理學(xué)xrd培訓(xùn)第1章射線物理

1、多晶材料射線衍射黃 繼 武湖南，長沙，中南大學(xué)材料學(xué)院 , 理學(xué)X射線衍射儀用戶應(yīng)用培訓(xùn)報告X射線物理X射線衍射原理實(shí)驗(yàn)操作PDXL2基本操作定性分析定量分析結(jié)晶度計算晶格常數(shù)精修未知物相的指標(biāo)化晶粒尺寸與微觀應(yīng)變應(yīng)力測量Rietveld全譜擬合技術(shù)報告提綱實(shí)驗(yàn)原理與方法理學(xué)， X射線衍射手冊實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理黃繼武，多晶材料X射線衍射-實(shí)驗(yàn)方法與應(yīng)用，冶金工業(yè)出版社，2012。XRD理論李樹棠，晶體X射線衍射，冶金工業(yè)出版社，1993。XRD的發(fā)展及應(yīng)用馬禮敦，近代X射線多晶體衍射實(shí)驗(yàn)技術(shù)與數(shù)據(jù)分析主要參考教材理學(xué)用戶 。課件下載，學(xué)術(shù)交流理學(xué)用戶協(xié)會:主席:吉林大學(xué) 高忠民教授每兩年舉行一

2、屆用戶會議，歡迎投稿、參加會議歡迎論文投稿理學(xué)用戶協(xié)會會刊歡迎實(shí)名加入XRD學(xué)習(xí)群(千人群):193682014：資料下載，學(xué)術(shù)交流學(xué)習(xí)交流謝謝大家！X射線物理X射線的本質(zhì)X射線的產(chǎn)生X射線的連續(xù)譜與特征譜X射線與物質(zhì)的相互作用X射線的探測與防護(hù)EH在X射線衍射譜中，為什么有的衍射峰看起來是兩個峰？若用Cu靶X射線照射鋼鐵樣品時為什么衍射強(qiáng)度很低？當(dāng)采用Cu輻射時用什么濾波最好？X射線穿過物質(zhì)時為什么強(qiáng)度降低？為什么實(shí)驗(yàn)時要盡量提高光管的電壓？X射線衍射的本質(zhì)是什么？X射線真的有那么可怕嗎？X射線為什么叫X射線？基本問題倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的裝置陰極陽極+-1895年，德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線

3、管的過程中，發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的射線X射線的本質(zhì)人眼不能觀察到，在可見光波長之外。可使照相底片感光，是一種具有某種波長的光。很強(qiáng)的穿透能力，其波長很短X射線本質(zhì)上屬于電磁波。波長范圍:0.01-100 。電磁波譜由于未知這種射線的實(shí)質(zhì)（或本性），將它稱為 X 射線。X射線的本質(zhì)硬X射線：波長較短，能量高，穿透性強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析；軟X射線：波長較長，能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析。X射線異物檢測儀X射線的本質(zhì)固體靶源實(shí)驗(yàn)室方法 同步輻射 等離子體源同位素核反應(yīng)其他 現(xiàn)代X射線的產(chǎn)生方法X射線的產(chǎn)生方法實(shí)驗(yàn)室X射線的產(chǎn)生X射線管的結(jié)構(gòu)X射線的產(chǎn)生方法高速運(yùn)動的電

4、子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動受阻失去動能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。真暖和X射線的產(chǎn)生方法2kW封閉管18kW轉(zhuǎn)靶不同功率的光管 X射線的產(chǎn)生方法X射線譜能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子。出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。當(dāng)超過臨界電壓時，在某些固定波長位置，形成遠(yuǎn)高于連續(xù)譜強(qiáng)度的強(qiáng)度峰。連續(xù)譜與特征譜一個電子可以發(fā)生多次碰撞，每次碰撞產(chǎn)生的X射線能量越來越小，即波長越來越長 連續(xù)X射線的產(chǎn)生機(jī)理連續(xù)譜與特征譜高速運(yùn)動的電子與陽極原子核碰撞時失去動能

5、，產(chǎn)生X射線K系X射線的產(chǎn)生KML連續(xù)譜與特征譜 特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理高速電子能量足夠大時，陽極K層電子被擊出，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生K輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生K輻射。L有兩個副層。產(chǎn)生波長稍有差異的K1和K2。M層有更多的副層。L-K是近距離躍遷，幾率大，K強(qiáng)度高。M-K層是遠(yuǎn)距離躍遷，幾率較小，強(qiáng)度低。標(biāo)識X射線產(chǎn)生過程連續(xù)譜與特征譜C，為常數(shù)特征X射線的波長與靶材原子序數(shù)平方成反比:特征X射線的強(qiáng)度與電壓的平方成正比: 特征X射線的波長與強(qiáng)度莫塞萊定律 連續(xù)譜與特征譜在實(shí)驗(yàn)衍射譜中,K的衍射峰已經(jīng)被過濾掉,而K

6、2卻保留在圖譜中。 K2與K1存在固定的波長差，強(qiáng)度相差1倍。 連續(xù)譜與特征譜在一個衍射譜中， K2與K1分離得越好，說明狹縫小、樣品結(jié)晶狀態(tài)好熱能透射X射線,衰減后的強(qiáng)度IH散射X射線電子熒光X射線相干的非相干 的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)入射X射線I0物體衍射效應(yīng)X射線與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生各種物理效應(yīng)X射線與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。這樣每個電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。相干散射是X射線衍射學(xué)的基礎(chǔ)X射線與物質(zhì)的相互作用相干散射 非相干散射 X射線光子與束縛力不大的外層電子

7、或自由電子碰撞時，電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。X射線與物質(zhì)的相互作用非相干散射是康普頓（A.H. Compton ）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。衍射實(shí)驗(yàn)中，它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。X射線與物質(zhì)的相互作用X射線的吸收 物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。X射線與物質(zhì)的相互作

8、用X射線穿過深度H的物質(zhì)后強(qiáng)度降低光電效應(yīng)以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標(biāo)識X射線稱為樣品的熒光X射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：入射X射線波長必須小于樣品的吸收限k。熒光是X射線衍射譜背景強(qiáng)度的主要來源之一。X射線與物質(zhì)的相互作用X射線次級X射線若熒光X射線能量足夠大，樣品將產(chǎn)生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子俄歇電子。俄歇效應(yīng)俄歇電子X射線與物質(zhì)的相互作用當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離t和物質(zhì)的線吸收系數(shù)成正比。I=I0exp(-t)入射線 I0透射 ItX射線與物質(zhì)的相互作

9、用X射線的衰減規(guī)律 線吸收系數(shù)：單位長度物質(zhì)對X射線的吸收線吸收系數(shù):=log(I0/I)/t (cm-1)混合物和化合物的質(zhì)量吸收系數(shù):m=wimi (wi i 組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù))質(zhì)量吸收系數(shù):m=/ (cm2/g)透射強(qiáng)度:I=I0exp(-t)X射線與物質(zhì)的相互作用質(zhì)量吸收系數(shù)：單位重量的物質(zhì)對X射線的吸收例:對CuK輻射: Al 的質(zhì)量吸收系數(shù)=48.7,O的質(zhì)量吸收系數(shù)為12.7則Al2O3的質(zhì)量吸收系數(shù)為Al2O3的密度為4。若假定當(dāng)I/I0=1/100時視為全部吸收。則X射線可穿過剛玉的極限厚度為:X射線與物質(zhì)的相互作用鉛板，鋼板，厚磚墻都可以阻擋X射線X射線能有效穿透有機(jī)物，輕元

10、素物質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)查閱：晶體X射線衍射學(xué)基礎(chǔ)-李樹棠,P220質(zhì)量衰減系數(shù)m 表示單位重量物質(zhì)對X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)隨波長的變化X射線與物質(zhì)的相互作用同一種物質(zhì)對不同波長的X射的吸收效果不同。例如：Ni可以有效吸收CuK，而對CuK吸收較小。例如：鐵對Cu輻射吸收非常強(qiáng)，一般鋼鐵企業(yè)不使用銅輻射作為X射線光源，而用Cr,Fe,Co光源。X射線與物質(zhì)的相互作用不同物質(zhì)對其同一光源的X射線吸收效果不同。例如：同一實(shí)驗(yàn)條件下，不同樣品的衍射強(qiáng)度相差較大。樣品中含有微量Ag時，就會有很強(qiáng)的衍射強(qiáng)度，而有些物質(zhì)含量較高時仍然檢測出不來。

11、即不同的物質(zhì)有不同的檢出限。吸收限吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長等于或小于時，光子的能量E大到能擊出一個K層電子的功W時，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使m突變性增大。吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有三個副層,因此有三個L吸收限。X射線與物質(zhì)的相互作用吸收限的應(yīng)用 濾波片的作用濾波片X射線的單色化作用X射線與物質(zhì)的相互作用濾波片的選擇:濾波片的吸收限應(yīng)位于輻射源的K和K之間，且盡量靠近K 。強(qiáng)烈吸收K，對K吸收很?。皇褂脼V波片，將K強(qiáng)度降低一半最佳。Z靶40時: Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；試樣對X射線的吸收最小。 Z靶Z試樣+1。X射

12、線與物質(zhì)的相互作用X射線的折射 X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.999990.999999 。 X射線與物質(zhì)的相互作用熒光屏法；照相法；輻射探測器法：X射線光子對氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測量它和強(qiáng)度。按照這種原理制成的探測X射線的儀器電離室和各種計數(shù)器。X射線的探測X射線的探測與防護(hù)X射線的安全防護(hù)X射線設(shè)備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險。電震的危險在高壓儀器的周圍是經(jīng)常地存在的，X射線的陰極端為危險的源泉。在安裝時可以把陰極端裝在儀器臺面之下或箱子里、屏后等方法加以保證。輻射損傷是過量的X射線對人體產(chǎn)生有害影響?？墒咕植拷M織灼傷，可使人的精神衰頹、頭暈、毛發(fā)脫落、血液的組成和性能改變以及影響生育等。安全措施有：嚴(yán)格遵守安全條例、配帶筆狀劑量儀、避免身體直接暴露在X射線下、定期進(jìn)行身體檢查和驗(yàn)血。X射線的探測與防護(hù)本章小結(jié)常用于衍射實(shí)驗(yàn)的光源為實(shí)驗(yàn)室光源和同步輻射。同步輻射具有更高的亮度。實(shí)驗(yàn)室光源產(chǎn)生的光有連續(xù)波長的“白光”和固定波長的“特征光”。特征光是陽極元素原子序數(shù)的特征。X射線照射到樣品上時，會產(chǎn)生相干散射和非相干散射，