材料分析方法4 X射线衍射实验方法

1、1材料学院教师：孙继兵2多晶体粉未法多晶体粉未法n粉未法是由德国的粉未法是由德国的Debye和和Scherrer于于1916年提出的。年提出的。 n粉未法可以分为粉未法可以分为照相法照相法和和衍射仪法衍射仪法n照相法照相法中根据中根据试样和底片的相对位置不同试样和底片的相对位置不同可以分为三种：可以分为三种：n（1）德拜一谢乐法（）德拜一谢乐法（Debye-scherrer method），底片位于），底片位于相机圆筒内表面，试样位于中心轴上。是晶体衍射分析中最相机圆筒内表面，试样位于中心轴上。是晶体衍射分析中最基本的方法基本的方法 。n（2）聚焦照相法（）聚焦照相法（focusing met

2、hed），底片、试样、），底片、试样、X射线射线源均位于圆周上；源均位于圆周上；n（3）针孔法（）针孔法（pinhole method），底片为平板形与），底片为平板形与X射线束射线束垂直放置，试样放在二者之间适当位置。垂直放置，试样放在二者之间适当位置。 n所有的衍射法其衍射束均在反射圆锥面上，圆锥的轴为入射所有的衍射法其衍射束均在反射圆锥面上，圆锥的轴为入射束。束。 材料学院教师：孙继兵3多晶体粉末法多晶体粉末法n第一节粉末照相法第一节粉末照相法n第二节第二节X射线衍射仪射线衍射仪材料学院教师：孙继兵4第一节粉末照相法第一节粉末照相法 n一、德拜法及德拜相机一、德拜法及德拜相机n二、试样的

3、要求二、试样的要求 n三、德拜照相法试样制备三、德拜照相法试样制备n四、底片的安装四、底片的安装 n五、摄照规程的选择五、摄照规程的选择n六、衍射花样的测量和计算六、衍射花样的测量和计算 n七、相机的分辨本领七、相机的分辨本领材料学院教师：孙继兵5一、德拜法及德拜相机一、德拜法及德拜相机材料学院教师：孙继兵6德拜相机工作原理德拜相机工作原理n 从从X射线管窗口射出的射线管窗口射出的X射线先经过射线先经过滤光片滤光片，然后进入，然后进入光阑光阑(准准直管直管)的小孔中，以获得一小束单色平行的的小孔中，以获得一小束单色平行的X射线。射线。n照射试样后的贯穿照射试样后的贯穿X射线进入射线进入承光管承

4、光管，承光管内有，承光管内有荧光屏荧光屏及及铅铅玻璃玻璃，通过它可以观察，通过它可以观察X射线照射试样的情况。射线照射试样的情况。n光阑与承光管的外径应尽可能小，端部要设计成锥形，光阑与承光管的外径应尽可能小，端部要设计成锥形，光阑的光阑的内径尺寸内径尺寸为为0.2-1.2mm。n试样试样用胶泥粘在试样杆上。在安装试样后，可通过光阑前配置用胶泥粘在试样杆上。在安装试样后，可通过光阑前配置的的放大镜放大镜观察，并用观察，并用调整螺丝调整螺丝调节调节偏心轮偏心轮的位置，以使试样与的位置，以使试样与相机轴线同心。相机轴线同心。n摄照时，取下放大镜并用摄照时，取下放大镜并用电机电机带功带功槽轮槽轮转动

5、试样。以增加反射转动试样。以增加反射X射线的微晶数目，使衍射线条更均匀，并缩短曝光时间。射线的微晶数目，使衍射线条更均匀，并缩短曝光时间。n底片底片就围在相机身的圆柱腔内。就围在相机身的圆柱腔内。材料学院教师：孙继兵7德拜相机直径德拜相机直径n德拜相机直径为德拜相机直径为57.3mm或或114.6mm。n目的是：目的是：n当相机直径为当相机直径为57.3mm时，其上周长为时，其上周长为180mm，因为圆心角为因为圆心角为360 ，所以底片上每一毫米长，所以底片上每一毫米长度对应度对应2 圆心角；圆心角；n当相机直径是当相机直径是114.6mm时，底片上每一毫米对时，底片上每一毫米对应应1 圆心

6、角，这样做完全是为了简化衍射花圆心角，这样做完全是为了简化衍射花样计算公式。样计算公式。材料学院教师：孙继兵8材料学院教师：孙继兵9材料学院教师：孙继兵10材料学院教师：孙继兵11二、试样的要求二、试样的要求 n常用试样为圆柱形的粉未集合体或多晶体的细棒。常用试样为圆柱形的粉未集合体或多晶体的细棒。n圆柱直径一般为圆柱直径一般为0.5mm左右。左右。n大块的金属或合金可以用挫刀挫成粉末。对脆性样品也可先将其打碎，大块的金属或合金可以用挫刀挫成粉末。对脆性样品也可先将其打碎，然后在玛瑙研钵中研磨而成。然后在玛瑙研钵中研磨而成。n粉未粒度粉未粒度250325目。当粉未颗粒过大（大于目。当粉未颗粒过

7、大（大于103cm）时，参加衍射的）时，参加衍射的晶粒数减少，衍射线条不连续；粉未过细（小于晶粒数减少，衍射线条不连续；粉未过细（小于10-5cm）时，衍射线条）时，衍射线条变宽。变宽。n在筛选两相以上的合金粉未时，反复过筛，让全部粉未通过，因为合金在筛选两相以上的合金粉未时，反复过筛，让全部粉未通过，因为合金中各相的脆性不同，较脆的相较容易碾碎，先通过筛孔，而那些韧性相中各相的脆性不同，较脆的相较容易碾碎，先通过筛孔，而那些韧性相尚未通过。尚未通过。n采用挫削或辗磨等机械方法得到的粉未具有很大的内应力，将导致衍射采用挫削或辗磨等机械方法得到的粉未具有很大的内应力，将导致衍射线条变宽，必须在真

8、空或保护性气氛中退火以消除内应力。线条变宽，必须在真空或保护性气氛中退火以消除内应力。n对合金中很微量的相分析时，则要用电解萃取等方法将这些相单独分离对合金中很微量的相分析时，则要用电解萃取等方法将这些相单独分离出来。出来。材料学院教师：孙继兵12三、德拜照相法试样制备三、德拜照相法试样制备n 将粉未处理好之后，制成直径为将粉未处理好之后，制成直径为0.5mm，长，长10mm左右的圆柱试样。左右的圆柱试样。制备圆柱试样的方法很多，其中常用的方法有以下几种：制备圆柱试样的方法很多，其中常用的方法有以下几种：n 1）在很细的玻璃丝（最好是硼酸锂铍玻璃丝）上涂一薄层胶水）在很细的玻璃丝（最好是硼酸锂

9、铍玻璃丝）上涂一薄层胶水等粘结剂，然后在粉未中滚动，做成粗细均匀的圆柱试样。等粘结剂，然后在粉未中滚动，做成粗细均匀的圆柱试样。n 2）将粉未填充在硼酸锂铍玻璃、醋酸纤维（或硝酸纤维）或石）将粉未填充在硼酸锂铍玻璃、醋酸纤维（或硝酸纤维）或石英等制成的毛细管中制成所需尺寸的试样。其中石英毛细管可用英等制成的毛细管中制成所需尺寸的试样。其中石英毛细管可用于高温照相。于高温照相。n 3）将粉未用胶水调好填入金属毛细管中，然后用金属细棒将粉）将粉未用胶水调好填入金属毛细管中，然后用金属细棒将粉未推出未推出23mm长，作为摄照试样，余下部分连同金属毛细管一起长，作为摄照试样，余下部分连同金属毛细管一起

10、作为支承柱，以便往试样台上安装。作为支承柱，以便往试样台上安装。n 4）金属细棒可以直接用来做试样。但由于拉丝时产生择优取向，）金属细棒可以直接用来做试样。但由于拉丝时产生择优取向，因此衍射线条往往是不连续的。因此衍射线条往往是不连续的。材料学院教师：孙继兵13四、底片的安装四、底片的安装 n德拜相机采用长条底片。安装时应将底片紧靠相机内壁，并用德拜相机采用长条底片。安装时应将底片紧靠相机内壁，并用压紧装置使底片固定不动。底片的安装方式根据圆筒底片开口压紧装置使底片固定不动。底片的安装方式根据圆筒底片开口处所在位置的不同，可分为三种：处所在位置的不同，可分为三种： n1）正装法：）正装法： X

11、射线从底片接口处入射，照射试样后从中心孔射线从底片接口处入射，照射试样后从中心孔穿出。这样，低角的弧线接近中心孔，高角线则靠近端部。由穿出。这样，低角的弧线接近中心孔，高角线则靠近端部。由于高角线有较高的分辨本领，有时能将双线分开。于高角线有较高的分辨本领，有时能将双线分开。n特点：正装法的几何关系和计算均较简单，常用于物相分析等特点：正装法的几何关系和计算均较简单，常用于物相分析等工作。工作。材料学院教师：孙继兵14反装法反装法n2）反装法：）反装法： X射线从底片中心孔射入，从底片接口处穿出。射线从底片中心孔射入，从底片接口处穿出。高角线条集中于孔眼附近，衍射线中除角极高的部分被光阑高角线

12、条集中于孔眼附近，衍射线中除角极高的部分被光阑遮挡外，其余几乎全能记录下来。遮挡外，其余几乎全能记录下来。n特点：高角线弧对间距较小，由底片收缩造成的误差也较小，特点：高角线弧对间距较小，由底片收缩造成的误差也较小，故适用于点阵常数的测定。故适用于点阵常数的测定。 材料学院教师：孙继兵15不对称装法不对称装法n3）偏装法（不对称装法）偏装法（不对称装法）：底片上有两个孔，分别对装在光：底片上有两个孔，分别对装在光阑和承光管的位置，阑和承光管的位置，X射线先后从这两个孔中通过，衍射线射线先后从这两个孔中通过，衍射线条形成进出光孔的两组弧对。条形成进出光孔的两组弧对。n特点：特点：具有反装法的优点

13、，其外还可以直接由底片上测算出具有反装法的优点，其外还可以直接由底片上测算出真实的圆周长，因此，消除了由于底片收缩、试样偏心以及真实的圆周长，因此，消除了由于底片收缩、试样偏心以及相机半径不准确所产生的误差。这是当时较常用的方法。相机半径不准确所产生的误差。这是当时较常用的方法。材料学院教师：孙继兵16五、摄照规程的选择五、摄照规程的选择n选择阳极靶和滤波片。选择阳极靶和滤波片。1）选择）选择阳极和滤波片阳极和滤波片必须必须同时兼顾。同时兼顾。应先根据试样选择阳极，再根据阳极选择滤波片。如拍摄钢铁应先根据试样选择阳极，再根据阳极选择滤波片。如拍摄钢铁材料，可选用材料，可选用Cr、Fe或或Co靶

14、，与此对应，必须选择靶，与此对应，必须选择V、Mn及及Fe滤波片等等。滤波片等等。2）如）如试样由多种元素试样由多种元素组成，应考虑主要元素，组成，应考虑主要元素，仍尽可能兼顾次要元素。例如高速钢仍尽可能兼顾次要元素。例如高速钢W18Cr4V，因，因Fe-Ka线能线能强烈激发强烈激发Cr、V元素，故选用元素，故选用Cr靶较好。靶较好。3）在照射）在照射轻元素轻元素如如Al、Mg等时，可选用较重元素的阳极如等时，可选用较重元素的阳极如Cu靶、靶、Mo靶等，所激靶等，所激发出的二次射线可用置于底片前的发出的二次射线可用置于底片前的Al箔过滤掉。箔过滤掉。n选择合适的管压和管电流。选择合适的管压和管

15、电流。实验证明，当管压为阳极元素实验证明，当管压为阳极元素K系系临界激发电压的临界激发电压的35倍时，特征谱与连续谱的强度比可达最佳倍时，特征谱与连续谱的强度比可达最佳值；值；X射线管的额定功率除以管压便是许用的最大管流。射线管的额定功率除以管压便是许用的最大管流。n掌握曝光时间参数掌握曝光时间参数材料学院教师：孙继兵17六、衍射花样的测量和计算六、衍射花样的测量和计算 n测量衍射弧对间距测量衍射弧对间距2L与与2Ln则则R为相机半径，即圆筒底片的曲率半径为相机半径，即圆筒底片的曲率半径 q q用角度表示，则用角度表示，则得到得到RL43 .572q 当相机的直径当相机的直径2R57.3mm时

16、，时，q q2L/2；当相机的直径；当相机的直径2R114.6mm时，时， q q2L4 材料学院教师：孙继兵18n对背射区，即对背射区，即2q q90 时时由于由于所以所以f f用角度表示时，则得用角度表示时，则得 当相机直径当相机直径2R57.3mm时，时， 当相机直径当相机直径2R114.6mm时时 材料学院教师：孙继兵19德拜相的计算德拜相的计算n (1)对各孤对标号：过底片中心对各孤对标号：过底片中心画画基准线，并对各弧对进行基准线，并对各弧对进行标号。从低角区起，按标号。从低角区起，按q q递增顺递增顺序标上序标上1-1，2-2 ，3-3等。等。n(2)测量有效周长测量有效周长C。

17、 须精确到须精确到0.1 mm。n(3)测量并计算弧对间距：测量测量并计算弧对间距：测量底片上全部弧对的距离如底片上全部弧对的距离如2Ll，2L2，2L3等。等。n(4)计算计算q qn(5)计算计算d n(6)估计各线条的相对强度值估计各线条的相对强度值I/I1n(7)查卡片查卡片n(8)标注衍射线指数标注衍射线指数材料学院教师：孙继兵20衍射花样的指标化衍射花样的指标化 对立方晶系，衍射方向对立方晶系，衍射方向 对同一试样中同一物相，由于对任何线条所反映的点阵参数对同一试样中同一物相，由于对任何线条所反映的点阵参数a和摄照条件和摄照条件l l均相同，所以可以考虑消掉均相同，所以可以考虑消掉

18、 a与与 l lq2sin把把都用都用 12sinq来除，得到来除，得到 其中其中N为整数为整数 按按 222lkh由小到大的顺序排列，并考虑到系统消光可以得到由小到大的顺序排列，并考虑到系统消光可以得到 材料学院教师：孙继兵21n简单立方点阵：简单立方点阵： 1：2：3：4：5：6：8：9 无无7，15，23，28，31n体心立方点阵，这一数列为体心立方点阵，这一数列为2：4：6：8：10：12：14：16：18，或者，或者1：2：3：4：5：6：7：8：9 n面心立方点阵的特征是面心立方点阵的特征是: 3:4:8:11:12:16:19:20:24:=l：1.33：2.67：3.67：4：

19、5.33：6.33：6.0：8。 材料学院教师：孙继兵22立方晶体前立方晶体前10条衍射线的干涉指数条衍射线的干涉指数 材料学院教师：孙继兵23Ka a与与Kb b的识别的识别n当同时有当同时有Ka a与与Kb b衍射线存在时，识别依据为衍射线存在时，识别依据为n1）l lKa l lKb b。 q qa a q qb b因为因为2）材料学院教师：孙继兵24识别简单立方与体心立方识别简单立方与体心立方n1）如果衍射线数目多于七根，则间隙比较均匀的是体心立方；）如果衍射线数目多于七根，则间隙比较均匀的是体心立方；而出现线条空缺的是简单立方。因为后者不可能出现指数平而出现线条空缺的是简单立方。因为

20、后者不可能出现指数平方和为方和为7，15，23，28，31等数值的线条。等数值的线条。n2）当衍射线数目较少时，可以头两根线的衍射强度判别。）当衍射线数目较少时，可以头两根线的衍射强度判别。n由于相邻线条的由于相邻线条的q角相差不大，多重性因素角相差不大，多重性因素P将起主导作用。将起主导作用。简单立方头两根线的指数为简单立方头两根线的指数为100及及110，而体心立方为，而体心立方为110与与200。而。而110与与200的的P6，110的的P12。故简单立方花样中。故简单立方花样中第二线较强；体心立方中第一线较强。第二线较强；体心立方中第一线较强。n3）利用结构因数知识减少错误。如简单立方

21、的）利用结构因数知识减少错误。如简单立方的HKL可为任可为任意整数；而体心立方的意整数；而体心立方的HKL偶数，面心立方的偶数，面心立方的HKL为为同性数等。同性数等。材料学院教师：孙继兵25七、相机的分辨本领七、相机的分辨本领n照相机的分辨本领：照相机的分辨本领：n1）当一定波长的）当一定波长的X射线照射到两个间距相近的晶面上时，射线照射到两个间距相近的晶面上时，用衍射花样中两条相邻线条的分离程度来定量表征；用衍射花样中两条相邻线条的分离程度来定量表征；n2）它表示晶面间距变化时引起衍射线条位置相对改变的灵）它表示晶面间距变化时引起衍射线条位置相对改变的灵敏程度。敏程度。 按照按照n面间距面

22、间距d发生微小改变值发生微小改变值 d，而在衍射花样中引起线条位置，而在衍射花样中引起线条位置的相对变化为的相对变化为 L，则相机的分辨本领，则相机的分辨本领 可以表示为可以表示为 或者或者 材料学院教师：孙继兵26n按照德拜相机的几何关系，按照德拜相机的几何关系，2L=R4q q故故n布拉格方程布拉格方程dn2sinlqn微分得到微分得到ddn22coslqqddqqqsincos得到得到得到得到材料学院教师：孙继兵27讨论讨论1）相机半径）相机半径R越大，分辨本领越高。越大，分辨本领越高。这是利用大直径相机的主要优点。但是相机直径的这是利用大直径相机的主要优点。但是相机直径的增大，会延长曝

23、光时间，并增加由空气散射而引起的衍增大，会延长曝光时间，并增加由空气散射而引起的衍射背影。射背影。 2）q q角越大，分辨本领越高。角越大，分辨本领越高。 所以衍射花样中所以衍射花样中高角度线条高角度线条的的 Ka1a1和和Ka2a2双线可明显的双线可明显的分开分开 材料学院教师：孙继兵28讨论讨论3）X射线的波长越长，分辨本领越高。射线的波长越长，分辨本领越高。所以为了提高相机的分辨本领，在条件允许的情况下，应尽所以为了提高相机的分辨本领，在条件允许的情况下，应尽量采用波长较长的量采用波长较长的X射线源。射线源。 4）面间距越大，分辨本领越低。）面间距越大，分辨本领越低。因此，在分析大晶胞的

24、试样时，应尽可能选用波长较长的因此，在分析大晶胞的试样时，应尽可能选用波长较长的X射线源，以便抵偿由于晶胞过大对分辨本领的不良影响。射线源，以便抵偿由于晶胞过大对分辨本领的不良影响。材料学院教师：孙继兵29第二节第二节X射线衍射仪射线衍射仪劳埃相机劳埃相机 德拜相机德拜相机 X射线衍射仪射线衍射仪 材料学院教师：孙继兵30材料学院教师：孙继兵31材料学院教师：孙继兵32材料学院教师：孙继兵33可用于金属、非金属、高分子、薄膜、半导体材料、催化剂等材料的定性、定量相分析相分析；可进行多晶薄膜、半导体材料的高分辨高分辨分析分析；用于金属、非金属、催化剂、半导体材料等的高温分析高温分析，测定温度从室

25、温到2300 2300 0 0C C；用于金属、非金属、催化剂、半导体材料等的低温分析低温分析，测定温度从-196 0C到450 0C；并能进行织构应力测定 价值：240万元2.2.2 Philips X射线衍射仪射线衍射仪材料学院教师：孙继兵34高分辨衍射仪高分辨衍射仪（D8-Discovre型，型，Bruker公司公司1999年产品）年产品）材料学院教师：孙继兵35X射线仪的基本组成射线仪的基本组成n一一. X射线发生器射线发生器n二、测角仪二、测角仪n三、三、X射线探测器射线探测器 n四、计数测量电路四、计数测量电路n五、衍射仪的测量方法与实验参数五、衍射仪的测量方法与实验参数 n六、控

26、制操作和运行软件的电子计六、控制操作和运行软件的电子计算机系统算机系统材料学院教师：孙继兵36 一一.X射射线线发发生生器器材料学院教师：孙继兵37 材料学院教师：孙继兵38二、测角仪二、测角仪n1、样品台、样品台H：位于测角位于测角仪中心，样品台的中心仪中心，样品台的中心轴轴O与测角仪的中心轴与测角仪的中心轴O垂直。平板状试样垂直。平板状试样C放放置于样品台上，要与中置于样品台上，要与中心重合，误差心重合，误差 0.1mm； n样品台既可以绕测角仪样品台既可以绕测角仪中心轴转动，又可以绕中心轴转动，又可以绕自身中心轴转动。自身中心轴转动。n高温、低温、多功能、高温、低温、多功能、织构织构n（

27、一）测角仪是（一）测角仪是X射线衍射仪的核心组成部分射线衍射仪的核心组成部分材料学院教师：孙继兵392、X射线源：射线源：X射线源是由射线源是由X射线管的靶射线管的靶T上的线状焦点上的线状焦点S发出的，发出的，S也垂直于纸面，位也垂直于纸面，位于以于以O为中心的圆周上，与为中心的圆周上，与O轴平行；轴平行；3光光路路布布置置 线状焦点线状焦点S 光阑光阑F A和和B是获得是获得平行入射线和平行入射线和衍射线的狭缝衍射线的狭缝 计数管计数管G 测角仪圆测角仪圆 S、G(实际是实际是F)位于同一圆周上位于同一圆周上 滤波片滤波片 测角仪圆直径可为测角仪圆直径可为401401，435435，5005

28、00，600600 材料学院教师：孙继兵404、测角仪台面：、测角仪台面：狭缝狭缝B、光阑、光阑F和计数管和计数管G固定于固定于测角仪台测角仪台E上，上，台面可以绕台面可以绕O轴转动（即与样品轴转动（即与样品台的轴心重合），台的轴心重合），角位置角位置可以从可以从刻度盘刻度盘K上读取上读取 5测测量量动动作作 样品台转过样品台转过q q角角 X射线管不动射线管不动 样品台不动样品台不动 X射线射线转过转过q q角角 计数管计数管转过转过q q角角 材料学院教师：孙继兵41样品平台有：标准样品台、旋转样品台、透射样品台、反射样品台样品平台有：标准样品台、旋转样品台、透射样品台、反射样品台材料学院

29、教师：孙继兵42（二）测角仪的衍射几何（二）测角仪的衍射几何 n1、测角仪衍、测角仪衍射几何射几何 条件条件满足布拉格方程反射条件满足布拉格方程反射条件 满足衍射线的聚焦条件满足衍射线的聚焦条件 材料学院教师：孙继兵43n2、聚焦圆、聚焦圆 1）X射线管的焦点射线管的焦点S、样品表面、样品表面O、计数器接收光阑计数器接收光阑F位于聚焦圆位于聚焦圆2）满足布拉格方程的）满足布拉格方程的(hkl)反射是向反射是向四面八方的四面八方的3)平行于试样表面的（平行于试样表面的（hkl）晶面）晶面满足入射角满足入射角=反射角反射角=q q的条件的条件 4) 聚焦圆的圆周角为（聚焦圆的圆周角为（ -2q q

30、）5)但聚集条件是：试样应当是弯曲的，但聚集条件是：试样应当是弯曲的，试样表面应永远保持试样表面应永远保持与聚焦圆有相同的曲率。与聚焦圆有相同的曲率。 衍射仪的衍射花样均来自于与试样表面相平行的那些反射面的反射衍射仪的衍射花样均来自于与试样表面相平行的那些反射面的反射 材料学院教师：孙继兵44计数器并不沿聚焦圆移动，而是沿测计数器并不沿聚焦圆移动，而是沿测角仪圆移动。除角仪圆移动。除X射线管焦点射线管焦点S之外，之外，聚焦圆与测角仪圆只能有一个公共交聚焦圆与测角仪圆只能有一个公共交点点F。3、测角仪中计数器的测量动作、测角仪中计数器的测量动作无论衍射条件如何改变，只可能有一个无论衍射条件如何改

31、变，只可能有一个（hkl）衍射线聚焦到）衍射线聚焦到F点接受检测，点接受检测，沿测角仪圆移动的计数器只能逐个地对衍射线进行测量。沿测角仪圆移动的计数器只能逐个地对衍射线进行测量。 材料学院教师：孙继兵454、测角仪圆与聚焦圆的关系、测角仪圆与聚焦圆的关系qsin2Rr 聚焦圆半径聚焦圆半径r测角仪圆半径测角仪圆半径RKSBK= SBK= - 2- 2q qSK=Rsin(90 - q q)=Rcosq qr=SK/sin( -2q q)=Rcosq q/sin2qqR/2sinq q所以所以当当q q=0时，聚焦圆半径为时，聚焦圆半径为 讨论讨论当当q q=90 时，聚焦圆直径等于测角仪圆半径

32、，即时，聚焦圆直径等于测角仪圆半径，即2r=R 材料学院教师：孙继兵465、测量时的近似、测量时的近似n按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与聚焦圆有相同的曲率，即聚焦圆的圆心永远聚焦圆有相同的曲率，即聚焦圆的圆心永远位于试样表面的法线上。位于试样表面的法线上。n但是聚焦圆的曲率半径在测量过程中是不断但是聚焦圆的曲率半径在测量过程中是不断改变的，而试样表面却难以实现这一点。改变的，而试样表面却难以实现这一点。n因此，只能作为因此，只能作为近似而采用平板试样近似而采用平板试样。 材料学院教师：孙继兵47（三）弯晶单色器（三）弯晶单色器n测角仪与晶体单色器联用

33、，能很好地消除测角仪与晶体单色器联用，能很好地消除Kb b线，并降低由于连续线，并降低由于连续X射线及荧光辐射所产生射线及荧光辐射所产生的背底。的背底。n目前普遍使用的是石墨弯晶单色器，它由众目前普遍使用的是石墨弯晶单色器，它由众多的小晶体以六方单胞的底面平行表面排列多的小晶体以六方单胞的底面平行表面排列构成，具有很强的反射本领，以构成，具有很强的反射本领，以CuKa a为例，为例，使用该种单色器后，所得到的纯净衍射线，使用该种单色器后，所得到的纯净衍射线，其强度约可达单色前的其强度约可达单色前的36%。材料学院教师：孙继兵48测角仪与弯晶单色器朕用测角仪与弯晶单色器朕用n试样所产生的衍射线投

34、射到弯曲晶体上，调节单晶体至合适试样所产生的衍射线投射到弯曲晶体上，调节单晶体至合适的方位即可产生第二次衍射，而后衍射线再进入计数器中。的方位即可产生第二次衍射，而后衍射线再进入计数器中。n由于试样和单色晶体均能使由于试样和单色晶体均能使X射线偏振，故使用晶体单色器射线偏振，故使用晶体单色器后，衍射强度中的偏振因数由后，衍射强度中的偏振因数由22cos12q变为变为22cos2cos122aq材料学院教师：孙继兵49（四）测角仪的光学布置（四）测角仪的光学布置 窄窄缝缝光光阑阑a窄窄缝缝光光阑阑b梭梭拉拉光光阑阑狭缝光阑（防寄生光阑狭缝光阑（防寄生光阑)梭拉光阑梭拉光阑线焦点在接受方向上的有效

35、尺寸变为线焦点在接受方向上的有效尺寸变为0.08mm 10mm采用线焦点可使较多的入射线能量照射至试样采用线焦点可使较多的入射线能量照射至试样狭缝光阑狭缝光阑a的作用是控制平行方向的的作用是控制平行方向的X射线束的发散度射线束的发散度 梭拉光阑可将倾斜的梭拉光阑可将倾斜的X射线遮挡住，使垂直测角仪平射线遮挡住，使垂直测角仪平面方向的面方向的X射线束的发散度控制在射线束的发散度控制在1.5于左右于左右 狭缝光阑狭缝光阑b的作用是控制平行方向的的作用是控制平行方向的X射线束的发散度射线束的发散度 还可以控制入射线在试样上的照射面积还可以控制入射线在试样上的照射面积 狭缝光阑（防寄生光阑）可以遮挡住

36、除由试样产生的狭缝光阑（防寄生光阑）可以遮挡住除由试样产生的衍射线之外的寄生散射线衍射线之外的寄生散射线 狭缝光阑狭缝光阑F是用来控制衍射线进入计数器的辐射能量是用来控制衍射线进入计数器的辐射能量 衍射线的相对积分强度与光阑缝隙大小无关衍射线的相对积分强度与光阑缝隙大小无关 重金属（重金属（Ta或或Mo）薄片）薄片长长32mm，薄片厚，薄片厚0.05mm，薄片间距，薄片间距0.43mm材料学院教师：孙继兵50n测角仪要求与测角仪要求与X射线管的线状焦点联接使用。射线管的线状焦点联接使用。n线焦点的长边方向与测角仪的中心轴平行。线焦点的长边方向与测角仪的中心轴平行。X射线管的线焦点射线管的线焦点

37、S的尺寸一般为的尺寸一般为1.5mm 10mm，但靶是倾斜放置的，靶面与接受方，但靶是倾斜放置的，靶面与接受方向夹角为向夹角为30 ，这样在接受方向上的有效尺寸变为，这样在接受方向上的有效尺寸变为0.08mm 10mm。n采用线焦点可使较多的入射线能量照射至试样。采用线焦点可使较多的入射线能量照射至试样。n在这种情况下，如果只采用通常的狭缝光阑，便无法控制沿窄缝在这种情况下，如果只采用通常的狭缝光阑，便无法控制沿窄缝长边方向的发散度，从而会造成衍射圆环宽度的不均匀性。为了长边方向的发散度，从而会造成衍射圆环宽度的不均匀性。为了排除这种现象，在测角仪中采用由窄缝光阑与梭拉光阑组成的联排除这种现象

38、，在测角仪中采用由窄缝光阑与梭拉光阑组成的联合光阑系统。合光阑系统。n在线焦点在线焦点S与试样之间采用由一个梭拉光阑与试样之间采用由一个梭拉光阑S1和两个窄缝光阑和两个窄缝光阑(a)和和(b)组成的入射光阑系统。在试样与计数器之间采用由一个梭组成的入射光阑系统。在试样与计数器之间采用由一个梭拉光阑拉光阑S2一个窄缝光阑组成的接收光阑系统。有时还在试样与梭一个窄缝光阑组成的接收光阑系统。有时还在试样与梭拉光阑拉光阑S2之间再安置一个狭缝光阑（防寄生光阑），以遮挡住除之间再安置一个狭缝光阑（防寄生光阑），以遮挡住除由试样产生的衍射线之外的寄生散射线。光路中心线所决定的平由试样产生的衍射线之外的寄生

39、散射线。光路中心线所决定的平面称为测角仪平面，它与测角仪中心轴垂直。面称为测角仪平面，它与测角仪中心轴垂直。材料学院教师：孙继兵51n梭拉光阑是由一组互相平行、间隔很密的重金属（梭拉光阑是由一组互相平行、间隔很密的重金属（Ta或或Mo）薄片组成。）薄片组成。它的代表性尺寸为：长它的代表性尺寸为：长32mm，薄片厚，薄片厚0.05mm，薄片间距，薄片间距0.43mm。安装。安装时，要使薄片与测角仪平面平行。时，要使薄片与测角仪平面平行。n梭拉光阑可将倾斜的梭拉光阑可将倾斜的X射线遮挡住，使垂直测角仪平面方向的射线遮挡住，使垂直测角仪平面方向的X射线束的射线束的发散度控制在发散度控制在1.5于左右

40、。于左右。n狭缝光阑狭缝光阑a的作用是控制与测角仪平面平行方向的的作用是控制与测角仪平面平行方向的X射线束的发散度。射线束的发散度。n狭缝光阑狭缝光阑b还可以控制入射线在试样上的照射面积。要保证，在全部还可以控制入射线在试样上的照射面积。要保证，在全部2q q范范围内入射线的照射面积均不能超出试样的工作表面。围内入射线的照射面积均不能超出试样的工作表面。n在前反射区入射线与试样表面的倾斜角很小，所以只要求较小的入射线在前反射区入射线与试样表面的倾斜角很小，所以只要求较小的入射线发散度，例如，采用发散度，例如，采用1的狭缝光阑足够。而在背反射区，试样表面被照的狭缝光阑足够。而在背反射区，试样表面

41、被照射的宽度增加，需要于射的宽度增加，需要于34的狭缝光阑。但是，在对整个衍射花样进行的狭缝光阑。但是，在对整个衍射花样进行测量时，只能采用一种发散度的狭缝光阑测量时，只能采用一种发散度的狭缝光阑.n狭缝光阑狭缝光阑F是用来控制衍射线进入计数器的辐射能量，选用较宽的狭缝时，是用来控制衍射线进入计数器的辐射能量，选用较宽的狭缝时，计数器接收到的所有衍射线的确定度增加，但是清晰度减小。计数器接收到的所有衍射线的确定度增加，但是清晰度减小。n另外，衍射线的相对积分强度与光阑缝隙大小无关，因为影响衍射线强另外，衍射线的相对积分强度与光阑缝隙大小无关，因为影响衍射线强度的因素很多，如管电流等，但是，一个

42、因素变化后，所有衍射线的积度的因素很多，如管电流等，但是，一个因素变化后，所有衍射线的积分强度都按相同比例变化，这一点是需要注意的分强度都按相同比例变化，这一点是需要注意的 材料学院教师：孙继兵52材料学院教师：孙继兵53材料学院教师：孙继兵54材料学院教师：孙继兵55tkkkkKVAIFRI1影响衍射线强度的各种因素因因 素素可调节的各因子以提高强度可调节的各因子以提高强度1、仪器特性、仪器特性2、试样性质、试样性质3、制样及实验条件、制样及实验条件4、衍射几何因子、衍射几何因子I A R F I I， A A， V, K材料学院教师：孙继兵56三、三、X射线探测器射线探测器 n常用的探测器

43、是基于常用的探测器是基于X射线能使原子电离的特射线能使原子电离的特性而制造的，原子可以为气体（如正比计数性而制造的，原子可以为气体（如正比计数器、盖革计数器），也可以为固体（如闪烁器、盖革计数器），也可以为固体（如闪烁计数器、半导体计数器）。计数器、半导体计数器）。n 1正比计数器正比计数器 n2盖革计数器盖革计数器 n 3闪烁计数器闪烁计数器n4锂漂移硅检测器锂漂移硅检测器 材料学院教师：孙继兵571正比计数器正比计数器 材料学院教师：孙继兵58正比计数器工作原理正比计数器工作原理n正比计数器是以气体电离为基础的，其构造是由一个充气的正比计数器是以气体电离为基础的，其构造是由一个充气的圆筒形

44、金属套管圆筒形金属套管（作阴极）（作阴极）和一根与圆筒同轴的和一根与圆筒同轴的细金属丝（作阳极）细金属丝（作阳极）所构成。在所构成。在圆筒的窗口圆筒的窗口上盖有一层对上盖有一层对X射线透明的材料（射线透明的材料（云母或铍片云母或铍片）。）。n若把这种装置的电压提高到若把这种装置的电压提高到600900V左右时，自窗口射入的左右时，自窗口射入的X射线的一部分射线的一部分能量通过，而大部分能量被气体吸收，其结果使圆筒中的能量通过，而大部分能量被气体吸收，其结果使圆筒中的气体产生电离气体产生电离。n在电场的作用下，电子向阳极丝运动，而带正电的离子则向阴极圆筒运动。在电场的作用下，电子向阳极丝运动，而

45、带正电的离子则向阴极圆筒运动。因为这时电场强度很高，可使原来电离时所产生的电子在向阳极丝运动的过因为这时电场强度很高，可使原来电离时所产生的电子在向阳极丝运动的过程中得到加速。并且离阳极丝越近，电场强度越高，电子的加速度也就越来程中得到加速。并且离阳极丝越近，电场强度越高，电子的加速度也就越来越大。当这些电子再与气体分子碰撞时，将引起进一步的电离，如此反复不越大。当这些电子再与气体分子碰撞时，将引起进一步的电离，如此反复不已。已。n这样，吸收一个这样，吸收一个X射线光子所能电离的原子数要比电离室多射线光子所能电离的原子数要比电离室多103105倍。这种倍。这种现象称为现象称为气体放大作用气体放

46、大作用，其结果即产生所谓，其结果即产生所谓“雪崩效应雪崩效应”。 n每个每个X射线光子进入计数管产生一次电子雪崩，于是就有大量的电子涌到阳极射线光子进入计数管产生一次电子雪崩，于是就有大量的电子涌到阳极丝，从而在外电路中产生一个易于探测的电流脉冲。这种脉冲的电荷瞬时地丝，从而在外电路中产生一个易于探测的电流脉冲。这种脉冲的电荷瞬时地加到电容器加到电容器C上，经过联接在电容器上的脉冲速率计或定标器的探测后，再通上，经过联接在电容器上的脉冲速率计或定标器的探测后，再通过一个大电阻过一个大电阻R1漏掉。漏掉。n 当电压一定时，正比计数器所产生的脉冲大小与被吸收的当电压一定时，正比计数器所产生的脉冲大

47、小与被吸收的X射线光子的能量射线光子的能量呈正比。呈正比。 材料学院教师：孙继兵59 当施加电压为当施加电压为200伏左右时，伏左右时，Al，说明没有气体放大作，说明没有气体放大作用，此为电离室的工作区域。用，此为电离室的工作区域。当电压提高到当电压提高到600至至900伏伏时，一个时，一个X射线光子能电离射线光子能电离的气体分子数可达电离室的的气体分子数可达电离室的103105倍，故可形成电子倍，故可形成电子雪崩，这是正比计数器的工雪崩，这是正比计数器的工作区域。作区域。当电压再升高达当电压再升高达l000至至1500伏时，计数管便处于电晕放伏时，计数管便处于电晕放电区，气体放大因数可达电区

48、，气体放大因数可达l08109，这是盖革计数器的，这是盖革计数器的工作区域。工作区域。材料学院教师：孙继兵60正比计数器正比计数器n优点：优点：n1）反应快，对两个连续到来的脉冲的分辨时间为）反应快，对两个连续到来的脉冲的分辨时间为10-6s；n2）性能稳定；）性能稳定；n3）能量分辨率高；）能量分辨率高；n4）背底脉冲极低；）背底脉冲极低；n5）计数率极高，在理想情况下，可认为没有计数损失。）计数率极高，在理想情况下，可认为没有计数损失。n缺点：缺点：n1）对温度比较敏感；）对温度比较敏感；n2）计数管需要高度稳定的电压。）计数管需要高度稳定的电压。材料学院教师：孙继兵61n计数器的死时间：

49、计数器的死时间：计数器计数器在发出两次脉冲之间的时在发出两次脉冲之间的时间为计数器不灵敏时间，间为计数器不灵敏时间，称为计数器的死时间。称为计数器的死时间。n计数损失：计数损失：倘若倘若X射线光射线光子在计数器死时间内进入子在计数器死时间内进入计数器，那么这个光子就计数器，那么这个光子就不能激起雪崩效应，它就不能激起雪崩效应，它就被漏计了。这种漏计现象被漏计了。这种漏计现象称为计数损失。称为计数损失。 n正比计数器正比计数器的死时间一般的死时间一般不到一微秒不到一微秒 n 普通盖革计数器普通盖革计数器的死时的死时间约为间约为10-4s数量级数量级 材料学院教师：孙继兵622盖革计数器盖革计数器

50、 n与正比计数器的不同点在于：与正比计数器的不同点在于：n1）盖革计数器的气体放大倍数非常大，约为）盖革计数器的气体放大倍数非常大，约为108109数量级，所产生的数量级，所产生的电压脉冲幅值可达电压脉冲幅值可达110V。n2）当电压恒定时，盖革计数器的输出脉冲大约相同，与引起原始电离的当电压恒定时，盖革计数器的输出脉冲大约相同，与引起原始电离的X射线光子能量（或波长）无关射线光子能量（或波长）无关。n而正比计数器的输出脉冲大小取决于被吸收的而正比计数器的输出脉冲大小取决于被吸收的X射线光子的能量。射线光子的能量。n3）盖革计数管内的气体的选用与）盖革计数管内的气体的选用与X射线的波长有关。射

51、线的波长有关。n为了提高灵敏度，希望计数管里的气体对入射光子具有较高的吸收效率，为了提高灵敏度，希望计数管里的气体对入射光子具有较高的吸收效率，而不同的气体对不同波长的而不同的气体对不同波长的X射线的吸收是不同的。射线的吸收是不同的。n充氪气的盖革计数管对各种波长的吸收都很强，灵敏度很高；而充氩气充氪气的盖革计数管对各种波长的吸收都很强，灵敏度很高；而充氩气的仅对长波长的辐射（的仅对长波长的辐射（Cu-Ka)吸收较强，因此对短波长不敏感。吸收较强，因此对短波长不敏感。 n4）死时间比正比计数器大）死时间比正比计数器大n改进措施：多室盖革计数器改进措施：多室盖革计数器材料学院教师：孙继兵63 3

52、闪烁计数器闪烁计数器材料学院教师：孙继兵64材料学院教师：孙继兵65闪烁计数器工作原理闪烁计数器工作原理n闪烁计数器系利用闪烁计数器系利用X射线激发射线激发固体物质固体物质(磷光体磷光体)发射可见荧光，磷光体一般发射可见荧光，磷光体一般为加入约为加入约0.5铊作为活化剂的碘化钠单晶体铊作为活化剂的碘化钠单晶体，它经，它经X射线照射后可发射射线照射后可发射蓝蓝光光。晶体的一面常覆盖一薄层的铝，在其上再覆盖一薄层的铍。薄层位于。晶体的一面常覆盖一薄层的铝，在其上再覆盖一薄层的铍。薄层位于晶体和计数管窗口之间。铍不能透进可见光，但对晶体和计数管窗口之间。铍不能透进可见光，但对X射线却是透明的。铝则射

53、线却是透明的。铝则能将晶体发射的光反射回光敏阴极上。能将晶体发射的光反射回光敏阴极上。n光敏阴极铯锑的金属间化合物光敏阴极铯锑的金属间化合物。n 当晶体吸收一个当晶体吸收一个X射线光子以后，便在其中产生一个闪光，这个闪光即射射线光子以后，便在其中产生一个闪光，这个闪光即射进光电倍增管中，并进光电倍增管中，并从光敏阴极上撞出许多电子从光敏阴极上撞出许多电子。在光电倍增管中装有若。在光电倍增管中装有若干个联极，其后一个均较前面一个高出约干个联极，其后一个均较前面一个高出约100伏的正电压，而最后一个则接伏的正电压，而最后一个则接到测量电路中去。从光敏阴极上迸出的电子被吸往第一个联极，每一个电到测量

54、电路中去。从光敏阴极上迸出的电子被吸往第一个联极，每一个电子又可从联极的金属表面上撞出两个电子；而每个到达第二个联极上的电子又可从联极的金属表面上撞出两个电子；而每个到达第二个联极上的电子又可撞出两个电子，如此类推。每个联极的增益约为子又可撞出两个电子，如此类推。每个联极的增益约为4至至5，而联极一般，而联极一般有有8至至14个，总的倍增将超过个，总的倍增将超过l06。这样，晶体吸收了一个。这样，晶体吸收了一个X射线光子以后，射线光子以后，便可在最后一个联极上收集到数目巨大的电子，从而产生一个大小跟盖革便可在最后一个联极上收集到数目巨大的电子，从而产生一个大小跟盖革脉冲同数量级的脉冲脉冲同数量

55、级的脉冲(达若干伏达若干伏)。n闪烁计数器分辨时间闪烁计数器分辨时间10-5s。主要缺点。主要缺点为本底脉冲过高。即使在没有为本底脉冲过高。即使在没有X射线入射线入射时，依然会产生射时，依然会产生“无照明电流无照明电流”（或称暗电流）的脉冲（或称暗电流）的脉冲 ，即所谓，即所谓热噪声热噪声。材料学院教师：孙继兵664锂漂移硅检测器锂漂移硅检测器 X射线光子会激发射线光子会激发Si(Li)晶体晶体产生电子空穴对的数目产生电子空穴对的数目N = E / e e利用加在晶体两端的偏压收利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经前置放集电子空穴对，经前置放大器转换成电流脉冲，脉冲大器转换成电流脉冲，脉冲

56、高度取决于高度取决于N的大小。的大小。优点：优点：分辨能力高、分析速度快、检测效率分辨能力高、分析速度快、检测效率l00，无漏计损失，无漏计损失缺点：缺点：在室温下有电子噪声和热噪声。为了降低噪声和防止锂扩散，在室温下有电子噪声和热噪声。为了降低噪声和防止锂扩散，要将要将检测器和前置放大器用液氮冷却检测器和前置放大器用液氮冷却。检测器的表面对污染敏感，。检测器的表面对污染敏感，要将包括要将包括检测器在内的低温室检测器在内的低温室保持保持1.33 10-4Pa以上的以上的真空真空。材料学院教师：孙继兵67四、计数测量电路四、计数测量电路n1、脉冲高度分析器、脉冲高度分析器 n2、定标器、定标器n

57、3、计数率仪、计数率仪材料学院教师：孙继兵681、脉冲高度分析器、脉冲高度分析器 n脉冲高度分析器利用计数器产生的电脉冲高度脉冲高度分析器利用计数器产生的电脉冲高度(脉冲电压脉冲电压)与与X射射线光子能量成正比的原理来判断脉冲高度，达到剔除干扰脉冲、线光子能量成正比的原理来判断脉冲高度，达到剔除干扰脉冲、提高峰背比的目的提高峰背比的目的n 脉冲高度分析器由线性放大器、上限甄别电路、下限甄别电路脉冲高度分析器由线性放大器、上限甄别电路、下限甄别电路和反符合电路和反符合电路(反相同时反相同时) 组成只有脉冲高度介于上、下限甄别组成只有脉冲高度介于上、下限甄别器之间的脉冲才能通过反符合电路，从而起到

58、去除杂质背底的作器之间的脉冲才能通过反符合电路，从而起到去除杂质背底的作用下甄别器阈值称为用下甄别器阈值称为基线基线，上、下甄别器阈值之差称为，上、下甄别器阈值之差称为道宽道宽，基线和道宽值可根据分基线和道宽值可根据分 析工作要求设定和调整。析工作要求设定和调整。线性放大器线性放大器上限甄别电路上限甄别电路下限甄别电路下限甄别电路反符合电路反符合电路接计数电路接计数电路计数器计数器微分法微分法积分法积分法材料学院教师：孙继兵692、定标器、定标器n 定标器定标器是对由计数器直接输入或经脉冲高度分析器是对由计数器直接输入或经脉冲高度分析器输入的脉冲进行计数的电路输入的脉冲进行计数的电路n定标器有

59、定标器有定时计数定时计数和和定数计时定数计时两种工作方式两种工作方式 n除非精确进行衍射线形分析或漫散射测量等特殊需除非精确进行衍射线形分析或漫散射测量等特殊需要时采用定数计时方式外，要时采用定数计时方式外，通常采用定时计数工作通常采用定时计数工作方式方式 计数时间和计数值可由数显装置显示，也可打计数时间和计数值可由数显装置显示，也可打印或由印或由xy记录仪绘图记录仪绘图 n由测量的脉冲数除以给定时间即获得由测量的脉冲数除以给定时间即获得平均脉冲速率平均脉冲速率。 材料学院教师：孙继兵703、计数率仪、计数率仪n定标器测量一段时间间隔内的脉冲数。定标器测量一段时间间隔内的脉冲数。n计数率仪计数

60、率仪的功能则是直接地、连续地测量平均脉冲速率的功能则是直接地、连续地测量平均脉冲速率(单位单位时内平均脉冲数时内平均脉冲数)n计数率仪计数率仪由脉冲整形电路、由脉冲整形电路、 (电阻、电容电阻、电容) RC积分电路和电积分电路和电压测量电路组成压测量电路组成n经脉冲高度分析器输入的脉冲经整形电路整形，成为具有一经脉冲高度分析器输入的脉冲经整形电路整形，成为具有一定高度和宽度的矩形脉冲，然后输送到定高度和宽度的矩形脉冲，然后输送到RC积分电路，将单位积分电路，将单位时间内输入的平均脉冲数转变为平均直流电压值，再由电子时间内输入的平均脉冲数转变为平均直流电压值，再由电子电位差计纸带记录，从而获得衍