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1、X射线衍射仪及测量参数的选择燕山大学材料学院综合实验室燕山大学材料学院国家实验教学示范中心1、X射线衍射仪结构n第一，第一，X射线发生器，用来产生稳定的射线发生器，用来产生稳定的X射线光源；射线光源；n 第二，测角仪，用来测量衍射花样三要素，使光源、试第二，测角仪，用来测量衍射花样三要素，使光源、试样和探测器满足一定的几何和衍射条件；样和探测器满足一定的几何和衍射条件；n 第三，电子自动记录系统用来记录衍射花样。它包括计第三，电子自动记录系统用来记录衍射花样。它包括计数率仪、定标器等；数率仪、定标器等；n第四，电子计算机及其外围附件，用来控制仪器运转；收第四，电子计算机及其外围附件，用来控制仪
2、器运转；收集处理和打印结果，或存贮于磁带、磁盘，或用图象屏幕集处理和打印结果，或存贮于磁带、磁盘，或用图象屏幕显示。显示。2、 X射线的光源射线的光源nX光源的基本要求：光源的基本要求： 简单地说，对光源的基本要求是稳定、强度大、光简单地说，对光源的基本要求是稳定、强度大、光谱纯结。谱纯结。n 光源的特性决定靶的种类、焦斑大小和施加在管子光源的特性决定靶的种类、焦斑大小和施加在管子上的功率。选择工作参数的目的在于提高衍射线的蜂上的功率。选择工作参数的目的在于提高衍射线的蜂背比、分辨率和灵敏度等。背比、分辨率和灵敏度等。n 实验室一般应具备有实验室一般应具备有W、Mo、Cu、Co、Fe、Cr六六
3、种靶子。选靶原则要考虑到样品的组分，使之不产生种靶子。选靶原则要考虑到样品的组分，使之不产生X射线荧光，还要根据具体分析目的选靶。如要提高分射线荧光，还要根据具体分析目的选靶。如要提高分辨率可选长波长靶。辨率可选长波长靶。n焦斑的选用n 在衍射仪衍射实验中，大部分选用线焦斑在衍射仪衍射实验中，大部分选用线焦斑(织构测织构测定例外定例外)。和点焦斑相比线焦斑的主要优点是，水平发。和点焦斑相比线焦斑的主要优点是，水平发散度小，分辨率高，从而记录下来的衍射花样较真实。散度小，分辨率高，从而记录下来的衍射花样较真实。缺点是，强度略低，垂直发散度可用索勒缺点是，强度略低，垂直发散度可用索勒(Soller
4、)狭狭缝来改善。目前，用于一般衍射仪管子的焦斑大小有缝来改善。目前，用于一般衍射仪管子的焦斑大小有细焦班细焦班0.48mm)、正常用焦斑正常用焦斑(110mm)和宽焦斑和宽焦斑(212mm)。n管压和管流的选择管压和管流的选择n 当管压大于靶元素的临界激发电压时，才能激发特当管压大于靶元素的临界激发电压时，才能激发特征辐射。实际工作中为了获得清晰的衍射花样，管压征辐射。实际工作中为了获得清晰的衍射花样，管压应选在激发电压的应选在激发电压的35倍之间，这时蜂背比最大。一倍之间，这时蜂背比最大。一般管流的选择不超过最大允许管流的般管流的选择不超过最大允许管流的80。但是，管。但是，管流越大，光源的
5、稳定度越差。流越大，光源的稳定度越差。n光源单色化的方法光源单色化的方法 (1) (1) 过滤片法过滤片法; ; (2) (2) 晶体单色器晶体单色器; ; 它的工作原理颇为简单，只要选择反射本领很强的衍射晶面的它的工作原理颇为简单，只要选择反射本领很强的衍射晶面的单晶体使其与表面平行，当入射束满足布拉格选择性反射时即可单晶体使其与表面平行，当入射束满足布拉格选择性反射时即可得到单色的得到单色的K及其谐波及其谐波( (谐波可由脉冲高度分析器滤纸也可用降低谐波可由脉冲高度分析器滤纸也可用降低管压方法扣除管压方法扣除) )。 通常，它在测角仪上的安装方法有两种，一是装在入射线一侧通常，它在测角仪上
6、的安装方法有两种，一是装在入射线一侧，另一是装在衍射线一侧。目前大多数采用后一种装法。这种装，另一是装在衍射线一侧。目前大多数采用后一种装法。这种装法可以抑制样品的荧光辐射、非相干散射以及空气散射等引起的法可以抑制样品的荧光辐射、非相干散射以及空气散射等引起的背景，还具有便于安装和调整等优点。背景，还具有便于安装和调整等优点。3、X射线衍射仪的测角仪 衍射仪的测角仪按照衍射仪的测角仪按照布拉格布拉格-布伦塔诺布伦塔诺(Bragg-Brentana)聚焦条件设计而成的聚焦条件设计而成的。其原理及准直光路如图所示。其原理及准直光路如图所示。准直光栏的选择原则准直光栏的选择原则 光栏系统参数的选择必
7、须同时考虑到上述两个方面，不光栏系统参数的选择必须同时考虑到上述两个方面，不能单从一方面出发。应当注意如下事实能单从一方面出发。应当注意如下事实 1)发散狭缝对衍射强度的影响比起对分辨率的影晌要大；发散狭缝对衍射强度的影响比起对分辨率的影晌要大； 2)由于采用平板试样，发散狭缝增大引起散焦使得衍射峰由于采用平板试样，发散狭缝增大引起散焦使得衍射峰向低角移动，从而引起峰的不对称性，使得分辨率下降；向低角移动，从而引起峰的不对称性，使得分辨率下降； 3)在扫描过程中衍射角在扫描过程中衍射角 是变化的，为比较各衍射线的相对是变化的，为比较各衍射线的相对强度必须用同一宽度的发放狭缝，且在任何强度必须用
8、同一宽度的发放狭缝，且在任何 角入射光束均角入射光束均能照射在试样内，以保证参与衍射体积恒定。能照射在试样内，以保证参与衍射体积恒定。探测器的扫描方式探测器的扫描方式 探测器装在测角仪臂上，它和试样台以探测器装在测角仪臂上，它和试样台以2：1的角的角速度绕测角仪轴心转动，这样，试样台上装上分析试速度绕测角仪轴心转动，这样，试样台上装上分析试样，探测器即可按收到衍射信息并由记录系统记录下样，探测器即可按收到衍射信息并由记录系统记录下来。探测器的扫描方式可分连续扫描、步进扫描与跳来。探测器的扫描方式可分连续扫描、步进扫描与跳跃步进扫描三种。扫描方式对探测记录下衍射花样的跃步进扫描三种。扫描方式对探
9、测记录下衍射花样的质量有很大影响。质量有很大影响。1、连续扫描、连续扫描 扫描速度和方向的选择对衍射线强度、峰位和线形有很大影扫描速度和方向的选择对衍射线强度、峰位和线形有很大影响，快速扫描引起强度和分辨率下降，并使峰值向扫描方向偏移，响，快速扫描引起强度和分辨率下降，并使峰值向扫描方向偏移，引起线形的不对称性；慢速扫描精度较高，但是耗费机时。引起线形的不对称性；慢速扫描精度较高，但是耗费机时。 经验证明，扫描速度经验证明，扫描速度V，计记效率仪时间常数计记效率仪时间常数T和接收狭绕宽度和接收狭绕宽度 必须满足下面关系：必须满足下面关系： 1) 不论不论V和和T如何改变，只要乘积如何改变，只要
10、乘积VT数值相同，衍射花样也相数值相同，衍射花样也相同。当同。当VT值增大时，峰的高度迅速下降，峰位移动，分辨率下降值增大时，峰的高度迅速下降，峰位移动，分辨率下降(向扫描方向非对称性加宽向扫描方向非对称性加宽)。 2) 接收狭缝的时间宽度接收狭缝的时间宽度(即接收狭缀的宽度与扫描速度的比值即接收狭缀的宽度与扫描速度的比值)数值在原则上要比时间常数越大越好，这样，计数率仪能真实地数值在原则上要比时间常数越大越好，这样，计数率仪能真实地描绘出衍射峰的细节。描绘出衍射峰的细节。 一般，测量峰位要求高，测量弱蜂以及线形时，采用于一般，测量峰位要求高，测量弱蜂以及线形时，采用于1/41/8 2 /mi
11、n的慢速扫描。此外，为节约时间和减少设备损耗，的慢速扫描。此外，为节约时间和减少设备损耗，通常采用通常采用1/22 2 /min的扫描速度。的扫描速度。(2) 步进扫描步进扫描 为了克服连续扫描缺点，采用了步进扫描为了克服连续扫描缺点，采用了步进扫描(或称阶梯扫描或称阶梯扫描)的的方法。所谓步进扫描，即以一定的步长方法。所谓步进扫描，即以一定的步长(即角度间隔即角度间隔)对衍射峰强对衍射峰强度进行逐步测量，即对每一步进行定时计数或定数计时测量之后度进行逐步测量，即对每一步进行定时计数或定数计时测量之后探测器和样品以探测器和样品以2:1的角速度转到下一步，再重复上述测量。的角速度转到下一步，再重
12、复上述测量。 步进扫描参数及其选择：步进扫描参数及其选择： 1)步长大小步长大小(2 /步步)对明锐蜂选对明锐蜂选0.02 /步能较好地反映衍射线步能较好地反映衍射线形的细节，一般分析选形的细节，一般分析选0.05 /步，对漫散宽的衍射蜂步长选得更步，对漫散宽的衍射蜂步长选得更大些，如大些，如0.5 /步。对线形分析，宽衍射蜂和尖锐衍射峰步长大小步。对线形分析，宽衍射蜂和尖锐衍射峰步长大小取为整数倍关系对数据处理是方便些。取为整数倍关系对数据处理是方便些。n 2)每步计数时间或计数值每步计数时间或计数值 前者为定时计数法，后者为定数计前者为定时计数法，后者为定数计时法。在定时计数法中，每步计数
13、时间相同而累积计数值不等；时法。在定时计数法中，每步计数时间相同而累积计数值不等；在定数计时法中，每步计数值相同而累积计数时间不等。因为计在定数计时法中，每步计数值相同而累积计数时间不等。因为计数统计精度仅与总计数有关而与计数时间无关，所以定数计时法数统计精度仅与总计数有关而与计数时间无关，所以定数计时法中各步测量的数据具有相同的统计精度，在定时计数法中每步测中各步测量的数据具有相同的统计精度，在定时计数法中每步测量的数据具有不同的统计精度。量的数据具有不同的统计精度。(3) 跳跃步进扫描跳跃步进扫描 通过改变扫描速度，使得在有衍射峰分布区域范通过改变扫描速度，使得在有衍射峰分布区域范围内测角
14、仪以较慢速度作步进扫描，而在无衍射蜂的围内测角仪以较慢速度作步进扫描，而在无衍射蜂的背底处作快速扫描的扫描方式。背底处作快速扫描的扫描方式。4、实验与测量方法、实验与测量方法n(1) 样品的制备样品的制备 衍射仪用的试祥大都要求平板状，由粉末压制而成，或是衍射仪用的试祥大都要求平板状，由粉末压制而成，或是由块状切割而成。由衍射理论，采用平板状样品其衍射线的相对由块状切割而成。由衍射理论，采用平板状样品其衍射线的相对累积强度是在样品为无限厚的情况下得出的。无限厚是一个相对累积强度是在样品为无限厚的情况下得出的。无限厚是一个相对概念，它取决于测量强度的灵敏度。一般将无限厚定义为由样品概念，它取决于
15、测量强度的灵敏度。一般将无限厚定义为由样品的背侧一薄层与前侧一层所衍射的强度比为的背侧一薄层与前侧一层所衍射的强度比为1/600或或1/1000时该样时该样品所具有的厚度。即厚度品所具有的厚度。即厚度t 要求满足：要求满足：或或式中，式中， 为粉末样品的实际密度；为粉末样品的实际密度； 为真实密度为真实密度 样品的制备情况是影响实验结果的重要因素，它样品的制备情况是影响实验结果的重要因素，它对衍射线的强度、峰位的影响尤为明显。然而，样品对衍射线的强度、峰位的影响尤为明显。然而，样品制备技术常被人们所忽视。实验者必须根据分析目的制备技术常被人们所忽视。实验者必须根据分析目的和要求制祥。一般说要考
16、虑到样品的均匀性、颗粒度和要求制祥。一般说要考虑到样品的均匀性、颗粒度大小、注意消除制样过程引起结构上的变化大小、注意消除制样过程引起结构上的变化(2) 试验参数的选择试验参数的选择n(3) 定峰方法定峰方法 实际上，衍射仪的布置是接近理想聚焦条件的，实际上，衍射仪的布置是接近理想聚焦条件的，按照布拉格公式导出的衍射线方位不是只出现在一个按照布拉格公式导出的衍射线方位不是只出现在一个特定的角度，而是在一定角度范围内展宽分布，在确特定的角度，而是在一定角度范围内展宽分布，在确定衍射线峰位时，常常随着衍射线线形的不同或者出定衍射线峰位时，常常随着衍射线线形的不同或者出自误差讨论上的方便提出了各种不
17、同的定峰值方法，自误差讨论上的方便提出了各种不同的定峰值方法，通常，只有当衍射线是完全对称时，所确定的峰位值通常，只有当衍射线是完全对称时，所确定的峰位值才相同。每一种方法只适用于某种特定情况。定峰位才相同。每一种方法只适用于某种特定情况。定峰位的方法有以下几种：的方法有以下几种： 1) 峰值法峰值法 它以衍射线最高强度相应的衍射角作为蜂它以衍射线最高强度相应的衍射角作为蜂位。此法适用线形蜂顶处明锐且光滑的衍射线。位。此法适用线形蜂顶处明锐且光滑的衍射线。 2) 切线法切线法 它以线峰两侧近似直线段的两直线交点作它以线峰两侧近似直线段的两直线交点作为峰位，此法用于明锐峰且峰项波动大的衍射线为峰位，此法用于明锐峰且峰项波动大的衍射线 3)中弦法中弦法 它是选择峰上半部任意点作平行背底的弦，它是选择峰上半部任意点作平行背底的弦，取其中点联成直线，直线与背底交点作为蜂位，此法对各取其中点联成直线，直线与背底交点作为蜂位，此法对各种线形均实用。种线形均实用。 4)抛物线法抛物线法 用抛物线拟合峰顶附近的线形用抛物线拟合峰顶附近的线形 5)重心法重心法 它以衍射峰面积的重心作为峰值。它以衍射峰面积的重心作为峰值。谢谢谢谢！
