（XRD）X-射线衍射仪的应用

（XRD）X-射线衍射仪的应用 X射线衍射仪的应用 X-Ray Diffractometer 武汉理工大学材料学院 张海梁 主要功能: 1、物相定性定量分析 2、精确测定点阵常数 3、晶粒大小及晶格畸变测定 4、结晶度测定等 一、X-Ray 理论基础 连续X射线谱, X射线谱,,特征X射线谱, (1)连续X射线谱:任何高速带电粒子突然减速时，都会产生电磁辐射。在X射线管中，高能电子撞击阳极靶时，电子的部分能量转化为电磁辐射——X射线，从而(由大量电子的作用整体结果)构成了连续X射线谱。 chch,,eV 即 ,, (式中:,,0~1)eV,, (2)特征X射线谱:(标识X射线谱)阳极靶材原子的核外电子受阴极高能电子的撞击从而激发形成空位，外层高能态电子跃迁到低能态空位从而释放能量——标识X射线。核外各层电子的标识X射线共同构成特征X射线谱。 二、XRD 工作原理 X射线是一种波长很短(约为20,0.06?)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶材元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征(或标识)X射线。 考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离(0.3-几nm)相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见:晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。通过分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。 1913年英国物理学家布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上，成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式??布喇格定律: 2dsin,,n, 当X射线以掠角θ (入射角的余角) 入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时，在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布喇格定律简洁直观地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品，可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布喇格条件的反射面得到反射，测出 θ 后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度，还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中，所用单晶样品保持固定不变动(即θ不变)，以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布喇格条件，故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向 θ 后，便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术。 X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构、织构及应力，精确的进行物相分析的定性分析和定量分析。广泛应用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教学，材料生产等领域。 三、XRD 基本结构 1、X射线管 (定靶型)前者最大功率2.5KW，(转靶型)后者在10KW以上。 X射线管工作时阴极接负高压，阳极接地。灯丝附近装有控制栅，使灯丝发出的热电子在电 场的作用下聚焦轰击到靶面上。阳极靶面上受电子束轰击的焦点便成为X射线源，向四周发射X射线。在阳极一端的金属管壁上一般开有四个射线出射窗口。 密封式X射线管管内真空度达10-5,10-6乇，窗口材料用Be片(厚0.25,0.3mm)。 转靶X射线管采用机械泵+分子泵二级真空泵系统保持管内真空度，阳极以极快的速度转动，使电子轰击面不断改变，即不断改变发热点，从而达到提高功率的目的。 2、测角仪和光路系统 3、其它 (1)实验室条件: 室内温度保持恒定在20C，室内相对湿度保持在70%以下。 (2)真空系统: 打开电源，按下Pump面板上的START按钮，启动真空系统，实验要求真空度在10-5托或更高。 (3)冷却系统: 采用循环水冷却系统，开机时打开循环水开启开关。 (4)安全保护电路: 冷却水保护电路——冷却水流量不足时，将自动断开X射线发生器的电源，以免X射线管受到损坏;功率过载保护电路——当管子的运行功率超过设定值时，自动切断X射线发生器的电源;KV过低和KV过高保护电路——当管压低于10KV或超过设定限制时，自动切断X射线发生器的电源;门(door)保护——开/关门时自动切断高压电源。 四、XRD 类型与应用 X射线单晶衍射仪,XRD, ,X射线粉末衍射仪, 定性分析,,XRD, ,,定量分析,, 连续扫描,,XRD,工作方式 ,,步进扫描,, 五、XRD样品制备 1、粉状样品 要求:样品粒度小于300~350目 制备:用药勺取0.5~1g 样粉放入专用玻璃片凹槽内，用毛玻璃片轻压样粉，使之充满凹槽，轻轻刮去多余的样粉，使凹槽内样粉表面与专用玻璃片表面齐平。 2、块状样品 要求:表面尺寸不得大于15mm*18mm，表面(被照射面)采用金相水磨砂纸磨平，无应力和织构。 制备:取铝样品架正面朝下(正面左上角有白点，反面下端有两道擦痕)放在平析玻璃上，取制好的块状样品放入样品架的样品框内，同样正面朝下。取少量橡胶泥搓成长2cm的长条，放在样品架上，在橡皮条的两端与样品背面轻压，使样品固定在样品架上，注意不要太用力，否则橡胶泥突出到样品表面，造成多余的衍射线条。 六、XRD操作 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 1、XRD 操作步骤 (1)开机 1)打开冷却水龙头，观察水的流量; 2)合上衍射仪总电闸; 3)拉开衍射仪前面板，打开下部的总电源; 4)按测角仪电源开关，启动水循环泵，日光灯亮; 5)视具体情况，在微机上编好测试程序; 6)将待测样插入样品架内，关好防护罩; 7)开高压电源，交替升高电压和电流，但不能超过X光管的额定功率; 8)执行程序，仪器自动测量。 (2)关机 1)交替降电流和电压至最小值，切断电压电源。(关KV/mA:测量完成后，还原XG controler窗口，点下 X-Ray，使之变成灰色，X射线发生器自动降下高压，并关闭高压发生器。) 2)30min 后关测角仪电源，停止供水。(关Power和真空系统:关闭高压后，继续保持循环水冷却30min后，可点下Power，并关闭循环水;关闭Power10min后，可按下X射线衍射仪前面板上Pump板上的STOP按钮，系统先使分子泵减速，然后自动关闭真空系统。) 3)取出试样，关微机电源，关衍射仪下部电源。(关电源:关闭真空系统30min后，可关闭全部电源。电源包括循环水开关、衍射仪后面板上的三相主机源开关、衍射仪后面板上的单相控制电源开关、靠窗墙上的单相和三相空气开关、电源控制柜内的三相主电源开关。) 4)关总电闸和冷却水。 5)关机时必须完全按操作步骤和时间间隔完成，任何误操作都可能引起意想不到的伤人事故或设备事故发生。 (3)故障 如发现异常，应立即停机、查明原因。 2、XRD 测试软件操作 (不同厂家的XRD在软件操作上可能不同) (1)XG的控制 (2)XG’Ageing (老练) (3)常规测量程序 (4)测量条件选择 (5)数据保存设置 (6)执行测量 七、XRD定性分析 XRD定性分析软件 (0)XRD分析软件比较 1. Pcpdgwin 它是在衍射图谱标定以后，按照d值检索。一般可以有限定元素、按照三强线、结合法等方法。所检索出的卡片多时候不对。一张复杂的衍射谱有时候一天也搞不定。 2. search match 可以实现和原始实验数据的直接对接，可以自动或手动标定衍射峰的位置，对于一般的图都能很好的应付。而且有几个小工具使用很方便。如放大功能、十字定位线、坐标指示按钮、网格线条等。最重要的是它有自动检索功能。可以帮你很方便的检索出你要找的物相。也可以进行各种限定以缩小检索范围。如果你对于你的材料较为熟悉的话，对于一张含有4，5相的图谱，检索也就3分钟。效率很高。而且它还有自动生成实验报告的功能～ 3. high score 几乎search match中所有的功能，highscore都具备，而且它比searchmatch更实用。(1)它可以调用的数据 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 更多。(2)窗口设置更人性化，用户可以自己选择。(3)谱线位置的显示方式，可以让你更直接地看到检索的情况。(4)手动加峰或减峰更加方便。(5)可以对衍射图进行平滑等操作，是图更漂亮。(6)可以更改原始数据的步长、起始角度等参数。(7)可以进行0点的校正。(8)可以对峰的外形进行校正。(9)可以进行半定量分析。(10)物相检索更加方便，检索方式更多。(11)可以编写批处理命令，对于同一系列的衍射图，一键搞定。 4.jade 和highscore相比自动检索功能少差，但它有比之更多的功能。(1)它可以进行衍射峰的指标化。(2)进行晶格参数的计算。(3)根据标样对晶格参数进行校正。(4)轻松计算峰的面积、质心。(5)出图更加方便，你可以在图上进行更加随意的编辑。 4、Jade操作(简版) (1)启动Jade打开计算机，双击桌面上的Jade图标，进入Jade窗口。 说明:衍射数据在测量时保存在网络驱动器I盘(或K盘)中，数据格式为RAW(衍射测量数据二进制格式)程序有较多与衍射仪有关的参数设置，已由设备管理人通过具体测量并设置好，任何实验操作者的重新设置都可能使分析结果不准确或完全不正确。 (2)Jade 的主窗口 (3)打开测量文件 (4)图谱平滑 (5)扣除背后底 (6)扣除Kα2 (7)寻峰 (8)其它功能 (9)物相检索 (10)检索结果输出 八、XRD定量分析 1、测试原理及方法 X射线物相定量分析的任务是根据混合样中各物质的衍射线的强度来确定各相物质的相对含 量。 从衍射线强度理论可知，多相混合物中某一相的衍射强度随该相的相对含量的增加而增加。 但由于试样的吸收等因素的影响，一般来说某相的衍射线强度与其相对含量并不成线性正比关系。 如果我们用实验测量或理论分析等办法确定了该关系曲线，就可以从实验测得的强度算出该相的 相对含量，这是定量分析的依据。 基本公式: I,cw/,,jjjjm I式中:------混合物中j相某衍射线强度; j w -----混合物中j相质量百分数; j c ------与j相有关的常数; j , ------j相的密度; j , -----混合物的质量吸收系数。 m 直接对比法， ,外标法,分析方法 ,内标法 , K值法,，(1)K值法: I1wjsx,,,j jkwIsos式中:j--------待测相(如ZnO); S--------参考相(Al2O3); x -----待测样中j相的含量; j jk -----j相与参考相s质量比为1:1的衍射强度比; s II 、------分别是复合样中j相和s相的衍射强度; js w 、 w -------分别是复合样中参考相s和待测样的质量。(一般取1:4) so 依据公式可知: 1) 实验前需准备3种样品:纯的参考相s、纯的j相、待测样; 2) 实验前需制备2个样片:s相与j相的质量比为1:1的混合样，s相与待测样的(质量 比为1:4)复合样。 参考相s的选择要求: 1)要有稳定的物理化学性质，且不与待测样中各成分发生反应; 2)参考相s与待测相j的衍射峰相互间尽量不重叠，且与待测样中其他物相的衍射峰尽量不 重叠; 3)其他。 分析线的选则要求: 孤、强、近、真 K值法的缺点: 1)纯的j相很难得到; 2)样品必须使粉末状; 3)每次测试只能分析待测样中某一种物相; 4)其他。 2、测试过程与操作 (1)制样 样品粉末细度为5~10um ;混合样品需在玛瑙研钵中进行，且必须混合均匀。 (2)测复合样衍射花样 先在大的角度范围内测试，得到复合样的衍射花样图谱。 (3)选择分析线 根据复合样的衍射花样图谱选择合适的分析线，并确定测试的角度范围。 (4)强度测试 分别对复合样和混合样在所选择的测试角度范围内进行慢速扫描测试，得到衍射花样图谱; 根据衍射图谱分别计算衍射峰的面积。 (5)数据记录和处理。 九、XRD思考题(部分) 1、X光管是如何产生X射线的,转靶有什么意义, 2、测角仪通过怎样的转动来获得X射线衍射谱,如果不转动，结果如何, 3、实验前要做哪些准备工作,为什么, 4、实验后的关机工作是按什么步骤进行的,为什么,实验后如果要关机，应当至少预留多少关机 时间, 5、如果机器关闭了一段时间，能立即进行实验吗,为什么, 6、为什么合金经不同均匀化处理后的物相组成会不相同, 7、在TEM下观察，发现经450C/12h均匀化的铸锭晶粒中存在大量的Al3Zr粒子，为什么在XRD分析中，没有发现该种物相, 8、Cu以及其它的合金元素到哪里去了,你认为它们的存在形式会对Al基体的结构造成什么变化,