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1、X X射线衍射仪构造原理及应用射线衍射仪构造原理及应用岛津公司多晶粉末衍射仪XRD-6000材料中心实验室 侯晓多岛津岛津X射线衍射仪射线衍射仪XRD-6000一、实验目的一、实验目的1、了解、了解X射线衍射射线衍射仪的构造和工作原理仪的构造和工作原理2、掌握、掌握X射线衍射射线衍射仪的部分使用仪的部分使用外观与组成基本组成X射线发生器衍射测角仪辐射探测器测量电路控制操作与数据处理计算机系统测角仪的构造测角仪的构造X射线发生器X射线发生器是高稳定度的 它是由：X射线管 高压发生器 管压管流稳定电路 各种保护电路等现现代代衍衍射射用用的的X射射线线管管都都属属于于热热电电子子二二极极管管。密封式
2、转靶式最大功率3KW视靶材料的不同而异是为获得高强度X射线而设计的功率9KW分为产生条件高速电子遇靶突然停止产生X-射线1.灯丝灯丝 产生自由电子产生自由电子2.高压高压 加速电子 使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动3. 靶靶 阻挡电子 在在其其运运动动的的路路径径上上设设置置一一个个障障 碍物使电子突然减速或停止碍物使电子突然减速或停止 产生X-射线样品台测角仪测角仪测角仪 目前广泛使用的衍射仪测角器是根据变换聚焦圆半径原理设计的。测角仪圆中心是样品台。样品台可以绕中心O轴转动。平板状粉末多晶样品安放在样品台上，并保证试样被照射的表面与O轴线严格重合。测角仪圆周上安装有X射线辐射探
3、测器，探测器亦可以绕O轴线转动。工作时，探测器与试样同时转动，但转动的角速度为2：1的比例关系。当试样、探测器绕试样中心轴按1:2的转速旋转时，光源、试样、探测器始终处在由这三点所组成的聚焦圆上。随着衍射角的增大，聚焦圆逐渐减小。由于聚焦圆半径是变化的，所以要求样品表面是平的，并始终与聚焦圆相切。梭拉狭缝发散狭缝防散射狭缝接收狭缝梭拉狭缝衍射仪中的光路布置衍射仪中的光路布置 X X射线经线状焦点射线经线状焦点S S发出，为了限发出，为了限制制X X射线的发散，在照射路径中加射线的发散，在照射路径中加入入S1S1梭拉光栏限制梭拉光栏限制X X射线在高度方射线在高度方向的发散，加入向的发散，加入D
4、SDS发散狭缝光栏发散狭缝光栏限制限制X X射线的照射宽度。射线的照射宽度。经过二道光栏限制，入射经过二道光栏限制，入射X X射线仅射线仅照射到试样区域，试样以外均被照射到试样区域，试样以外均被光栏遮挡。光栏遮挡。试样产生的衍射线也会发散，同试样产生的衍射线也会发散，同样在试样到探测器的光路中也设样在试样到探测器的光路中也设置防散射光栏置防散射光栏SSSS、梭拉光栏、梭拉光栏S2S2和和接收狭缝光栏接收狭缝光栏RSRS，这样限制后仅，这样限制后仅让聚焦照向探测器的衍射线进入让聚焦照向探测器的衍射线进入探测器，其余杂散射线均被光栏探测器，其余杂散射线均被光栏遮挡。遮挡。 单色器晶体单色器的作用与
5、图示作用：消除衍射花样的背底和K散射衍射束弯曲晶体单色器晶体单色器检测器与记录系统探测器与记录系统探测器与记录系统 计数器的主要功能是将计数器的主要功能是将X射线光子的能量转换射线光子的能量转换成电脉冲信号。成电脉冲信号。闪烁计数器由三部分组成。闪烁体，光电倍增闪烁计数器由三部分组成。闪烁体，光电倍增管和前置放大器。每个入射管和前置放大器。每个入射X射线量子将使晶射线量子将使晶体产生一次闪烁。每次闪烁激发倍增管光电阴体产生一次闪烁。每次闪烁激发倍增管光电阴极产生光电子，这些一次光电子被第一级收集极产生光电子，这些一次光电子被第一级收集并激发出更多的二次电子，再被下一级收集，并激发出更多的二次电
6、子，再被下一级收集，由此倍增出更多的电子。由此倍增出更多的电子。实验条件选择实验条件选择 （一）实验参数选择实验参数选择防散射狭缝与接收狭缝应同步选择。防散射狭缝与接收狭缝应同步选择。选择宽的狭缝可以获得高的选择宽的狭缝可以获得高的X X射线衍射强度，但射线衍射强度，但分辨率要降低；若希望提高分辨率则应选择小的分辨率要降低；若希望提高分辨率则应选择小的狭缝宽度。狭缝宽度。扫描速度是指探测器在测角仪圆周上均匀转动的扫描速度是指探测器在测角仪圆周上均匀转动的角速度。扫描速度对衍射结果的影响与时间常数角速度。扫描速度对衍射结果的影响与时间常数类似，扫描速度越快，衍射线强度下降，衍射峰类似，扫描速度越
7、快，衍射线强度下降，衍射峰向扫描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩向扫描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩盖而丢失。但过低的扫描速度也是不实际的。盖而丢失。但过低的扫描速度也是不实际的。(一）实验参数选择实验参数选择实验条件选择实验条件选择 （二）试样按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与聚焦圆有相同的曲面，但是，由于聚焦圆曲率半径在测量过程中不断变化，而试样表面却无法实现这一点。因此，只能作近似处理，采用平板试样，使试样表面始终与聚焦圆相切，即聚焦圆圆心永远位于试样表面的法线上。实验条件选择实验条件选择 （二）试样衍射仪试样可以是金属、非金属的块状、片状或各种衍射仪试样可以是金属、非金属
8、的块状、片状或各种粉末。对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在粉末。对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在试样框架上，并保持一个平面与框架平面平行；粉末试样框架上，并保持一个平面与框架平面平行；粉末试样用粘接剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面试样用粘接剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框架平面一致。试样对晶粒大小、试样厚度、刮平与框架平面一致。试样对晶粒大小、试样厚度、择优取向、应力状态和试样表面平整度等都有一定要择优取向、应力状态和试样表面平整度等都有一定要求。求。 衍射仪用试样晶粒大小要适宜，在衍射仪用试样晶粒大小要适宜，在1m-5m1m-5m左右最佳。左右最佳。粉末粒度也要
9、在这个范围内，一般要求能通过粉末粒度也要在这个范围内，一般要求能通过325325目的目的筛子为合适。筛子为合适。实验条件选择实验条件选择 （二）试样下图示出了一个由于制样方法不当而得不到正确下图示出了一个由于制样方法不当而得不到正确的衍射图的例子。的衍射图的例子。 衍射图谱衍射图谱：不同晶体的衍射谱图如同指纹不同晶体的衍射谱图如同指纹 不同的物质有不同的指纹一张衍射图谱上衍射线的位置仅和原子排列周期一张衍射图谱上衍射线的位置仅和原子排列周期性有关性有关 强度则决定于原子种类、数量、相对位置等性质强度则决定于原子种类、数量、相对位置等性质 衍射线的衍射线的位置位置和和强度强度就完整地反映了晶体结
10、构的就完整地反映了晶体结构的二个特征，从而成为辨别物相的依据二个特征，从而成为辨别物相的依据原始数据处理原始数据处理XRD的应用的应用通过对峰位置及峰强度的分析，我们可以完成如下工作定性分析定量分析状态分析残余奥氏体结晶度计算晶体粒径、晶格应力计算晶体结构分析晶格常数确定晶系物相分析X射线衍射仪的应用举例一一 物相鉴定物相鉴定原理：X射线入射到多晶体上，产生衍射的充要条件是： 2dsin=n -（1） F（hkl）0 -（2）（1）确定了衍射方向 在一定的实验条件下衍射方向取决于晶面间距d，而d是晶胞参数的函数。（2）表示衍射强度与结构因子F（hkl）的关系，衍射强度正比于F（hkl）模的平方
11、。F（hkl）的数值取决于物质的结构，即晶胞中原子的种类，数目，和排列方式。因此决定X射线衍射谱中衍射方向和衍射强度的一套d-I的数值是与一个确定的晶体结构相对应的。1，用jade软件打开测量图谱，用鼠标点击S/M，显示物相检索参数设置窗口。如果样品为几种物相的混合物，则其图形为这几种晶体的衍射线的加和。一般各物相衍射线的强度与其含量成正比。基体为304奥氏体不锈钢，经过冷轧变形后，以样品厚度的减少量计算样品的应变分别为35.6%，55.0%，77.9%。图中为奥氏体相，为马氏体相，从XRD的结果可以看出，304基体没有应变的情况下，奥氏体的5个衍射峰均存在，并且马氏体（110）晶面上出现衍射
12、峰；随着应变量的增加，马氏体的衍射峰逐渐增多，到应变量为77.9%时，马氏体在（110）、（200）、（211）晶面上出现衍射峰，而奥氏体的衍射峰削弱，只有（220）晶面的衍射峰存在。第二个例子第三个例子：结晶度测定从理论上讲： 结晶度=晶区光强100% 总光强 Ac Xc=_100% Ac+Aa Ac: Ac: 晶相的衍射面积晶相的衍射面积 Aa Aa：非晶相的散射面积：非晶相的散射面积粗略计算我们可以用剪刀积分法严格算结晶度，只能用计算机分峰第四个例子：晶粒尺寸测定我们用来计算晶粒尺寸的公式是： k t= _ Scherrer(谢乐）公式 Bcos t：在hkl法线方向上的平均尺寸（nm） k：修正常数：取0.89 或 1 B: 衍射峰的半高宽（弧度）第五个例子:衍射图形指标化指标化就是完成哪个峰代表哪个晶面介绍一个最简单的立方晶系一般有两种方法:sin2和d值法 对于立方点阵 我们有 我们用最大 为基准，去除以其它的d得到整数组 =m1:m2:m3找到最简单的整数组，分解为hkl，就完成了指标化（）不能出现非整平方数，等（）不能出现代表消光晶面的数结构因子不同，m和（h2+k2+l2)数值不同由方石英（SiO2) 测d值的指标化过程
