X射线衍射实验技术

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1、现代材料研究方法X射线粉晶衍射实验技术汤云晖技术指标 X射线发生部 3kW，CPU控 制 测角仪 2 ， 联动， 或2 独立 测量角度的重现性 0.001 () 扫描角度范围 -6163（ 2）， -180180（ ） X射线粉晶衍射仪 岛津XRD-7000型 X射线粉晶衍射仪l基本组成X光管测角仪探测器计算机系统 X光管测角仪样品台探测器什么是X射线？X射线是波长(0.01100)的电磁波。nmmmmcmmkm波长（）X射线可见光微波无线电波紫外线红外线 射线金属靶高压电源-X射线热电子X射线管真空中，用高电压加速熱电子轰击金属靶时， 产生X射线。X射线的产生特征射线发生的机制主要靶金属的特

2、征X射线波长（）靶 2 1 Cr 2.294 2.290 2.085Fe 1.940 1.936 1.757Co 1.793 1.789 1.621Cu 1.544 1.541 1.392Mo 0.7135 0.7093 0.6323Ag 0.5638 0.5594 0.4970W 0.2188 0.2090 0.1844布拉格方程布拉格定律晶体是由许多平行的原子面组成的，X射线衍射可以看作是原子面对入 射线的反射。在X射线照射到的原子面中所有原子的散射波在原子面反射方 向上的相位是相同的，是干涉加强的方向。X 射线在晶体中的衍射从平行样品表面的 晶粒晶格面，观察 到衍射X射线。入射X射线无衍

3、射X射线。单晶多晶入射X射线衍射仪工作原理由X射线管发射出的X射线照射到试样上产生衍射现象，用辐射探测器接收衍射线的X线光子，经测量电路放大处理后在显示或记录装置上给出精确的衍射线位置、强度和线形等衍射数据。这些衍射数据作为各种实际应用问题的原始数据。和2角可以根据需要单独驱动或自动匹配连动 和 2角一般以1：2的角速度联合驱动 测角仪的扫描范围：正向2可达165，负向可达-100，2角 测量的绝对精度为0.02，重复精度为0.001内容l衍射仪知识 l实验操作 lPDF卡片与物相鉴定 lX衍射应用 l软件介绍： Pcpdfwin, Jade样品要求测试样品，可以为粉末，或是块状、板状、 片状

4、、丝状，或是带衬底材料的薄膜或带基材的 镀层等原始形状。l粉末样品：一般要求0.5g，至少20mg（视密度和衍射能 力而定），粒度要求100m（200-400目） 。l块状样品：要求具有一个面积小于1.8cm X 1.8cm 的平面 ，无应力和织构。l薄膜样品：要求长、宽小于1.8cm。测试条件l扫描范围: 常规20-80度l扫描方式: 连续扫描-扫描速度快，工作效率高。进行全扫描测量， 一般选用此法。测量精度受扫描速度和时间常数的影响。步进扫描-每步停留的测量时间较长，测量精度很高，适 合作各种定量分析，扫描精度取决于步进宽度和步进时间。l狭缝宽度 （入射狭缝、防散射狭缝、接收狭缝）DS S

5、S 1度，RS 0.30mml扫描速度 2-5度/min（连续模式），0.6度/step（步进模式）l步长 0.02度/stepl检查仪器是否正常。l打开电源总闸。l依次打开循环冷凝水电源开关及面板开关，控制 一定的循环水温度。l打开X-射线衍射仪主机电源开关，Power灯亮。l打开计算机进入Pmgr程序。l鼠标单击，打开三个工作窗口:系统参数窗口测试条件设置窗口测试窗口开机测试l制样，压片。要求样品表面应平整，样品槽外清 洁。l打开主机门，将样品片插入主机的样品座中，关 上机门。l输入样品名称、测试条件。l点击Start，开启X-射线管高压，机身左下面板中 X-rays on指示灯亮，开始对

6、样品进行扫描。l测试完毕，X-射线管自动关闭。l重复操作进行下一个样品的测试。1. 测试结束，退出Pmgr程序。注意：本着先开后关的原则依次关闭程序 窗口。 2. 依次关闭主机电源及循环水电源，操作完 毕。切记X-rays on指示灯灭后15分钟方可 关闭。关机注意事项1.开关门时要轻开轻关，避免震动； 2. 测试过程中切忌打开或试图打开机门；一定要在 X-射线管自动关闭后，即X-rays on指示灯灭后， 才可开启机门； 3. 切记X-rays on指示灯灭后15分钟方可关闭主机电 源及循环水电源； 4. 注意室内通风；测量部分原始数据 处理检索 匹配定量 计算高级的数据处理标准配置选购软件

7、操作界面测量条件扫描模式选择：Continuous Scan-连续模式Fixed Scan-步进模式扫描范围 步长扫描速度 计数时间管电压 管电流DS入射狭缝 SS防散射狭缝 RS接收狭缝测量窗口测量完成，数据自动以文件形式记录下来。原始数据处理。平 滑扣本底扣K 2 寻 峰系统误 差校正峰位 校正测试图谱2强度 I单位- Count CPS测试条件Cu靶（X射线波长1.5406埃） ，管电压40kV，管电流30mA测量范围：10-80度，步长： 0.02度 ；计数时间：0.24秒 入射狭 缝DS1.00度，防散射狭缝 SS1.00度，接收狭缝0.30mm衍射峰数据衍射峰数据，包括衍射角度2、

8、对应 的面网间距d、衍射强度I/I1，半高宽 FWHM，强度、积分强度。 I/I1以最强峰为100，其余峰强度与之 相比乘以100。三 强 峰所 有 衍 射 峰 数 据 列 表原始数据：.txt文件数据分为两列： 衍射角度2Theta-衍射强度I。 注意：这是原始数据， 包括K1和K 2 衍射在内测试条件 X光管 Cu靶，管电压40kV，管电流 30mA 狭缝 入射狭缝DS1.00度，防散射狭缝 SS1.00度，接收狭缝0.30mm 扫描 测量范围：10-80度 扫描模式：持续扫描 步长：0.02度 计数时间：0.24秒内容l衍射仪知识 l实验操作 lPDF卡片与物相鉴定 lX衍射应用 l软件

9、介绍： pcpdfwin, Jade在材料科学领域，相是指具有特定结构和性能的 物质状态。材料中原子的排列方式决定了晶体的相结构 ，原子排列方式的变化导致了相结构的变化。在一种材 料中可以同时存在几种相；同种材料在不同条件下可以 不同的相存在。例如，一种材料，用化学分析方法知道由铁和氧 元素组成，但不能知道是氧化铁Fe2O3还是氧化亚铁FeO ，或者是磁铁F3O4，或者是它们的混合物，只能用X射线 衍射方法来确定。特别要指出的是，所谓相，不是指化学元素，X射 线衍射不能分析出材料中所包含的化学元素。相反，化 学元素成分作为物相分析的一个已知条件。什么是物相？ 任何一种结晶物质都具有特定的晶体结

10、构在一定波长的X射线照射下，不同的晶体结构产生完全不同的衍射花样不可能有两种晶体结构的衍射花样完全相同多相试样的衍射图谱不因为存在多相而产生变化，只是各自衍射花样的机械叠加物相分析的基本原理物相分析的方法利用布拉格公式2dsin= ，通过计算机将图 谱中的衍射峰位转换成d值，衍射强度按百分比计算I （I=I测/I最大*100），得出只与相的特征有关而与仪 器、波长无关的d-I列表，代替实际图谱。国际标准协会测量各种已知物质的d-I数据，并 存为数据库（每一个物相的数据，称为一张PDF卡片） 。将试样的d-I数据与数据库中的数据对比，可检测出 待测试样中的物相。物相分析的历史与发展1938年J.

11、D.Hanawalt开始，以d-I数据组代替衍射花样，制备衍射数据卡片的工作1942年“美国材料试验协会”（ASTM）出版了大约1300张衍射数据卡片，称为ASTM卡片到1963年共出版13集，以后按每年1集的速度递增1969年成立了“粉末衍射标准联合委员会”，简称为JCPDS的国际组织，由它负责编辑和出版粉末衍射卡片，称为PDF卡片，至2004年共54集，每集约2000张。另有通过计算机计算得出的10多集（60-79）PDF资料库l由 International Centre for Diffraction Data 出版，收录 各种天然矿物、人工化合物 (有 机及无机)、元素及合金等的X-

12、 ray粉末衍射资料，对于进行未 知物相鉴定或材料成分分析非常 有帮助，可以输入PDF number、 Mineral Name、Chemical Name 、3 Strongest Lines等栏目查 询，并提供检索结果打印及存档 。lPower Diffraction File（PDF ）是单一物相X射线粉末衍射样 本的收集，其维护和分类工作由 国际衍射资料中心（ICDD）提供 。每笔资料以表格的形式呈现， 包括特定的晶面间距、对应的相 对强度、晶面指数、晶系、密度 等均涵盖其中。PCPDFWIN.EXEPDF-2 Sets 1-54 Experimental: 92011 Inorgan

13、ic (incl. duals): 68701 Organic (incl. duals): 25114 Dual phases: 1804 Battery: 6 Cements: 407 Ceramics: 1146 Common Phases: 3835 Corrosion Products: 25228 Educational: 1071 Explosives: 345 Forensic: 3767 Intercalates: 130 Ionic Conductors: 43 Metals a0、b0、c0，、晶胞参数；A= a0/b0 ，C= c0 / b0 ； Z晶胞中原子或分子的数

14、目； Ref参考资料。实验条件：Rad.辐射种类（如Cu K); 波长；Filter滤波片；Dia.相机直 径；Cut off相机或测角仪能测得 的最大面间距；Coll光阑尺寸；I/I1衍射强度的测量方法；d corr.abs.?所测值是否经过 吸收校正；Ref参考资料PDF卡片光学性质： 、n、折射率 ；Sign光性正负 ；2V光轴夹角 ；D密度；mp 熔点；Color 颜色； Ref参考 资料。PDF卡片试样来源，制备方法；化学分析，有时亦注明 升华点（S.P.），分解温度（D.T.），转变点（ T.P.），摄照温度等。PDF卡片 物相的化学 式和名称 矿物学名称 卡片顺序号 由集的序号和卡片序号 组成注： （1）在化学式之后常有一个数字和大写英文字母的组合说明。数 字表示单胞中的原子数；英文字母表示布拉维格子类型：C简单 立方；B体心立方；F面心立方；T简单正方；U体心正方 ；R简单菱方；H简单六方；O简单斜方；Q底心斜方；S 面心斜方；M简单单斜；N底心单斜；Z简单三斜。 （2）右上角的符号标记表示：数据高度可靠；i已指标化和 估计强度，但可靠性不如前者；O可靠性较差；C衍射数据来 自理论计算。PDF卡片 晶面间距、干 涉指数和相对 强度 以最高衍射峰 的强度为100， 作归一化处理 的数据PDF卡片索引lPDF卡片索引是一种能帮助实验