X射線衍射儀及測量參數(shù)的選擇ppt課件

1、X射線衍射儀及測量參數(shù)的選擇燕山大學(xué)材料學(xué)院綜合實驗室燕山大學(xué)材料學(xué)院國家實驗教學(xué)示范中心1、X射線衍射儀結(jié)構(gòu)n第一，第一，X射線發(fā)生器，用來產(chǎn)生穩(wěn)定的射線發(fā)生器，用來產(chǎn)生穩(wěn)定的X射線光源；射線光源；n 第二，測角儀，用來測量衍射花樣三要素，使光源、試第二，測角儀，用來測量衍射花樣三要素，使光源、試樣和探測器滿足一定的幾何和衍射條件；樣和探測器滿足一定的幾何和衍射條件；n 第三，電子自動記錄系統(tǒng)用來記錄衍射花樣。它包括計第三，電子自動記錄系統(tǒng)用來記錄衍射花樣。它包括計數(shù)率儀、定標器等；數(shù)率儀、定標器等；n第四，電子計算機及其外圍附件，用來控制儀器運轉(zhuǎn)；收第四，電子計算機及其外圍附件，用來控制儀

2、器運轉(zhuǎn)；收集處理和打印結(jié)果，或存貯于磁帶、磁盤，或用圖象屏幕集處理和打印結(jié)果，或存貯于磁帶、磁盤，或用圖象屏幕顯示。顯示。2、 X射線的光源射線的光源nX光源的基本要求：光源的基本要求：n 簡單地說，對光源的基本要求是穩(wěn)定、強簡單地說，對光源的基本要求是穩(wěn)定、強度大、光譜純結(jié)。度大、光譜純結(jié)。n 光源的特性決定靶的種類、焦斑大小和施加光源的特性決定靶的種類、焦斑大小和施加在管子上的功率。選擇工作參數(shù)的目的在于提在管子上的功率。選擇工作參數(shù)的目的在于提高衍射線的蜂背比、分辨率和靈敏度等。高衍射線的蜂背比、分辨率和靈敏度等。n 實驗室一般應(yīng)具備有實驗室一般應(yīng)具備有W、Mo、Cu、Co、Fe、Cr六

3、種靶子。選靶原則要考慮到樣品的組分，六種靶子。選靶原則要考慮到樣品的組分，使之不產(chǎn)生使之不產(chǎn)生X射線熒光，還要根據(jù)具體分析目射線熒光，還要根據(jù)具體分析目的選靶。如要提高分辨率可選長波長靶。的選靶。如要提高分辨率可選長波長靶。n焦斑的選用n 在衍射儀衍射實驗中，大部分選用線焦斑(織構(gòu)測定例外)。和點焦斑相比線焦斑的主要優(yōu)點是，水平發(fā)散度小，分辨率高，從而記錄下來的衍射花樣較真實。缺點是，強度略低，垂直發(fā)散度可用索勒(Soller)狹縫來改善。目前，用于一般衍射儀管子的焦斑大小有細焦班0.48mm)、正常用焦斑(110mm)和寬焦斑(212mm)。n管壓和管流的選擇管壓和管流的選擇n 當管壓大于靶

4、元素的臨界激發(fā)電壓時，當管壓大于靶元素的臨界激發(fā)電壓時，才能激發(fā)特征輻射。實際工作中為了獲才能激發(fā)特征輻射。實際工作中為了獲得清晰的衍射花樣，管壓應(yīng)選在激發(fā)電得清晰的衍射花樣，管壓應(yīng)選在激發(fā)電壓的壓的35倍之間，這時蜂背比最大。一倍之間，這時蜂背比最大。一般管流的選擇不超過最大允許管流的般管流的選擇不超過最大允許管流的80。但是，管流越大，光源的穩(wěn)定度越。但是，管流越大，光源的穩(wěn)定度越差。差。n光源單色化的方法光源單色化的方法n (1) 過濾片法過濾片法;n (2) 晶體單色器晶體單色器;n 它的工作原理頗為簡單，只要選擇反射本它的工作原理頗為簡單，只要選擇反射本領(lǐng)很強的衍射晶面的單晶體使其與

5、表面平行，領(lǐng)很強的衍射晶面的單晶體使其與表面平行，當入射束滿足布拉格選擇性反射時即可得到單當入射束滿足布拉格選擇性反射時即可得到單色的色的K及其諧波及其諧波(諧波可由脈沖高度分析器濾紙諧波可由脈沖高度分析器濾紙也可用降低管壓方法扣除也可用降低管壓方法扣除)。n 通常，它在測角儀上的安裝方法有兩種，通常，它在測角儀上的安裝方法有兩種，一是裝在入射線一側(cè)，另一是裝在衍射線一側(cè)。一是裝在入射線一側(cè)，另一是裝在衍射線一側(cè)。目前大多數(shù)采用后一種裝法。這種裝法可以抑目前大多數(shù)采用后一種裝法。這種裝法可以抑制樣品的熒光輻射、非相干散射以及空氣散射制樣品的熒光輻射、非相干散射以及空氣散射等引起的背景，還具有便

6、于安裝和調(diào)整等優(yōu)點。等引起的背景，還具有便于安裝和調(diào)整等優(yōu)點。3、X射線衍射儀的測角儀 衍射儀的測角儀按照布拉格衍射儀的測角儀按照布拉格-布倫塔諾布倫塔諾(Bragg-Brentana)聚焦條件設(shè)聚焦條件設(shè)計而成的。其原理及準直光路如圖所示。計而成的。其原理及準直光路如圖所示。準直光欄的選擇原則準直光欄的選擇原則 光欄系統(tǒng)參數(shù)的選擇必須同時考慮到上述兩個方面，不能單從一方面出發(fā)。應(yīng)當注意如下事實 1)發(fā)散狹縫對衍射強度的影響比起對分辨率的影晌要大； 2)由于采用平板試樣，發(fā)散狹縫增大引起散焦使得衍射峰向低角移動，從而引起峰的不對稱性，使得分辨率下降； 3)在掃描過程中衍射角是變化的，為比較各衍

7、射線的相對強度必須用同一寬度的發(fā)放狹縫，且在任何角入射光束均能照射在試樣內(nèi)，以保證參與衍射體積恒定。探測器的掃描方式探測器的掃描方式 探測器裝在測角儀臂上，它和試樣臺以2：1的角速度繞測角儀軸心轉(zhuǎn)動，這樣，試樣臺上裝上分析試樣，探測器即可按收到衍射信息并由記錄系統(tǒng)記錄下來。探測器的掃描方式可分連續(xù)掃描、步進掃描與跳躍步進掃描三種。掃描方式對探測記錄下衍射花樣的質(zhì)量有很大影響。1、連續(xù)掃描、連續(xù)掃描 掃描速度和方向的選擇對衍射線強度、峰位和線形有很大影響，快速掃描引起強度和分辨率下降，并使峰值向掃描方向偏移，引起線形的不對稱性；慢速掃描精度較高，但是耗費機時。 經(jīng)驗證明，掃描速度V，計記效率儀時

8、間常數(shù)T和接收狹繞寬度 必須滿足下面關(guān)系： 1) 不論V和T如何改變，只要乘積VT數(shù)值相同，衍射花樣也相同。當VT值增大時，峰的高度迅速下降，峰位移動，分辨率下降(向掃描方向非對稱性加寬)。 2) 接收狹縫的時間寬度(即接收狹綴的寬度與掃描速度的比值)數(shù)值在原則上要比時間常數(shù)越大越好，這樣，計數(shù)率儀能真實地描繪出衍射峰的細節(jié)。 一般，測量峰位要求高，測量弱蜂以及線形時，采用于1/41/8 2/min的慢速掃描。此外，為節(jié)約時間和減少設(shè)備損耗，通常采用1/22 2 /min的掃描速度。(2) 步進掃描步進掃描 為了克服連續(xù)掃描缺點，采用了步進掃描(或稱階梯掃描)的方法。所謂步進掃描，即以一定的步

9、長(即角度間隔)對衍射峰強度進行逐步測量，即對每一步進行定時計數(shù)或定數(shù)計時測量之后探測器和樣品以2:1的角速度轉(zhuǎn)到下一步，再重復(fù)上述測量。 步進掃描參數(shù)及其選擇： 1)步長大小(2/步)對明銳蜂選0.02/步能較好地反映衍射線形的細節(jié)，一般分析選0.05/步，對漫散寬的衍射蜂步長選得更大些，如0.5/步。對線形分析，寬衍射蜂和尖銳衍射峰步長大小取為整數(shù)倍關(guān)系對數(shù)據(jù)處理是方便些。 2)每步計數(shù)時間或計數(shù)值 前者為定時計數(shù)法，后者為定數(shù)計時法。在定時計數(shù)法中，每步計數(shù)時間相同而累積計數(shù)值不等；在定數(shù)計時法中，每步計數(shù)值相同而累積計數(shù)時間不等。因為計數(shù)統(tǒng)計精度僅與總計數(shù)有關(guān)而與計數(shù)時間無關(guān)，所以定數(shù)

10、計時法中各步測量的數(shù)據(jù)具有相同的統(tǒng)計精度，在定時計數(shù)法中每步測量的數(shù)據(jù)具有不同的統(tǒng)計精度。(3) 跳躍步進掃描跳躍步進掃描 通過改變掃描速度，使得在有衍射峰分布區(qū)域范圍內(nèi)測角儀以較慢速度作步進掃描，而在無衍射蜂的背底處作快速掃描的掃描方式。4、實驗與測量方法、實驗與測量方法n(1) 樣品的制備樣品的制備n 衍射儀用的試祥大都要求平板狀，由粉衍射儀用的試祥大都要求平板狀，由粉末壓制而成，或是由塊狀切割而成。由衍射理末壓制而成，或是由塊狀切割而成。由衍射理論，采用平板狀樣品其衍射線的相對累積強度論，采用平板狀樣品其衍射線的相對累積強度是在樣品為無限厚的情況下得出的。無限厚是是在樣品為無限厚的情況下

11、得出的。無限厚是一個相對概念，它取決于測量強度的靈敏度。一個相對概念，它取決于測量強度的靈敏度。一般將無限厚定義為由樣品的背側(cè)一薄層與前一般將無限厚定義為由樣品的背側(cè)一薄層與前側(cè)一層所衍射的強度比為側(cè)一層所衍射的強度比為1/600或或1/1000時該樣時該樣品所具有的厚度。即厚度品所具有的厚度。即厚度t 要求滿足：要求滿足：或或式中，式中，為粉末樣品的實際密度；為粉末樣品的實際密度；為真實密度為真實密度 樣品的制備情況是影響實驗結(jié)果的重要因素，它對衍射線的強度、峰位的影響尤為明顯。然而，樣品制備技術(shù)常被人們所忽視。實驗者必須根據(jù)分析目的和要求制祥。一般說要考慮到樣品的均勻性、顆粒度大小、注意消

12、除制樣過程引起結(jié)構(gòu)上的變化(2) 試驗參數(shù)的選擇試驗參數(shù)的選擇n(3) 定峰方法定峰方法n 實際上，衍射儀的布置是接近理想聚焦條實際上，衍射儀的布置是接近理想聚焦條件的，按照布拉格公式導(dǎo)出的衍射線方位不是件的，按照布拉格公式導(dǎo)出的衍射線方位不是只出現(xiàn)在一個特定的角度，而是在一定角度范只出現(xiàn)在一個特定的角度，而是在一定角度范圍內(nèi)展寬分布，在確定衍射線峰位時，常常隨圍內(nèi)展寬分布，在確定衍射線峰位時，常常隨著衍射線線形的不同或者出自誤差討論上的方著衍射線線形的不同或者出自誤差討論上的方便提出了各種不同的定峰值方法，通常，只有便提出了各種不同的定峰值方法，通常，只有當衍射線是完全對稱時，所確定的峰位值才相當衍射線是完全對稱時，所確定的峰位值才相同。每一種方法只適用于某種特定情況。定峰同。每一種方法只適用于某種特定情況。定峰位的方法有以下幾種：位的方法有以下幾種： 1) 峰值法峰值法 它以衍射線最高強度相應(yīng)的衍射角作為蜂它以衍射線最高強度相應(yīng)的衍射角作為蜂位。此法適用線形蜂頂處明銳且光滑的衍射線。位。此法適用線形蜂頂處明銳且光滑的衍射線。 2) 切線法切線法 它以線峰兩側(cè)近似直線段的兩直線交點作它以線峰兩側(cè)近似直線段的兩直線交點作為峰位，此法用于明銳峰且峰項波動大的衍射線為峰位，此法用于明銳峰且