d8x射线衍射仪的发展与应用

d8x射线衍射仪的发展与应用

d8系列x射线衍射仪包括d8advence、d8diecver和d8gadds三个型号。它的设计精密,硬件、软件功能齐全,能灵活地适应物质微观结构的各种测试、分析和研究。根据实际需要,可采用基本型D8X射线衍射仪系统,也可在它的基础上,模块化地配置安装各种特殊功能的附件及各种实验方法应用软件,即可方便地组成具有各种特殊功能的衍射仪系统,或组合成一机多能的衍射仪系统。它可对单晶、多晶和非晶样品进行结构参数分析,如物相定性和定量分析、衍射谱的指标化及点阵参数测定、镶嵌晶粒尺寸及AAA点阵畸变测定、粉末衍射图谱拟合修正晶体结构、残余应力测定、织构分析、结晶度测定、薄膜的厚度和密度分析、表面和界面粗糙度及层序分析、高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征。此外,还可进行高低温及不同气氛和压力下的结构变化的动态分析等。1d8系列x射线衍射仪的主要硬件特点德国布鲁克AXS公司研制和生产X射线分析仪器已有79年历史。近些年来又将多种先进技术和方法应用于D8系列X射线衍射仪,诸如Goebel镜、X光透镜、四晶单色器、PSD(位敏探测器)、Hi-Star二维面探测器、模块化的UBC(通用光学组件)、XRK气氛反应室等以及不断完善的应用软件,从而使D8系列X射线衍射仪具有精度高、机械稳定性好、经久耐用、部件模块化、易升级、操作简便和智能化的特点,能灵活地适应各种行业的测试分析与研究。D8ADVANCE主要用于常规衍射分析,D8DISCOVER主要用于高分辨衍射,D8GADDS主要用于微区衍射。1.1采用新技术(1)提高衍射强度利用弯曲成抛物面的多层晶体膜,将发散的X光束会聚成平行的光束,作为入射或衍射光束,可有效去除Kβ及白光,从而得到Kα的强平行光束。安装于衍射光路的Goebel镜可提高衍射花样的强度和分辨率。Goebel镜特别适合于下列应用:用于薄膜和高分辨率的衍射时,能大幅度提高衍射强度(3~25倍);进行高低温及化学反应研究时,彻底消除了由于温度变化或化学反应引起的样品面的偏移带来的衍射峰位的漂移问题;对于表面不规则样品如矿物、文物、大样品可进行无损直接测量研究;将双Goebel镜交叉配置使用,可得到高强度、高平行度的点光源,有利于微区分析和小角散射的应用;对于毛细管技术的衍射应用,能大幅度提高衍射强度。利用平行光效应有利于织构的分析和应力的分析。(2)能量及位置分析它是在正比计数管中心轴处装一细长的高电阻丝,使不同位置产生的脉冲具有一定的时间差,从而获得分辨位置的能力,用它可记录X射线光子的能量及位置。它可一次收集一定角度范围的数据,并根据其专利——扫描PSD技术,对收集的数据进行累计积分,极大地提高了数据采集速度和检测灵敏度,适用于快速数据采集,如在高低温下和化学反应时测量微观结构的动态变化等。(3)时间快速采集二维数据它是二维PSD构成的网格式多级正比室,衍射光进入Be窗电离气体,电子网格探测离子和产生的脉冲,并被编码为位置和记下强度数据,具有短时快速采集二维数据的特点。(4)测量方法的确定独创的模块化先进光学组件装在高精度燕尾槽导轨上,易定位,无需重调。UBC光学系统用于提高入射束和衍射束的光谱纯净度、平行度、分辨率及光束的强度,可非常灵活地组合,以满足不同的测量需要。UBC光学系统适用于高强度和高分辨率粉末衍射、低角掠射和高强度低角掠射、高强短时高分辨反射率分析、极高分辨率反射、高强度残余应力与织构研究、高分辨率织构研究、高分辨率倒易点阵映象、高分辨率X射线衍射(HRXRD)和Bond法精测点阵参数等。(5)在微织构测量中的应用GADDS系统可进行广角衍射、微区衍射和小角散射,并采用了Hi-Star面探测器,可适时、快速、灵敏和全面地采集多个Debye环衍射信息(二维衍射数据)。在GADDS系统中软件对各个晶粒衍射信息进行高精度的数据统计处理,将统计数据表示为常规衍射中的标准粉末衍射图谱I(2θ),有效地解决了微量样品、大晶粒样品和具有择优取向样品衍射时信息大量丢失的问题。在织构测量时,用GADDS系统比常规织构测量系统测算速度可提高几十倍。用交叉的Goebel镜可提供高强度、高平行度的入射光束做小角散射测量,还可像X射线探针一样对感兴趣的测量点进行测量,并摄取显微形貌;可对小至50μm的微小区域进行微区衍射、微区应力和微区织构分析;可对带织构试样进行残余应力分析。它非常适用于快速粉末衍射、快速高质量织构分析、快速高质量应力研究、微区或选区衍射分析、小角散射,特别是各向异性材料的小角散射分析。典型应用有:涂料碎片、纤维、腐蚀产物、失效分析、法庭认证、半导体中痕量分析、地矿及玻璃行业中夹杂物分析。此外,在材料科学与高分子材料中也有很好的应用。还可用单管X透镜、整体X光透镜提供超强的光源。(6)变光束传播方向X射线透镜利用入射角小于临界角的全反射原理,以毛细管作为X射线波导管,改变光束传播方向,将X射线调整为平行的或束聚的具有一定形状和大小的高强度光束作为X射线源,有效地提高X射线源的利用率。可用于快速物相鉴定、快速的织构研究、快速和高质量的残余应力研究以及快速高分辨率衍射和薄膜衍射研究等。(7)压等异常状态下的动态结构此附件可进行真空高温、化学反应气氛(如氧化、还原、惰性)和加压等异常状态下的动态结构分析,可用于化学反应(如固-气相互作用)、反应动力学(如高弥散物质的烧结和再氧化、无机晶体脱水)、高分子聚合物和其他有机材料的溶解和再结晶等过程以及催化剂的研究。1.2该设备的特点(1)高精度燕尾槽加工和显示采用步进马达加光学编码器确保测角仪快速准确定位,精度高,角度重现性达±0.0001°;测角仪直径可设置在380~760mm之间的任何位置,方便高分辨率和高强度衍射时选择。2θ角的扫描范围是-110°~169°,最小步长0.0001°。模块化性能好,可配置各种附件实现多种应用。所有配件均可安装在高精度燕尾槽导轨上,可实现快速而高重现性的互换。测角仪、X光管和探测器三者为整体结构,机械稳定性好,θ/2θ和θ/θ扫描易于互换。(2)样品可移动测量样品表面的方向1/4尤拉环安装在测角仪上可以让样品自动地实现7个自由度的动作。二维平移的范围为x>-75mm、y≤+75mm;沿垂直于样品表面的方向可移动的范围为-1mm<z<+12mm;样品可绕法线自转(-∞<φ<+∞),亦可绕样品表面的水平线转动(-3°<χ<94°),以及2θ、θ角扫描。并带有晶片样品架和真空吸盘(76.20mm或127mm)以及精密单刀边准直器(KEC),以确保样品的快速定位。配置的四晶晶体单色器可进行高分辨率的衍射分析。(3)分辨率高的优点①3kW的陶瓷X光管为国际标准尺寸,与玻璃光管可互换,保质期为4000h,寿命长且焦斑位置稳定。备有细焦斑0.04mm×12mm,具有比功率高和分辨率高的优点。②UBC(UniversalBeamConcept)光学系统包括UBC光源模块(由X光管线焦斑和Goebel镜组成,将发散光聚集为强的平行光)、入射光束UBC模块(入射光束孔径可调,Kα光束很强,点线聚斑变换无需转动光管)、入射束四晶单色器UBC模块(可获得纯Kα1辐射,光束发散度≤0.0035°或≤0.0014°,具有高分辨率)、压缩型和扩张型UBC模块(可获得高强度和高分辨率)和衍射束UBC模块(可获得高强度和高分辨率)。(4)固体探测器及热控制器有闪烁计数器(SC)、正比计数器(PC)、位敏探测器(PSD)、Si(Li)固体探测器及Hi-Star面探测器等多种探测器可供选择使用。新型的NaI晶体闪烁计数器背底低(0.4cps),而线性范围高达2×106cps。新型YAP晶体闪烁计数器的线性范围高达1×107cps。(5)提高强度单管X光透镜的光束直径可在50μm~1mm之间调节,适用于Cr辐射至Mo辐射之间的波长,可与GADDS准直器兼容使用,能成倍提高强度。整体X光透镜的管长为45mm,截获角为4°,出射光束直径为4.5mm,距离焦点的长度为70mm,发散角0.21°FWHM,在1.5kW时光子流量约为1011cps,用于织构测量时可提高强度100倍或缩短测量时间100倍,非常适用于快速物相鉴定、快速织构研究、快速和高质量残余应力研究及快速高分辨衍射和薄膜衍射研究等。(6)温度梯度的确定该反应室抗腐蚀,可控制样品环境,压力可在100~106Pa的范围内变化,相对湿度从10%到90%可调(室温下),气氛可控(氧化气氛、还原气氛、惰性气氛),温度范围从室温到900℃可调,样品表面及内部没有温度梯度。备有多种类型的样品杯,以适应粉末和片状样品的不同需要。2数据处理方法D8系列X射线衍射仪配有多种应用软件。软件平台是在Windows95/NT环境下的真32位多任务系统,所有软件完全集成在一起,组成强大的智能化多用途X射线实验分析方法应用软件包。它可自动调整设备、设置采集数据方案并进行数据的精化处理。软件提供三维图像功能,可缩放并利用Windows输出工具编制报告。(1)Basic系统控制管理与数据采集软件,EVA基本数据处理软件。(2)TOPASR软件,对X射线衍射线形进行函数模拟和基本参数拟合,后者根据有确切物理意义的几何光学和衍射光学参数拟合线形,为无标样晶粒尺寸和微观应变测定提供解决办法。用Pawley和Lebail拟合可对多相复杂粉末花样进行Rietveld精修,即使所有相结构均为未知。用球偕函数作各向异性修正,用能量最少和模拟处理粉末数据从头开始解结构。(3)Search自动物相检索软件,利用扣除背底全谱数据作检索,考虑到测量中所得到的全部信息,包括峰形(峰宽、峰不对称性、肩峰)以及弱峰等。可有效地检索多相样品中的重叠峰、择优取向、微量相中的物相。(4)Dquant软件,用于物相的定量分析,包括多种常规定量分析方法。(5)Crysize软件,用Warren-AverbachFourier分析法和单峰法进行镶嵌尺寸和点阵畸变测定。(6)Index软件,用于粉末衍射花样的指标化和点阵参数测量,包括分析法和尝试法等。(7)Matic软件,可对7种晶系的粉末样品的点阵参数进行精确测定。(8)Stress软件,用于试样和实物构件的残余应力测定,含有Omega模式和Psi模式。(9)TEX软件,用于控测极图,包括Schulz反射法和Decker透射法。用步进扫描采集数据后,作背底扣除、吸收及散焦修正,并作归一化处理,绘制出极图。(10)ODF软件,取向分布函数(ODF)织构定量分析软件,它是在DiffracPlusTEX数据处理的基础上,对完整极图或不完整极图数据,用球谐级数展开法做ODF分析,计算了奇数项,载尾项可任选,用Bunge符号绘出恒Phi1和Phi2的ODF截面图,可回算绘制任意{hkl}极图和任意选定方位的反极图。(11)DiffracPlusRietveld软件,用于粉末衍射花样拟合精修晶体结构。该软件在衍射分析中占有重要地位,已用于全谱拟合的无标样定量相分析,镶嵌尺寸和晶格畸变等的测定。(12)Siroquant软件,是在Rietveld粉末衍射花样拟合精修晶体结构基础上,采用全谱进行无标样定量分析的方法,具有较高的精度。同时可以快速分析25个混合相中各相的组分。(13)HRXRD软件,用于高分辨率X射线衍射、模拟及数据处理、分析单晶体外延膜的结构特征,如用Bond法超精度地测定点阵参数、点阵错配、化学组分,用Rocking曲线测算镶嵌结构、取向等,还可作倒易空间测绘。(14)REFSIM软件,用于反射率测量,精修和模拟薄膜的厚度、薄层与衬底的密度、表面与晶面的粗糙度等。(15)GADDSNT软件,对面探数据进行统计处理,以便用作各种实验方法的数据分析。3利用windows95/nt环境下的衍射解决方案(1)D8系列X射线衍射仪具有高精度、高机械稳定性、模块化