X射线衍射新技术.ppt

第三章 X射线衍射新技术 1 l物质对射线的衍射产生了衍射花样或衍射 谱，对于给定的单晶试样，其衍射花样与 入射线的相对取向及晶体结构有关； l对于给定的多晶体也有特定的衍射花样。 l衍射花样具有三要素： 衍射线（或衍射斑）的位置 强度 线型。 l测定衍射花样三要素在不同状态下的变化 ，是衍射分析应用的基础。 2 点阵参数的精确测定，膨胀系数的测 定； 第一类（即宏观残余）应力的测定； 由点阵参数测定相平衡图中的相界； 晶体取向的测定； 固溶体类型的测定，固溶体组分的测 定； 多晶材料中层错几率的测定； 点缺陷引起的Bragg峰的漂移。 基于衍射位置的应用 第一类残余应力（宏观残余应力）将使 衍射线发生位移； 第二类残余应力（晶粒之间）会使衍射 峰变宽， 第三类残余应力（晶格畸变）则使衍射 线的强度降低， 第二、三类应力台称为“微观应力。 3 （1）物相的定量分析，结晶度的测定 (2) 平衡相图的相界的测定； (3) 第三类应力的测定； (4) 有序固溶体长程有序度的测定； (5) 多晶体材料中晶粒择优取向的极 图、反极图和三维取向分布的测定； (6) 薄膜厚度的测定。 基于衍射强度测量的应用 4 (1) 多晶材料中位错密度的测定，层错 能的测定，晶体缺陷的研究； (2) 第二类（微观残余）应力的测定； (3) 晶粒大小和微应变的测定； 基于衍射线型分析的应用 5 根据Scherrer（1918）： 式中为衍射峰的半高宽，或为积分宽度IW（当为积分宽度 表达式时），K为形态常数，为X射线波长，L为粒度大小或 一致衍射晶畴大小，为布拉格衍射角。 衍射峰的半高宽是晶体大小(L)的函数，随着晶体大小（L） 的增大，衍射峰的半高宽变小，反之则变大。 据此，衍射峰半高宽是一衡量样品晶体大小的参数。 注意，Scherrer公式描述衍射峰形态要与晶体平均一致衍射 晶畴大小的关系。 晶格畸变和晶块细化均使倒易空间的选择反射区增大，从而 导致衍射线加宽，通常称之为物理加宽；实测中它并不是单 独存在，伴随有仪器宽度。核心问题是如何从实测衍射峰中 分离出物理加宽效应，进而再将晶格畸变和晶块细化两种加 宽效应分开。 6 7 8 衍射仪主机 薄膜 HTK高温 超能探测器 织构 应力 微区模块 相分析 高分辩 X射线衍射仪应用 低温 9 XPert PRO的技术特点 高精度的測角仪系统 预校准模块化技术，真正实现一机多能 超能阵列探测器,可获得最高的检测强度 多种光学模块, 扩展了X射线衍射对材料表征的方法 全新的智能化图形处理与物相鉴定软件 HighScore 10 XPert PRO的技术特点 高精度的測角仪系统 预校准模块化技术，真正实现一机多能 超能阵列探测器,可获得最高的检测强度 多种光学模块, 扩展了X射线衍射对材料表征的方法 全新的智能化图形处理与物相鉴定软件 HighScore 11 高精度的測角仪系统 DOPS 光学定位系统 双光学编码 直接光学位置传感器 闭环控制系统 直接读取实际角位置 永远消除机械误差 直流马达驱动 测角仪重现性 0.0001度 光学编码盘 12 高精度的測角仪系统 DOPS 光学定位系统 齿轮传递装置 误差主要产生 源 测角仪轴 其它厂家定位、 控制系统 驱动马达 13 高精度的測角仪系统 DOPS 光学定位系统 马达驱动 齿轮传递装置 误差主要产生 源 测角仪轴 XpertPro DOPS定位系 统 XpertPro控制系 统 14 预校准模块化技术 模块化技术 q 将光学元件做成模块，使用户在现场可以自己更换 q 目的：使用户可以实现若干种的应用 问题：更换后是否需要校准光路？光路的校准是否方便？ 15 预校准模块化技术 什么是 PreFIX预校准模块化技术? Pre-aligned Fast Interchangeable X-ray modules 预校准快速可更换X射线光学模块 q 非简单的实现模块化，所有光学模块在出厂前均经过 光学预校准 q 在用户现场安装或更换光学模块时，无需校准光路。 操作方便，可在两分钟内完成，即换即用 q 入射光路，接收光路和样品台均采用模块化设计，全 光路更换时间不超过十分钟 q 省时，省经费，省空间，更安全 16 预校准模块化的基石第二代陶瓷X射线管 焦点三维精确定位 (预校准模块化的基础）X 光管的焦点经空间三维 定位，所有的X光管的焦 点均在同一位置，误差 为微米级。 （帕纳科 专利技术） 所有的光学元件的起点 就是X光管的焦点 17 预校准模块化的基石第二代陶瓷X射线管 陶瓷灯体 重量轻 绝缘度高 超长寿命 18 xxxxX19 ProFIX 验证 Blue line:Before exchange Red line: After exchange 样品：Si标准样 光路：Bragg Brentano 设备: XPert PRO 19 XPert PRO的技术特点 高精度的測角仪系统 预校准模块化技术，真正实现一机多能 超能阵列探测器,可获得最高的检测强度 多种光学模块, 扩展了X射线衍射对材料表征的方法 全新的智能化图形处理与物相鉴定软件 HighScore 20 什么是RTMS技术? (1) Receiving slit + detector Polycrystalline sample Line focus Divergence slit Scan direction Scan direction Classical geometry (Bragg-Brentano) 21 什么是RTMS技术? (1) Polycrystalline sample XCelerator 22 什么是RTMS技术? (1) Polycrystalline sample XCelerator 23 什么是RTMS技术? (1) Polycrystalline sample XCelerator 24 半导体阵列探测器 100多个微型探测器同时工作 直接探测衍射线，直接计数， 有效处理高计数率 缩短数据收集时间， 保持同等分辨率 完全免维护 超能阵列探测器 XCelerator 25 超能阵列探测器 XCelerator XCelerator = Accelerator 检测速度提高100100倍 录谱强度提高100100倍 灵敏度提高1010倍 RTMS 探测技术 Real Time Multiple Strip PreFIX 设计 26 同等扫描时间数据强度对比 XCelerator Xe Detector Red: XCelerator Blue: Xe detector 图一：由于蓝色谱图强度太弱在线性比例下几乎无法看到 样品: Al2O3(SRM1976), 扫描时间: 12.5min (45kV, 40mA) BB optics: PDS 1/2 deg., PRS 0.1mm, Soller slit 0.04 rad Linear Count 27,000 Count=200 27 超能阵列探测器与旋转阳极靶的对比 Al2O3 International Standard. Scan range: 2=20- 120 Total ScanTime: 25 minutes 超能阵列探测器 1.8kW , 25min 旋转阳极靶 12.5kW , 25min 28 超能阵列探测器与固体探测器比较 超能探测器：红色 固体探测器：黑色 超能探测器：570K 固体探测器：35K 固体探测器 * 强度只能提高23倍 * 动态范围窄 * 线性范围窄 * 需要制冷 29 高温样品台与超能探测器结合研究动态相变过程 Annealing furnace Air cooling Zinc pot Air knife Steel sheet Zn zeta delta gamma Fe High temperature chamber:HTK16 Sample: Steel sheet coated with a Zn layer Annealing: at 370C for one hour Scanning: diffraction profile per 51 sec. 30 多种光学模块- 平行光反射镜研究表面(薄膜)结构 X-ray source 31 平行光反射镜研究多层表面(薄膜)结构 32 Optics for samples in glass capillaries 毛细管样品相分析 33 Powder samples in transmission geometry 椭圆聚焦镜 Focus on Focus on ( (XCeleratorXCelerator) ) detectordetector Elliptical Elliptical mirrormirror Capillary Capillary sample or sample or sample sample on/between on/between foilsfoils 34 X-射线透镜模块 35 X-射线透镜模块 X-射线透镜 发散光束 点焦点 二维平行光束 正面 36 X-射线透镜模块 q 由数百万根玻璃毛细管组成 q 半透镜形状 q 利用全反射效应将发散光束变为准平行光束 q 可以消除白光背景 q 在垂直和水平两个方向上的发散度均为 0.3 q 光束直径 7 mm 37 X-射线透镜光路 X-ray tube (point focus) Sample Detector = 0.3D Crossed slits Parallel plate collimator X-ray lens X-ray lens 38 X-射线透镜模块 应用 残余应力分析 织构分析 可消除由于散焦效应引起的峰宽化 39 微区衍射光学 微区衍射应用 40 微区衍射 单毛细管用于光束 传输 单毛细管直径(mm): 0.5, 0.10, 0.05 - 0.02 发散度: 0.3度 强度增加: 4 -10 倍 传统的“小孔” 单毛细