《!物理光学工程应用X射线衍射》由会员分享，可在线阅读，更多相关《!物理光学工程应用X射线衍射（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理光学工程应用物理光学工程应用X 射线衍射仪射线衍射仪精密仪器与光电子工程学院 测控一班 梁敏 3011202015 摘要： 关键词：（一） X 射线的产生和性质一X 射线的产生1. X 射线的发现 X 射线是 1895 年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现的。 当时，他发现放电管放出了一种穿透力极强的新射线，在屏幕上几乎看不到任 何阴影，它甚至能够轻而易举的穿透 15 毫米厚的铝板。此外，伦琴还在底片显 影后看到了手指骨和结婚戒指。直到 20 世纪初，人们才知道 X 射线实质上是一 种比光波更短的电磁波，它不仅在医学中用途广泛，成为人类战胜许多疾病的 有力武器，而且还为今后物理学的重大变
2、革提供了重要的证据。 2. 产生 X 线必须具备 3 个条件： （1） 要有一个电子源。能根据需要，随时提供足够数量的电子，这些电子在 电场作用下奔向阳极，便形成管电流。这个电子源在阴极端。 （2） 要有一个能经受高速电子撞击而产生线的靶，即阳极。 （3） 要有高速电子流。 3. X 射线产生的原理 如图1 所示,X 射线产生的基本原理是以由阴极发射并在管电压作用下向靶 材(阳极) 高速运动的电子流为激发源,致靶材发射辐射,该辐射即为X射线。图 1 X 射线产生原理【从劳厄发现晶体 X 射线衍射谈起】二X 射线的性质X 射线的波动性与粒子性是 X 射线具有的客观属性1. 波动性： 1913 年
3、德国物理学家劳厄等发现 X 射线衍射现象，从而证实了 X 射线本质是一 种电磁波，它与可见光一样，X 射线以光速沿直线传播，其电场强度矢量 E 和 磁场强度矢量 H 相互垂直，并位于垂直于 X 射线传播方向的平面上。通常 X 射 线波长范围为 100.001nm，衍射分析中常用波长在 0.050.25nm 范围内。 2. 粒子性： X 射线在空间传播具有粒子性，或者说 X 射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量：cEhh每个光量子的能量是 X 射线的最小能量单位。当它和其他元素的原子或电子交 换能量时只能一份一份地以最小能量单位被原子或电子吸收。
4、（二） X 射线衍射原理一X 射线在晶体中衍射的基础相干散射X 射线是一种电磁波，它通过物质时，在电场作用下，物质原子的电子围绕平 衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散射 X 射线，这就是 经典散射。又因为散射波与入射波频率、波长均相同，相位差恒定，在同一方 向上各散射波符合相干条件，又将这种现象称为相干散射。二X 射线衍射原理当一束单色x射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这 些规则排列的原子间距离与入射x射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的 x射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强x射线衍射，由此可知,衍射的本质是 晶体中原子相干散射波叠加(合成)
5、 的结果。 【X 射线衍射在材料分析中的应用】 【X射线衍射分析的实验方法及其应用】三X射线衍射几何学布拉格定律 1. 模型近似 用布拉格定律描述X射线在晶体中的衍射几何时，将晶体视为由许多平行的 原子面堆积而成，将衍射线视为原子面对入射线的反射，即上文中提到的干 涉散射条件。 2. 在单一原子面情况 当一束平行的X射线以角投射到一个原子面上时，其中任意两个原子A、B的 散射波在原子面反射方向上的光程差为： coscos0CBADABAB A、B两原子散射波在原子面反射方向上的光程差为零，说明它们的相位相 同，是干涉加强的方向。由此看来，一个原子面对X射线的衍射可以在形式 上看成原子面对入射线
6、的反射。图2 单一原子面反射 3. 多层原子面情况 在多层原子面情况下，把衍射线看成是由许多平行原子面反射的反射波振 幅叠加的结果。 一束波长为的X射线以角投射到面间距为d的一组平行原子面上。从中 任选两个相邻原子面Pl、P2作原子面的法线与两个原子面相交于A、B。过A、B 绘出代表Pl、P2原于面的入射线和反射线。由图可以看出，经Pl、P2两个原子面 反射的反射波光程差为：，因此干涉加强的条件为：2 sinEBBFd 。上式是X射线在晶体中产生衍射必须满足的基本条件，它反映了2 sindn 衍射线方向与晶体结构之间的关系。这个关系式首先由英国物理学家布拉格父 子于1912年导出，故称为布拉格
7、方程。图3 布拉格反射 晶体是原子的三维长程有序排列，对于X射线而言，晶体相当于三维光栅，当X 射线照射到晶体上时，每个原子都散射X射线。4. X射线衍射理论（1）运动学衍射理论 Dar win 的理论称为x射线衍射运动学理论。该理论把衍射现象作为三维夫琅禾 费衍射问题来处理，认为晶体的每个体积元的散射与其它体积元的散射无关， 而且散射线通过晶体时不会再被散射。但同时Darwin不久以后就认识到散射线 在晶体内一定会被再次散射，除了与原射线相结合外，散射线之间也能相互结 合，并在他的理论中作出了多重散射修正。 （2）动力学衍射理论Ewa ld的理论称为动力学理论。该理论考虑到了晶体内所有波的相
8、互作用，认 为入射线与衍射线在晶体内相干地结合，而且能来回地交换能量。两种理论对 细小的晶体粉末得到的强度公式相同，而对大块完整的晶体，则必须采用动力 学理论才能得出正确的结果。 【X射线衍射分析的实验方法及其应用】 （三） X射线衍射工程应用X射线粉末衍射仪（多晶X射线衍射仪） 一工作原理 X射线衍射仪以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术等多方 面的成果。衍射仪由x射线发生器、x射线测角仪、辐射探测器和辐射探测 电路4个基本部分组成，是以特征x射线照射多晶体样品，并以辐射探测器 记录衍射信息的衍射实验装置。现代x射线衍射仪还配有控制操作和运行软 件的计算机系统。x射线衍射仪的成像原理
9、与聚集法相同，但记录方式及相 应获得的衍射花样不同。衍射仪采用具有一定发散度的入射线，也用“同 一圆周上的同弧圆周角相等”的原理聚焦，不同的是其聚焦圆半径随2的 变化而变化。图4 X射线粉末衍射仪系统示意图 X射线粉末衍射仪系统示意图，当样品平面平行于入射X射线时，探测器与 接收狭缝处在2零度。然后样品以S速度绕衍射仪轴转动，同时探测器与 接收狭缝以2S速度转动，依次探测记录各晶面的衍射线。这样记录下来的 是哪些hkl晶面平行于样品表面的晶粒的衍射线。 【X射线衍射仪及其应用简介】 二作用粉末（多晶）衍射仪主要用于：材料，化学，化工，物理，地质，机械， 环境等。 主要分析：多晶体样品（粉末，块
10、状，薄膜），非晶材料。 通过分析以下多晶衍射数据信息，可获得材料的一些性质。 多晶衍射数据信息 衍射线位置（方向）空间分布规律，角度的细微变化 晶体结构，样品的组成，结构和成分的细微变化，晶体 取向 衍射线的强度强度，强度的变化，强度的方向分布 数量，晶体完整性，结晶度，经历的取向及其分布 衍射线的形状线形，宽度 晶粒大小，形变，晶体完整性，缺陷 表1 三优势 多晶X射线衍射仪的性能指标： 1. 衍射线的强度的稳定度，准确度 X射线发生器的稳定度：一般：0.05%0.01% 探测记录系统的稳定度：实际主要是漂移。现代电子学线路和器件一般 都可以满足实际要求。 2. 衍射线的角度精度（重复性），
11、准确度 机械系统的制造误差：取决于：步进电机的制造准确度。蜗轮蜗杆系统 的制造精度和准确度、啮合设计，有的衍射仪带有光学编码校正。 3. 衍射线的分辨率 分辨衍射脚非常接近的两个衍射缝的能力。取决于安装精度。 X 射线衍射在材料分析中具有广泛的应用。它不仅可以用来进行材料的物相 分析和残余应力的分析,还可以对材料的结晶度、微晶大小以及晶体取向进行测 定。随着技术手段的不断创新和完善,X 射线衍射在材料分析领域必将有更广阔 的发展前景.(四) 结论 X 射线衍射在材料分析中具有广泛的应用。它不仅可以用来进行材料的物相 分析和残余应力的分析,还可以对材料的结晶度、微晶大小以及晶体取向进行测 定。随着技术手段的不断创新和完善,X 射线衍射在材料分析领域必将有更广阔 的发展前景。 【X 射线衍射在材料分析中的应用】
