TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển một cách mạnh mẽ, hàng loạt các máy móc, thiết bị ra đời, bên cạnh đó xuất hiện một số chi tiết, phụ tùng bị hư hỏng trong quá trình làm việc. Vì vậy việc kiểm tra, bảo trì và tìm ra các nguyên nhân làm chi tiết máy bị hư hỏng là rất khó khăn.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp nghiên cứu tìm nguyên nhân hư hỏng các chi tiết trong đó có phương pháp nhiễu xạ bằng tia X quang để tìm ra ứng suất dư, ứng suất mõi . . . bên trong chi tiết.
Hiện nay khi trên thế giới khi đo mẫu đo có bề mặt phẳng thì dùng công thức của Culity đã chứng minh là chiếu tia X vào mặt phẳng và tìm được hàm hấp thụ, ngoài ra khi chiếu tia X lên mẫu đo hình trụ có thể xem phần tiếp xúc giữa mẫu đo và tia X là mặt phẳng ( vì tiết diện tia X nhỏ và bán kính hình trụ lớn ) có thể dùng công thức của Culity vẫn được nhưng không chính xác.
Sau này Taizo tìm ra hàm hấp thụ trên bề mặt hình trụ bằng phương pháp đo kiểu Y cố định góc Yo và khống chế tiết diện tia X.
Đề tài này phân tích sự ảnh hưởng hình dạng bề mặt vật liệu đến hàm hấp thụ tổng quát trong tính toán bằng X quang bằng phương pháp đo kiểu W cố định góc tới h và ho và không khống chế tiết diện tia X. Đã mở rộng ra nhiều phương pháp đo hàm hấp thụ trên bề mặt hình trụ trong tính toán ứng suất bằng X quang.
Kết quả đề tài tìm ra hàm hấp thụ tổng quát khi chiếu tia X lên chi tiết hình trụ bằng phương pháp đo kiểu W không khống diện tích tia X từ đó tính được chính xác cường độ nhiễu xạ.
MỤC LỤC
Trang
Phần A : GIỚI THIỆU CHUNG VỂ ĐỀ TÀI 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Nội dung nghiên cứu 1
1.3 Phương pháp nghiên cứu 2
1.4 Tính khả thi phương pháp nghiên cứu 2
1.5 Giới hạn đề tài 2
1.6 Điểm mới của luận văn 2
Phần B : NỘI DUNG 3
Một số ký hiệu 3
Chương 1 : KHÁI NIỆM VỀ TIA X 5
1.1 Giới thiệu về tia X 5
1.1.1 Lịch sử phát hiện tia X 5
1.1.2 Lịch sử phát triển tia X 6
1.1.3 Ứng dụng tia X 7
1.1.4 Tạo tia X 7
1.1.5 Đặc điểm của đường bức xạ 8
1.1.6 Nhiễu xạ tia X 11
1.1.7 Giới hạn bước sóng và hiện tượng quang phổ 14
1.2 Nguyên lý cấu tạo thiết bị 15
1.2.1 Phương pháp chụp ảnh 15
1.2.2 Phương pháp nhiễu xạ kế 16
1.2.3 Ưu điểm của phương pháp đo nhiễu xạ kế so với phương pháp chụp ảnh 19
Chương 2 : HỆ SỐ HẤP THỤ TRÊN BỀ MẶT PHẲNG 20
2.1 Các phương pháp đo trên máy nhiễu xạ đơn tinh thể 20
2.1.1 Phương pháp đo kiểu y 20
a. Phương pháp đo kiểu y, cố định y 21
b. Phương pháp đo kiểu y, cố định yo 21
2.1.2 Phương pháp đo kiểu W 22
a. Phương pháp đo kiểu W, cố định h 23
b. Phương pháp đo kiểu W, cố định ho 24
2.2 Hệ số hấp thụ ảnh hưởng tới cường độ nhiễu xạ trên mặt phẳng 24
2.3 Hàm số hấp thụ trên bề mặt trụ bằng phương pháp kiểu y cố định yo 26
Chương 3 : HÀM HẤP THỤ ĐO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂU W KHÔNG KHỐNG CHẾ TIẾT DIỆN TIA X TRÊN BỀ MẶT HÌNH TRỤ 29
3.1 Giới thiệu phương pháp đo 30
3.2 Dùng phương pháp đo kiểu W, cố định góc h 31
3.3 Dùng phương pháp đo kiểu W, cố định góc ho 35
Chương 4 : KHẢO SÁT HAI HÀM HẤP THỤ DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂU W 38
4.1 Khảo sát hàm hấp thụ dùng phương pháp đo kiểu W, cố định góc h không khống chế tiết diện tia X 38
4.2 Đánh giá hàm hấp thụ dùng phương pháp đo kiểu W, cố định góc ho không khống chế tiết diện tia X 40
4.2.1 Hàm hấp thụ ứng với các bán kính R, cố định góc tới ho 41
4.2.2 Hàm hấp thụ ứng với các góc tới ho, cố định bán kính R 46
Phần C : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 47
1.1 Tóm tắt kết quả đề tài 47
1.1.1 Ở phương pháp đo kiểu W, cố định góc h không khống chế tiết diện tia X 47
1.1.2 Ở phương pháp đo kiểu W, cố định ho không khống chế tiết diện tia X 48
1.2 Đánh giá kết quả đề tài 48
1.3 Hướng phát triển đề tài 48
BẢNG PHỤ LỤC 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
PHẦN A : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
- ĐẶT VẤN ĐỀ :
Trong thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật một cách mạnh mẽ, công nghệ tự động hóa đã giúp con người xử lý công việc một cách nhanh gọn chính xác, và làm tăng năng suất lao động. Những chi tiết máy có sức dẻo dai trong công việc, nhưng có những lúc ta thấy vậy nhưng không như vậy, ví dụ hai chi tiết có cùng vật liệu mà gia công và làm việc ở hai môi trường khác nhau và dẫn đến tuổi thọ của chúng khác nhau. Có thể do nhiều nguyên nhân sinh ra ví dụ như do ứng sư dư trên bề mặt vật liệu sinh ra sau quá trình gia công, xử lý nhiệt . . . đã để lại trên chi tiết và làm chúng thay đổi đặc tính bên trong, chính vì vậy nó là nguyên nhân gây hư hỏng biến dạng vật liệu. Cho nên việc xác định ứng suất dư có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý và cải thiện điều kiện làm việc của các chi tiết máy.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phương pháp xác định ứng suất dư trên bề mặt chi tiết, trong đó có phương pháp nhiễu xạ, dùng tia X chiếu vào vật chi tiết mẫu để từ đó xác định ứng suất dư, hoặc dự đoán các vết nứt, tính ứng suất mõi . . . mà không phá hủy chi tiết mẫu.
Ngày nay khi đo mẫu chi tiết máy có nhiều hình dạng khác nhau như bề mặt chi tiết có thể là mặt phẳng, mặt trụ, mặt cầu . . . mà tia X khi chiếu tới có diện tích tương đối nhỏ ( từ 1mm2 ¸ 100mm2). Nếu chiếu tia X lên mặt phẳng hoặc lên mẫu đo hình trụ có bán kính lớn thì xem phần tiếp xúc giữa mẫu đo và tia X là mặt phẳng khi đó dùng công thức của Culity tính toán cường độ nhiễu xạ bị hấp thụ trên mặt phẳng. Còn nếu ta chiếu tia X vào mặt trụ có bán kính trung bình hoặc nhỏ thì không thể xem nó tiếp xúc là mặt phẳng (nếu dùng công thức tính cường độ nhiễu xạ bị hấp thụ trên bề mặt phẳng thì không chínhxác ).
Giả sử ta cần đo ứng suất của trục cán có tiết diện nhỏ thì lúc đó chiếu tia X vào mặt trụ có đường kính nhỏ trung bình hoặc nhỏ thì lúc này không thể xem nơi tiếp xúc giữa tia X và chi tiết mẫu là mặt phẳng mà nó là mặt trụ, khi đó cường độ của tia X bị nhiễu xạ trên mặt phẳng ít nhiều có sự thay đổi đo phần tiết diện tiếp xúc giữa tia X và chi tiết mẫu gây nên.
- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU :
Phân tích sự ảnh hưởng hình dạng bề mặt của vật liệu đến hàm hấp thụ tổng quát trong tính toán ứng suất bằng X quang.
- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :
Nghiên cứu ở dạng lý thuyết, dựa vào đặc tính tia X khi chiếu vào mặt trụ có liên quan tới hàm hấp thụ trong ứng suất đo lường.
- TÍNH KHẢ THI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :
Dựa vào kết quả ta có thể tính được sự ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đến cường độ nhiễu xạ của chi tiết tương đối chính xác và từ đó xác định được ứng suất dư, ứng suất mõi, tìm vết nứt . . .
- GIỚI HẠN ĐỀ TÀI :
Do đặc tính của vật liệu rất đa dạng nên ở đây chỉ nghiên cứu hình dáng bề khi chiếu tia X vào mặt trụ có bán kính trung bình hoặc tương đối nhỏ, điển hình như trục cán, và từ đó tìm ra hàm hấp thụ của tia X khi chiếu tia X vào mặt trụ nhằm hỗ trợ tính toán ứng sưất dư, tìm ứng suất mõi, tìm vết nứt . . trên bề mặt trụ.
- ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN :
Tìm hàm cường độ nhiễu xạ bị hấp thụ tổng quát khi chiếu tia X vào hình trụ mà không dùng mặt phẳng giới hạn tia X khi tiếp xúc với mặt trụ.
PHẦN B: NỘI DUNG
MỘT SỐ KÝ HIỆU
l : bước sóng
lSWL : giới hạn bước sóng ngắn
2q : góc nhiễu xạ
d : khoảng cách giữa các mặt phẳng phân tử ( hkl )
n : phản xạ bậc cao
h : hằng số Plank
V : hiệu điện thế của đĩa
( P ) : mặt phẳng chứa ống phát và ống thu tia X ( mặt phẳng nghiêng )
( Q ) : mặt phẳng vuông góc với trục hình trụ chứa hướng đo ứng suất
Ψ : góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo với phương pháp tuyến của họ mặt phẳng nguyên tử nhiễu xạ
Ψo : góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo và tia tới X
h : là góc phân giác của tia tới và tia nhiễu xạ X
ho : là góc tạo bởi phương pháp tuyến của họ mặt phẳng nhiễu xạ và tia tới X
g : góc tạo bởi tia tới X và phương ngang
b : góc tạo bởi tia nhiễu xạ và phương ngang
j : góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo với mặt phẳng nghiêng
a : góc tạo bởi trục đứng mẫu đo hình trụ với ( P )
a : hệ số tính chất của vật liệu ( phụ thuộc loại vật liệu )
b : thể tích phần năng lượng tia tới trên một đơn vị thể tích ( phụ thuộc vào đặc tính của tia X như Cr-Ka, Cr-Kb, Cu-Kb, Co-Kb . . .)
m : hằng số hấp thụ ( phụ thuộc vào đặc tính của tia X và loại vật liệu mẫu đo )
AB : chiều dài tia tới thẩm thấu đến phân tố bị nhiễu xạ
BC : chiều dài nhiễu xạ từ phân tố bị nhiễu xạ đến ra ngoài mẫu đo
d : chiều sâu thẩm thẩm thấu tại h = 0o
R : bán kính của mẫu đo hình trụ
r : bán kính tại phân tố bị nhiễu xạ
dr : chiều dày phân tố bị nhiễu xạ
w : góc giới hạn vùng nhiễu xạ
dw : bề rộng phân tố bị nhiễu xạ
L : chiều dài phân tố bị nhiễu xạ
Lc : chiều dài thẩm thấu của tia tới và nhiễu xạ đi ra ngoài mẫu đo.
dV = Ldrdw : thể tích phân tố bị nhiễu xạ
B x H : tiết diện của tia X
Chương 1 : KHÁI NIỆM VỀ TIA X
1.1. GIỚI THIỆU VỀ TIA X :
1.1.1 Lịch sử phát hiện tia X :
Tia X hay còn gọi là tia Rơntgen do nhà khoa học Đức Wilhelm Conrad Roentgen phát hiện ra vào năm 1895, tại phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg ( cách Berlin 300 km về phía tây nam ). Rơntgen cho dòng điện đi qua ống tia âm cực ( là ống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu ) và đặt màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thuỷ tinh ( trong đó có tráng một lớp hỗn hợp phát quang ) thì xuất hiện ánh sáng xanh nhè nhẹ khác lạ so với tia lửa điện.
Lần lượt ông đưa giấy, bìa cứng cho ánh sáng qua và ông nhận ra thấy các ống xương tay và chiếc nhẫn đeo tay có màu đậm in trên giấy cứng sau khi rửa ảnh.Tiếp tục ông thay giấy cứng bằng quyển sách dày cũng tương tự, rồi ông để trực tiếp cho ánh sáng xanh trên chiếu qua tay ông và ông thấy rõ mồn một từng khớp ngón tay và gân máu của ông đang dịch chuyển khi tay ông chuyển động.
Từ đó tia X được ứng dụng vào y học đầu tiên, giúp con người thấy được cơ quan nội tạng bên trong cơ thể.
Tháng 2 năm 1886, tại Pari, nhà vật lý Oudin và bác sĩ Bathelemy đã thực nghiệm X quang tại nhà, dựa vào nguyên lý của Roentgen, họ đã chế tạo máy X quang đầu tiên trên thế giới, và bác sĩ Antoine Beclere đã chiếu X quang cho người đầu bếp của mình, ông nhận thấy phổi của bà có nhiều chỗ bị mờ, hỏi ra mới biết, trước đó bà đã bị ho ra máu. Đó là trường hợp đầu tiên chuẩn đoán X quang đầu tiên trong lịch sử y học trên thế giới.
Sau này giáo sư người Pháp Henri Becquenre đã nghiên cứu về phóng xạ cùng với Marie Cuie ( người Pháp gốc Ba Lan), và Joseph John Thomson ( giáo sư vật lý người Anh) dựa vào nguyên lý của máy X quang đã trở thành cha đẻ về phóng xạ nhân loại.
Tia X có khả năng đặc biệt xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm của cơ thể . . . Nhưng không đi qua được kim loại, nhất là những kim loại có tỷ trọng lớn, không đi qua được một số bộ phận trong cơ thể, nhất là những bộ phận có chứa nguyên tố nặng như xương. Mặc khác nó không ảnh hưởng bởi từ trường, nó làm cho không khí dẫn điện hiện lên phim.
Sau đây là trật tự dãy ánh sáng : Tia gama – Tia X – Tia cực tím – Ánh sáng nhìn thấy – Tia hồng ngoại – Sóng rađa – Sóng vô tuyến.
Từ tia gama, tia X và tia cực tím là nhũng tia có bước sóng ngắn, tầng số và năng lượng cao, còn tia hồng ngoại, sóng rađa và sóng vô tuyến có bước sóng dài, tầng số và năng lượng thấp. Ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng từ 400nm tới 700nm tương ứng với dãy ánh sáng sắp xếp xác nhau : màu tím, màu chàm, màu xanh dương, màu xanh lá cây, màu vàng và màu đỏ.
Bước sóng của tia X khoảng từ 10 nm tới 1 pm, năng lượng khoảng 200 eV đến 1 MeV, trong khi bước sóng ánh sáng từ 400 nm tới 700 nm
1.1.2 Lịch sử phát triển tia X :
Năm 1912 Von Laue đã chứng minh rằng tia X có thể bị nhiễu xạ bởi tinh thể.
Năm 1935 lần đầu tiên Le Galley chế tạo máy phát tia X đo tinh thể ở cấu trúc dạng bột.
Năm 1947 ông Phillip lần đầu tiên giới thiệu rộng rãi và bán máy nhiễu xạ đo tinh thể có cấu trúc dạng bột.
Vào đầu những thập niên 50 máy đo nhiễu xạ dạng bột dùng rộng rãi để nghiên cứu những vật liệu có cấu trúc chưa hoàn chỉnh.
Năm 1969 Rietveld đã phát triển phương pháp phân tích dãy dữ liệu nhiễu xạ có cấu trúc dạng bột.
Năm 1977 Cox, Young, Thomas và các tác giả khác lần đầu tiên ứng dụng phương pháp Rietveld về bức xạ tia X.
1.1.3. Ứng dụng tia X :
Tia X được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành : y học, địa chất, hoá học, vật liệu học, môi trường . . .như : nghiên cứu môi trường khoáng sản, dự báo và phân tích địa tầng học, nghiên cứu sự hình thành các quặng, chụp X quang trong y học, xác định cấu trúc tinh thể, tìm thông số mạng tinh thể, tìm ứng suất dư để lại trên bề mặt chi tiết sau gia công, tìm ứng suất mõi . . .
Hiện nay trong nước ta đã ứng dụng tia X vào một số ngành nghề như : chụp X quang trong y học, ứng dụng phương phápnhiễu xạ để xác định loại amiăng có nguy cơ ảnh hưởng tới sức khoẻ con người, dùng tia X phân tích các chất thải ra từ các công nghiệp làm ô nhiễm môi trường ở các làng nghề Nam Định.
1.1.4. Tạo tia X [2]:
Hình 1.3 Sơ đồ giới thiệu các thành phần chính của ống phát tia x hiện đại.
Berli (Be) được dùng làm cửa số vì nó hầu như trong suốt đối với tia X
Tia X phát sinh khi các điện tử hoặc các hạt mang điện khác bị hãm bởi một vật chắn và xuất hiện trong các quá trình tương tác giữa bức xạ g với vật chất.
Thông thường để tạo tia X người ta sử dụng điện tử vì để gia tốc điện tử đòi hỏi cường độ điện trường nhỏ hơn so với trừơng hợp dùng các loại hạt mang điện khác. Để có tia X có bước sóng cực ngắn công suất lớn có thể sử dụng bêtatron. Trong một số trường hợp nghiên cứu cấu trúc bằng tia Rơntgen người ta còn sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ.
Tia X được tạo ra trong ống phát Rơntgen gồm hai cực điện trong buồng chân không như được chỉ ra trong hình 1.3. Các điện tử được sinh ra do nung nóng catot nhiệt vonfram. Catot có điện áp âm cao và các điện tử được tăng tốc về phía anot thường nối đất. Các điện tử với vận tốc lớn tới đập vào anot được làm nguội bằng nước. Sự tổn hao năng lượng của điện tử do va chạm với anot kim loại được chuyển thành tia X. Thông thường chỉ khoảng một phần trăm năng lượng ( <1%) của tia điện tử chuyển thành tia X, phần lớn bị tiêu tán dưới dạng nhiệt tại anot kim loại được làm lạnh.
1.1.5 Đặc điểm của đường bức xạ [3]:
Hình 1.4 Sơ đồ phổ tia X của Molipđen với thế tăng tốc khác nhau
Nếu thế tăng tốc dùng từ ống phóng điện tử tia X được gia tăng thì cường độ dòng cực đại xếp chồng lên nhau sẽ xuất hiện hiện tượng quang phổ, đường cường độ dòng cực đại ở đây gọi là đường đặc tính bức xạ hình 1.4.
Phổ tia X của Molipđen được giới thiệu trong hình 1.4, là một phổ bao gồm một dãi bước sóng. Với mỗi thế tăng tốc - thế đặt giữa catod và anod, 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 do một loạt va chạm với các nguyên tử anod. Vì mỗi điện tử mất năng lượng của nó theo một cách khác nhau nên phổ năng lượng liên tục hay các bước sóng tia X được tạo thành. Nếu một điện tử mất toàn bộ năng lượng trong một va chạm với một nguyên tử bia thì tạo ra một photon tia X có năng lượng lớn nhất hay bước sóng ngắn nhất. Bước sóng này gọi là giới hạn sóng ngắn ( lSWL ) như trong hình 1.4 cho bia Molipđen va chạm với các điện tử 25keV.
 |
Hình 1.5 Minh hoạ quá trình ion hóa lớp trong và phát xạ tia X đặc trưng
- : một điện tử tới làm bật một điện tử quỹ đạo ra khỏi nguyên tử
- : tạo một lỗ trống lớp K
- : xảy ra hồi phục điện tử và dẫn đến phát xạ photon tia X
Đặc tính cơ bản của vạch quang phổ có thể được phát hiện bởi năng lượng của các lớp electron khác nhau bao quanh hạt nhân. Nếu electron bay tới có năng lượng đủ mạnh nó có thể lấy đi một electron từ lớp K hoặc 1s và kích thích nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao, hình 1.5. Sau đó nguyên tử được điền đầy bởi một electron vào chổ trống từ trạng thái năng lượng cao hơn ( lớp L hoặc M ) thì lúc này năng lượng của nó ở trạng thái thấp hơn. Sự khác nhau giữa các lớp năng lượng electron và các lớp năng lượng cao sẽ phát ra đường đặc tính nhiễu xạ tia X trong suốt quá trình. Từ đó các năng lượng của lớp electron được lượng tử hóa và phát ra nhiễu xạ là duy nhất, nên các đường đặc tính xuất hiện tại những bước sóng dài rõ ràng hơn.[2]
Hơn thế nữa, năng lượng liên kết các electron thì phụ thuộc vào nguyên tử Z, bước sóng của quá trình trên là đặc tính của từng từng vật liệu, sự thật này được khám phá bởi Mosely vào năm 1914, ông cho rằng có một mối quan hệ giữa nghiệm bậc hai của tần số n và số nguyên tử Z.[3]
=C.(Z - s)
Ở đây C và s là các hằng số của quá trình trên và vật liệu. Đường đặc tính nhiễu xạ xảy ra tại những bước sóng không phụ thuộc vào thế tăng tốc, một số đường đặc tính cường độ tia X tỉ lệ với cường độ dây tóc I và thế tăng tốc V, thông qua phương trình
ICh.Rad = B.i.( V- VChar)n
B : là hằng số
Vchar : là hiệu điện thế kích thích của đường đặc tính.
Đường đặc tính được hiểu là nguồn gốc kích thích lớp này tới lớp kia mà nó cung cấp electron theo yêu cầu trong trạng thái năng lượng suy yếu tới mức thấp. Ví dụ lớp K được tạo ra khi một electron bị tống ra từ lớp K và lớp L cung cấp electron đến nó lại. Tuy nhiên lớp K có hai electron với năng lượng khác nhau và nó phụ thuộc vào sự cung cấp electron từ Ka1 và Ka2. Nếu electron được cung cấp bởi lớp M thì cường độ đặc tính gọi là Kb.
Hình 1.6 Sự di chuyển điện tử trong nguyên tử tạo thành tia X đặc trưng Ka, Kb và La.
Chú ý rằng nếu electron có thể kích thích lên đặc tính lớp K thì nó cũng kích thích các electron khác với sự yếu đi. Tuy nhiên đường K được dùng trong nhiễu xạ tia X vì chúng có khả năng thẩm thấu xuyên vào không khí. Những nguyên tố mà đường năng lượng thấp như Cu, Fe, Cr thì suy giảm rất nhanh khi tán xạ vào không khí và thường không dùng để quan sát, tuy nhiên có những đường L quan trọng như Pt, Au, W . . . Thật sự những yếu tố nhiễu xạ trên chỉ xuất hiện một hiệu điện thế khoảng từ 20KV đến 60KV.
1.1.6 Nhiễu xạ tia X :
a. Hiện tượng nhiễu xạ Tia X [4] :
Nhiễu xạ là đặc tính chung của các sóng và có thể được định nghĩa là sự thay đổi cách xử sự của các tia sáng hoặc các sóng khác do sự tương tác của nó với vật chất. Trước hết ta coi rằng nguyên tử là độc lập, nếu tia X chiếu vào nguyên tử thì các điện tử sẽ dao động quanh vị trí trung bình của chúng. Lưu ý rằng khi điện tử bị hãm ( mất năng lượng ) nó sẽ phát xạ tia X.
Quá trình hấp thụ và tái phát bức xạ điện tử này được gọi là tán xạ, sử dụng khái niệm photon, ta có thể nói rằng photon tia X bị hấp thụ bởi nguyên tử và photon khác có cùng năng lượng được phát xạ. Khi không có sự thay đổi về năng lượng giữa photon tới và photon phát xạ ta có thể nói rằng sự bức xạ là tán xạ đàn hồi. Như thế tán xạ không đàn hồi chỉ là mất năng lượng photon.
Nếu nguyên tử được lựa chọn không phải là hyđro thì phải coi là tán xạ từ nhiều hơn một điện tử, vì khi ấy nguyên tử chứa một điện tử nằm ở các vị trí quanh hạt nhân, mặc dù theo cơ học lượng tử ta biết rằng không có một biểu diễn chính xác nào về nguyên tử.
Khi hai sóng gọi vào nguyên tử chúng bị tán xạ bởi điện tử theo hướng tới, hai sóng tán xạ theo hướng tới được gọi là cùng pha ( hay theo thuật ngữ khác là kết hợp ) tại mặt sóng vì các sóng này có cùng quãng đường đi trước và sau tán xạ, nói cách khác hiệu quảng đường ( hiệu pha ) bằng không. Nếu hai sóng là cùng pha thì cực đại sóng của chúng là thẳng hàng. Nếu cộng hai sóng này, tức lấy tổng biên độ của chúng, thì ta nhận được một sóng có cùng bước sóng nhưng biên độ gấp đôi. Các sóng tán xạ theo phương khác sẽ không cùng pha tại mặt sóng khi hiệu quảng đường đi được trước và sau khi tán không phải là số nguyên lần bước sóng. Nếu ta cộng hai sóng này lại ở mặt sóng thì thấy biên độ sóng tán xạ nhỏ hơn so với biên độ sóng tán xạ bới các điện tử theo hướng tới.
Cho rằng các nguyên tử là xếp sít nhau và mỗi nguyên tử đóng góp nhiều tia X tán xạ, các sóng tán xạ từ mỗi nguyên tử giao thoa với nhau, nếu các sóng là cùng pha thì xuất hiện giao thoa tăng cường, nếu lệch pha 180o thì xảy ra sự giao thoa tắt. Tia nhiễu xạ có lẽ được định nghĩa là tổng hợp của một lớn sóng tán xạ chồng chất. Đối với tia nhiễu xạ có thể đo được thì không có sự giao thoa tắt hoàn toàn.
Để mô tả hiện tượng nhiễu xạ người ta đưa ra ba thuật ngữ sau : tán xạ ( Scattering), giao thoa ( interference ), nhiễu xạ ( diffraction ). Có sự khác nhau giữa ba thuật ngữ này.
- Tán xạ : là quá trình ở đó sự bức xạ bị hấp thụ và tái bức xạ phát sinh theo các hướng khác nhau.
- Giao thoa : là sự chồng chất của hai hay nhiều sóng tán xạ tạo thành sóng tổng hợp là tồng của sự đóng góp của các sóng phủ nhau.
- Nhiễu xạ : là sự giao thoa tăng cường của nhiều hơn một sóng tán xạ.
Không có sự khác nhau vật lý thực sự giữa giao thoa tăng cường và nhiễu xạ.
b. Định luật Bragg :
Hình 1.7
Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể ta thấy xuất hiện các tia nhiễu xạ với cường độ khác nhau do bước sóng tia X có độ dài vào cỡ khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử trong vật rắn tinh thể. Các hướng này bị khống chế bởi bước sóng của bức xạ tới và bởi bản chất của mẫu tinh thể. Định luật Bragg, được W.L.Bragg thiết lập năm 1913, thể hiện mối quan hệ giữa bước sóng tia X và khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử.[1]
Để dẫn tới định luật Bragg cần giả thuyết rằng mỗi mặt phẳng nguyên tử phản xạ sóng tới độc lập như phản xạ gương. Các tia X không thực sự bị phản xạ - chúng bị tán xạ - song rất thuận tiện nếu xem chúng là phản xạ, và người ta thường gọi các mặt phẳng là “ mặt phản xạ “ và tia nhiễu xạ là “ tia phản xạ “ .
Giả sử có hai mặt phẳng nguyên tử song song A – A ‘ và B – B’ có cùng chỉ số Millier h,k và l và cách nhau bởi khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử dhkl. Để đơn giản, cho mặt phẳng tinh thể của các tâm tán xạ nguyên tử được thay thế bằng mặt tinh thể đóng vai trò như mặt phản xạ gương đối với tia X tới.
Hình 1.8 Nguyên lý nhiễu xạ
Giả sử hai tia 1 và 2 đơn sắc, song song và cùng pha với bước sóng l chiếu vào hai mặt phẳng này dưới một góc q. Hai tia bị tán xạ bởi nguyên tử P và Q và cho hai tia phản xạ 1’ và 2’ cũng dưới một góc q so với các mặt phẳng này, hình 1.8. Sự giao thoa của tia X tán xạ 1’ và 2’ xảy ra nếu hiệu quảng đường 1-P-1’ và 2-Q-2’ , tức SQ + QT , bằng số nguyên lần bước sóng[2]. Như vậy điều kiện nhiễu xạ là :
nl = SQ + QT (1.1)
nl = 2dhkl sinq (1.2)
Trong đó n = 1 , 2 , 3 . . . được gọi là bậc phản xạ.
Phương trình (1.2) chính là định luật Bragg biểu thị mối quan hệ đơn giản giữa góc của tia nhiễu xạ với bước sóng tia X tới và khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử dhkl. Nếu định luật Bragg không được thoả mãn thì sự giao thoa thực chất sẽ không có vì cường độ nhiễu xạ thu được là rất nhỏ.
Trong hầu hết các trường hợp, bậc phản xạ thứ nhất được sử dụng, n = 1, do đó định luật Bragg được viết như sau :
l = 2dhkl sinq (1.3)
Khi n > 1, các phản xạ được gọi là phản xạ bậc cao. Ta có thể viết phương trình (1.2) như sau :
l = 2(dhkl /n)sinq (1.4)
Trong đó dhkl /n là khoảng cách giữa các mặt ( nh nk nl ). Vì thế có thể xem phản xạ bậc cao là phản xạ bậc nhất từ các mặt đặt tại khoảng cách bằng 1/n khoảng cách d. Bằng cách đặt d’ = d/n và thay vào phương trình (1.4) ta có thể viết định luật Bragg theo cách thông thường là :
l = 2d’ sinq (1.5)
hoặc l = 2d sinq (1.6)
1.1.7 Giới hạn bước sóng và hiện tượng quang phổ
Tia X có thể được tạo ra bởi hai phương pháp khác nhau cơ bản. Phương pháp thứ nhất dùng điện thế phóng vào vật mẫu trong suốt quá trình thế giảm tốc nhanh. Phương pháp thứ hai cần phải được ion hóa.[1].
..................................................
4.2.2 Hàm hấp thụ ứng với các góc tới ho , cố định bán kính R
Ở đây chọn bán kính R = 5cm, 2q chạy từ 100o ÷ 180o, và xét 5 trường hợp ho = 75º, ho = 60º, ho = 45º, ho = 30º và ho = 15º.
- Tại ho = 75º Þ g = 90o - ho = 15º
Từ phương trình (4.4) và (4.5) Þ hàm hấp thụ A không xác định tại 2q = 15o ( thỏa )
- Tại ho = 60º Þ g = 90o - ho = 30º
Từ phương trình (4.4) và (4.5) Þ hàm hấp thụ A không xác định tại 2q = 30o ( thỏa )
- Tại ho = 45º Þ g = 90o - ho = 45º
Từ phương trình (4.4) và (4.5) Þ hàm hấp thụ A không xác định tại 2q = 45o ( thỏa )
- Tại ho = 30º Þ g = 90o - ho = 60º
Từ phương trình (4.4) và (4.5) Þ hàm hấp thụ A không xác định tại 2q = 60o ( thỏa )
- Tại ho = 15º Þ g = 90o - ho = 75º
Từ phương trình (4.4) và (4.5) Þ hàm hấp thụ A không xác định tại 2q = 75o ( thỏa )
|
ho = 75o
ho = 60o
ho = 45o
ho = 30o
ho = 15o
|
Hình 4.7 Đồ thị hàm hấp thụ A ứng với R = 5cm
Nhìn vào hình 4.7, nhận thấy rằng :khi thay đổi góc ho thì đường đặc tính của hàm hấp thụ A có sự thay đổi, cụ thể là góc ho càng nhỏ thì giá trị hàm A càng nhỏ và ngược lại ( hay góc ho càng nhỏ thì tính hấp thụ càng cao và ngược lại ).
PHẦN C :
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Vậy để đo hàm hấp thụ trên mặt phẳng của mẫu đo thì dùng công thức của Culity là chiếu tiaX lên mặt phẳng, nếu đo trên mẫu đo hình trụ có thể dùng công thức của Culity xem nơi tiếp xúc của tia X và mặt trụ là mặt phẳng thì kết quả sẽ kém chính xác. Ngoài ra sau này Taizo tìm ra hàm hấp thụ trên bề mặt hình trụ bằng phương pháp đo kiểu y cố định góc yo phải khống chế tiết diện tia X khi tiếp xúc mặt phẳng đo hình trụ.
Đề tài này tìm ra hàm hấp thụ trên bế mặt hinh trụ bằng phương pháp đo kiểu W cốđịnh góc tới h và ho mà không khống chế tiết diện tia X khi tiếp xúc bề mặt hình trụ
-
TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
- Ở phương pháp đo kiểu W, cố định góc tới h :
Khi ta chiếu tia X vào mẫu hình trụ thì thu được hàm cường độ nhiễu xạ bị hấp thụ tổng quát là :
I = 
abIoHw[sing
- (sing - 2mR) ]
Hay hàm hấp thụ A = sing - (sing - 2mR)
Ở đây dùng đặc tính tia X là Cr - Ka, lấy mẫu thử là vật liệu Fe nên chỉ khảo sát góc nhiễu xạ 2q = 100o ÷ 180o ( vì hạn chế chiều dài nhiễu xạ của tia X để được kết quả chính xác hơn ).
Khi góc nhiễu xạ 2q tăng từ 100o ¸ 180o thì giá trị hàm hấp thụ A giảm dần.
Khi bán kính R càng lớn thấy rằng giá trị biên độ dao động của hàm A vẫn không thay đổi ( khoảng 0.23 đơn vị ), nên tỉ số của giá trị biên độ dao động và giá trị hàm hấp thụ A có thể xem bằng 0 khi bán kính lớn ( hay bán kính càng tăng thì không ảnh hưởng tới hàm hấp thụ )
- Ở phương pháp đo kiểu W, cố định góc tới ho
Khi ta chiếu tia X vào mẫu hình trụ thì thu được hàm cường độ nhiễu xạ bị hấp thụ tổng quát là :
 |
Hay hàm hấp thụ
Ở đây dùng đặc tính tia X là Cr - Ka, lấy mẫu thử là vật liệu Fe nên chỉ khảo sát góc nhiễu xạ 2q = 100o ÷ 180o ( vì hạn chế chiều dài nhiễu xạ của tia X để được kết quả chính xác hơn ).
- Khi bán kính R tăng thì giá trị hàm hấp thụ A tăng.
- Khi góc nhiễu xạ 2q tăng từ 100º đến 180º thì giá trị hàm hấp thụ A tăng đến giá trị lớn nhất và sau đó giàm dần.
- Khi góc ho càng lớn thì giá trị hàm hấp thụ A càng lớn.
- ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
Dựa trên cơ sở lý thuyết nhiễu xạ tia X và các phương pháp đo nhiễu xạ trên máy đo đơn tinh thể, kết hợp việc phân tích, tính toán và vẽ đồ thị trên phần mềm Maple, đề tài đã đạt được kết quả như sau :
Xây dựng được hàm cường độ nhiễu xạ bị hấp thụ tổng quát trên bề mặt hình trụ dùng phương pháp đo kiểu W mà không cần khống chế tiết diện tia X, để từ đó xác định chính xác cường độ nhiễu xạ và tính các ứng suất dư, ứng suất mõi trên bề mặt hình trụ ( mở rộng ra nhiều phương pháp tính).
- HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Đề tài này chỉ xét sự ảnh hưởng của hình dạng mặt trụ hưởng tới hàm hấp thụ tổng quát trong tính toán ứng suất b ằng X quang và xem vật liệu đồng nhất và đẳng hướng.. Vì vậy để tính toán toàn diện hơn, sau này sẽ tiếp tục nghiên cứu tính phi đẳng hướng của vật liệu nó ảnh hưởng đến tính hấp thụ của cường độ nhiễu xạ như thế nào.
BẢNG PHỤ LỤC
Bảng 1 : Dữ liệu vẽ phương trình (4.2)
|
R=1cm |
R = 2cm |
R = 5cm |
R = 10cm |
||||
|
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
|
100 |
1745.834 |
100 |
3492.434 |
100 |
8732.234 |
100 |
17465.234 |
|
110 |
1745.781 |
110 |
3492.381 |
110 |
8732.181 |
110 |
17465.181 |
|
120 |
1745.734 |
120 |
3492.334 |
120 |
8732.134 |
120 |
17465.134 |
|
130 |
1745.694 |
130 |
3492.294 |
130 |
8732.094 |
130 |
17465.094 |
|
140 |
1745.660 |
140 |
3492.260 |
140 |
8732.060 |
140 |
17465.060 |
|
150 |
1745.634 |
150 |
3492.234 |
150 |
8732.034 |
150 |
17465.034 |
|
160 |
1745.615 |
160 |
3492.215 |
160 |
8732.015 |
160 |
17465.015 |
|
170 |
1745.604 |
170 |
3492.204 |
170 |
8732.004 |
170 |
17465.004 |
|
180 |
1745.600 |
180 |
3492.200 |
180 |
8732.000 |
180 |
17465.000 |
Bảng 2.1 Dữ liệu vẽ phương trình (4.6) ứng với góc ho = 15o
|
R=1cm |
R=2cm |
R=5cm |
R=10cm |
||||
|
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
|
100 |
265.709 |
100 |
531.507 |
100 |
1328.900 |
100 |
657.900 |
|
110 |
325.234 |
110 |
650.601 |
110 |
1626.700 |
110 |
3253.500 |
|
120 |
368.928 |
120 |
738.028 |
120 |
1845.300 |
120 |
3690.800 |
|
130 |
400.544 |
130 |
801.292 |
130 |
2003.500 |
130 |
4007.300 |
|
140 |
422.519 |
140 |
845.265 |
140 |
2113.500 |
140 |
4227.200 |
|
150 |
436.409 |
150 |
873.059 |
150 |
2183.000 |
150 |
4366.300 |
|
160 |
443.137 |
160 |
886.523 |
160 |
2216.700 |
160 |
4433.600 |
|
170 |
443.137 |
170 |
886.523 |
170 |
2216.700 |
170 |
4433.600 |
|
180 |
436.409 |
180 |
873.059 |
180 |
2183.000 |
180 |
4366.300 |
Bảng 2.2 Dữ liệu vẽ phương trình (4.6) ứng với góc ho = 30o
|
R=1cm |
R=2cm |
R=5cm |
R=10cm |
||||
|
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
|
100 |
371.888 |
100 |
743.933 |
100 |
1860.100 |
100 |
3720.300 |
|
110 |
409.710 |
110 |
819.611 |
110 |
2049.300 |
110 |
4098.800 |
|
120 |
436.434 |
120 |
873.084 |
120 |
2183.000 |
120 |
4366.300 |
|
130 |
454.229 |
130 |
908.693 |
130 |
2272.100 |
130 |
4544.400 |
|
140 |
464.428 |
140 |
929.101 |
140 |
2323.100 |
140 |
4646.500 |
|
150 |
467.751 |
150 |
935.751 |
150 |
2339.800 |
150 |
4679.800 |
|
160 |
464.428 |
160 |
929.101 |
160 |
2323.100 |
160 |
4646.500 |
|
170 |
454.229 |
170 |
908.693 |
170 |
2272.100 |
170 |
4544.400 |
|
180 |
436.434 |
180 |
873.084 |
180 |
2183.000 |
180 |
4366.300 |
Bảng 2.3 Dữ liệu vẽ phương trình (4.6) ứng với góc ho = 45o
|
R=1cm |
R=2cm |
R=5cm |
R=10cm |
||||
|
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
|
100 |
468.502 |
100 |
937.200 |
100 |
2343.300 |
100 |
4686.800 |
|
110 |
490.338 |
110 |
980.900 |
110 |
2452.600 |
110 |
4905.400 |
|
120 |
503.964 |
120 |
1008.200 |
120 |
2520.800 |
120 |
5041.800 |
|
130 |
510.517 |
130 |
1021.300 |
130 |
2553.600 |
130 |
5107.300 |
|
140 |
510.517 |
140 |
1021.300 |
140 |
2553.600 |
140 |
5107.300 |
|
150 |
503.964 |
150 |
1008.200 |
150 |
2520.800 |
150 |
5041.800 |
|
160 |
490.338 |
160 |
980.900 |
160 |
2452.600 |
160 |
4905.400 |
|
170 |
468.502 |
170 |
937.200 |
170 |
2343.300 |
170 |
4686.800 |
|
180 |
436.473 |
180 |
873.100 |
180 |
2183.100 |
180 |
4366.300 |
Bảng 2.4 Dữ liệu vẽ phương trình (4.6) ứng với góc ho = 60o
|
R=1cm |
R=2cm |
R=5cm |
R=10cm |
||||
|
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
|
100 |
569.793 |
100 |
1139.800 |
100 |
2849.800 |
100 |
5699.800 |
|
110 |
579.001 |
110 |
1158.200 |
110 |
2895.900 |
110 |
5792.000 |
|
120 |
581.970 |
120 |
1164.200 |
120 |
2910.800 |
120 |
5821.800 |
|
130 |
579.002 |
130 |
1158.200 |
130 |
2895.900 |
130 |
5792.000 |
|
140 |
569.793 |
140 |
1139.800 |
140 |
2849.800 |
140 |
5699.800 |
|
150 |
553.449 |
150 |
1107.100 |
150 |
2768.000 |
150 |
5536.300 |
|
160 |
528.223 |
160 |
1056.600 |
160 |
2641.900 |
160 |
5283.900 |
|
170 |
491.050 |
170 |
982.300 |
170 |
2455.900 |
170 |
4911.900 |
|
180 |
436.500 |
180 |
873.200 |
180 |
2183.100 |
180 |
4366.400 |
Bảng 2.4 Dữ liệu vẽ phương trình (4.6) ứng với góc ho = 75o
|
R=1cm |
R=2cm |
R=5cm |
R=10cm |
||||
|
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
2q (độ) |
A |
|
100 |
693.038 |
100 |
1386.239 |
100 |
3465.842 |
100 |
6931.847 |
|
110 |
693.038 |
110 |
1386.239 |
110 |
3465.842 |
110 |
6931.847 |
|
120 |
688.589 |
120 |
1377.339 |
120 |
3443.589 |
120 |
6887.339 |
|
130 |
679.150 |
130 |
1358.457 |
130 |
3396.377 |
130 |
6792.911 |
|
140 |
663.473 |
140 |
1327.095 |
140 |
3317.961 |
140 |
6636.072 |
|
150 |
639.161 |
150 |
1278.461 |
150 |
3196.361 |
150 |
6392.861 |
|
160 |
601.640 |
160 |
1203.402 |
160 |
3008.689 |
160 |
6017.501 |
|
170 |
541.509 |
170 |
1083.118 |
170 |
2707.945 |
170 |
5415.990 |
|
180 |
436.585 |
180 |
873.235 |
180 |
2183.185 |
180 |
4366.435 |
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. PGS.TS Phạm Ngọc Nguyên, Giáo Trình Phân Tích Vật Lý, NXB Khoa Học & Kỹ Thuật Hà Nội, 2006
[2]. Lê Công Dưỡng, Kỹ Thuật Phân Tích Cấu Trúc Bằng Tia RONTGEN, NXB Khoa Học & Kỹ Thuật Hà Nội, 1999.
[3]. Ismail C.Noyan Jerome B.Cohen, Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer – Verlag New York Berlin Heideberg London Paris Tokyo, 1987.
[4]. B.D.Culity, Element of X – Ray Diffraction, Prentice Hall Upper Ssddle River, 2001
[5]. Viktor Hauk, Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Method, Elsevier, 1997
[6]. Keisuke Tanaka Shotaro Kodama and Toru Goto, X – Ray Diffraction Studies on the Deformation and Fracture of Solids ( Current Japanese Materials Research, Vol.10), Elsevier Applied Science ,1993
[7]. Masanori Kurita and L.C.Cuong, LPA Factor in X – Ray Stress Measurement and Its Influence on Stress Value, Graduate student of Nagaoka University of Technology , 2003
[8]. Le Chi Cuong, Development of Automated X – Ray Stress Measurement with Its Application, Doctoral Thesis, 2004.
[9]. Le Chi Cuong and Masanori Kurita , Absorption Factor and Influence of LPA on Stress and Diffraction Line Width in X- Ray Stress Measurement, Graduate student of Nagaoka University of Technology, 2003
[10]. Taizo oguri, Application of X – Ray Stress Mearsurement to Curved Surface – Residual Stress of Cylindrical Surface, Material Science Research International, Vol.49, 2000
[11]. M.Francois, The influence of Cylindrical Geometry on X – Ray Stress Tensor Analysis, Joural of Applied Crystallography ISSN 0021-8898, 1995
