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1、X射线衍射仪技术江超华江超华北京大学北京大学北京大学北京大学什么是什么是“X射线射线” 18951895年伦琴年伦琴 (W. C. Roentgen) (W. C. Roentgen) 发现。发现。 X X射射线线和和可可见见光光一一样样属属于于电电磁磁辐辐射射，但但其其波波长长比比可可见见光光短短得得多多，介介于于紫紫外外线线与与射射线线之之间间，约约为为10102 2到到10102 2埃埃的的范范围围 。X X射射线线的的频频率率大大约约是是可可见见光光的的10103 3倍倍，所所以以它它的的光光子子能能量量比比可可见见光光的的光光子子能能量量大大得得多多，表表现现出出明明显显的的粒粒子子
2、性性。由由于于X X射射线线具具有有波波长长短短光光子子能能量量大大这这个个基基本本特特性性，所所以以，X X射射线线光光学学 ( (几几何何光光学学和和物物理理光光学学) ) 虽虽然然具具有有和和普普通通光光学学一一样样的的理理论论基基础础，但但两两者者的的性性质质却却有有很很大大的的区区别别，X X射射线线与与物物质质相相互互作作用用时时产产生生的的效效应应和和可可见光迥然不同。见光迥然不同。X射线和物质的相互作用射线和物质的相互作用X射线分析仪器射线分析仪器两大类：两大类： X射线荧光分析仪射线荧光分析仪 X射线衍射仪射线衍射仪X射线荧光分析仪射线荧光分析仪 X射线波段的原子发射光谱仪器
3、射线波段的原子发射光谱仪器基本原理：基本原理： 应用原子内层电子受激发产生的发射光谱来完成元素分析。特点：特点： 谱线数少，无化学位移； 适用分析的元素范围广（一般NaU）; 多元素同时分析，检出限12g；1ng。X射线荧光分析仪射线荧光分析仪n两大类型两大类型(按测定按测定X射线波长的方法的不同射线波长的方法的不同)：能谱型：能谱型：X射线射线能谱仪能谱仪全反射全反射X射线能谱仪。射线能谱仪。一种新型的高灵一种新型的高灵一种新型的高灵一种新型的高灵敏度敏度敏度敏度X X X X射线能谱仪射线能谱仪射线能谱仪射线能谱仪，检出限可达，检出限可达，检出限可达，检出限可达1ng1ng1ng1ng。波
4、谱型：波谱型：扫描型扫描型X射线荧光分析仪射线荧光分析仪 多通道多通道X射线荧光分析仪射线荧光分析仪应用范围覆盖了应用范围覆盖了AES、AAS和和AFS，现在已，现在已成为实验室的常规分析仪器。成为实验室的常规分析仪器。X射线衍射仪射线衍射仪单晶单晶X射线衍射仪射线衍射仪 专用于晶体的结构分析，样品必须是一颗专用于晶体的结构分析，样品必须是一颗完善的单晶粒完善的单晶粒。多晶多晶X射线衍射仪射线衍射仪(粉末粉末X射线衍射仪射线衍射仪） 应用面最广，是完成物相分析的基本分析应用面最广，是完成物相分析的基本分析工具。工具。X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 “X射线衍射仪是一种结构分析仪器射线衍射仪
5、是一种结构分析仪器”一般讲一般讲“X射线衍射仪射线衍射仪”指是粉末衍射仪。指是粉末衍射仪。首先了解一个重要概念：首先了解一个重要概念： 物质的性质性能都是由它的组成和结构决物质的性质性能都是由它的组成和结构决定的。定的。 表达这种结构的参量都可以用表达这种结构的参量都可以用X X射线衍射分射线衍射分析方法得到。析方法得到。 晶体结构的特征晶体结构的特征 大多数物质材料是固态。 绝大多数的固态物质都是晶体或准晶体。 晶体：其组成基元在三维空间中的排布具有周期性的特征长程有序排列，周期性排布的几何抽象就是点阵。晶胞：重复排列的最小单元称晶胞。晶胞参数：三个轴长 a , b , c 三个轴的夹角 ,
6、 , 晶体的结构特征晶体的结构特征 晶体的结构被称为点阵结构或晶格。 晶体有不同的晶面，不同的晶面有不同的晶面间距，如左图的 d1，d2，d3。 不同的点阵排列表现出不同的对称规律。各种可能的点阵排列按其对称性特征可分为7种晶系、14种点阵型式、230种空间群。d2d3d1何谓晶体衍射？何谓晶体衍射？入射X射线，波长衍射X射线衍射角晶体点阵晶面间距 = d hkl h k l晶面 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。 各个原子散射的X射线相互干涉，当符合一定条件时（各散射线相位相同），产生衍射，即在此方向上有衍射线产生。 如
7、左图：产生衍射的条件是两层的光程差是波长的整数倍 2d hkl sin n 布拉格公式布拉格公式 n：衍射的级(正整数） 不同的晶面d不同，因而各自的衍射角不同，各自的衍射强度也不同。 不同的晶体：原子排列不同，组成不同，衍射也不同。实际晶体是三维的阵点排列，衍射在三维空间产生。 多晶多晶样品的样品的衍射，衍射锥衍射，衍射锥 一个晶粒的某(hkl)晶面所处方位正好符合布拉格公式时，产生衍射。 多晶体是极多个小晶粒的聚集体。如果其各个晶粒的取向随机分布，则相当于上图的晶面绕入射X射线束转动任意的情况都存在，则X射线照射到此多晶体上时，如中图的一个圆锥面上都有衍射线产生。多晶多晶样品的样品的衍射，
8、衍射锥衍射，衍射锥多晶衍射数据信息多晶衍射数据信息衍射线位置（方向）：衍射线位置（方向）：衍射峰位置（衍射角）, 角度的细微变化 晶体结构，样品的物相组成，结构和成分的细微变化，宏观应力。衍射线的强度衍射线的强度 ：强度数据，相对强度的变化 含量，晶体完整性，结晶度，晶粒的取向及其分布。石英粉末的X射线衍射图多晶衍射数据信息多晶衍射数据信息衍射线的形状衍射线的形状 ：线形，宽度：线形，宽度 晶粒大小，晶体完整性，缺陷，微观应力。背景强度与特征：背景强度与特征：反映样品中非晶质的含量和种类。某岩芯样品的X射线衍射图X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 粉末粉末X射线衍射仪已经成为射线衍射仪已经成为
9、固固态态物质物质分析鉴分析鉴定工作不可缺少的基本分析仪器。定工作不可缺少的基本分析仪器。 粉末粉末X射线衍射仪在自然科学和技术科学中的射线衍射仪在自然科学和技术科学中的作用日益重要，其作用日益重要，其应用范围遍及广泛的部门和领域应用范围遍及广泛的部门和领域。在材料科学、物理学、化学、化工、地质、矿物、在材料科学、物理学、化学、化工、地质、矿物、冶金、塑料、陶瓷、建材、冶金、塑料、陶瓷、建材、电子、土壤、环保、药电子、土壤、环保、药物、医学物、医学以至考古、刑侦、商检等众多学科、以至考古、刑侦、商检等众多学科、相关的工业、行业中都有重要的应用，是理工科院相关的工业、行业中都有重要的应用，是理工科
10、院校和涉及材料研究、生产的研究部门、厂矿实验室校和涉及材料研究、生产的研究部门、厂矿实验室的重要的、不可缺少的大型分析设备。的重要的、不可缺少的大型分析设备。X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用粉末衍射仪的重要应用：粉末衍射仪的重要应用：1. 1. 物相分析物相分析（物相鉴定和定量分析，结晶度分析） 2. 2. 晶体结构分析晶体结构分析或精修或精修 （Reitverd分析）3. 3. 晶体结构参数的测定晶体结构参数的测定( 相界的测定、固溶体的测定、分子筛SiO2/Al2O3比的测定、地质温度计、宏观应力、热膨胀系数的测定.等等。)4. 4. 晶粒尺寸晶粒尺寸、微观应力、微观应力的测定的测定5.
11、 5. 织构分析织构分析（晶粒取向分析）6. 6. 薄膜分析薄膜分析（薄膜物相组成,薄膜反射率测定.）7 7. . 小角散射分析小角散射分析（原子径向分布函数测定、长周期、粒度分析等）。X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 例例例例1 1：钛白粉分析：钛白粉分析：钛白粉分析：钛白粉分析金红石金红石锐钛矿锐钛矿24 29X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 例例例例2a2a：物相鉴定：物相鉴定：物相鉴定：物相鉴定CoCo3 3OO4 4鉴定鉴定鉴定鉴定Co3O4CoOCoOCoOCoOCoOX射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用例例2b2b：物相鉴定：物相鉴定某碳酸盐岩石样品的鉴定某碳酸盐岩石样品的鉴定
12、X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用例例3：物相定量分析物相定量分析（K值外标法）X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用例例例例4 4: :高聚物的衍射图高聚物的衍射图高聚物的衍射图高聚物的衍射图X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 例例例例5 5：结晶度的测定结晶度的测定结晶度的测定结晶度的测定已结晶部分占整体的质量（Wc）或体积（c）百分数 Ic Ic： 结晶部分的衍射积分强度 Wc,x = Ic + KxIa Ia： 非晶体部分的散射强度 Kx：校正系数测量谱分解为结晶部分和非晶态部分X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 例例例例6 6： 可以测定晶粒大小和微观应力。 晶粒细化、微观应力和晶格缺陷
13、导至衍射峰宽化。微观应力逐步消除，再结晶，晶粒逐步长大X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用 例例7： 一些高技术薄膜（薄膜器件）的性能与其多层膜的微观结构（界面粗糙度，层结构，厚度）有关。需要分析研究。 由动力学理论可以计算反射率谱：单层膜，厚度不同单层膜，密度不同单层膜，表面界面粗糙度不同单层膜，表面界面粗糙度不同 X射线多晶衍射仪 (又称X射线粉末衍射仪) 由X射线发生器、测角仪、X射线强度测量系统以及衍射仪控制与衍射数据采集、处理系统四大部分组成。下图示出了X射线多晶衍射仪的构成方块图。X射线衍射仪的构成射线衍射仪的构成X射线管射线管衍射仪的光路衍射仪的光路衍射仪的光路衍射仪的光路X射线的
14、检测射线的检测NaI(Tl)闪烁检测器X射线强度单位：计数(counts) 计数率(cps，counts per secend)衍射角的测量误差衍射角的测量误差X光管焦点样品表面位移（离轴） 2 2 S cos /R样品吸收偏差(透明度偏差)与此概念类似，即射线可穿透到一定深度，在各深度处都产生衍射，则相当于样品向下移动。但不同深度处的衍射线位移不同而且对衍射强度的贡献不同需要求不同深度处的衍射的积分来求衍射线的重心。没有好的求其峰值法线位的办法。样品表面位移误差多晶多晶X射线衍射仪的性能指标射线衍射仪的性能指标衍射线的强度的稳定度，准确度衍射线的强度的稳定度，准确度 X 射线发生器的稳定度射
15、线发生器的稳定度 一般： 0.03%-0.01% 探测记录系统的稳定度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。测角仪测角仪的角度准确度、精度（角度复现性）的角度准确度、精度（角度复现性） 机械系统的制造误差：机械系统的制造误差： 取决于：齿轮螺杆系统的分度准确度和精度（涉及同心度、椭圆度、啮合间隙等） 一般：累计测角误差最大0.01(0.008)，角度复现性0.002(0.0006)。 先进的：先进的： 光学编码校正 衍射线的分辩率衍射线的分辩率 分辩衍射角非常接近的两个衍射峰的能力。测角仪类型：测角仪类型：立式（垂直扫描）或卧式（水平扫描）X 射线的
16、功率（入射强度射线的功率（入射强度） 测量效率，灵敏度 一般，大的中心实验室样品量极大，用转靶机有优点。X 射线探测器的特性射线探测器的特性 效率，计数率最大线性范围，噪声、能量分辨率。 闪烁探测器使用最广。国产已完全过关。多家都能生产。 衍射、散射线的探测角度范围衍射、散射线的探测角度范围 最大最小有效2 测量角度范围。一般： 3 160 即无问题（100 160 问题） 二维衍射图象的测量可能性。 目前国内二维探测器已有图像板读出系统。单色器或高能量分辨率检测器单色器或高能量分辨率检测器特殊的测量功能（硬件，软件）特殊的测量功能（硬件，软件） 织构、薄膜、外延单晶薄膜、应力、纤维、微区、高
17、温、低温、原位反应、基本控制测量功能基本控制测量功能： 接口和配置检查 基准： 和 2 回到标准位置。开机时必须首先进行，以后也可以进行。 定位： 、2 运动到指定位置。 定时计数 / 定数计时：机构不运动，在固定角度处记录强度。 连续扫描：样品（或/及）探测器连续转动，每隔一定角度（可指定，如0.02）记录该角度处的强度。 步进扫描：样品（或/及）探测器一步一步转动，每转一步（可指定，如0.02）停下来、记录该角度处 的强度；再走下一步、再记录. 控制X光窗口的开关。组合控制测量功能：组合控制测量功能： 积累步进扫描 / 积累连续扫描：消除电子系统漂移影响 多区间扫描分别存储：节省时间 多区
18、间扫描单谱存储：节省时间。 单晶基体上的薄膜样品扫描：既得基体的强衍射谱，又得薄膜的衍射谱。 多入射角多区间自动扫描：薄膜测试。节省时间。 宏观残余应力测试扫描。各种附件控制测量各种附件控制测量 自动样品转换台、纤维附件、极图附件基本软件：基本软件：常规数据处理： 平滑、背景扣除、剥离K 2 ，寻峰（峰位自动读出）、求积分强度常规谱图观察及输出多谱对比观察及输出重叠峰分离（即峰拟合，对称 / 非对称）数据格式转换：至少要有ASC II 码转换2 / 晶面间距转换应用软件应用软件，商品软件、共享软件十分充分，专用的可以自编。物相定性分析，物相定量分析（K值法、工作曲线法、残余奥氏体测定.）样品物
19、理线形及晶粒大小分析（非对称法）晶粒大小及点阵畸变分析重叠峰分离法结晶度分析结晶度分析点阵参数精确测定。重心法衍射几何误差计算指标化极图。三维取向分布函数。反极图小角散射颗粒度分析纤维取向因子分析劳埃图谱指标化物相深度分布分析应力深度分布分析结构深度分布分析全谱拟合结构分析 及其各种应用粉末衍射数据库 卡片号查询、某物相详细资料查询、打印输出 物相英文名称卡片查询 物相分子式卡片查询 物相或多物相混合物标准衍射谱计算绘制晶体结构数据库X射线衍射仪技术射线衍射仪技术发展动态发展动态立式测角仪应用立式测角仪应用 过过去去大大多多数数衍衍射射仪仪都都采采用用卧卧式式测测角角仪仪，卧卧式式测测角角仪仪
20、存存在在样样品品必必须须垂垂直直放放置置，在在使使用用上上带带来来诸诸多多不不便便，所所以以近近年年来来进进口口衍衍射射仪仪都都采采用用立立式式测测角角仪仪结结构构，国国内内普普析析通通用用公公司司XD2及及XD3型型也也是是采采用用立立式式结结构构，国国内内其其它它厂厂家家也也在在尝尝试试开开发。发。 立式测角仪立式测角仪-2立式测角仪立式测角仪-扫描扫描 模式的采用模式的采用 传统的 2 模式只能执行3种扫描方式，而模式可以执行4种扫描方式，更有利于各种实验测量！目前进口产品基本具备扫描模式，但国产衍射仪目前只有普析通用公司的产品具有这种扫描模式。快速光闸连锁机构的应用快速光闸连锁机构的应
21、用 X射线对人体有伤害，光闸就是在射线对人体有伤害，光闸就是在使用过程中起到封锁使用过程中起到封锁X射线的功能，射线的功能，光闸关闭的速度是影响光闸关闭的速度是影响x射线泄漏的射线泄漏的重要因素。过去国产衍射仪都是推重要因素。过去国产衍射仪都是推拉式光闸结构关闭速度较慢，对拉式光闸结构关闭速度较慢，对x射射线的封锁效果较差，现在采用快速线的封锁效果较差，现在采用快速光闸连锁机构对光闸连锁机构对x射线的封锁效果就射线的封锁效果就较好，可以更好的保护操作者的安较好，可以更好的保护操作者的安全。全。一体式的结构设计一体式的结构设计 现在国内大多数厂家都采用测现在国内大多数厂家都采用测角仪与角仪与x射
22、线管分离的结构设计，射线管分离的结构设计，这种设计影响设备使用的长期稳这种设计影响设备使用的长期稳定性。而一体式结构就保证了仪定性。而一体式结构就保证了仪器长期运行的稳定，有些进口仪器长期运行的稳定，有些进口仪器已经采用了这一技术，国内目器已经采用了这一技术，国内目前只有普析通用采用。前只有普析通用采用。电机微细分驱动技术的应用电机微细分驱动技术的应用 近年来电机微细分驱动技术的发展给衍射仪技术带来促进，电机微细分驱动技术采用使衍射仪的扫描运动更加平稳连续，使转动角度控制更加精确。由这一技术的应用使得衍射仪角度测量的准确度0.008度、重现性达到0.0006度。多种可选的多种可选的X射线检测器
23、射线检测器 常规探测器：常规探测器：常规探测器：常规探测器：正比探测器，闪烁探测器（正比探测器，闪烁探测器（ 能量分辨率：能量分辨率：3030，5050） Si(Li)Si(Li)探测器探测器探测器探测器( (半导体半导体半导体半导体致冷）致冷）致冷）致冷）： 能能量量分分辨辨率率约约2 200eV00eV，优优于于石石墨墨晶晶体体单单色色器器。可可去去掉掉石石墨墨单单色色器器而而实实际际强强度度增增加加3 34 4倍，加快测量速度。同时噪声减低倍，加快测量速度。同时噪声减低. .（缺点线性范围小缺点线性范围小） 位置灵敏探测器（多丝正比探测器）：位置灵敏探测器（多丝正比探测器）：位置灵敏探测
24、器（多丝正比探测器）：位置灵敏探测器（多丝正比探测器）： 多角度同时记录，加快测量速度。能量分辨率：多角度同时记录，加快测量速度。能量分辨率：3030 硅硅硅硅阵列探测器：阵列探测器：阵列探测器：阵列探测器： 多角度同时记录，加快测量速度。有多角度同时记录，加快测量速度。有 / / 无能量分辨率无能量分辨率 面积面积面积面积探测器：探测器：探测器：探测器： 如二维多丝正比探测器，图象贮存板，CCD探测器等。 能够接收整个衍射锥的信息，对择优取向，纤维等有效 ；对参加衍射的 晶粒过少（如晶粒粗大，微区分析）有效。能够加快测量速度。多种可选的多种可选的X射线光学部件射线光学部件如：n n弯晶石墨单
25、色器；n n多层膜单色器；n n多层膜准直镜；n n平行光毛细管束；n n平行光狭缝等等。如何选择如何选择X射线衍射仪射线衍射仪不要被不要被“高指标高指标”迷迷惑惑 有些国外厂商在推荐产品时宣传其产品角度精度达到0.0001度，事实上这只是其角度显示值的最小位数，而不是角度测量精度。从理论它也做不到这个精度，其实角度精度做到0.008度就已经很好了，完全满足使用。一定要选择进口仪器吗？一定要选择进口仪器吗？ 目前国内的目前国内的X衍射技术的发展速度衍射技术的发展速度很快，所生产的产品也具备了一定很快，所生产的产品也具备了一定的水平，在常规衍射分析方面，国的水平，在常规衍射分析方面，国产的衍射仪
26、完全满足使用要求。国产的衍射仪完全满足使用要求。国外衍射仪的价格一般在外衍射仪的价格一般在100万以上，万以上，价格非常昂贵，服务也不及时，服价格非常昂贵，服务也不及时，服务费用也高，所以大家尽量选择实务费用也高，所以大家尽量选择实用的国产产品。用的国产产品。要选择立式结构测角仪要选择立式结构测角仪v样品的定位、更换非常方便样品的定位、更换非常方便v样品水平放置样品水平放置v便于安装多种衍射仪附件便于安装多种衍射仪附件要考察仪器长期运行的稳定性要考察仪器长期运行的稳定性 长长期期运运行行稳稳定定性性指指标标对对仪仪器器的的应应用用太太重重要要了了！在在考考查查仪仪器器时时应应了了解解其其长长期
27、期运运行行的的稳稳定定性性。在在买买仪仪器器时时应应该该向向厂厂家家索索取取相相关关数数据据，但但是是这这一一点点好好多多厂厂家家由由于于各各种种原原因因不不愿愿提提供供，普普析析通通用用这这一一点点做做的的挺挺好好，他他们们提提供供老老用用户户对对产产品品连连续续8个个月月的的指指标标监监测测数数据据，供供有有购买意向的用户参考。购买意向的用户参考。要考察厂家的售后服务要考察厂家的售后服务 X衍射衍射仪仪是大型、精密、贵重的分析仪器，是大型、精密、贵重的分析仪器，在选择时一定到考虑售后问题，我认为要在选择时一定到考虑售后问题，我认为要注意以下两个方面：注意以下两个方面：vv要选择技术力量强的厂家要选择技术力量强的厂家vv要选择售后服务网络健全的厂家要选择售后服务网络健全的厂家 如果对普析衍射仪感兴趣，希望了解更多信息，请访问： 普析通用网页： http:/ 微构分析实验室网页： http:/ 或e-mail: 谢谢！谢谢！
