isolato dal basamento con una lastra di plexiglas. Il tubo è stato ulteriormente schermato con lastra di piombo da 12 decimi. Si può intravedere il cavo rosso che porta l’alta tensione all’anodo. Di fronte alla finestra di emissione del tubo è stato posto un collimatore in acciaio – piombo con un foro di passaggio di circa 1 mm. All’uscita del collimatore si ottiene un fascio di radiazione X di sezione trasversale di circa 1-1.5 mm. L’immagine a lato mostra una “radiografia” del fascio all’uscita dal collimatore.

 

Ponendo un contatore geiger di fronte al collimatore si raggiungono facilmente valori di conteggio maggiori di 1000 CPS, aumentando corrente e tensione anodica è facile mandare in saturazione il contatore geiger che raggiunge un massimo di 2000 CPS.

L’emissione del tubo a raggi X è stata controllata con lo spettrometro XRF (descritto nel post Spettrometria XRF DIY). Il grafico sotto mostra lo spettro acquisito con la nostra sonda DIY, basata su di un sottile cristallo scintillatore CsI(Tl) accoppiato ad un PMT.
Alimentato alla tensione di 30 KV il tubo X-Ray con anodo in Germanio genera una forte emissione a circa 10-12 KeV, che corrisponde alle righe caratteristiche Kα e Kβ del Germanio, sovrapposte ad un continuo che raggiunge, più o meno, la massima tensione anodica.

Il grafico riportato sotto mostra in rosso l’emissione del tubo ed in verde l’emissione che si ottiene dopo un filtro costituito da una sottile lamina di Gallio che taglia le energie maggiori di Kα.
Il filtro di Gallio consente di ottenere una emissione praticamente monocromatica in corrispondenza della riga Kα del Germanio.

Connessioni Elettriche

Le connessioni elettriche del tubo a raggi X sono abbastanza semplici. Lo schema di principio è mostrato nella immagine a lato : ci sono due circuiti, il circuito HV tra anodo e catodo con l’anodo collegato a +HV ed il catodo connesso a terra ed il circuito di alimentazione del filamento con basse tensioni ma alte correnti.
Il valore HV dovrebbe essere regolabile, lo stesso vale per la corrente di filamento.
E’ consigliabile misurare sia la tensione HV che la corrente anodica. Questo si può ottenere con una adeguata resistenza da 1GΩ ed un μ-amperometro.
La corrente di filamento, che a sua volta controlla la corrente anodica, deve essere regolata accuratamente.
L’immagine sotto mostra il trasformatore HV (max 40 KV) che permette la regolazione del valore della alta tensione e l’alimentatore stabilizzato e regolato in corrente per il filamento. L’altra immagine mostra l’apparato completo.

Goniometro

Il tubo a raggi X ed il collimatore vengono completati con un rudimentale goniometro ricavato da una piastra rotante pensata per utilizzi in ambito robotico amatoriale. La precisione non è elevata e purtroppo non è possibile vincolare la rotazione del detector e del cristallo in modo da soddisfare in automatico la legge di Bragg θ : 2θ, questo significa che sia il detector che il cristallo vanno posizionati manualmente.
L’immagine sotto mostra la piastra rotante, in alto a destra c’è il collimatore con il foro d’uscita del fascio, a sinistra c’è il porta-detector con la fessura di collimazione.

Esempio di Diffrazione Bragg

L’immagine sopra mostra il setup per l’esecuzione della misura della diffrazione Bragg di un cristallo singolo di fluoruro di litio. Il cristallo è montato sulla piastra rotante del goniometro.
Nel grafico sotto invece sono riportati i risultati delle misurazioni, dalle quali risultano chiaramente i picchi in corrispondenza delle emissioni Kα e Kβ del Germanio. L’intensità dei picchi non è particolarmente elevata e la risoluzione spaziale è solo di 1° – 2°, nonostante questo il risultato ottenuto è apprezzabile.

Esempio di Diffrazione Laue

Il diffrattometro può essere efficacemente utilizzato anche per esperimenti sulla diffrazione alla “Laue”. In questo caso il campione in esame, cristallo singolo o policristallino, viene posto subito davanti al fascio collimato e le riflessioni di diffrazione vengono registrate su di una pellicola radiografica. L’immagine sopra mostra il setup.
L’immagine sotto è invece il risultato ottenuto sottoponendo al fascio X collimato una sottile lastrina di grafite pirolitica. L’esposizione è durata circa una ora (60 min) ed il tubo era alimentato a 20 KV / 100 μA. La macchia scura al centro è la traccia lasciata dal fascio trasmesso, mentre i puntini attorno sono le tracce lasciate dai raggi X diffratti. Lavorando in trasmissione è importante minimizzare l’assorbimento e quindi il campione deve essere molto sottile. Dalle immagini Laue si possono ricavare informazioni sulla struttura cristallina del campione in esame.

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