1、X射线衍射仪及其应用简介,覃 事 栋 博 士吉首大学化学化工学院201012,仪器分析实验2010冬,X射线衍射仪是对物质和材料的组成和原子级结构进行研究和鉴定的基本手段,其最常用的目的如下1. 确定物质和材料中各种化合物的各种原子的排列。 研究材料和物质的一些特殊性质与其原子排列的关系。2. 确定物质和材料含有哪些化合物(物相)。3. 确定各种化合物(物相)的百分比。4. 测定纳米材料的晶粒大小、材料中的应力、织构、取向度、结晶度等等。,仪器分析实验2006秋季,绝大多数自然科学和技术科学都离不开物质和材料, 因此, 其应用领域极其广泛。 由于物质和材料的性能和功能都取决于其组成和结构, 特
2、别是高新技术科学中材料的原子尺度级别的结构极其重要, 可以说起着决定性的作用, 因此X射线衍射仪在自然科学和技术科学中都是非常重要的、绝对不能缺少的仪器。 中科院物理所X射线衍射仪10台以上, 北大化学系近10台衍射仪, 清华材料中心X衍射室7台衍射仪。一台进口衍射仪: 1030万美元, 而这些衍射仪都运行效率很高。,仪器分析实验2006秋季,X射线被发现以来, 对现代科学和技术起了极大的推动作用, 历史上,从发现X射线、发现X射线衍射、到应用X射线衍射解决物理、化学、生命、医学等方面的问题, 有10余次诺贝尔奖。 如DNA结构的确定、青霉素的发明、各种矿物的确定、都主要依靠X射线衍射。又如超
3、导材料为什么会有超导性必须用它从其原子排列进行研究；生物分子、高分子材料、各种人造晶体和药物的的结构必须用它来分析、制作集成电路的单晶硅片的质量只有用它来检查。纳米材料也必须用它来研究。,仪器分析实验2006秋季,在技术工业上,它也是必须和大量使用的。钢铁、水泥、陶瓷、医药、地质(石油)、化工等研究和生产单位全都离不开它。因为这些材料的性能都取决于它们的物相(化合物)组成。我国目前只有少量国有大企业才配备有X射线衍射仪, 水泥、医药、陶瓷等企业还基本没有配备。而国外是上述行业的厂、甚至连大一些的食品企业都配备有衍射仪。据粗略统计,我国目前在用的衍射仪总数(约1200台); 国外厂商说还不到日本
4、的1/5。,仪器分析实验2006秋季,在大学和研究单位中,下述这些系(或学科)都必须大量或经常使用衍射仪:材料(无论是钢铁、陶瓷、建材、半导体、高分子等或其他材料)、物理、化学、生物、化工、地质、核能、微电子、机械、环境、医药等。尤其是在材料、物理、化学化工、生物几个学科中, X射线衍射仪和电子显微镜是使用量最大的两种大型分析仪器。,仪器分析实验2006秋季,晶体: 原子在三维空间中长程有序排列晶胞: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 , , 按排列规律可分为7种晶系, 14种点阵，230种空间群大部分种类的物质是晶体,晶体点阵,仪器分析实验2006秋
5、季,X射线的产生,X 射线发生器I. 电子束撞击到物质上产生X射线：常规X射线发生器封闭式X射线管(2kW)旋转靶式X射线管(620kW, 加强冷却, 提高X射线强度) 谱特征：连续谱靶物质元素的特征谱. 特征谱的波长固定, 不能连续调节.,仪器分析实验2006秋季,II.电子束改变运动方向产生X射线：同步辐射(电子加速器储存环） 北京同步辐射国家实验室 合肥同步辐射实验室谱线特征: 连续谱。高平行度, 偏振需要单色射线时, 用反射镜晶体单色器从连续谱中取出所需要的波长的单色X射线, 因此可以随意调节单色X射线的波长强的同步辐射的强度可达常规发生器的上千倍.,仪器分析实验2006秋季,X射线管
6、示意图,聚焦杯,真空,灯丝,玻璃,靶,鈹窗,铜,电子束,冷却水,X光,X光,接高压电源和灯丝电源,最常用靶材为Cu其他有 Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ag, W 等衍射用封闭式X射线管的功率约为 2kW(受靶材料熔点、导热和冷却条件限制),仪器分析实验2006秋季,X射线产生示意图,电子束激发靶原子的内层电子,外层电子跃迁至内层,发射出X射线靶接地, 灯丝为负高压.电子束轰击到靶上,产生X射线.X射线穿过对X射线吸收系数很小的铍窗射出.采用与靶面成312度角出射的X射线靶材料的原子序数愈大,X射线波长愈短,能量愈大,穿透能力愈强,仪器分析实验2006秋季,X射线光谱,连续谱的最短波
7、长随X光管的电压升高而减小, 特征谱的波长是固定的。只有在X光管的电压高于激发电压时才产生.粉末(多晶)衍射使用特征谱常用的是Cu靶的K 谱线, K 谱线一般无用, 要用单色器过滤掉. K2谱线无用, 在分辨率要求很高时需使用入射K1单色器把它过滤掉.Cu K 平均波长：1.5418Cu K 1波长：1.54060Mo K 波长：0.707,仪器分析实验2006秋季,晶体点阵衍射示意图,当X射线照射到晶体上时, 每个原子都散射X 射线。 各原子散射的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。如左图: 产生衍射的条件是两层的光程差是波长的整数
8、倍. n = 2d hkl sin 布拉格公式 n：衍射的级(正整数）,晶体: 原子的三维长程有序排列对X射线, 晶体相当于三维光栅,仪器分析实验2006秋季,晶体点阵衍射示意图,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, 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, 构成不同, 衍射也不同,实际晶体是三维的阵点排列, 衍射也在三维空间产生.,仪器分析实验2006秋季,多晶体衍射及衍射锥,一个晶粒的某 (h k l ) 晶面所处方位正好符合布拉格公式, 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
9、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,仪器分析实验2006秋季,若一个探测器沿赤道转动, 当转到该2 角度时, 就可以探测到此衍射线.,仪器分析实验2006秋季,NaCl 的粉末衍射仪图谱(Cu K),仪器分析实验2006秋季,接收狭缝,接收狭缝,入射X射线,衍射X射线,样品作转动,样品,衍射Soller狭缝,样品驱动机构,衍射Soller，接收狭缝，探测器和单色器作 2 转动,2 0,探测器高、低压电源,单色器,前置放大器,水冷却系统,主放大器,脉冲高度分析器,控制和数据处理计算机,2 和 驱动系统,数据 / 图
10、形输出设备,入射Soller狭缝,发散狭缝,粉末衍射仪系统示意图,实际上计算机还可控制发散狭缝、单色器等,稳定的：直流高压灯丝电源聚焦偏压,X光管,平样品，对称衍射：当样品平面平行于入射X射线时，探测器与接收狭缝处在2 零度。然后样品以S速度绕衍射仪轴转动，同时探测器与接收狭缝以2S速度转动，依次探测记录各晶面的衍射线。这样记录下来的是那些其 h k l 晶面平行于样品表面的晶粒的衍射线,Y2000型X射线衍射仪结构示意图,E: 高速电子流 T： 阳极靶F、S：索拉狭缝DS： 防发散狭缝Y： 样品YT： 样品台B： 滤波片SS： 防散射狭缝RS： 接收狭缝D： 闪烁记数器,仪器分析实验2006秋季,试样台的三视图,仪器分析实验2006秋季,测角仪圆与聚焦圆,仪器分析实验2006秋季,
