Röntgenbeugung

Röntgenbeugungsanalyse (RBA)

Ermittlung der quantitativen Mineralzusammensetzung einer Pulverprobe

Die Röntgenbeugungsanalyse von Pulverproben ist die effektivste und präziseste Messmethodik zur Ermittlung der quantitativen Mineralzusammensetzung einer multimineralischen Probe. Das Verfahren beruht auf der Nobelpreis gekrönten Entdeckung der Beugung von Röntgenstrahlen an den so genannten "Netzebenen" von Kristallen (Max von Laue, 1914). Physikalisch besteht eine Beziehung zwischen der Wellenlänge "λ" der verwendeten Strahlung (z.B. Kupfer-Anode mit λCu = 1,54 Å), dem Netzebenenabstand "d" eines Kristallgitters und dem Beugungswinkel "θ" (Bagg'sche Gleichung). Analytisch bildet dieser physikalische Zusammenhang die Grundlage für die Messung von mineralhaltigen Pulverproben in Röntgendiffraktometern. Die erhobenen Daten werden in einem Röntgendiffraktogramm visualisiert und ausgewertet, wobei hier die Expertise der Anwender/-in die entscheidende Rolle spielt. Im vergangenen Jahrhundert wurde die Technologie des Messverfahrens sowie die numerische Grundlage der Auswertung (Rietveld-Verfeinerung) zwar stetig weiterentwickelt, die Auswertung der Diffraktogramme erfolgt jedoch noch immer manuell.

Abbildung 1: Diffraktogramm einer stark tonhaltigen Probe. In Schwarz die gemessenen Datenpunkte (observed), in Grün das mit Hilfe verschiedener Strukturmodelle numerisch berechnete Diffraktogramm (calculated) und in Rot die Differenz zwischen beiden Diffraktogrammen (difference, idealerweise eine gerade Linie). Die Probe weist folgenden Mineralbestand auf (Angaben in Masse %):


  • Sandige Komponente: Quarz (12,9 %)
  • Tonminerale: Wechsellagerung aus Illit-Smektit (54,7 %) und Kaolinit (18,4 %)
  • Schwerminerale: Anatas (1,2 %) und Rutil (1,4 %)
  • Eisenoxide und -hydroxide: Hämatit (4,0 %) und Goethit (7,4 %)

Anwendungen

Die Röntgenbeugunsganalyse findet zur Identifizierung und Quantifizierung von Mineralbestandteilen in einer Vielzahl von Branchen Anwendung:

Energie und Rohstoff Industrie:
  • Charakterisierung von natürlichen Gesteinen und Klassifikation des Lithotyps, z.B. bei der Erdöl- & Erdgasexploration
  • Bestimmung der Mineralgehalte bei der Exploration von potenziellen Erz- und Tonlagerstätten
  • Untersuchungen der einzelnen Bestandteile von Sedimenten und Böden
  • Charakterisierung der Flugaschen und Schlacken bei der Verbrennung von Braunkohlen
  • Einstufung der Braunkohlen in Qualitätsklassen für die Verbrennung
Infrastruktur Sektor und Baustoff Industrie:
  • Bestimmung der Verschleiß- und Verklebungsneigung von Gesteinen für Bohrwerkzeuge im Tunnelbau
  • Quantifizierung kritischer Mineralkomponenten bei Bauprojekten wie Smektit und Anhydrit
  • Grundcharakterisierung der Reinheit von Rohstoffen wie Kalksteinen
  • Qualitätssicherung bei der Produktion von Zement und Gips
  • Klassifikation von Bau- und Füllstoffen, z.B. beim Rückbau von Bauwerken
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