实验十二X射线衍射技术

1 图 1 X 射线管结构示意图 实验十二实验十二 X 射线衍射技术射线衍射技术 材料 能源和信息被公认为现代科学技术发展的三大支柱 而各种新材料的开发 与研制则是科学技术发展的关键 X 射线衍射技术是研究材料科学的重要手段之一 原是物理学的一个分支 近 80 年来在理论 设备 方法及应用上都有迅速的发展 而且已渗透到物理 化学 生命科学 地球科学 材料科学及工程技术等各个领域 最近十余年来 由于新的 X 射线源和辐射探测设备的相继出现 相关理论 实验方法的发展 以及高速度 大容 量计算机的应用 使得这门古老的学科又获得了新的生命 其相应的 X 射线衍射技 术的实用性和重要性也愈加被人们所认识 一 一 实验目的实验目的 1 掌握 X 射线衍射的基本原理以及利用 X 射线衍射进行物相分析的基本方法 2 掌握 JF 2型X 射线衍射仪的基本使用方法 二 二 实验原理实验原理 1 X 射线的性质 1895 年 11 月 8 日德国维尔茨堡大学伦琴教授在做阴极射线实验时 发现了一种 新的射线 X 射线 为此 1901 年伦琴荣获首届诺贝尔物理奖 伦琴发现 X 射线后 1912 年德国慕尼黑大学物理学家劳厄等利用晶体作为产生 X 射线衍射的光栅 使入射的 X 射线经过晶体后发生衍射 证实了 X 射线与无线电波 可见光和射线等其他各种高能射线无本质上的区别 也是一种电磁波 只是波长很 短而已 X 射线的波长在 10 2 102 衍射工作中使用的 X 射线波长通常在 l 左右 图 1 为常用的 X 射线管结构示意图 在阴 极 灯丝 和阳极 靶 两极间加高压 使阴极发 射的电子加速射向阳极 则在轰击处产生 X 射 线 轰击的面积称为焦点 而经 X 射线管出射 的 X 射线束与靶面成一定的角度 为 30 60 由 X 射线管发生的 X 射线可以分为两种 一种是具有连续波长的 X 射线 构成连续 X 射 线谱 连续 X 射线谱是击中了阳极靶的大量高 能电子迅速减速时产生的 另一种是居于特定 2 图 2 布拉格定律示意图 波长的 X 射线谱 它们叠加在连续 X 射线谱上 称为标识 或特征 X 射线 标识 X 射线谱是当管压提高到一特定电压值以后 高能电子在轰击阳极靶的过程中 部分具 有充分动能的电子激发阳极靶金属原子内壳层电子跃迁所产生 常依波长增加的次序 把标识谱分成 K L M 若干线系 分别对应于跃迁到 K L M 壳层时辐射 的 X 射线 2 X 射线在晶体中的衍射 由于 X 射线是波长为 100 0 0l 的一种电磁辐射 常用的射线波长为 2 5 o 5 与晶体中的原子间距 1 数量级相同 因此可以用晶体作为 X 射线 的天然衍射光栅 这就使得用 X 射线衍射进行晶体结构分析成为可能 当 X 射线沿某方向入射某一晶体时 晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼 此发生干涉 当两个相邻波源在某一方向的光程差 等于波长的整数倍时 它们 的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强 这种波的加强叫做衍射 相应的方 向叫做衍射方向 在衍射方向前进的波叫做衍射波 产生衍射的几何条件可用布拉格 定律来描述 图 2 所示的是晶体内部某 晶面族 晶面间距为 d hkl 入射 X 射线受到原子 A 散射的同时 另一条平行的入射 X 射 线受到原子 B 散射 如果两条散射线在 某处为同相位 则它们的光程差 应为 入射波长的整数倍 即 光程差 Ndhkl sin2 此时 则会产生干涉极大值 这就 是布拉格定律 式中 是 X 射线的波长 d 是结晶面间隔 是衍射角 入射线与 晶面间夹角 称为布拉格角 N 为整数 称为干涉级次 由此可见 当 X 射线入射 到晶体上时 凡是满足布拉格方程的晶面族 均会发生干涉性反射 反射 X 射线束的 方向在入射 X 射线和反射晶面法线的同一平面上 且反射角等于入射角 3 X 射线衍射在金属学中的应用 X 射线衍射现象发现后 很快被用于研究金属和合金的晶体结构 出现了许多 具有重大意义的结果 如韦斯特格伦 A Westgren 1922 年 证明 和 铁都是 体心立方结构 Fe 并不是一种新相 而铁中的 相转变实质上是由体心立方 晶体转变为面心立方晶体 从而最终否定了 Fe 硬化理论 随后 在用 X 射线测定 众多金属和合金的晶体结构的同时 在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领 域中均取得了丰硕的成果 如对超点阵结构的发现 推动了对合金中有序无序转变的 3 图 3 JF 2 型 X 射线衍射仪 研究 对马氏体相变晶体学的测定 确定了马氏体和奥氏体的取向关系 对铝铜合金 脱溶的研究等等 目前 X 射线衍射 包括 X 射线散射 已经成为研究晶体物质和某些 非晶态物质微观结构的有效方法 在金属中的主要应用有以下方面 1 物相分析 物相分析是 X 射线衍射在金属中用得最多的方面 晶体的 X 射线衍射图像实质 上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换 每种晶体的结构与其 X 射线衍射图之间 都有着一一对应的关系 其特征 X 射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产 生变化 这就是 X 射线衍射物相分析方法的依据 物相分析又分为定性分析和定量分析 定性分析是制备各种标准单相物质的衍射 花样并使之规范化 将待分析物质的衍射花样与之对照 从而确定物质的组成相 就 成为物相定性分析的基本方法 定量分析则是鉴定出各个相后 根据各相花样的强度 正比于该组分存在的量 确定待测材料中各相的比例含量 2 点阵常数的精确测定 点阵常数是晶体物质的基本结构参数 测定点阵常数在研究固态相变 确定固溶 体类型 测定固溶体溶解度曲线 测定热膨胀系数等方面都得到了应用 点阵常数的 测定是通过 X 射线衍射线的位置 的测定而获得的 通过测定衍射花样中每一 条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值 3 应力的测定 X 射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量度 宏观应力均匀分布在物 体中较大范围内 产生的均匀应变表现为该范围内方向相同的各晶粒中同名晶面间距 变化相同 导致衍射线向某方向位移 这就是 X 射线测量宏观应力的基础 微观应 力在各晶粒间甚至一个晶粒内各部分间彼此不同 产生的不均匀应变表现为某些区域 晶面间距增加 某些区域晶面间距减少 结果使衍射线向不同方向位移 使其衍射线 漫散宽化 这是 X 射线测量微观应力的基础 超微观应力在应变区内使原子偏离平 衡位置 导致衍射线强度减弱 故可 以通过 X 射线强度的变化测定超微观 应力 三 三 实验仪器实验仪器 1 产品型号名称 该产品型号为 JF 2 型 名称为 X 射线晶体分析仪 如图 3 所示 JF 2 型 X 射线晶体分析仪是由 X 射线发生器 高压变压器 管套 高压电缆 X 射线管 控制匣组装 4 底板组装 光闸 防护罩 台体 水泵等组成 图 4 是 JF 2 型 X 射线衍射仪的结构示意图 图 4 JF 2 型 X 射线衍射仪的结构示意图 拍照系统由相机和通用相机架两部分组成 该相机由相盒 光阑 样品轴 夹片 机构放大镜 荧光屏等部件组成 入射光阑采用分段装配结构 光阑孔由重元素合金 银制成 对防止荧光辐射增加底影黑度 光阑和相盒采用锥孔连接 安装方便 重复 安装精度高 适合暗室操作 调整样品由机壳外部调整螺旋完成 照相底片采用偏装 法装入相盒 通过拉紧销把底片涨紧 2 用途 特点及适用范围 该仪器能够提供稳定的 X 射线光源 用来研究物质内部的微观结构 其特点是利用可控硅和集成电路自动控制系统进行调压调流 从而获得一个较强 而稳定的 X 射线光源 该仪器 X 射线发生器功率大 整机稳定性高 操作简单 可 靠性高 保护完善 可与各种 X 射线照相机一起构成 X 射线晶体分析仪 或作其它 X 射线光源 该仪器适用于冶金 机械 电子 化工 地质 建材 环保 能源等科研部门 工矿 企业和大专院校 四 四 实验内容和步骤实验内容和步骤 1 准备 5 1 在可见光下 用相盒外部的调整螺旋把样品调正 即样品轴线和相机轴 线重合 2 在暗室里安装照相底片 装片时注意不要碰歪样品 然后将装好底片 的相机安装在通用相机架的导轨上 选好仪器试验条件进行照相 3 关闭仪器防护罩 4 调控千伏和毫安旋钮到最小位置 即起始位置 10KV 2mA 2 操作步骤 1 按 低压开 键 此时低压灯亮 准备灯亮 蜂鸣器鸣响 2 送水 开水泵电源 排水流畅 蜂鸣器停鸣 3 按 高压开 键 此时 高压指示灯亮 大约延时 30 秒 表开始 有 10KV 2mA 指示 4 调整 KV 和 mA 旋钮到要求值 注意调整时两旋钮数值交替 逐渐 增大 直到实验要求的数值 KV 和 mA 的乘积不要超过 X 射线管的功率 建议使用 35KV 和 20mA 最大在射线管功率的 80 5 用莹光板对好机械光路 打开光闸 进行工作 相机拍照时间为 大相机 60 分钟 小相机 40 分钟 6 工作完成后 关闭光闸 缓慢降低千伏和毫安到起始位置 10KV 2mA 7 按 高压关 键 此时高压关断 停止 X 射线发生 8 按 低压关 键 此时电源关断 9 等 10 分钟后 使 X 光管进一步冷却 然后关断水泵电源 10 取下相机 到暗示中打开相机盖 轻轻取出拍摄底片 切记将相 机保护好 不要被显影液 定影液腐蚀 11 冲洗拍摄底片 显影 定影时间为 3 8 分钟 随季节温度变化调 整时间 五 五 注意事项注意事项 1 注意 X 射线管的电压为几十千伏 要特别注意高压安全 6 2 安装和取出拍摄底片时 一定按要求轻拿轻放 不要碰歪样品 调整样品位