多晶體X射線衍射分析方法ppt課件

1、chpt 3 X-ray crystallography多晶體多晶體X射線衍射分析方法射線衍射分析方法nX-ray crystallography is a method of determining the arrangement of atoms within a crystal, in which a beam of X-rays strikes a crystal and causes the beam of light to spread into many specific directions. From the angles and intensities of these d

2、iffracted beams, a crystallographer can produce a three-dimensional picture of the density of electrons within the crystal. From this electron density, the mean positions of the atoms in the crystal can be determined, as well as their chemical bonds, their disorder and various other information.chpt

3、 3 X-ray crystallography多晶體多晶體X射線衍射分析方法射線衍射分析方法n分類分類n 按成像原理可分為勞厄法、粉末法按成像原理可分為勞厄法、粉末法和周轉(zhuǎn)晶體法。粉末衍射法按記錄方式可分為照相和周轉(zhuǎn)晶體法。粉末衍射法按記錄方式可分為照相法和衍射儀法。法和衍射儀法。nX射線衍射方法射線衍射方法單晶分單晶分析法析法Debye Scherrer methodn照相法照相法n以光源以光源X射線管發(fā)出的特征射線管發(fā)出的特征X射線照射多射線照射多晶體樣品使之發(fā)生衍射，用照相底片記錄衍射花晶體樣品使之發(fā)生衍射，用照相底片記錄衍射花樣的方法。按底片與樣檔次置不同分為三種：樣的方法。按底片與

4、樣檔次置不同分為三種：德拜法德拜法樣檔次于中心，與底片同軸安放樣檔次于中心，與底片同軸安放聚焦法聚焦法樣品與底片安裝在同一圓周上樣品與底片安裝在同一圓周上針孔法針孔法底片垂直入射底片垂直入射X射線安放射線安放Debye Scherrer methodn3.1 Debye Scherrer method德拜照相法德拜照相法n衍射原理衍射原理粉末多晶衍射原理粉末多晶衍射原理powdered-crystal methodn衍射花樣衍射花樣一系列衍射弧對(duì)，其本質(zhì)為衍射圓一系列衍射弧對(duì)，其本質(zhì)為衍射圓錐與底片的交線。錐與底片的交線。The diffraction pattern is the curve

5、 of intersection of the diffraction cone with the photographic film.Debye Scherrer methodn3.1.1 德拜相機(jī)德拜相機(jī)n構(gòu)造構(gòu)造n右圖為實(shí)驗(yàn)用德拜相機(jī)實(shí)物照片，其構(gòu)造主要右圖為實(shí)驗(yàn)用德拜相機(jī)實(shí)物照片，其構(gòu)造主要有相機(jī)圓筒、光闌、承光管和位于相機(jī)中心的試有相機(jī)圓筒、光闌、承光管和位于相機(jī)中心的試樣架構(gòu)成。樣架構(gòu)成。n其構(gòu)造表示如以下圖所示。其構(gòu)造表示如以下圖所示。n 相機(jī)圓筒相機(jī)圓筒n由上下結(jié)合嚴(yán)密的底蓋構(gòu)成，緊貼內(nèi)壁安裝照由上下結(jié)合嚴(yán)密的底蓋構(gòu)成，緊貼內(nèi)壁安裝照相底片。有兩種尺寸：直徑相底片。有兩種尺寸：

6、直徑57.3mm和和114.6mm，底片長(zhǎng)度方向上每底片長(zhǎng)度方向上每1mm分別對(duì)應(yīng)圓心角分別對(duì)應(yīng)圓心角2和和1。Debye Scherrer methodDebye Scherrer methodn前光闌前光闌n入射線的通道，限制入射線的發(fā)散度，固定入射線入射線的通道，限制入射線的發(fā)散度，固定入射線的位置和控制其截面尺寸。的位置和控制其截面尺寸。n 承光管后光闌承光管后光闌n透射透射X射線通道。在底部放黑紙、熒光紙以射線通道。在底部放黑紙、熒光紙以及鉛玻璃。及鉛玻璃。n承光管有兩個(gè)作用：其一，檢查承光管有兩個(gè)作用：其一，檢查X射線對(duì)樣品的照射線對(duì)樣品的照準(zhǔn)情況；其二，將透射線在管內(nèi)產(chǎn)生的衍射和

7、散射準(zhǔn)情況；其二，將透射線在管內(nèi)產(chǎn)生的衍射和散射吸收，防止這些射線混入衍射花樣。吸收，防止這些射線混入衍射花樣。n 試樣架試樣架n位于相機(jī)的中心，放置樣品。位于相機(jī)的中心，放置樣品。n 底片安裝底片安裝n將底片按相機(jī)尺寸裁生長(zhǎng)方形，在適當(dāng)位置打孔，將底片按相機(jī)尺寸裁生長(zhǎng)方形，在適當(dāng)位置打孔，緊貼相機(jī)內(nèi)壁安裝。按底片圓孔位置和開(kāi)口位置緊貼相機(jī)內(nèi)壁安裝。按底片圓孔位置和開(kāi)口位置不同分不同分3種方式。種方式。Debye Scherrer methodn 正裝法正裝法n 反裝法反裝法n如圖如圖b示示n 偏裝法偏裝法n如圖如圖c示示高角高角低角低角低角低角Debye Scherrer method高角高

8、角290高角高角低角低角Debye Scherrer methodn3.1.2試樣制備試樣制備n試樣要求試樣要求n試樣必需具有代表性試樣必需具有代表性n試樣粉末尺寸保證平均試樣粉末尺寸保證平均50m左右。粒度過(guò)大，衍左右。粒度過(guò)大，衍射花樣不延續(xù)，成為點(diǎn)列裝線段；粒度過(guò)小，衍射線射花樣不延續(xù)，成為點(diǎn)列裝線段；粒度過(guò)小，衍射線寬化，衍射角丈量不準(zhǔn)。寬化，衍射角丈量不準(zhǔn)。n試樣不能存在應(yīng)力，否那么會(huì)導(dǎo)致衍射線寬化。試樣不能存在應(yīng)力，否那么會(huì)導(dǎo)致衍射線寬化。n制備過(guò)程：制備過(guò)程：n試樣最后為一試樣最后為一0.40.81520mm的圓柱體的圓柱體粉碎粉碎粘結(jié)粘結(jié)過(guò)篩過(guò)篩研磨研磨n脆性資料：直接碾壓或用

9、研缽研磨脆性資料：直接碾壓或用研缽研磨n塑性資料：銼刀銼出金屬屑塑性資料：銼刀銼出金屬屑n金屬絲樣品：用腐蝕方法到達(dá)試樣尺寸要求金屬絲樣品：用腐蝕方法到達(dá)試樣尺寸要求n詳細(xì)粘結(jié)方法：詳細(xì)粘結(jié)方法：n用細(xì)玻璃絲涂上膠水后黏結(jié)粉末。用細(xì)玻璃絲涂上膠水后黏結(jié)粉末。n采用石英毛細(xì)管、玻璃毛細(xì)控制備試樣。采用石英毛細(xì)管、玻璃毛細(xì)控制備試樣。n用膠水將粉末調(diào)成糊狀注入毛細(xì)管中，從一端擠用膠水將粉末調(diào)成糊狀注入毛細(xì)管中，從一端擠出出23mm作試樣。作試樣。n留意；對(duì)于脆性資料和塑性資料的粉末在粘結(jié)前留意；對(duì)于脆性資料和塑性資料的粉末在粘結(jié)前 應(yīng)應(yīng)在真空氣氛中去應(yīng)力退火，以消除加工應(yīng)力。在真空氣氛中去應(yīng)力退火

10、，以消除加工應(yīng)力。Debye Scherrer methodn3.1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇n 選靶和濾波選靶和濾波n選靶：選靶：Z靶靶Z樣或樣或Z靶靶 Z樣樣n濾波：濾波： Z靶靶 40，Z濾濾=Z靶靶1；Z靶靶40， Z濾濾=Z靶靶2n 其他參數(shù)其他參數(shù)n通常管電壓為靶材臨界電壓的通常管電壓為靶材臨界電壓的35倍，在不超越額定倍，在不超越額定功率前提下盡能夠選大的管電流。對(duì)于曝光時(shí)間，功率前提下盡能夠選大的管電流。對(duì)于曝光時(shí)間，因其影響要素很多，最正確方法是先經(jīng)過(guò)做實(shí)驗(yàn)進(jìn)因其影響要素很多，最正確方法是先經(jīng)過(guò)做實(shí)驗(yàn)進(jìn)展選擇。展選擇。Debye Scherrer methodn3.1.4

11、 德拜花樣標(biāo)定德拜花樣標(biāo)定n是指確定花樣上每個(gè)衍射線條對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)。是指確定花樣上每個(gè)衍射線條對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)。詳細(xì)過(guò)程如下：詳細(xì)過(guò)程如下：n 花樣的丈量和計(jì)算花樣的丈量和計(jì)算n以偏裝法為例：在低角反射區(qū)以偏裝法為例：在低角反射區(qū)n在高角反射區(qū)：在高角反射區(qū)：24(2/360)57.324LRLR24(2/ 360)57.32,904LRLR 低角低角高角高角L24Debye Scherrer methodn上式計(jì)算的上式計(jì)算的值受相機(jī)半徑誤差和值受相機(jī)半徑誤差和 底片伸縮誤差的底片伸縮誤差的影響。處理方法是用沖洗后底片的周長(zhǎng)影響。處理方法是用沖洗后底片的周長(zhǎng)S=2R替代替代R，并采用偏裝法來(lái)

12、丈量并采用偏裝法來(lái)丈量S值，即可校正誤差，得值，即可校正誤差，得n德拜相機(jī)的分辨身手德拜相機(jī)的分辨身手n德拜花樣的強(qiáng)度通常是相對(duì)強(qiáng)度，普通分德拜花樣的強(qiáng)度通常是相對(duì)強(qiáng)度，普通分5個(gè)等級(jí)：個(gè)等級(jí)：很強(qiáng)、強(qiáng)、中、弱、很弱。很強(qiáng)、強(qiáng)、中、弱、很弱。290 ()29090(LSLS， 低低角角區(qū)區(qū)， 高高角角區(qū)區(qū)) )Debye Scherrer methodn 指數(shù)標(biāo)定指數(shù)標(biāo)定n根據(jù)測(cè)定的根據(jù)測(cè)定的角，代入布拉格方程求出晶面間距，角，代入布拉格方程求出晶面間距，假設(shè)晶體構(gòu)造知，那么可立刻標(biāo)定衍射花樣；假設(shè)假設(shè)晶體構(gòu)造知，那么可立刻標(biāo)定衍射花樣；假設(shè)晶體構(gòu)造未知，那么需結(jié)合試樣的化學(xué)成分、加工晶體構(gòu)造

13、未知，那么需結(jié)合試樣的化學(xué)成分、加工工藝等進(jìn)展嘗試標(biāo)定。以立方系為例：工藝等進(jìn)展嘗試標(biāo)定。以立方系為例：n對(duì)于同一物質(zhì)的同一衍射花樣中的各線條，對(duì)于同一物質(zhì)的同一衍射花樣中的各線條，2/4a2是常數(shù)，那么衍射線條對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)平方和是常數(shù)，那么衍射線條對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)平方和H2+K2+L2與與sin2是一一對(duì)應(yīng)的。是一一對(duì)應(yīng)的。2222222224sin,lkhalkhad有代入布拉格方程Debye Scherrer methodDebye Scherrer methodn按按角從小到大的角從小到大的sin2比值等于對(duì)應(yīng)晶面指數(shù)平比值等于對(duì)應(yīng)晶面指數(shù)平方和之比。方和之比。n根據(jù)立方系的消光規(guī)律，

14、不同構(gòu)造消光規(guī)律不同，根據(jù)立方系的消光規(guī)律，不同構(gòu)造消光規(guī)律不同，N值順序不同，據(jù)此可以得到與值順序不同，據(jù)此可以得到與N對(duì)應(yīng)的晶面指對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)數(shù)HKL。nnNNNNlkhNsinsinsinsin3212322212222令3.2 X-ray diffractometernX-ray diffractometer X射線衍射儀是廣泛運(yùn)用的射線衍射儀是廣泛運(yùn)用的X射線衍射安裝?，F(xiàn)代衍射儀如圖示。其主要組射線衍射安裝?，F(xiàn)代衍射儀如圖示。其主要組成部分包括：成部分包括：X射線發(fā)生安裝、測(cè)角儀、輻射探射線發(fā)生安裝、測(cè)角儀、輻射探測(cè)器和丈量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等。測(cè)器和丈量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等。

15、n衍射儀法與德拜法主要區(qū)別有：衍射儀法與德拜法主要區(qū)別有：X-ray diffractometer在接納在接納X射線方面射線方面: 衍射儀用輻射探測(cè)器沿測(cè)角儀圓周運(yùn)動(dòng)逐一接納衍射儀用輻射探測(cè)器沿測(cè)角儀圓周運(yùn)動(dòng)逐一接納和記錄每一個(gè)衍射線的位置和強(qiáng)度；和記錄每一個(gè)衍射線的位置和強(qiáng)度； 德拜法運(yùn)用底片同時(shí)接納一切衍射圓錐，記錄其德拜法運(yùn)用底片同時(shí)接納一切衍射圓錐，記錄其位置和強(qiáng)度。位置和強(qiáng)度。試樣外形不同試樣外形不同: 衍射儀是平板狀式樣，衍射儀是平板狀式樣， 德拜法是細(xì)絲狀試樣。德拜法是細(xì)絲狀試樣。衍射儀具有運(yùn)用方便，自動(dòng)化程度高，尤其與計(jì)衍射儀具有運(yùn)用方便，自動(dòng)化程度高，尤其與計(jì)算機(jī)結(jié)合，使得衍

16、射儀在強(qiáng)度丈量、花樣標(biāo)定、物算機(jī)結(jié)合，使得衍射儀在強(qiáng)度丈量、花樣標(biāo)定、物相分析上具有更好的性能。相分析上具有更好的性能。n3.2.1 測(cè)角儀測(cè)角儀n 構(gòu)造構(gòu)造n 樣品臺(tái)樣品臺(tái)n位于測(cè)角儀中心，可繞位于測(cè)角儀中心，可繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用于安放樣軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用于安放樣品。品。X-ray diffractometer樣品臺(tái)樣品臺(tái)X-ray diffractometern 輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器n位于測(cè)角儀圓周上，可沿圓周運(yùn)動(dòng)。任務(wù)時(shí)，探測(cè)位于測(cè)角儀圓周上，可沿圓周運(yùn)動(dòng)。任務(wù)時(shí)，探測(cè)器與樣品以器與樣品以2 1角速度運(yùn)動(dòng)，保證接納到衍射線。角速度運(yùn)動(dòng)，保證接納到衍射線。探測(cè)器接納的是那些與樣品外表平行的晶面的衍射探

17、測(cè)器接納的是那些與樣品外表平行的晶面的衍射線，與外表不平線，與外表不平n行的晶面的衍射行的晶面的衍射n線不能進(jìn)入探測(cè)線不能進(jìn)入探測(cè)n器。器。輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器X-ray diffractometern X射線源射線源 S 線狀光源線狀光源n由由X射線發(fā)生器產(chǎn)生，其線狀焦斑位于測(cè)角儀圓射線發(fā)生器產(chǎn)生，其線狀焦斑位于測(cè)角儀圓周上固定不動(dòng)。周上固定不動(dòng)。X射線源射線源n 光闌光闌限制限制 X 射線發(fā)散度射線發(fā)散度n 任務(wù)過(guò)程任務(wù)過(guò)程n探測(cè)器由低角向高角轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，逐一接納和記探測(cè)器由低角向高角轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，逐一接納和記錄衍射線的位置錄衍射線的位置n和強(qiáng)度。和強(qiáng)度。n掃描范圍掃描范圍 n-20 +

18、165X-ray diffractometer光路布置光路布置n 光路布置光路布置nX射線線狀焦斑射線線狀焦斑S發(fā)出的發(fā)出的X射線進(jìn)入梭拉光闌射線進(jìn)入梭拉光闌S1和狹和狹縫光闌縫光闌DS照射到試樣外表，產(chǎn)生的照射到試樣外表，產(chǎn)生的X射線經(jīng)狹縫光射線經(jīng)狹縫光闌闌RS和梭拉光闌和梭拉光闌S2和防發(fā)散光闌和防發(fā)散光闌SS在在F處聚焦而進(jìn)處聚焦而進(jìn)入探測(cè)入探測(cè)n器。器。入射線光路入射線光路衍射線光路衍射線光路n 梭拉光闌梭拉光闌n由一組相互平行重金屬體鉬或鉭構(gòu)成，每片厚度由一組相互平行重金屬體鉬或鉭構(gòu)成，每片厚度約約0.05mm，片間距為，片間距為0.5mm。主要是為了限制。主要是為了限制X射線射線在

19、垂直方向的發(fā)散度。在垂直方向的發(fā)散度。n 狹縫光闌狹縫光闌nDS 限制入射線照射寬度。寬度越大，經(jīng)過(guò)的限制入射線照射寬度。寬度越大，經(jīng)過(guò)的X射線射線越多，照射試樣面積越大。越多，照射試樣面積越大。nRS和和SS 限制衍射線。限制衍射線。RS限制衍射線寬度，限制衍射線寬度，SS進(jìn)一進(jìn)一步遮擋其他散射線，兩者應(yīng)選擇同樣寬度，以堅(jiān)持發(fā)步遮擋其他散射線，兩者應(yīng)選擇同樣寬度，以堅(jiān)持發(fā)散度一致。散度一致。n狹縫光闌大小將影響探測(cè)結(jié)果，狹縫寬度增大時(shí)，狹縫光闌大小將影響探測(cè)結(jié)果，狹縫寬度增大時(shí)，X射線接納量增大，射線接納量增大，X射線強(qiáng)度提高，但衍射花樣背底射線強(qiáng)度提高，但衍射花樣背底同時(shí)也增大，分辨率下降

20、。同時(shí)也增大，分辨率下降。X-ray diffractometern 聚焦圓聚焦圓n試樣位于測(cè)角儀圓心，而光源試樣位于測(cè)角儀圓心，而光源S和接納光闌和接納光闌F又位于同一測(cè)又位于同一測(cè)角儀圓周上。因此，試樣、光源和光闌必需位于同一圓周上角儀圓周上。因此，試樣、光源和光闌必需位于同一圓周上才干獲得足夠高的衍射強(qiáng)度和分辨率。此圓周稱為聚焦圓。才干獲得足夠高的衍射強(qiáng)度和分辨率。此圓周稱為聚焦圓。n如圖示，經(jīng)計(jì)算聚焦圓半徑如圖示，經(jīng)計(jì)算聚焦圓半徑nr=R/2sin，由于，由于R固定固定n不變，那么不變，那么 r 隨隨變化而變化而n變化，即聚焦圓的大小在變化，即聚焦圓的大小在n測(cè)角儀任務(wù)過(guò)程中是不斷測(cè)角

21、儀任務(wù)過(guò)程中是不斷n變化的。變化的。n問(wèn)題：聚焦圓半徑不斷變化，問(wèn)題：聚焦圓半徑不斷變化，n如何保證聚焦效果？如何保證聚焦效果？X-ray diffractometerRrn3.2.2 探測(cè)器與記錄系統(tǒng)探測(cè)器與記錄系統(tǒng)n輻射探測(cè)器是接納樣品輻射探測(cè)器是接納樣品X射線射線X光子，并將光子，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)瞬時(shí)脈沖的安裝。光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)瞬時(shí)脈沖的安裝。n常用探測(cè)器有：正比計(jì)數(shù)器、蓋革管、閃爍計(jì)數(shù)常用探測(cè)器有：正比計(jì)數(shù)器、蓋革管、閃爍計(jì)數(shù)器、器、SiLi半導(dǎo)體探測(cè)器和位敏探測(cè)器等。半導(dǎo)體探測(cè)器和位敏探測(cè)器等。X-ray diffractometer輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器n 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)

22、器n 構(gòu)造構(gòu)造n如圖示，由金屬圓筒陰極和位于圓筒軸線上的如圖示，由金屬圓筒陰極和位于圓筒軸線上的金屬絲陽(yáng)極構(gòu)成，兩極間加一定電壓，圓筒內(nèi)金屬絲陽(yáng)極構(gòu)成，兩極間加一定電壓，圓筒內(nèi)充有惰性充有惰性n氣體。氣體。n 任務(wù)原理任務(wù)原理電子電子“雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng)nX光子由窗口進(jìn)入管內(nèi)使氣體電離，電離產(chǎn)生的電子光子由窗口進(jìn)入管內(nèi)使氣體電離，電離產(chǎn)生的電子和離子分別向兩極運(yùn)動(dòng)。電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被兩極間和離子分別向兩極運(yùn)動(dòng)。電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被兩極間電壓加速，獲得更高能量。當(dāng)兩極間電壓維持在電壓加速，獲得更高能量。當(dāng)兩極間電壓維持在600900V時(shí)，電子具有足夠的能量，與氣體分子碰時(shí)，電子具有足夠的能量，與氣體

23、分子碰撞，使其進(jìn)一步電離，而新產(chǎn)生的電子又可再使氣體撞，使其進(jìn)一步電離，而新產(chǎn)生的電子又可再使氣體分子電離。如此反復(fù)，在極短時(shí)間內(nèi)分子電離。如此反復(fù)，在極短時(shí)間內(nèi)1m，產(chǎn)，產(chǎn)生大量電子涌到陽(yáng)極，生大量電子涌到陽(yáng)極，n此時(shí)，輸出端有電流產(chǎn)此時(shí)，輸出端有電流產(chǎn)n生，計(jì)數(shù)器檢測(cè)到電壓生，計(jì)數(shù)器檢測(cè)到電壓n脈沖。脈沖。X-ray diffractometern正比計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的脈沖大小與入射正比計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的脈沖大小與入射X光子能量成正光子能量成正比。比。n 性能性能n優(yōu)點(diǎn)：反響速度快，對(duì)脈沖呼應(yīng)時(shí)間最短為優(yōu)點(diǎn)：反響速度快，對(duì)脈沖呼應(yīng)時(shí)間最短為10-6S，漏計(jì)數(shù)低，性能穩(wěn)定，能量分辨率高，脈沖背底低。漏計(jì)

24、數(shù)低，性能穩(wěn)定，能量分辨率高，脈沖背底低。n缺陷：對(duì)溫度敏感，需求高度穩(wěn)定電壓。缺陷：對(duì)溫度敏感，需求高度穩(wěn)定電壓。X-ray diffractometern 閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器n利用利用X射線作用在某些物質(zhì)磷光體上產(chǎn)生可見(jiàn)射線作用在某些物質(zhì)磷光體上產(chǎn)生可見(jiàn)熒光，并經(jīng)過(guò)光電倍增管來(lái)接納的探測(cè)器，構(gòu)造熒光，并經(jīng)過(guò)光電倍增管來(lái)接納的探測(cè)器，構(gòu)造如圖。如圖。X-ray diffractometerX-ray diffractometern 任務(wù)原理任務(wù)原理nX射線照射到磷光晶體上時(shí)，產(chǎn)生藍(lán)色可見(jiàn)熒光，射線照射到磷光晶體上時(shí)，產(chǎn)生藍(lán)色可見(jiàn)熒光，熒光照射到光敏陰極上產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)光熒光照射到光敏

25、陰極上產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)光電倍增管的增益作用，最后出來(lái)的電子可到達(dá)電倍增管的增益作用，最后出來(lái)的電子可到達(dá)106107個(gè)，從而產(chǎn)生足夠的電壓脈沖毫伏級(jí)。個(gè)，從而產(chǎn)生足夠的電壓脈沖毫伏級(jí)。X-ray diffractometern 性能性能n優(yōu)點(diǎn)：效率高，分辨時(shí)間短，產(chǎn)生的脈沖高度優(yōu)點(diǎn)：效率高，分辨時(shí)間短，產(chǎn)生的脈沖高度與入射與入射X光子能量成正比。光子能量成正比。n缺陷：背底脈沖高，易產(chǎn)生缺陷：背底脈沖高，易產(chǎn)生“無(wú)照電流；磷光無(wú)照電流；磷光體易受潮分解。體易受潮分解。n 計(jì)數(shù)丈量電路計(jì)數(shù)丈量電路n將探測(cè)器接納的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)展計(jì)將探測(cè)器接納的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)展計(jì)量，輸出可讀取數(shù)據(jù)

26、的電子電路。主要由脈沖高量，輸出可讀取數(shù)據(jù)的電子電路。主要由脈沖高度分析器、定標(biāo)器和計(jì)數(shù)率儀組成。度分析器、定標(biāo)器和計(jì)數(shù)率儀組成。X-ray diffractometer輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器計(jì)數(shù)丈量電路計(jì)數(shù)丈量電路n 脈沖幅度分析器脈沖幅度分析器n對(duì)探測(cè)器輸出的脈沖進(jìn)展甄別，剔除干擾脈沖以降對(duì)探測(cè)器輸出的脈沖進(jìn)展甄別，剔除干擾脈沖以降低背底，提頂峰背比。低背底，提頂峰背比。n 定標(biāo)器定標(biāo)器n對(duì)甄別后的脈沖進(jìn)展計(jì)數(shù)的電路。有兩種任務(wù)方式：對(duì)甄別后的脈沖進(jìn)展計(jì)數(shù)的電路。有兩種任務(wù)方式：n定時(shí)計(jì)數(shù)定時(shí)計(jì)數(shù)給定時(shí)間，記錄丈量接納的脈沖數(shù)。給定時(shí)間，記錄丈量接納的脈沖數(shù)。n定數(shù)計(jì)時(shí)定數(shù)計(jì)時(shí)給定脈沖數(shù)，記

27、算所需時(shí)間，多用于給定脈沖數(shù)，記算所需時(shí)間，多用于準(zhǔn)確進(jìn)展衍射線形分析或漫散射丈量等特殊場(chǎng)所。準(zhǔn)確進(jìn)展衍射線形分析或漫散射丈量等特殊場(chǎng)所。n定標(biāo)器丈量精度誤差服從統(tǒng)計(jì)誤差實(shí)際，丈量總數(shù)定標(biāo)器丈量精度誤差服從統(tǒng)計(jì)誤差實(shí)際，丈量總數(shù)越大，越準(zhǔn)確。越大，越準(zhǔn)確。n 計(jì)數(shù)率器計(jì)數(shù)率器n丈量單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成與單位時(shí)丈量單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成與單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)成正比的直流電壓輸出。由脈沖整形間內(nèi)的脈沖數(shù)成正比的直流電壓輸出。由脈沖整形電路、電路、RC積分電路和電壓丈量電路組成。積分電路和電壓丈量電路組成。n 任務(wù)過(guò)程任務(wù)過(guò)程n經(jīng)甄別后的脈沖經(jīng)甄別后的脈沖脈沖整形電路脈沖整形電路矩形脈沖

28、矩形脈沖RC積分電路積分電路輸出平均電壓，并用毫伏計(jì)計(jì)量輸出平均電壓，并用毫伏計(jì)計(jì)量衍射衍射圖譜。圖譜。X-ray diffractometern3.2.3 實(shí)驗(yàn)條件選擇實(shí)驗(yàn)條件選擇n 試樣試樣n衍射儀運(yùn)用平板狀樣品，可以是金屬、非金屬的衍射儀運(yùn)用平板狀樣品，可以是金屬、非金屬的塊狀、片狀或各種粉末。塊狀、片狀或各種粉末。n 塊狀、片狀直接黏結(jié)在試樣架上，堅(jiān)持一個(gè)平塊狀、片狀直接黏結(jié)在試樣架上，堅(jiān)持一個(gè)平面與框架平面平行。面與框架平面平行。n 粉末狀試樣用膠黏劑調(diào)和后，填入試樣架凹槽粉末狀試樣用膠黏劑調(diào)和后，填入試樣架凹槽中，將粉末外表刮平與框架平面一致。中，將粉末外表刮平與框架平面一致。X-

29、ray diffractometerX-ray diffractometern試樣對(duì)晶粒大小、試樣厚度、應(yīng)力形狀、擇優(yōu)取向試樣對(duì)晶粒大小、試樣厚度、應(yīng)力形狀、擇優(yōu)取向和試樣外表平整度都有一定要求。晶粒大小普通在和試樣外表平整度都有一定要求。晶粒大小普通在1m5m左右，粉末粒度也要在這個(gè)范圍內(nèi)。試樣左右，粉末粒度也要在這個(gè)范圍內(nèi)。試樣厚度存在一最正確值，大小為厚度存在一最正確值，大小為n試樣線吸收系數(shù)；試樣線吸收系數(shù)；試樣物質(zhì)密度；試樣物質(zhì)密度；粉末粉末密度密度n對(duì)粉末要求與德拜法一樣，粉末不能有擇優(yōu)取向?qū)Ψ勰┮笈c德拜法一樣，粉末不能有擇優(yōu)取向織構(gòu)存在，否那么探測(cè)的織構(gòu)存在，否那么探測(cè)的X射線

30、強(qiáng)度分布不均；射線強(qiáng)度分布不均；不能有應(yīng)力存在，應(yīng)力使衍射峰寬化，不能有應(yīng)力存在，應(yīng)力使衍射峰寬化，2丈量精度丈量精度下降；試樣平整度越高越好，減少下降；試樣平整度越高越好，減少X射線的吸收。射線的吸收。sin45. 3tX-ray diffractometern通常，多晶體資料的各通常，多晶體資料的各晶粒取向是空間恣意的，晶粒取向是空間恣意的，但在加工處置鑄造、但在加工處置鑄造、冷加工、退火等過(guò)程冷加工、退火等過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致各晶粒取向趨中會(huì)導(dǎo)致各晶粒取向趨向于一致的情況，構(gòu)成向于一致的情況，構(gòu)成擇優(yōu)取向或織構(gòu)。擇優(yōu)取向或織構(gòu)。多晶體多晶體擇優(yōu)取向織構(gòu)擇優(yōu)取向織構(gòu)晶粒晶粒X-ray diffra

31、ctometer簡(jiǎn)單立方簡(jiǎn)單立方I 20 30 40 50 60 70圖示為圖示為600C時(shí)時(shí)MgO (001)晶面上晶面上生長(zhǎng)的生長(zhǎng)的PbTiO3薄膜的薄膜的 X射線射線 衍射衍射圖譜圖譜 I(110)(111)PbTiO3 (PT)簡(jiǎn)單立方簡(jiǎn)單立方PbTiO3 (001) MgO (001)擇優(yōu)取向沿?fù)駜?yōu)取向沿c軸方向軸方向X-ray diffractometer無(wú)應(yīng)力形狀無(wú)應(yīng)力形狀規(guī)那么應(yīng)力形狀，衍規(guī)那么應(yīng)力形狀，衍射峰位挪動(dòng)，但沒(méi)有射峰位挪動(dòng)，但沒(méi)有外形改動(dòng)外形改動(dòng)彎曲應(yīng)力形狀，衍彎曲應(yīng)力形狀，衍射峰寬化射峰寬化n 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇n 狹逢光闌狹逢光闌發(fā)散光闌、防散射光闌和接納

32、光闌發(fā)散光闌、防散射光闌和接納光闌n 發(fā)散光闌：決議照射面積，在不讓發(fā)散光闌：決議照射面積，在不讓X射線照射射線照射區(qū)超出試樣外的前提下，盡能夠選大的光闌區(qū)超出試樣外的前提下，盡能夠選大的光闌照照射面積大，射面積大，X射線衍射強(qiáng)度高。普通以低射線衍射強(qiáng)度高。普通以低角照射角照射區(qū)為準(zhǔn)進(jìn)展選擇。區(qū)為準(zhǔn)進(jìn)展選擇。n 防散射光闌和接納光闌：兩者同步選擇。寬狹防散射光闌和接納光闌：兩者同步選擇。寬狹縫可以獲得高縫可以獲得高X射線衍射強(qiáng)度，但分辨率低；反之，射線衍射強(qiáng)度，但分辨率低；反之，為提高分辨率應(yīng)選小的狹縫。為提高分辨率應(yīng)選小的狹縫。X-ray diffractometern 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)RC

33、n通常通常RC值應(yīng)小于或等于接納狹縫的時(shí)間寬度狹值應(yīng)小于或等于接納狹縫的時(shí)間寬度狹縫轉(zhuǎn)過(guò)本身寬度所需時(shí)間的縫轉(zhuǎn)過(guò)本身寬度所需時(shí)間的1/2。n 掃描速度掃描速度探測(cè)器在測(cè)角儀圓周上均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的探測(cè)器在測(cè)角儀圓周上均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度角速度n掃描速度快掃描速度快衍射強(qiáng)度下降，衍射峰向掃描方向衍射強(qiáng)度下降，衍射峰向掃描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰會(huì)被掩蓋。偏移，分辨率下降，一些弱峰會(huì)被掩蓋。n掃描速度慢掃描速度慢衍射強(qiáng)度高，峰形明銳，分辨率高，衍射強(qiáng)度高，峰形明銳，分辨率高，但過(guò)慢的速度亦不可取。但過(guò)慢的速度亦不可取。實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇n 掃描方式掃描方式n 延續(xù)掃描：普通

34、任務(wù)中常用，從低角到高角延延續(xù)掃描：普通任務(wù)中常用，從低角到高角延續(xù)均勻掃描并延續(xù)記錄，輸出結(jié)果為衍射圖譜。續(xù)均勻掃描并延續(xù)記錄，輸出結(jié)果為衍射圖譜。n 階梯掃描：為準(zhǔn)確測(cè)定一個(gè)或幾個(gè)衍射線的峰階梯掃描：為準(zhǔn)確測(cè)定一個(gè)或幾個(gè)衍射線的峰位或積分強(qiáng)度而采用。先估計(jì)或大約確定衍射峰位或積分強(qiáng)度而采用。先估計(jì)或大約確定衍射峰位置，再手動(dòng)讓探測(cè)器到達(dá)該位置前或后一段間位置，再手動(dòng)讓探測(cè)器到達(dá)該位置前或后一段間隔進(jìn)展慢掃描，每個(gè)隔進(jìn)展慢掃描，每個(gè)2角位置停留足夠長(zhǎng)時(shí)間，角位置停留足夠長(zhǎng)時(shí)間，以抑制脈沖統(tǒng)計(jì)起伏。通常選用小的以抑制脈沖統(tǒng)計(jì)起伏。通常選用小的RC值和小的值和小的接納光闌寬度。接納光闌寬度。n3

35、.2.4 衍射儀法的衍射積分強(qiáng)度和相對(duì)強(qiáng)度衍射儀法的衍射積分強(qiáng)度和相對(duì)強(qiáng)度n當(dāng)運(yùn)用圓柱形樣品時(shí)，當(dāng)運(yùn)用圓柱形樣品時(shí)，n當(dāng)運(yùn)用平板樣品時(shí)當(dāng)運(yùn)用平板樣品時(shí) MeAPFI2222cossin2cos1相MePFI2222cossin2cos1相X-ray diffractometern德拜法與衍射儀法比較德拜法與衍射儀法比較項(xiàng)目項(xiàng)目德拜法德拜法衍射儀法衍射儀法入射光束入射光束特征特征X射線射線特征特征X射線射線樣品形狀樣品形狀粉末圓柱形粉末圓柱形平板、粉末平板、粉末成像原理成像原理多晶厄瓦爾德圖解多晶厄瓦爾德圖解多晶厄瓦爾德圖解多晶厄瓦爾德圖解衍射線記錄衍射線記錄平板底片平板底片輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器

36、衍射花樣衍射花樣一系列衍射弧對(duì)一系列衍射弧對(duì)衍射圖譜衍射圖譜衍射強(qiáng)度公式衍射強(qiáng)度公式衍射裝備衍射裝備德拜相機(jī)德拜相機(jī)衍射儀衍射儀應(yīng)用應(yīng)用X-ray diffractometernRC積分電路積分電路n矩形脈沖矩形脈沖RC電路電路給電容給電容C充電，并經(jīng)過(guò)電阻充電，并經(jīng)過(guò)電阻R放電放電n充放電存在的時(shí)間滯后大小取決于充放電存在的時(shí)間滯后大小取決于RC的乘積，由的乘積，由于于RC的單位為的單位為s，故稱其為時(shí)間常數(shù)。，故稱其為時(shí)間常數(shù)。nRC計(jì)數(shù)率器對(duì)計(jì)數(shù)率器對(duì)X射線強(qiáng)度變化越不敏感，圖射線強(qiáng)度變化越不敏感，圖譜中曲線平滑、整齊，峰形、峰位歪曲越嚴(yán)重。譜中曲線平滑、整齊，峰形、峰位歪曲越嚴(yán)重。nR

37、C對(duì)對(duì)X射線強(qiáng)度變化越敏感，圖譜中曲線起射線強(qiáng)度變化越敏感，圖譜中曲線起伏動(dòng)搖大，峰形明銳，弱峰識(shí)別困難。伏動(dòng)搖大，峰形明銳，弱峰識(shí)別困難。前往前往n在測(cè)角儀任務(wù)過(guò)程中，聚焦圓半徑是不斷變化的。此在測(cè)角儀任務(wù)過(guò)程中，聚焦圓半徑是不斷變化的。此時(shí)，為保證聚焦效果，試樣外表應(yīng)該與聚焦圓有一樣時(shí)，為保證聚焦效果，試樣外表應(yīng)該與聚焦圓有一樣曲率，即在任務(wù)中，試樣外表曲率半徑也應(yīng)隨曲率，即在任務(wù)中，試樣外表曲率半徑也應(yīng)隨變化變化而同步變化。這在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中是難以到達(dá)，只能近似而同步變化。這在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中是難以到達(dá)，只能近似處置。處置。n通常，采用平板試樣，當(dāng)通常，采用平板試樣，當(dāng)nr試樣被照射面積時(shí)，可以試

38、樣被照射面積時(shí)，可以n近似滿足聚焦條件。完全滿近似滿足聚焦條件。完全滿n足條件的只需足條件的只需O點(diǎn)晶面，其他點(diǎn)晶面，其他n位置位置A、B的的X射線能量射線能量n分布在一定寬度內(nèi)，只需寬度分布在一定寬度內(nèi)，只需寬度n范圍不大，實(shí)驗(yàn)中是允許的。范圍不大，實(shí)驗(yàn)中是允許的。Rrn濾波除了運(yùn)用濾波片，還可以運(yùn)用單色器。單色器是濾波除了運(yùn)用濾波片，還可以運(yùn)用單色器。單色器是利器具有一定晶面間距的晶體，經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)拿骈g距選利器具有一定晶面間距的晶體，經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)拿骈g距選擇和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使入射線中只需擇和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使入射線中只需K能產(chǎn)生衍射，其能產(chǎn)生衍射，其他射線全部被散射或吸收，這樣可以獲得純他射線全部被散射或吸收，這樣可以獲得純K線，線，但強(qiáng)度降低很多，實(shí)驗(yàn)中必需延伸曝光時(shí)間。但強(qiáng)度降低很多，實(shí)驗(yàn)中必需延伸曝光時(shí)間。測(cè)角儀構(gòu)造測(cè)角儀構(gòu)造測(cè)角儀構(gòu)造測(cè)角儀構(gòu)造X射線管射線管輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器樣品臺(tái)樣品臺(tái) h2 + k2 + l2 簡(jiǎn)單立方簡(jiǎn)單立方 面心立方面心立方 體心立方體心立方 1 100 - - 2 110 - 110 3 111 111 - 4 200 200 200 5 210 - - 6 211 - 211 7 - - - 8 220 220 220 9 300, 221 - - 10 310 - 310 11 311 311 - 12 222 222 222 立方系消光規(guī)律立