CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỄU XẠ TIA X

1. Nguồn gốc tia X

Tia X lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1895 bởi nhà khoa học Wilhelm Conrad Röntgen khi ông làm thí nghiệm về các chùm hạt electron. Chính bởi phát hiện này mà ông trở nên nổi tiếng trên toàn thế giới, và tên của ông được đặt tên cho một nguyên tố trong bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.

Tia X là một bức xạ điện từ năng lượng cao, chúng có năng lượng từ 200 eV đến 1MeV, nằm giữa tia gamma và bức xạ tia cực tím trong phổ điện từ. Như vậy, bước sóng tia X thay đổi từ 1pm đến 10nm. Khoảng bước song thường được ứng dụng trong nghiên cứu và phân tích là 0,05 – 0,25 nm do khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể xấp xỉ 0,2 nm.

Tia X được tạo ra bởi sự tương tác giữa tia điện tử và các điện tử trong lớp vỏ nguyên tử. Thông thường, để tạo tia X, người ta sử dụng điện tử được gia tốc bắn phá vào bia anot. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, để tạo tia X có bước sóng cực ngắn công suất lớn thì có thể sử dụng betatron, hoặc sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ.

Tia X được tạo ra trong ống phát ronghen gồm hai điện cực đặt trong buống chân không. Toàn bộ hệ thống được giải nhiệt bằng nước. Các điện tử được sinh ra do nung nóng cathod bằng vonphram, cathod có điện áp âm cao, các điện tử được tăng tốc bắn phá về phía anod. Sự tổn hao năng lượng của điện tử do va chạm với anod kim loại được chuyển thành tia X (thường chỉ chiếm khoảng 1%).

Tia X tạo ra phụ thuộc vào thế tăng tốc sử dụng và bản chất kim loại làm bia anod. Xét phổ tia X của molipden. Với mỗi thế tăng tốc khác nhau, ta thu được một phổ tia X liên tục gồm nhiều bước sóng khác nhau. Phổ liên tục là do các điện tử mất năng lượng trong một loạt các va chạm với các nguyên tử anod.

Nếu một điện tử mất toàn bộ năng lượng trong một va chạm với nguyên tử bia để tạo ra một photon tia X có năng lượng lớn nhất hay bước sóng ngắn nhất thì bước sóng này được gọi là giới hạn sóng ngắn (λ_swl)

Khi điện tử lớp trong bị mất đi tạo thành lỗ trống thì có sự di chuyển từ các điện tử lớp ngoài vô lớp trong. Sự di chuyển này sẽ tạo ra các tia X đặc trung Kα1, Kα2… Các tia X đặc trưng có bước sóng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm bia anodNếu thay thế bia anod bằng các nguyên tố khác thì sẽ tạo ra được các tia X có bước sóng đặc trung khác nhau

Nguyên tố	Kα trung bình	Kα2	Kα1	Kβ
Cr	0.229100	0.229361	0.228970	0.208487
Fe	0.193736	0.193998	0.193604	0.175661
Co	0.179026	0.179285	0.178897	0.162079
Cu	0.154184	0.154439	0.154056	0.139222
Mo	0.071073	0.071359	0.070930	0.063229

Trong hầu hết nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X, ta thường sử dụng tia đơn sắc. Phương pháp đơn giản nhất để nhận được các tia đơn sắc đơn là lọc các tia X qua các lá kim loại thích hợp, ví dụ sử dụng là Ni cho tia X của điện cực Cu, do ngưỡng hấp thụ các vạch tia X của nó nằm giữa thành phần Kα, Kβ của phổ. Ngoài ra, người ta còn lựa chọn các tia X của mỗi loại bia anod có bước sóng phù hợp trong đó KαCu được sử dụng rộng rãi nhất.Bức xạ quan trọng trong nhiễu xạ là bức xạ liên quan đến sự lấp đầy lớp trong cùng K bởi các lớp kế cận để cho các vạch Kα, Kβ. Ngoài ra cũng có sự lấp đầy các lớp bên ngoài để tạo ra tia X nhưng không được chú trọng do không có nhiều ứng dụng.

Tia X được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực về y tế, nghiên cứu vật liệu. Tuy nhiên, đây là một dạng chùm tia electrone mang năng lượng cao dễ gây nguy hại đến sức khỏe con người nên đòi hỏi những yêu cầu khắt khe trong sử dụng. Biện pháp bảo vệ thường được sử dụng là dùng các vật che chắn có chứa chì để ngăn cách con người với nguồn phát tia X.