燕山大學材料考研資料第5章-X射線衍射實驗方法

第五章X射線衍射實驗方法

5.1衍射方法分類

5.2照相法

5.3衍射儀法在這部分中，加入范雄P25，式樣制備、靶材選擇，濾波片的選擇5.1衍射方法5.1.1衍射方法分類

1、按衍射原理分類1.勞埃法

－連續(xù)X射線，不動單晶體類似于電子透射在衍射實驗時，單晶體不動，采用連續(xù)X光作入射光束。這樣反射球的半徑從1/λmin到1/λmax連續(xù)變化(其中，λmin為短波極限，λmax為可以起作用的最大波長)。這時反射球已不是一個薄層而是具有一定厚度的殼體，從而倒易點落在這個殼體內(nèi)者均與反射球相交，這樣也就增加了反射球與更多的倒易點相交的機會也即增加了反射的機會。由于晶體不動，入射線和晶體作用后產(chǎn)生的衍射束表示了各晶面的方向，所以此方法能夠反映出晶體的取向和對稱性。2.周轉(zhuǎn)晶體法

－單色X射線，轉(zhuǎn)動單晶體在衍射實驗時，單晶體圍繞一個結(jié)晶學方向轉(zhuǎn)動，入射單色X射線垂直轉(zhuǎn)動軸入射。這時單晶體的某些倒易點陣依次穿過反射球，當?shù)挂c和反射球相遇時即可能發(fā)生衍射。3.粉末法（德拜－謝樂法）

－單色X射線，多晶體照相法衍射儀法照相法與衍射儀法所得圖像對比實驗方法采用單色（特征）X射線作輻射源。被分析的試樣為很細（10-5-10-7m）的粉末，或者根據(jù)需要也可以是多晶體塊、片、絲。衍射花樣通過照相法或者衍射儀法記錄。在衍射實驗時，用單色X射線照射多晶體。由于多晶體粉末晶粒取向是充分紊亂的，這時多晶體的倒易點落在以倒易點陣原點為球心、以一定長度的倒易矢量為半徑所作的球的球面上，稱為倒易球。該倒易球面與反射球相交，交線為一圓環(huán)，在此圓環(huán)上會發(fā)生衍射，因此這些衍射線構(gòu)成一個頂角為4的圓錐。成像原理（注意反射球與多晶樣品倒易球的概念）倒易陣點倒易球多晶樣品：Oa*b*1/

入射線衍射圓錐4

衍射環(huán)入射X光按衍射接收記錄系統(tǒng)分類照相法（現(xiàn)已很少使用）優(yōu)點：直接給出衍射花樣和強度特征，適合晶體的初步探測，如對稱性。有利于理解倒易點陣與衍射的厄瓦爾德圖解。缺點：自動化程度差。衍射儀法（近些年的主要方法，重點了解）優(yōu)點：靈敏度、準確性高。自動化程度高。缺點：不利于理解倒易點陣和衍射的厄瓦爾德圖解。5.2照相法--簡單介紹多晶粉末試樣中存在這數(shù)量極多的各種取向的晶粒。某一晶面對應(yīng)的倒易點變?yōu)榈挂浊颍挂浊蛎媾c反射球相交，交線為一圓環(huán)，在此圓環(huán)上會發(fā)生衍射。因此從原點到衍射環(huán)的這些衍射線構(gòu)成一個頂角為4

的衍射圓錐。如果用以試樣為軸線的圓柱形底片截取這些衍射圓錐，會得到一些列衍射弧對，每一弧對可用相應(yīng)的干涉指數(shù)標定。這就是德拜-謝樂法。德拜-謝樂照相法原理5.3衍射儀法采用由X射線管發(fā)出的已知波長的X射線，照射到試樣上產(chǎn)生衍射，根據(jù)所檢測到的衍射線方向（

角），由布拉格方程計算晶面距，對物相進行結(jié)構(gòu)分析。每種物質(zhì)都有特征的晶面組合，由衍射所得晶面組合可確定物質(zhì)種類。X射線衍射譜2θOntheinterfaceInthepaste5.3.1衍射儀的發(fā)展1912年，布拉格最先使用了電離室探測X射線信息裝置，這是最原始的X射線衍射儀。1943年，近代X射線衍射儀由弗里德曼（FRIDMAN）設(shè)計。現(xiàn)代X射線儀器，例如日本理學公司生產(chǎn)的RigakuD/max系列、德國的Bruker和荷蘭XPert等等。高分辨衍射儀（D8-Discovre型，Bruker公司1999年產(chǎn)品）5.3.2X射線衍射儀的基本組成1.X射線發(fā)生器；用來產(chǎn)生穩(wěn)定的X射線光源2.衍射測角儀；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3.輻射探測器；4.記錄系統(tǒng)

1、X射線發(fā)生器X光源的基本要求：

簡單地說，對光源的基本要求是穩(wěn)定、強度大、光譜純結(jié)。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)的目的在于提高衍射線的蜂背比、分辨率和靈敏度等。實驗室一般應(yīng)具備有W、Mo、Cu、Co、Fe、Cr六種靶子。(1)化學成分原則：避免入射X射線激發(fā)被測樣品，產(chǎn)生熒光。選擇陽極靶的原子序數(shù)應(yīng)低于或等于被研究物質(zhì)中大量存在的最輕元素原子序數(shù)，Z靶Z樣。此時，所用特征X射線的波長都大于試樣中最輕元素的K吸收性波長，不會引起熒光輻射。（2）分辨能力：如要提高分辨率可選長波長靶。可以使晶面間距相近的兩條衍射線不至于因太靠近而重疊在一起。（3）盡可能多的衍射線條有的衍射工作，如對點陣參數(shù)進行測定，要求在高角區(qū)60-80°之間出現(xiàn)盡可能多的衍射條數(shù)。這要求使用波長較小的輻射。

選靶原則

2、測角儀準直--原則

準直光欄系統(tǒng)參數(shù)的選擇應(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，為比較各衍射線的相對強度必須用同一寬度的狹縫，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。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。測角儀工作原理（1）試樣臺位于測角儀的中心，試樣臺的中心軸ON與測角儀的中心軸（垂直向上）O垂直。試樣臺既可以繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動，又可以繞自身的中心軸轉(zhuǎn)動。試樣臺上的試樣表面與測角儀中心軸嚴格地重合。

測角儀示意圖測角儀工作原理（2）入射線從X射線管焦點F發(fā)出，經(jīng)入射光闌系統(tǒng)S1和H投射到試樣表面生產(chǎn)衍射，衍射線經(jīng)接收光闌系統(tǒng)M、S2、G進入計數(shù)器DX射線管焦點F與接收光闌G位于同一圓周上，把這個圓周稱為測角儀（或衍射儀）圓測角儀圓所在平面稱為測角儀平面測角儀示意圖測角儀工作原理（3）試樣臺和計數(shù)器分別固定在兩個同軸的圓盤上，由兩個步進電機驅(qū)動在衍射測量時，試樣繞測角儀中心軸轉(zhuǎn)動，不斷地改變?nèi)肷渚€與試樣表面的夾角θ，計數(shù)器沿測角儀圓轉(zhuǎn)動，接收各衍