X射線衍射儀6100

1、X射線衍射儀構(gòu)造原理及應(yīng)用島津公司多晶粉末衍射儀XRD-6000材料中心實驗室 侯曉多島津島津X射線衍射儀射線衍射儀XRD-6000 一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?1、了解、了解X射線衍射射線衍射儀的構(gòu)造和工作原理儀的構(gòu)造和工作原理 2、掌握、掌握X射線衍射射線衍射儀的部分使用儀的部分使用外觀與組成 基本組成 X射線發(fā)生器 衍射測角儀 輻射探測器 測量電路 控制操作與數(shù)據(jù)處理計算機系統(tǒng)測角儀的構(gòu)造測角儀的構(gòu)造X射線發(fā)生器X射線發(fā)生器是高穩(wěn)定度的 它是由：X射線管 高壓發(fā)生器 管壓管流穩(wěn)定電路 各種保護電路等現(xiàn)現(xiàn)代代衍衍射射用用的的X射射線線管管都都屬屬于于熱熱電電子子二二極極管管。密封式轉(zhuǎn)靶式最大

2、功率3KW視靶材料的不同而異是為獲得高強度X射線而設(shè)計的功率9KW分為XRD-6000的X射線管是密閉式實物圖鎢燈絲接負高壓玻璃金屬聚燈罩：起著控制柵的作用，使燈絲發(fā)出的熱電子，在電場的作用下聚焦轟擊到靶面上。鈹窗口：對MoK CuK CrK的透過率分別為99%，73%，80%。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點便成為X射線源。冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖高壓發(fā)生器管內(nèi)的真空度達10-610-5Torr，高真空可以延長發(fā)射熱電子的鎢絲的壽命，防止陽極表面污染的發(fā)展。X射線管消耗的功率99%都轉(zhuǎn)化為熱而消耗掉，因此X射線管工作時必須用水流從靶面后面冷卻，以免靶面熔化毀壞窗口與靶面常成3-6

3、的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙產(chǎn)生條件高速電子遇靶突然停止產(chǎn)生X-射線1.燈絲燈絲 產(chǎn)生自由電子產(chǎn)生自由電子2.高壓高壓 加速電子 使電子作定向的高速運動使電子作定向的高速運動3. 靶靶 阻擋電子 在其運動的路徑上設(shè)置一個障在其運動的路徑上設(shè)置一個障 礙物使電子突然減速或停止礙物使電子突然減速或停止 產(chǎn)生X-射線樣品臺測角儀測角儀測角儀 目前廣泛使用的衍射儀測角器是根據(jù)變換聚焦圓半徑原理設(shè)計的。測角儀圓中心是樣品臺。樣品臺可以繞中心O軸轉(zhuǎn)動。平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺上，并保證試樣被照射的表面與O軸線嚴格重合。測角儀圓周上安裝有X射線輻射探測器，探測器亦可以繞O軸線轉(zhuǎn)動。工作時，探測

4、器與試樣同時轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動的角速度為2：1的比例關(guān)系。當試樣、探測器繞試樣中心軸按1:2的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，光源、試樣、探測器始終處在由這三點所組成的聚焦圓上。隨著衍射角的增大，聚焦圓逐漸減小。由于聚焦圓半徑是變化的，所以要求樣品表面是平的，并始終與聚焦圓相切。梭拉狹縫發(fā)散狹縫防散射狹縫接收狹縫梭拉狹縫衍射儀中的光路布置衍射儀中的光路布置 X X射線經(jīng)線狀焦點射線經(jīng)線狀焦點S S發(fā)出，為了限發(fā)出，為了限制制X X射線的發(fā)散，在照射路徑中加射線的發(fā)散，在照射路徑中加入入S1S1梭拉光欄限制梭拉光欄限制X X射線在高度方射線在高度方向的發(fā)散，加入向的發(fā)散，加入DSDS發(fā)散狹縫光欄發(fā)散狹縫光欄限制限制X X

5、射線的照射寬度。射線的照射寬度。經(jīng)過二道光欄限制，入射經(jīng)過二道光欄限制，入射X X射線僅射線僅照射到試樣區(qū)域，試樣以外均被照射到試樣區(qū)域，試樣以外均被光欄遮擋。光欄遮擋。試樣產(chǎn)生的衍射線也會發(fā)散，同試樣產(chǎn)生的衍射線也會發(fā)散，同樣在試樣到探測器的光路中也設(shè)樣在試樣到探測器的光路中也設(shè)置防散射光欄置防散射光欄SSSS、梭拉光欄、梭拉光欄S2S2和和接收狹縫光欄接收狹縫光欄RSRS，這樣限制后僅，這樣限制后僅讓聚焦照向探測器的衍射線進入讓聚焦照向探測器的衍射線進入探測器，其余雜散射線均被光欄探測器，其余雜散射線均被光欄遮擋。遮擋。 單色器 晶體單色器的作用與圖示 作用：消除衍射花樣的背底和K散射衍射

6、束彎曲晶體單色器晶體單色器檢測器與記錄系統(tǒng)探測器與記錄系統(tǒng)探測器與記錄系統(tǒng) 計數(shù)器的主要功能是將計數(shù)器的主要功能是將X射線光子的能量轉(zhuǎn)換射線光子的能量轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。成電脈沖信號。 閃爍計數(shù)器由三部分組成。閃爍體，光電倍增閃爍計數(shù)器由三部分組成。閃爍體，光電倍增管和前置放大器。每個入射管和前置放大器。每個入射X射線量子將使晶射線量子將使晶體產(chǎn)生一次閃爍。每次閃爍激發(fā)倍增管光電陰體產(chǎn)生一次閃爍。每次閃爍激發(fā)倍增管光電陰極產(chǎn)生光電子，這些一次光電子被第一級收集極產(chǎn)生光電子，這些一次光電子被第一級收集并激發(fā)出更多的二次電子，再被下一級收集，并激發(fā)出更多的二次電子，再被下一級收集，由此倍增出更多的電

7、子。由此倍增出更多的電子。實驗條件選擇實驗條件選擇 （一）實驗參數(shù)選擇實驗參數(shù)選擇 防散射狹縫與接收狹縫應(yīng)同步選擇。防散射狹縫與接收狹縫應(yīng)同步選擇。 選擇寬的狹縫可以獲得高的選擇寬的狹縫可以獲得高的X X射線衍射強度，但射線衍射強度，但分辨率要降低；若希望提高分辨率則應(yīng)選擇小的分辨率要降低；若希望提高分辨率則應(yīng)選擇小的狹縫寬度。狹縫寬度。 掃描速度是指探測器在測角儀圓周上均勻轉(zhuǎn)動的掃描速度是指探測器在測角儀圓周上均勻轉(zhuǎn)動的角速度。掃描速度對衍射結(jié)果的影響與時間常數(shù)角速度。掃描速度對衍射結(jié)果的影響與時間常數(shù)類似，掃描速度越快，衍射線強度下降，衍射峰類似，掃描速度越快，衍射線強度下降，衍射峰向掃描

8、方向偏移，分辨率下降，一些弱峰會被掩向掃描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰會被掩蓋而丟失。但過低的掃描速度也是不實際的。蓋而丟失。但過低的掃描速度也是不實際的。(一）實驗參數(shù)選擇實驗參數(shù)選擇實驗條件選擇實驗條件選擇 （二）試樣 按聚焦條件的要求，試樣表面應(yīng)永遠保持與聚焦圓有相同的曲面，但是，由于聚焦圓曲率半徑在測量過程中不斷變化，而試樣表面卻無法實現(xiàn)這一點。因此，只能作近似處理，采用平板試樣，使試樣表面始終與聚焦圓相切，即聚焦圓圓心永遠位于試樣表面的法線上。實驗條件選擇實驗條件選擇 （二）試樣 衍射儀試樣可以是金屬、非金屬的塊狀、片狀或各種衍射儀試樣可以是金屬、非金屬的塊狀、片狀或各種粉末。對于

9、塊狀、片狀試樣可以用粘接劑將其固定在粉末。對于塊狀、片狀試樣可以用粘接劑將其固定在試樣框架上，并保持一個平面與框架平面平行；粉末試樣框架上，并保持一個平面與框架平面平行；粉末試樣用粘接劑調(diào)和后填入試樣架凹槽中，使粉末表面試樣用粘接劑調(diào)和后填入試樣架凹槽中，使粉末表面刮平與框架平面一致。試樣對晶粒大小、試樣厚度、刮平與框架平面一致。試樣對晶粒大小、試樣厚度、擇優(yōu)取向、應(yīng)力狀態(tài)和試樣表面平整度等都有一定要擇優(yōu)取向、應(yīng)力狀態(tài)和試樣表面平整度等都有一定要求。求。 衍射儀用試樣晶粒大小要適宜，在衍射儀用試樣晶粒大小要適宜，在1m-5m1m-5m左右最左右最佳。粉末粒度也要在這個范圍內(nèi)，一般要求能通過佳。

10、粉末粒度也要在這個范圍內(nèi)，一般要求能通過325325目的篩子為合適。目的篩子為合適。實驗條件選擇實驗條件選擇 （二）試樣下圖示出了一個由于制樣方法不當而得不到正確下圖示出了一個由于制樣方法不當而得不到正確的衍射圖的例子。的衍射圖的例子。 衍射圖譜衍射圖譜：不同晶體的衍射譜圖如同指紋不同晶體的衍射譜圖如同指紋 不同的物質(zhì)有不同的指紋 一張衍射圖譜上衍射線的位置僅和原子排列周期一張衍射圖譜上衍射線的位置僅和原子排列周期性有關(guān)性有關(guān) 強度則決定于原子種類、數(shù)量、相對位置等性質(zhì)強度則決定于原子種類、數(shù)量、相對位置等性質(zhì) 衍射線的衍射線的位置位置和和強度強度就完整地反映了晶體結(jié)構(gòu)的就完整地反映了晶體結(jié)構(gòu)

11、的二個特征，從而成為辨別物相的依據(jù)二個特征，從而成為辨別物相的依據(jù)原始數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)處理XRD的應(yīng)用的應(yīng)用通過對峰位置及峰強度的分析，我們可以完成如下工作定性分析定量分析狀態(tài)分析殘余奧氏體結(jié)晶度計算晶體粒徑、晶格應(yīng)力計算晶體結(jié)構(gòu)分析晶格常數(shù)確定晶系物相分析X射線衍射儀的應(yīng)用舉例一一 物相鑒定物相鑒定原理：X射線入射到多晶體上，產(chǎn)生衍射的充要條件是： 2dsin=n -（1） F（hkl）0 -（2）（1）確定了衍射方向 在一定的實驗條件下衍射方向取決于晶面間距d，而d是晶胞參數(shù)的函數(shù)。（2）表示衍射強度與結(jié)構(gòu)因子F（hkl）的關(guān)系，衍射強度正比于F（hkl）模的平方。F（hkl）的數(shù)值取決于

12、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，即晶胞中原子的種類，數(shù)目，和排列方式。因此決定X射線衍射譜中衍射方向和衍射強度的一套d-I的數(shù)值是與一個確定的晶體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的。1，用jade軟件打開測量圖譜，用鼠標點擊S/M，顯示物相檢索參數(shù)設(shè)置窗口。 如果樣品為幾種物相的混合物，則其圖形為這幾種晶體的衍射線的加和。一般各物相衍射線的強度與其含量成正比。2040608010005001000100200300400 0200400600800 0200400600800(222)(311)(220)(200)應(yīng)變 35.6%intensity2/degrees應(yīng)變 0(111) intensity應(yīng)變 55% intensity

13、(211)(200)(110)應(yīng)變 77.9% intensity基體為304奧氏體不銹鋼，經(jīng)過冷軋變形后，以樣品厚度的減少量計算樣品的應(yīng)變分別為35.6%，55.0%，77.9%。圖中為奧氏體相，為馬氏體相，從XRD的結(jié)果可以看出，304基體沒有應(yīng)變的情況下，奧氏體的5個衍射峰均存在，并且馬氏體（110）晶面上出現(xiàn)衍射峰；隨著應(yīng)變量的增加，馬氏體的衍射峰逐漸增多，到應(yīng)變量為77.9%時，馬氏體在（110）、（200）、（211）晶面上出現(xiàn)衍射峰，而奧氏體的衍射峰削弱，只有（220）晶面的衍射峰存在。第二個例子第三個例子：結(jié)晶度測定 從理論上講： 結(jié)晶度=晶區(qū)光強100% 總光強 Ac Xc=_100%粗略計算我們可以用剪刀積分法嚴格算結(jié)晶度，只能用計算機分峰第四個例子：晶粒尺寸測定 我們用來計算晶粒尺寸的公式是： k t= _ Scherrer(謝樂）公式 Bcos t：在hkl法線方向上的平均尺寸（nm） k：修正常數(shù)：取0.89 或 1 B: 衍射峰的半高寬（弧度）第五個例子:衍射圖形指標化 指標化就是完成哪個峰代表哪個晶面 介紹一個最簡單的立方晶系 一般有兩種方法:sin2和d值法 對于立方點陣 我們有 我們用最大 為基準