多晶X射线衍射仪技术

X射线衍射仪技术江超华北京大学什么是“X射线”

1895年伦琴(W.C.Roentgen)发现。

X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与射线之间，约为10–2到102埃的范围。X射线的频率大约是可见光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现出明显的粒子性。由于X射线具有波长短光子能量大这个基本特性，所以，X射线光学(几何光学和物理光学)虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光迥然不同。X射线和物质的相互作用X射线分析仪器两大类：X射线荧光分析仪

X射线衍射仪X射线荧光分析仪X射线波段的原子发射光谱仪器基本原理：

应用原子内层电子受激发产生的发射光谱来完成元素分析。特点：

谱线数少，无化学位移；适用分析的元素范围广（一般Na~U）;多元素同时分析，检出限1~2μg；1ng。X射线荧光分析仪两大类型(按测定X射线波长的方法的不同)：

能谱型：●X射线能谱仪

●全反射X射线能谱仪。一种新型的高灵 敏度X射线能谱仪，检出限可达1ng。

波谱型：●扫描型X射线荧光分析仪

●多通道X射线荧光分析仪

应用范围覆盖了AES、AAS和AFS，现在已成为实验室的常规分析仪器。X射线衍射仪●单晶X射线衍射仪

专用于晶体的结构分析，样品必须是一颗完善的单晶粒。●多晶X射线衍射仪(粉末X射线衍射仪）

应用面最广，是完成物相分析的基本分析工具。 X射线衍射仪的应用“X射线衍射仪是一种结构分析仪器”一般讲“X射线衍射仪”指是粉末衍射仪。首先了解一个重要概念：

物质的性质性能都是由它的组成和结构决定的。

表达这种结构的参量都可以用X射线衍射分析方法得到。

晶体结构的特征

大多数物质材料是固态。

绝大多数的固态物质都是晶体或准晶体。

晶体：其组成基元在三维空间中的排布具有周期性的特征——长程有序排列，周期性排布的几何抽象就是点阵。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,,

晶体的结构特征

晶体的结构被称为点阵结构或晶格。

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。不同的点阵排列表现出不同的对称规律。各种可能的点阵排列按其对称性特征可分为7种晶系、14种点阵型式、230种空间群。d2d3d1何谓晶体衍射？入射X射线，波长＝

衍射X射线＝衍射角晶体点阵晶面间距=dhkl

hkl晶面

原子的三维长程有序排列对于X射线而言，晶体相当于三维光栅。当X射线照射到晶体上时，每个原子都散射X射线。

各个原子散射的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倍2dhkl•sin＝n

布拉格公式

n：衍射的级(正整数）不同的晶面d不同，因而各自的衍射角不同，各自的衍射强度也不同。不同的晶体：原子排列不同，组成不同，衍射也不同。实际晶体是三维的阵点排列，衍射在三维空间产生。

多晶样品的衍射，衍射锥

一个晶粒的某(hkl)晶面所处方位正好符合布拉格公式时，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。多晶样品的衍射，衍射锥多晶衍射数据信息衍射线位置（方向）：衍射峰位置（衍射角）,角度的细微变化

晶体结构，样品的物相组成，结构和成分的细微变化，宏观应力。衍射线的强度：强度数据，相对强度的变化

含量，晶体完整性，结晶度，晶粒的取向及其分布。石英粉末的X射线衍射图多晶衍射数据信息衍射线的形状

：线形，宽度

晶粒大小，晶体完整性，缺陷，微观应力。背景强度与特征：反映样品中非晶质的含量和种类。某岩芯样品的X射线衍射图X射线衍射仪的应用

粉末X射线衍射仪已经成为固态物质分析鉴定工作不可缺少的基本分析仪器。

粉末X射线衍射仪在自然科学和技术科学中的作用日益重要，其应用范围遍及广泛的部门和领域。在材料科学、物理学、化学、化工、地质、矿物、冶金、塑料、陶瓷、建材、电子、土壤、环保、药物、医学……以至考古、刑侦、商检等众多学科、相关的工业、行业中都有重要的应用，是理工科院校和涉及材料研究、生产的研究部门、厂矿实验室的重要的、不可缺少的大型分析设备。X射线衍射仪的应用粉末衍射仪的重要应用：1.物相分析（物相鉴定和定量分析，结晶度分析）

2.晶体结构分析或精修

（Reitverd分析）3.晶体结构参数的测定(相界的测定、固溶体的测定、分子筛SiO2/Al2O3比的测定、地质温度计、宏观应力、热膨胀系数的测定...等等。)4.晶粒尺寸、微观应力的测定5.织构分析（晶粒取向分析）6.薄膜分析（薄膜物相组成,薄膜反射率测定...）7.小角散射分析（原子径向分布函数测定、长周期、粒度分析等）。X射线衍射仪的应用例1：钛白粉分析金红石锐钛矿2429X射线衍射仪的应用

例2a：物相鉴定——Co3O4鉴定Co3O4CoOCoOCoOCoOCoOX射线衍射仪的应用例2b：物相鉴定——某碳酸盐岩石样品的鉴定X射线衍射仪的应用例3：物相定量分析（K值外标法）X射线衍射仪的应用例4:高聚物的衍射图X射线衍射仪的应用例5：结晶度的测定已结晶部分占整体的质量（Wc）或体积（c）百分数

IcIc：结晶部分的衍射积分强度Wc,x=

Ic+KxIaIa：非晶体部分的散射强度Kx：校正系数测量谱分解为结晶部分和非晶态部分X射线衍射仪的应用例6：可以测定晶粒大小和微观应力。

晶粒细化、微观应力和晶格缺陷导至衍射峰宽化。微观应力逐步消除，再结晶，晶粒逐步长大X射线衍射仪的应用

例7：

一些高技术薄膜（薄膜器件）的性能与其多层膜的微观结构（界面粗糙度，层结构，厚度）有关。需要分析研究。

由动力学理论可以计算反射率谱：单层膜，厚度不同单层膜，密度不同单层膜，表面界面粗糙度不同单层膜，表面界面粗糙度不同

X射线多晶衍射仪(又称X射线粉末衍射仪)由X射线发生器、测角仪、X射线强度测量系统以及衍射仪控制与衍射数据采集、处理系统四大部分组成。下图示出了X射线多晶衍射仪的构成方块图。X射线衍射仪的构成X射线管衍射仪的光路衍射仪的光路X射线的检测NaI(Tl)闪烁检测器X射线强度单位：计数(counts)计数率(cps，countspersecend)衍射角的测量误差X光管焦点样品表面位移（离轴）2＝2Scos

/R样品吸收偏差(透明度偏差)与此概念类似，即射线可穿透到一定深度，在各深度处都产生衍射，则相当于样品向下移动。但不同深度处的衍射线位移不同而且对衍射强度的贡献不同需要求不同深度处的衍射的积分来求衍射线的重心。没有好的求其峰值法线位的办法。样品表面位移误差多晶X射线衍射仪的性能指标衍射线的强度的稳定度，准确度

X射线发生器的稳定度一般：0.03%-0.01%

探测记录系统的稳定度实际主要是漂移。现代电子学线路和器件一般都可以满足实际要求。测角仪的角度准确度、精度（角度复现性）

机械系统的制造误差：取决于：齿轮螺杆系统的分度准确度和精度（涉及同心度、椭圆度、啮合间隙等）一般：累计测角误差最大<0.01˚(0.008˚)，角度复现性<0.002˚(0.0006˚)。

先进的：光学编码校正衍射线的分辩率分辩衍射角非常接近的两个衍射峰的能力。测角仪类型：立式（垂直扫描）或卧式（水平扫描）X射线的功率（入射强度）

测量效率，灵敏度一般，大的中心实验室样品量极大，用转靶机有优点。X射线探测器的特性

效率，计数率最大线性范围，噪声、能量分辨率。闪烁探测器使用最广。国产已完全过关。多家都能生产。衍射、散射线的探测角度范围

最大最小有效2测量角度范围。一般：－3°~

160°即无问题（－100~160问题）二维衍射图象的测量可能性。目前国内二维探测器已有图像板读出系统。单色器或高能量分辨率检测器特殊的测量功能（硬件，软件）

织构、薄膜、外延单晶薄膜、应力、纤维、微区、高温、低温、原位反应、…基本控制测量功能：接口和配置检查基准：和2回到标准位置。开机时必须首先进行，以后也可以进行。定位：、2运动到指定位置。定时计数/定数计时：机构不运动，在固定角度处记录强度。连续扫描：样品（或/及）探测器连续转动，每隔一定角度（可指定，如0.02°）记录该角度处的强度。步进扫描：样品（或/及）探测器一步一步转动，每转一步（可指定，如0.02°）停下来、记录该角度处的强度；再走下一步、再记录….

控制X光窗口的开关。组合控制测量功能：

积累步进扫描/积累连续扫描：消除电子系统漂移影响多区间扫描－分别存储：节省时间多区间扫描－单谱存储：节省时间。单晶基体上的薄膜样品扫描：既得基体的强衍射谱，又得薄膜的衍射谱。多入射角－多区间自动扫描：薄膜测试。节省时间。宏观残余应力测试扫描。各种附件控制测量

自动样品转换台、纤维附件、极图附件基本软件：常规数据处理：

平滑、