XRD應(yīng)用簡(jiǎn)介課件

1、X射線衍射儀及其應(yīng)用簡(jiǎn)介覃 事 棟 博 士吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院201012儀器分析實(shí)驗(yàn)2010冬X射線衍射儀是對(duì)物質(zhì)和材料的組成和原子級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和鑒定的基本手段其最常用的目的如下1. 確定物質(zhì)和材料中各種化合物的各種原子的排列。 研究材料和物質(zhì)的一些特殊性質(zhì)與其原子排列的關(guān)系。2. 確定物質(zhì)和材料含有哪些化合物(物相)。3. 確定各種化合物(物相)的百分比。4. 測(cè)定納米材料的晶粒大小、材料中的應(yīng)力、織構(gòu)、取向度、結(jié)晶度等等。儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季 絕大多數(shù)自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)都離不開物質(zhì)和材料, 因此, 其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。 由于物質(zhì)和材料的性能和功能都取決于其組成和結(jié)構(gòu), 特別是高新技

2、術(shù)科學(xué)中材料的原子尺度級(jí)別的結(jié)構(gòu)極其重要, 可以說起著決定性的作用, 因此X射線衍射儀在自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)中都是非常重要的、絕對(duì)不能缺少的儀器。 中科院物理所X射線衍射儀10臺(tái)以上, 北大化學(xué)系近10臺(tái)衍射儀, 清華材料中心X衍射室7臺(tái)衍射儀。一臺(tái)進(jìn)口衍射儀: 1030萬(wàn)美元, 而這些衍射儀都運(yùn)行效率很高。儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季 X射線被發(fā)現(xiàn)以來, 對(duì)現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)起了極大的推動(dòng)作用, 歷史上,從發(fā)現(xiàn)X射線、發(fā)現(xiàn)X射線衍射、到應(yīng)用X射線衍射解決物理、化學(xué)、生命、醫(yī)學(xué)等方面的問題, 有10余次諾貝爾獎(jiǎng)。 如DNA結(jié)構(gòu)的確定、青霉素的發(fā)明、各種礦物的確定、都主要依靠X射線衍射。又如超導(dǎo)材料為什么

3、會(huì)有超導(dǎo)性必須用它從其原子排列進(jìn)行研究；生物分子、高分子材料、各種人造晶體和藥物的的結(jié)構(gòu)必須用它來分析、制作集成電路的單晶硅片的質(zhì)量只有用它來檢查。納米材料也必須用它來研究。儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季 在技術(shù)工業(yè)上,它也是必須和大量使用的。鋼鐵、水泥、陶瓷、醫(yī)藥、地質(zhì)(石油)、化工等研究和生產(chǎn)單位全都離不開它。因?yàn)檫@些材料的性能都取決于它們的物相(化合物)組成。我國(guó)目前只有少量國(guó)有大企業(yè)才配備有X射線衍射儀, 水泥、醫(yī)藥、陶瓷等企業(yè)還基本沒有配備。而國(guó)外是上述行業(yè)的廠、甚至連大一些的食品企業(yè)都配備有衍射儀。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前在用的衍射儀總數(shù)(約1200臺(tái)); 國(guó)外廠商說還不到日本的1/5。儀器

4、分析實(shí)驗(yàn)2006秋季晶體: 原子在三維空間中長(zhǎng)程有序排列晶胞:重復(fù)排列的最小單元稱晶胞晶胞參數(shù).三個(gè)軸長(zhǎng) a , b , c 三個(gè)軸的夾角 , , 按排列規(guī)律可分為7種晶系, 14種點(diǎn)陣，230種空間群大部分種類的物質(zhì)是晶體晶體點(diǎn)陣儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季X射線的產(chǎn)生X 射線發(fā)生器I. 電子束撞擊到物質(zhì)上產(chǎn)生X射線：常規(guī)X射線發(fā)生器封閉式X射線管(2kW)旋轉(zhuǎn)靶式X射線管(620kW, 加強(qiáng)冷卻, 提高X射線強(qiáng)度) 譜特征：連續(xù)譜靶物質(zhì)元素的特征譜. 特征譜的波長(zhǎng)固定, 不能連續(xù)調(diào)節(jié).儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季X射線管示意圖聚焦杯真空燈絲玻璃靶鈹窗銅電子束冷卻水X光X光接高壓電源和燈絲電源最常用

5、靶材為Cu其他有 Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ag, W 等衍射用封閉式X射線管的功率約為 2kW(受靶材料熔點(diǎn)、導(dǎo)熱和冷卻條件限制)儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季X射線產(chǎn)生示意圖電子束產(chǎn)生X射線面積110mm線焦點(diǎn)，實(shí)際焦點(diǎn)0.110mm點(diǎn)焦，實(shí)際焦點(diǎn)11mm 6 6電子束激發(fā)靶原子的內(nèi)層電子,外層電子躍遷至內(nèi)層,發(fā)射出X射線靶接地, 燈絲為負(fù)高壓.電子束轟擊到靶上,產(chǎn)生X射線.X射線穿過對(duì)X射線吸收系數(shù)很小的鈹窗射出.采用與靶面成312度角出射的X射線靶材料的原子序數(shù)愈大,X射線波長(zhǎng)愈短,能量愈大,穿透能力愈強(qiáng)儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季X射線光譜Mo 靶35kV時(shí)的發(fā)射光譜K 譜線由K

6、1和K2 構(gòu)成連續(xù)譜特征譜K 1K 2K KK 實(shí)際由相距很近的 K 1和 K 2 組成連續(xù)譜的最短波長(zhǎng)隨X光管的電壓升高而減小, 特征譜的波長(zhǎng)是固定的。只有在X光管的電壓高于激發(fā)電壓時(shí)才產(chǎn)生.粉末(多晶)衍射使用特征譜常用的是Cu靶的K 譜線, K 譜線一般無用, 要用單色器過濾掉. K2譜線無用, 在分辨率要求很高時(shí)需使用入射K1單色器把它過濾掉.Cu K 平均波長(zhǎng)：1.5418Cu K 1波長(zhǎng)：1.54060Mo K 波長(zhǎng)：0.707儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季晶體點(diǎn)陣衍射示意圖d3d1d2 晶體有不同的晶面, 不同的晶面有不同的晶面間距, 如左圖的 d1, d2, d3, 各自的衍射角不同

7、。各自的衍射強(qiáng)度也不同 不同的晶體: 原子排列不同, 構(gòu)成不同, 衍射也不同,實(shí)際晶體是三維的陣點(diǎn)排列, 衍射也在三維空間產(chǎn)生.儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季多晶體衍射及衍射錐 一個(gè)晶粒的某 (h k l ) 晶面所處方位正好符合布拉格公式, 產(chǎn)生衍射. 多晶體是極多個(gè)小晶粒的聚集體。如果其各個(gè)晶粒的取向隨機(jī)分布, 則相當(dāng)于上圖的晶面繞入射X射線束轉(zhuǎn)動(dòng)任意的情況都存在, 則X射線照射到此多晶體上時(shí), 如中圖的一個(gè)圓錐面上都有衍射線產(chǎn)生儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季NaCl 的粉末衍射儀圖譜(Cu K)儀器分析實(shí)驗(yàn)2006秋季接收狹縫接收狹縫入射X射線衍射X射線樣品作轉(zhuǎn)動(dòng)樣品衍射Soller狹縫樣品驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)衍射Soller，接收狹縫，探測(cè)器和單色器作 2 轉(zhuǎn)動(dòng)2 0探測(cè)器高、低壓電源單色器前置放大器水冷卻系統(tǒng)主放大器脈沖高度分析器控制和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)2 和 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù) / 圖形輸出設(shè)備入射Soller狹縫發(fā)散狹縫粉末衍射儀系統(tǒng)示意圖實(shí)際上計(jì)算機(jī)還可控制發(fā)散狹縫、單色器等穩(wěn)定的：直流高壓燈絲電源聚焦偏壓X光管平樣品，對(duì)稱衍射：當(dāng)樣品平面平行于入射X射線時(shí)，探測(cè)器與接收狹縫處在2 零度。然后樣品以S速度繞衍射儀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)探測(cè)器與接收狹縫以2S速度轉(zhuǎn)動(dòng)，依次探測(cè)記錄各晶面的衍射線。這樣記錄下來的是那些其 h k l 晶面平行于樣品表面的晶粒的衍射線Y2000型X射線衍射儀結(jié)構(gòu)示意圖E: