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1、D8 discover X射线衍射仪原理及应用技术交流 X射线衍射的晶体学知识简介 D8 discover XRD 主要结构 D8 discover XRD 主要功能及分析方法主要内容晶体学基础知识晶体晶体基本特点：质点（结构单元）沿三维空间周期性 排列（晶体定义）并有对称性。空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和 物质环境均同， 这些这些“点集”称空间点阵。晶体结构= 空间点阵+结构基元。晶胞：晶体中空间点阵的单位，晶体结构的最小单位 两个要素：晶胞的大小、类型（三维空间中向量大小、 方向） 和 内容（晶胞中原子或分子种类及分布） 晶胞参数：三个向量a、b、c的长度，以及它们之间的夹
2、 角、晶体学基础知识晶胞晶体学基础知识空间点阵Bravais点阵：空间点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单 胞，并要求单胞相等棱与角数最多。 14种Bravais点阵分4类： P：简单 C：底心 I：体心 F：面心晶体学基础知识晶系按晶胞形状、大小分七大晶系 立方晶系 a = b = c , = = 90 正方晶系 a = b c , = = 90 六方晶系 a = b c , = 90, = 120 正交晶系 a = b = c , = 90 菱形晶系 a b c , = = 90 单斜晶系 ab c , = = 90 , 90 三斜晶系 a bc , 晶体学基础知识-晶面、晶向晶向：
3、一族具有等周期的点阵直线。晶向指数uvw：原点与阵点相联在晶轴方向的投影。晶面：互为平行、等距且面上点阵分布全同 hkl。晶面指数(hkl)：晶面截晶轴的倒数，乘以最小公倍数 ，它表示晶面法向特征。晶体学基础知识-晶面间距晶面间距: 两个相邻的平行晶面间的垂直距离 立方晶系:正方晶系: 斜方晶系: 晶体学基础知识倒易点阵晶体点阵的倒易，数学抽象。晶体点阵 晶面(hkl)对应倒易点阵一个倒易点Phkl。倒易性质：倒易矢量H=H=ha*+kb*+llc*, h,k,l 均为整 数，则H (hkl), /Hhkl/ =1/dhkl表示: a) 方向(hkl)的法线方向，b) b)倒易点阵每一结点的倒
4、易矢量其长度为 (hkl)面间距倒数。X射线物理学概要1895年W.C.Roentgen研究阴极射线管时，发现一种有 穿透力的肉眼看不见的射线，称为X射线(伦琴射线)。X射线是电磁波，具有波粒性。X射线波长范围约为0.10到100埃。原子和分子对X射线 的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。X射线衍射的方法德拜法（德拜-谢乐法）照相法 聚焦法多晶体衍射方法 针孔法 衍射仪法 劳埃（Laue）法单晶体衍射方法 周转晶体法 四圆衍射仪 晶体X射线衍射原理晶体中各个电子的散射波可相互干涉。散射波周相一致 相互加强的方向称衍射方向。 Bragg公式： 实质：光程差等于波长整数倍（周相一致）晶体X
5、射线衍射原理厄瓦尔德（ Ewald）图解： 倒易点落在Ewald球上的晶面多晶体衍射花样的形成结构因子X射线散射的强度与晶胞的结构有关 F为结构振幅， FHKL=一个晶胞的相干散射振幅/一个电子的相干散 射振幅强度比等于振幅的平方; | F | 2称为结构因子 | F | 2 =0 衍射线消光 | F | 20 衍射线不消光晶体X射线衍射充要条件布拉格公式：晶体产生衍射的方向只与晶胞参数有关，与 晶体结构无关； F2hkl：决定衍射强度的重要因素，决定衍射线的存在与否。衍射充要条件：2d hklsinhkl = nF2hkl 0衍射仪法 方法实质：X射线与物质作用产生衍射花样。 衍射花样三要素
6、：峰位、峰强、峰形； 数据谱分析：开拓对粉末衍射数据处理的根本变革。物像鉴定物相鉴定原理： 衍射方向, 是晶胞参数的函数；衍射强度是结构因子 函数(取决于晶胞中原子的种类、数目和排列方式)。 结晶物质均具有特定结晶结构（结晶类型，晶胞大小 及质点种类，数目，分布）和组成元素。任何一个物 相都有一套d-I特征值及衍射谱图。因此，可以对多相 共存的体系进行全分析。 一种物质有自已独特衍射谱与之对应，多相物质的衍 射谱为各个互不相干，独立存在物相衍射谱的简单叠 加。物相定量分析 多相物质经定性分析后，若要进一步知道各个组成物 相的相对含量，就得进行X射线物相定量分析 根据X射线衍射强度公式，某一物相
7、的相对含量的增加 ，其衍射线的强度亦随之增加，所以通过衍射线强度 的数值可以确定对应物相的相对含量。 由于各个物相对X射线的吸收影响不同，X射线衍射强 度与该物相的相对含量之间不成正比关系，必须加以 修正。 德拜法中由于吸收因子与2角有关，而衍射仪法的吸 收因子与2角无关，所以X射线物相定量分析常常是 用衍射仪法进行。 定量相分析方法多种定量分析方法 内标法（待测样中加入一种含量固定的标准物质） K值法（基体冲洗法） 无标样法（试样中所有相均已知） 绝热法（试样中某一相作为内标物质，不能有非晶态 物质存在） 直接对比法（两相的衍射强度比为基，适用于淬火钢 中残余奥氏体测定）D8 discove
8、r衍射仪产地：德国布鲁克（AXS)公司型号：D8 discover主要结构光源：高压发生器与X光管 精密测角仪 光学系统 探测器光源高压发生器与X光管X射线产生条件：电子流、高压、真空室、靶面104105V+X X射线管射线管阴极阴极阳极阳极 （对阴极）（对阴极）封闭管光源X光管：陶瓷X光管 靶面：Cu靶X射线测角仪n测角仪是X射线衍射仪的核心部分 X射线测角仪结构示意图 C-计数管 D-样品 E-支架 F-接收(狭缝)光栏 G-大转盘(测角仪圆)H-样品台 M-入射光栏 O-测角仪中心 S-管靶焦斑 测角仪系统 精密光学系统BraggBrentano衍射几何 设计原理：R1R2，试样转 角，
9、探测器转2 角（ 2 / 偶 合），或试样不动，光管转，探测器转 （ /偶合） 探测器作用是接收样品衍射线(光子)信号转变为电(瞬时脉冲) 信号。 NaI闪烁计数器具有低背底（0.4cps）、高线性范围 2x106 cps；新型YAP晶体闪烁计数器的线性范围高达 1x107cps Si（Li）固体探测器具有极佳的能量分辨率。可选择 特定能量的光子进行响应。背景小于0.01cps。配置的附件织构附件 高温附件 薄膜掠射附件织 构单晶体金属材料：各向异性 多晶体金属材料：各向同性织构：晶粒取向择优分布用冲床冲制金属零件时，往往会因择优取向造成废品高温超导体YBa2Cu3O7-x的超导特性 (001
10、)面，也即ab面 能承载大的电流密度应制备这种(001)强织构超导材料织构的分析方法描绘织构空间取向的极射赤面投影图：极图、反极图 极图表示出试样内各晶粒某一(hkl)晶面极点在外观坐标 系里的取向分布； 反极图表示晶粒的某一特定外观方向相对于晶体坐标系 的取向分布；取向分布函数(ODF)法：将试样的轧面法向、轧向和横向 三位一体地在三维晶体学取向空间表示出来高温附件高温条件下的试样物相结构直热式加热，升降温速度可达200 /min ；温度最高可达1600 ；样品平放，安全性能好；高温测试样品要求 非液态（原则上）最好为粉末样 高温下不与加热片（铂铑合金）发生反应 加热后不产生腐蚀性气体薄膜附
11、件衍射仪上加装一掠射附 件（0.35平行光狭缝缝 ）膜及多层膜的物相分析 入射光束以较低掠射角入射， 可使薄膜衍射信息增大， 而衬底反射最小。可实现功能 物相分析（物相鉴定与定量分析，结晶度测量） 晶体结构分析（晶粒大小、点阵参数测定、相结构等 ） 织构和残余应力分析 高温条件下物相变化分析 薄膜分析（薄膜的物相鉴定和定量分析）应用软件功能 Diffrac Plus Measurement Package系统控制管理与 数据采集软件； Diffrac Plus EVA 基本数据处理软件； Diffrac Plus Search 自动物相检索软件，除常规化 学元素,I/d值三判据作物相自动检索方
12、法外，本物相 检索方法利用扣除背底全谱数据作检索，考虑到测量 中所得到的全部信息，包括峰形（峰宽、峰不对称性 、肩峰）以及弱峰等。可有效地检索多相样品中重叠 峰、择优取向、微量相中的物相；应用软件功能 Diffrac plus Dquant(包括在EVA软件中) 用作物相的 定量分析，包括多种常规定量分析方法，如内标法、 外标法、直接对比法，并可编程适用多种相定量分析 ，如铝电解槽分析等； Diffrac Plus TOPAS P 对X射线衍射线形进行函数模 拟和基本参数拟合，后者从仪器几何参数和试样性质 拟合线形，有确切物理意义，为无标样晶粒尺寸和微 观应变测定提供解决办法，可用作点阵参数精
13、修和结 晶度测定等。应用软件功能 Diffrac plus STRESS 用作试样和实物构件残余应力测定， 含有Omega模式和Psi模式，可给出选定方向的应力、切应 力和应力张量。 Diffrac plus ODF 取向分布函数(ODF)织构定量分析软件是 在DiffracPlus TEXEDIT数据处理基础上,由完整极图或不完 整极图数据,用球谐级数展开法做ODF分析,计算了奇数项,载 尾项可任选,用Bunge符号绘出恒Phi1、Phi2和的ODF截面 图,可回算绘制任意hkl完整极图和反极图。X射线衍射实验测试制样要求：粉末或块状样均可，表面平整粉末颗粒在515m最佳块状样受夹方向50m
14、m，平行射线出射方向(20mm且 60mm）计数测量方法与测量参数选择 多晶体衍射仪计数测量方法分为连续扫描和步进(阶梯 )扫描两种 测量参数包括狭缝光栏宽度、扫描速度、时间常数等 。 数据谱采集检索/匹配在Search/Match框内点击“Search”,进行微机检索/匹配确认物相 。 Ni44Fe56合金薄膜镀态和退火处理后微观结构对比 测试条件：Slits:1.0/1.0/0.2，start:10 to:100 increment:0.03/step Step time:0.8s常规测试实例常规测试实例 FeNi非晶粉末试样 测试条件：Slits:2.0/1.0/0.2，start:10 to:100 increment:0.1/step Step time:0.8s谢谢 谢谢!
