X-射线粉末衍射仪

1、 X射线的产生射线的产生 X射线是射线是1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现的。发现的。 X射线是高速运动的荷电粒子射线是高速运动的荷电粒子(例如电子例如电子)在突然减速时在突然减速时产生的。产生的。 高速运动的电子与靶材作用可能存在两种情况：高速运动的电子与靶材作用可能存在两种情况： (a) 电子与原子的核心电场作用电子与原子的核心电场作用 (b) 电子与核外电子作用电子与核外电子作用 X射线的波长短，穿透能力强射线的波长短，穿透能力强，它不仅能使晶，它不仅能使晶体表面的原子成为散射波源，而且还能使晶体体表面的原子成为散射波源，而且还能使晶体内部的

2、原子成为散射波源。在这种情况下，内部的原子成为散射波源。在这种情况下，应应该把衍射线看成是由许多平行原子面反射的反该把衍射线看成是由许多平行原子面反射的反射波振幅叠加的结果射波振幅叠加的结果。干涉加强的条件干涉加强的条件是晶体是晶体中任意相邻两个原子面上的原于散射波在原子中任意相邻两个原子面上的原于散射波在原子而反射方向的相位差为而反射方向的相位差为2 的整数倍，或者的整数倍，或者光程光程差等于波长的整数倍。差等于波长的整数倍。 布拉格定律布拉格定律 (Braggs Law)当两束光的光程差为入射光波长的整数倍时当两束光的光程差为入射光波长的整数倍时, 反射光间反射光间会出现衍射现象会出现衍射

3、现象 n = 2dsin n=1, 2, 3, 称为衍射级数称为衍射级数 为衍射角为衍射角 o能够提供粉末，块状，条带样品的测试多晶样品的常规物能够提供粉末，块状，条带样品的测试多晶样品的常规物相分析和半定量分析，晶胞参数的测定，修正，未知多晶相分析和半定量分析，晶胞参数的测定，修正，未知多晶样品的样品的X射线衍射指标化，晶粒尺寸和结晶度测定。射线衍射指标化，晶粒尺寸和结晶度测定。 o配有步进马达加光学编码的精密测角仪，角度重现性配有步进马达加光学编码的精密测角仪，角度重现性0.0001，是目前最高精度的测角仪；最新的，是目前最高精度的测角仪；最新的-测量测量模式，宽角扫描范围：模式，宽角扫描

4、范围：0-140 o配有配有LynxEye阵列探测器：阵列探测器：192个探测通道，探测效率是个探测通道，探测效率是普通闪烁探测器的普通闪烁探测器的10倍以上，普通样品可在倍以上，普通样品可在7分钟左右测分钟左右测试完成。试完成。 1. X射线发生器；射线发生器； 2. 衍射测角仪；衍射测角仪； 3. 辐射探测器；辐射探测器； 4. 测量电路；测量电路； 5. 控制操作和运行软件的电子计算机系统；控制操作和运行软件的电子计算机系统； 6. 冷却循环水系统；冷却循环水系统； 1.扫描范围扫描范围2. 步长步长3.扫描速度扫描速度1.掠射角大小掠射角大小 Cu靶靶X光管电压光管电压40kV、电流、

5、电流40mA 测角仪工作方式：测角仪工作方式：到到方式方式 扫描范围：扫描范围：0 140 测角仪精度：测角仪精度：0.0001，准确度，准确度0.02 将适量的粉末装入空槽中，用盖玻片轻轻压平，使其上将适量的粉末装入空槽中，用盖玻片轻轻压平，使其上表面平整，高度与样品架平齐。表面平整，高度与样品架平齐。 取适量的橡皮泥置于标准样品台的底部，然后将样品轻轻放置于橡皮取适量的橡皮泥置于标准样品台的底部，然后将样品轻轻放置于橡皮泥上面，取中部挖空了的标准样品台套于块状样品的中间，然后用盖玻泥上面，取中部挖空了的标准样品台套于块状样品的中间，然后用盖玻片将样品压置与样品架平齐。片将样品压置与样品架平

6、齐。 极少量的微粉、非晶条带、液体样品等需使用特殊低背极少量的微粉、非晶条带、液体样品等需使用特殊低背景样品架，将微粉或液体轻置在单晶景样品架，将微粉或液体轻置在单晶Si片上均匀分散开，片上均匀分散开，非晶条带平铺在单晶非晶条带平铺在单晶Si片上，尽可能与其贴合。片上，尽可能与其贴合。 开机程序开机程序1.1.打开外围电源（即稳压按钮）打开外围电源（即稳压按钮）4.打开打开XRD衍射仪电源开衍射仪电源开关（关（绿色按钮绿色按钮）听到响）听到响声后即可进行下一步操声后即可进行下一步操作作（约（约20要要s）5.开高压：开高压：顺时针停留顺时针停留5s，待高压灯亮，待高压灯亮tubedetecto

7、rintdrivermove driver防光管老化操作：按照20，5；25，5；30，5；35，5；40，5；40，40分次设置电压电流，每次间隔3min设置设置A. 在Tube Detector 项目样上打 B.选择tuber, detecter，初始值设置为20 C.点击Intdriver D.点击 move driver 对于样品的准备工作，必须有足够的重视。常常由于急于要看对于样品的准备工作，必须有足够的重视。常常由于急于要看到衍射图，或舍不得花必要的功夫而马虎地准备样品，这样常会给到衍射图，或舍不得花必要的功夫而马虎地准备样品，这样常会给实验数据带入显著的误差甚至无法解释，造成混乱

8、。下图示出了一实验数据带入显著的误差甚至无法解释，造成混乱。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。个由于制样方法不当而得不到正确的衍射图的例子。 粉末样品的制备粉末样品的制备1. 对样品粉末粒度的要求对样品粉末粒度的要求 任何一种粉末衍射技术都要求样品是十分细小的粉末颗粒，使试任何一种粉末衍射技术都要求样品是十分细小的粉末颗粒，使试样在受光照的体积中有足够多数目的晶粒。因为只有这样，才能满足样在受光照的体积中有足够多数目的晶粒。因为只有这样，才能满足获得正确的粉末衍射图谱数据的条件：获得正确的粉末衍射图谱数据的条件：即试样受光照体积中晶粒的取即试样受光照体积中晶粒的取向是完

9、全随机的。这样才能保证用衍射仪法获得的衍射强度值有很好向是完全随机的。这样才能保证用衍射仪法获得的衍射强度值有很好的重现性。的重现性。2 .很多固体样品本身很多固体样品本身已处于微晶状态，但通常却是较粗糙的粉末颗粒或已处于微晶状态，但通常却是较粗糙的粉末颗粒或是较大的集结块，更多数的固体样品则是是较大的集结块，更多数的固体样品则是具有或大或小晶粒的结晶织构具有或大或小晶粒的结晶织构或者是可以辨认出外形的粗晶粒，因此实验时一般需要先加工成合用的或者是可以辨认出外形的粗晶粒，因此实验时一般需要先加工成合用的细粉末。因为大多数固体颗粒是易碎的，所以最常用的方法是研磨和过细粉末。因为大多数固体颗粒是易

10、碎的，所以最常用的方法是研磨和过筛，筛，只有当样品是十分细的粉末，手摸无颗粒感，才可以认为晶粒的大只有当样品是十分细的粉末，手摸无颗粒感，才可以认为晶粒的大小已符合要求小已符合要求。持续的在研钵或在球磨中研磨至。持续的在研钵或在球磨中研磨至360目的粉末，可以目的粉末，可以有效的得到足够细的颗粒。有效的得到足够细的颗粒。使用前，用酒精擦拭使用前，用酒精擦拭干净！干净！ 用药勺取用药勺取1g粉末放入玻璃样品架样品槽内，用毛玻璃轻压粉末，使粉末放入玻璃样品架样品槽内，用毛玻璃轻压粉末，使之充满槽内，轻轻刮去多余的粉末，最后压平压实样品粉末，使样品之充满槽内，轻轻刮去多余的粉末，最后压平压实样品粉末

11、，使样品表面与玻璃架表面在同一平面。表面与玻璃架表面在同一平面。(2) 在物相定量分析中在物相定量分析中, 若待测相含量较多时若待测相含量较多时, 扫描速度基本上不扫描速度基本上不影响测量结果影响测量结果, 但当待测相含量较少时但当待测相含量较少时, 扫描速度过快易造成测量扫描速度过快易造成测量结果的偏差。结果的偏差。定量相分析扫描速度以不超过定量相分析扫描速度以不超过4/min 为宜。为宜。步长和扫描速度步长和扫描速度(1) 在一般的物相定性分析中在一般的物相定性分析中, 扫描速度对主量相衍射线形影响不扫描速度对主量相衍射线形影响不大大; 当扫描速度过大时当扫描速度过大时, 对微量相分析不利

12、。对微量相分析不利。一般大于一般大于4/min 小小于于16 /min的扫描速度对于物相定性分析是可行的。的扫描速度对于物相定性分析是可行的。( 3) 对衍射线形的研究发现对衍射线形的研究发现, 随着扫描速度的增大随着扫描速度的增大, 衍射线峰位略衍射线峰位略为右移为右移, 而且扫描速度在而且扫描速度在16/min 以前以前, 衍射线形未发生明显畸变衍射线形未发生明显畸变, 只有当扫描速度超过只有当扫描速度超过16/min 时时, 衍射峰将发生明显的畸变现象。衍射峰将发生明显的畸变现象。因此因此, 在在XRD 中中, 扫描速度不宜超过扫描速度不宜超过16/min。 UXDtxt点击点击 STA

13、RT1.降高压降高压将电压、电流分别降至将电压、电流分别降至20KV，5mA后，点后，点Set确认。确认。2.关高压关高压逆时针旋转逆时针旋转45 ，高压灯灭。，高压灯灭。3.等待等待15min，再关冷却水。，再关冷却水。4.关闭控制软件。关闭控制软件。5.关闭关闭XRD衍射仪电源开关衍射仪电源开关（红色按钮）（红色按钮）6.关电脑。关电脑。7关外围电压关外围电压（稳压按钮）（稳压按钮）严格按顺序严格按顺序操作！操作！双击文件名或选择多个 文件后点READ，打开一个或多个文件选择多个 文件后点ADD，将新选文件加入到主窗口中，进行图谱叠加单击图谱平滑按钮，使曲线显得光滑一些，每单击一次在原基础

14、作一次平滑，每平滑一次，失真度增加单击显示背景线，再单击一次扣除图谱背底，其它一些操作中会自动扣除背底K 2线自动扣除，不需要手工扣除手动寻峰，点击手动寻峰按钮后，在峰下单击加一个峰，右击去除峰标记计算机自动寻峰，并标注d值试试右下角这些按钮，看看它们的作用左键点击S/M，直接进入物相检索窗口右键点击S/M，进入物相检索窗口在你认为存在的物相前的方框上点上勾，表示该物相存在物相检索完成后，返回主窗口按钮右击打印机图标，进入图形输出窗口左键点击S/M，进入物相检索窗口物相分析物相分析点阵常数的精确测定点阵常数的精确测定 晶粒尺寸和点阵畸变的晶粒尺寸和点阵畸变的测定测定定量分析定量分析 X X射线

15、衍射分析应用射线衍射分析应用取向分析取向分析（1）原理和方法：待测物的衍射角和）原理和方法：待测物的衍射角和I/I1与参比谱比较与参比谱比较（2）参比谱集）参比谱集 Powder Diffraction File(PDF) JCPDS-International Centre for Diffraction Data (ICDD) (Joint Committee of Powder Diffraction Standard国际粉末国际粉末衍射委员会衍射委员会) 中科院贵阳地化所中科院贵阳地化所“矿物矿物X射线粉晶鉴定手册射线粉晶鉴定手册” 辽宁地质局辽宁地质局“矿物矿物X射线鉴定表射线鉴定表

16、” 北京钢铁总院北京钢铁总院“钢和合金中常见相钢和合金中常见相X射线鉴定手册射线鉴定手册” 文献数据文献数据 自制标准自制标准应用：应用：物态判断：晶态非晶态物态判断：晶态非晶态 药物多相态：药物多相态：巴比妥类药物及甾体类药物有巴比妥类药物及甾体类药物有70%70%，磺胺类药物的，磺胺类药物的40%40%磺胺磺胺55甲氧嘧啶，一种为无定形、二种为水合物、三种甲氧嘧啶，一种为无定形、二种为水合物、三种为晶态为晶态 不同相态的药物，有的药性相近，有的完全不同：不同相态的药物，有的药性相近，有的完全不同：氯霉素，其氯霉素，其A A型是无效的，型是无效的，B B型有效型有效两种不同晶型阿斯匹林两种不

17、同晶型阿斯匹林, ,血清中水杨酸盐浓度血清中水杨酸盐浓度IIII型大型大 于于I I型型磺胺磺胺55甲氧嘧啶在研磨时会转变为甲氧嘧啶在研磨时会转变为IVIV型型u常用于相图的固态溶解度曲线的常用于相图的固态溶解度曲线的测定。测定。u点阵常数是晶体物质的基本结构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、测定热膨胀系溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。数等方面都得到了应用。应用：应用：u 固溶体组成固溶体组成u 分子筛硅铝比的测定分子筛硅铝比的测定u 离子交换机构的研究离

18、子交换机构的研究u 应变和应力的测定应变和应力的测定 根据谱图衍射峰强度可使用外标法、内标法或无标法进根据谱图衍射峰强度可使用外标法、内标法或无标法进行样品结晶度或某物质含量的分析。行样品结晶度或某物质含量的分析。u外标法：外标法：以纯的待测相作为外标；以纯的待测相作为外标；u内标法：内标法：将某种待测样品中不包含的参比物质加到待测样将某种待测样品中不包含的参比物质加到待测样中，从此混合样衍射图上待测相的衍射线强度与参比物质中，从此混合样衍射图上待测相的衍射线强度与参比物质衍射线强度的比值来求待测相含量；衍射线强度的比值来求待测相含量；u无标法：无标法：需同时有若干个成分相同、但组成量不同的样

19、品需同时有若干个成分相同、但组成量不同的样品才能使用。才能使用。u结晶度的测定：结晶度的测定：高聚物的结晶度为各结晶峰积分强度之和高聚物的结晶度为各结晶峰积分强度之和与总积分强度之比与总积分强度之比, ,关键是正确得出非晶散射曲线关键是正确得出非晶散射曲线u在考古研究中推测陶器的产地：在考古研究中推测陶器的产地：江苏新沂县花厅出土了两江苏新沂县花厅出土了两类陶器，一类属大汶口文化，而另一类属良渚文化。刘方类陶器，一类属大汶口文化，而另一类属良渚文化。刘方新等利用新等利用X X射线衍射增量法对这两类陶器中的钠长石和钾射线衍射增量法对这两类陶器中的钠长石和钾长石进行了定量分析。良渚风格陶器中的长石

20、含量明显低长石进行了定量分析。良渚风格陶器中的长石含量明显低于大汶口风格陶器中的长石含量。说明此种陶器来自外地，于大汶口风格陶器中的长石含量。说明此种陶器来自外地，似对似对“战争掠夺战争掠夺”论有利论有利u 若多晶材料的晶粒无畸变、足够大，理论上其粉末若多晶材料的晶粒无畸变、足够大，理论上其粉末衍射花样的谱线应特别锋利，但在实际实验中，这种衍射花样的谱线应特别锋利，但在实际实验中，这种谱线无法看到。谱线无法看到。u 这是因为仪器因素和物理因素等的综合影响，使纯这是因为仪器因素和物理因素等的综合影响，使纯衍射谱线增宽了。纯谱线的形状和宽度由试样的平均衍射谱线增宽了。纯谱线的形状和宽度由试样的平均

21、晶粒尺寸、尺寸分布以及晶体点阵中的主要缺陷决定，晶粒尺寸、尺寸分布以及晶体点阵中的主要缺陷决定，故对线形作适当分析，原则上可以得到上述影响因素故对线形作适当分析，原则上可以得到上述影响因素的性质和尺度等方面的信息。的性质和尺度等方面的信息。 （1 1）晶粒细化）晶粒细化晶粒越小，衍射线形就越宽晶粒越小，衍射线形就越宽（2 2）残余应力与点阵畸变）残余应力与点阵畸变均匀的畸变，则衍射线位置会发生位移均匀的畸变，则衍射线位置会发生位移不均匀的畸变使线形加宽不均匀的畸变使线形加宽 钢的表面氮化：钢的表面氮化： 可以大大提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳寿命可以大大提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳寿命表面氮化时会生成表面氮化时会生成 相，含氮量在相，含氮量在811%811%之间。多余的之间。多余的N N向向 相周围相周围的的 相扩散，使相扩散，使N N的分布浓度不均匀，引起微观应变。的分布浓度不均匀，引起微观应变。 陶瓷与金属的焊接：陶瓷与金属的焊接：