现代材料分析方法第二章第四节幻灯片.ppt
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1、现代材料分析方法第二章第四节第1页,共51页,编辑于2022年,星期日 4-1 引引 言言X射线衍射线衍射方法射方法照相法照相法X射线衍射线衍射仪法射仪法粉末法粉末法劳埃法劳埃法转晶法转晶法聚焦法聚焦法平板底片法平板底片法德拜法德拜法第2页,共51页,编辑于2022年,星期日粉末法的原理粉末法的原理:对于粉末试样,当一束对于粉末试样,当一束X射射线从任意方向照射到粉末样品线从任意方向照射到粉末样品上时,总会有足够多的晶面满上时,总会有足够多的晶面满足布拉格方程。足布拉格方程。在与入射线呈在与入射线呈2角的方向上角的方向上产生衍射,衍射线形成一个产生衍射,衍射线形成一个相应的相应的4顶角的反射圆
2、锥。顶角的反射圆锥。各各个圆锥均由特定的晶面反射引个圆锥均由特定的晶面反射引起的。起的。圆锥的轴为入射束,特定晶面圆锥的轴为入射束,特定晶面的衍射束均在反射圆锥面上。的衍射束均在反射圆锥面上。图示绘出了衍射线的空间分布图示绘出了衍射线的空间分布(绘出了三个衍射圆锥绘出了三个衍射圆锥)第3页,共51页,编辑于2022年,星期日粉末多晶中不同的晶面族只要满足衍射条件都将形成各粉末多晶中不同的晶面族只要满足衍射条件都将形成各自的反射圆锥。自的反射圆锥。如何记录下这些衍射花样(同时包括衍射方向和强度)如何记录下这些衍射花样(同时包括衍射方向和强度)呢?呢?其中一类方法是用其中一类方法是用照相法照相法记
3、录。比如采用平板底片记录。比如采用平板底片或圆筒形底片等。或圆筒形底片等。照相法:以光源(照相法:以光源(X X射线管)发出的特征射线管)发出的特征X X射线照射射线照射多晶体样品,使之产生衍射,并用照相底片记录衍多晶体样品,使之产生衍射,并用照相底片记录衍射花样的方法。射花样的方法。4-2 粉末照相法(德拜粉末照相法(德拜-谢乐法)谢乐法)第4页,共51页,编辑于2022年,星期日一、德拜一、德拜-谢乐法及德拜相机:谢乐法及德拜相机:德拜法的主要特点:用德拜法的主要特点:用细圆柱细圆柱状试样状试样和和环带状底片环带状底片。将一个长条形底片圈成一个将一个长条形底片圈成一个圆,以试样为圆心,以圆
4、,以试样为圆心,以X X射线射线入射方向为直径放置圈成的圆底入射方向为直径放置圈成的圆底片。片。这样圆圈底片和所有反射圆锥相交形成一个个弧这样圆圈底片和所有反射圆锥相交形成一个个弧形线对,从而可以记录下所有衍射花样,这种方形线对,从而可以记录下所有衍射花样,这种方法就是德拜法就是德拜-谢乐照相法。谢乐照相法。第5页,共51页,编辑于2022年,星期日记录下衍射花样的圆圈底片,展平后可以测量弧记录下衍射花样的圆圈底片,展平后可以测量弧形线对的距离形线对的距离2L,进一步可求出,进一步可求出L对应的反射圆对应的反射圆锥的半顶角锥的半顶角2,从而可以标定衍射花样。,从而可以标定衍射花样。第6页,共5
5、1页,编辑于2022年,星期日第7页,共51页,编辑于2022年,星期日德拜相机德拜相机德拜相机是德拜相机是圆筒形圆筒形的。的。结构:主要由相机圆筒、结构:主要由相机圆筒、光栏、承光管和位于圆光栏、承光管和位于圆筒中心的试样架构成。筒中心的试样架构成。与圆筒内壁周长相等的与圆筒内壁周长相等的底片,圈成圆圈紧贴圆底片,圈成圆圈紧贴圆筒内壁安装。筒内壁安装。X X射线从滤光片进入前光阑,射线从滤光片进入前光阑,照射细圆柱试样后再进入后光照射细圆柱试样后再进入后光阑阑(承光管承光管)。第8页,共51页,编辑于2022年,星期日相机圆筒常常设计为内圆周相机圆筒常常设计为内圆周长为长为180mm和和36
6、0mm,对应,对应的圆直径为的圆直径为57.3mm和和114.6mm。这样的设计目的是使底片在这样的设计目的是使底片在长度方向上每毫米对应圆心长度方向上每毫米对应圆心角角2和和1,为将底片上测量,为将底片上测量的弧形线对距离的弧形线对距离2L折算成折算成4角提供方便。角提供方便。第9页,共51页,编辑于2022年,星期日二、德拜法的实验条件二、德拜法的实验条件1、试样、试样试样尺寸为试样尺寸为 mm的细圆柱状样品。的细圆柱状样品。试样要求:试样要求:第一、试样粉末尺寸大小要适中第一、试样粉末尺寸大小要适中;粉末颗粒通常;粉末颗粒通常在在10-310-5cm之间(过之间(过250300目筛),每
7、个颗粒又目筛),每个颗粒又可能包含了好几颗晶粒。可能包含了好几颗晶粒。第二、试样粉末不能存在应力。第二、试样粉末不能存在应力。脆性材料可以用碾脆性材料可以用碾压或用研钵研磨的方法获取;对于塑性材料压或用研钵研磨的方法获取;对于塑性材料(如金属、如金属、合金等合金等)可以用锉刀锉出碎屑粉末。可以用锉刀锉出碎屑粉末。第10页,共51页,编辑于2022年,星期日2、阳极靶和滤波片的选择、阳极靶和滤波片的选择阳极靶阳极靶的选择:的选择:Z靶靶 Z样样+1,或,或Z靶靶 Z样样。滤波片滤波片的选择:的选择:当当Z靶靶 40时,时,Z滤滤=Z靶靶-1;当当Z靶靶 40时,时,Z滤滤=Z靶靶 2。获得单色光
8、的方法除了滤波片以外,还可以采用单色器。获得单色光的方法除了滤波片以外,还可以采用单色器。第11页,共51页,编辑于2022年,星期日3 3、X X射线管的电压和电流射线管的电压和电流通常管电压为阳极靶材临界电压(通常管电压为阳极靶材临界电压(V VK K)的)的3 35 5倍倍,此时特征谱与连续谱的强度比最大。此时特征谱与连续谱的强度比最大。管电流可以尽量选大(可缩短摄照时间),但以不管电流可以尽量选大(可缩短摄照时间),但以不超过超过X X射线管的额定功率为限。射线管的额定功率为限。4 4、确定曝光时间、确定曝光时间 德拜法的摄照时间以德拜法的摄照时间以h h计。计。第12页,共51页,编
9、辑于2022年,星期日三、德拜花样的指数标定(即指标化)三、德拜花样的指数标定(即指标化)德拜相的指标化:德拜相的指标化:就是确定照片上各线条(弧对)的晶就是确定照片上各线条(弧对)的晶面指数。面指数。指数标定步骤指数标定步骤:第一步:测量每一衍射线对的几何位置(第一步:测量每一衍射线对的几何位置(22角)及角)及其相对强度;其相对强度;第二步:根据测量结果标定每一对衍射线的晶面指数。第二步:根据测量结果标定每一对衍射线的晶面指数。(即每对弧线代表一个即每对弧线代表一个(hkl)(hkl)面网面网)第13页,共51页,编辑于2022年,星期日1、衍射花样照片的测量与计算、衍射花样照片的测量与计
10、算 衍射线条衍射线条几何位置几何位置的测的测量:量:对各弧线对标号;对各弧线对标号;测量弧线对之间的测量弧线对之间的距离距离2L2L;计算出与计算出与2L2L对应的对应的4 4角。角。第14页,共51页,编辑于2022年,星期日衍射线条衍射线条强度强度的测量:的测量:德拜花样衍射线弧对的强度通常是相对强度。德拜花样衍射线弧对的强度通常是相对强度。当要求精度当要求精度不高不高时,这个相对强度常常是估计值,按很强(时,这个相对强度常常是估计值,按很强(VS)、强()、强(S)、中()、中(M)、弱()、弱(W)和很弱()和很弱(VW)分成)分成5个级别。个级别。精度要求精度要求较高较高时,则可以用
11、时,则可以用黑度仪黑度仪测量出每条衍射线弧对的黑度测量出每条衍射线弧对的黑度值,再求出其相对强度。值,再求出其相对强度。精度要求精度要求更高更高时,需要依靠时,需要依靠X射线衍射仪射线衍射仪来获得衍射花样!来获得衍射花样!第15页,共51页,编辑于2022年,星期日2、衍射花样的指数标定、衍射花样的指数标定即标定每一衍射线对的即标定每一衍射线对的晶面指数晶面指数。(在衍射仪法中介绍)(在衍射仪法中介绍)第16页,共51页,编辑于2022年,星期日 4-3 X射线衍射仪法射线衍射仪法 X X射线(多晶体)衍射仪是以特征射线(多晶体)衍射仪是以特征X X射线照射多晶体样射线照射多晶体样品,并用辐射
12、探测器记录衍射花样的衍射实验装置。品,并用辐射探测器记录衍射花样的衍射实验装置。X X射线射线衍射仪测量衍射仪测量的优点:的优点:方便、快速、准确等方便、快速、准确等。第17页,共51页,编辑于2022年,星期日 X X射线衍射仪是广泛使用的射线衍射仪是广泛使用的X X射线衍射装置。射线衍射装置。19131913年年布拉格父子设计的布拉格父子设计的X X射线衍射装置是衍射仪的早期雏射线衍射装置是衍射仪的早期雏形,经过了近百年的演变发展,今天的衍射仪如图形,经过了近百年的演变发展,今天的衍射仪如图所示。所示。第18页,共51页,编辑于2022年,星期日X X射线衍射仪射线衍射仪第19页,共51页
13、,编辑于2022年,星期日X X射线衍射仪法射线衍射仪法相比之下,衍射仪法使用更方便,自动化程度高,相比之下,衍射仪法使用更方便,自动化程度高,尤其是与计算机结合,使得衍射仪在强度测量、花尤其是与计算机结合,使得衍射仪在强度测量、花样标定和物相分析等方面具有更好的性能。样标定和物相分析等方面具有更好的性能。衍射仪记录花样与德拜法有很大区别衍射仪记录花样与德拜法有很大区别接收接收X射线射线试试样样强度公式强度公式吸收项吸收项接受方式接受方式衍射衍射仪仪辐射探辐射探测器测器平平板板1/2l辐射探测器沿测角仪圆辐射探测器沿测角仪圆转动,逐一接收衍射转动,逐一接收衍射德拜德拜法法底片底片感光感光细细丝
14、丝A(A()同时接收衍射同时接收衍射第20页,共51页,编辑于2022年,星期日多晶广角衍射仪:多晶广角衍射仪:3160小角散射衍射仪:小角散射衍射仪:更低更低2角角,大分子晶体及微粒,大分子晶体及微粒X射线发生装置射线发生装置单晶四周衍射仪:单晶结构单晶四周衍射仪:单晶结构测角仪测角仪辐射探测器辐射探测器辐射探测器辐射探测器记录单元或自动控制单元记录单元或自动控制单元第21页,共51页,编辑于2022年,星期日一、测角仪一、测角仪1、测角仪的构造和工作原理、测角仪的构造和工作原理构造如图。构造如图。(1)样品台(小转盘样品台(小转盘H):样):样品表面与品表面与O轴重合轴重合(2)X射线源射
15、线源S:X射线管的线射线管的线状焦点状焦点S与与O轴平行;轴平行;(3)测角仪圆测角仪圆G:光学布置上:光学布置上要求要求S、C(实际是实际是F)位于同一位于同一圆周上,这个圆周叫测角仪圆。圆周上,这个圆周叫测角仪圆。第22页,共51页,编辑于2022年,星期日(4)测角仪支架测角仪支架E:狭缝狭缝I、光阑、光阑F和计数管和计数管C固定于支架固定于支架E上;上;支架可以绕支架可以绕O轴转动(即轴转动(即与样品台的轴心重合);与样品台的轴心重合);支架的角位置支架的角位置2可以从刻可以从刻度盘度盘K上读取。上读取。第23页,共51页,编辑于2022年,星期日(5)测量动作:测量动作:-2联动联动
16、即样品和计数管的转动角即样品和计数管的转动角速度保持速度保持1:2的速比。当的速比。当H转过转过角度时,角度时,E恒转过恒转过2。这就是试样。这就是试样-计数管的计数管的联动联动(常写作常写作-2 联动联动)。第24页,共51页,编辑于2022年,星期日为何采用为何采用-2-2 联动?联动?设计设计1:21:2的角速度比,是保证当计数器处于的角速度比,是保证当计数器处于22角的位角的位置时,试样表面与入射线的掠射角为置时,试样表面与入射线的掠射角为,从而使入射,从而使入射线与衍射线以试样表面法线为对称轴,在两侧对称分布。线与衍射线以试样表面法线为对称轴,在两侧对称分布。因此,辐射探测器接收到的
17、衍射是那些与试样表面平行的晶因此,辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表面平行的晶面产生的衍射。(虽然有些晶面不平行于试样表面,尽管也面产生的衍射。(虽然有些晶面不平行于试样表面,尽管也产生衍射,但衍射线进不了探测器,不能被接收。)产生衍射,但衍射线进不了探测器,不能被接收。)第25页,共51页,编辑于2022年,星期日联动扫描过程中,探测器沿测角仪圆由低联动扫描过程中,探测器沿测角仪圆由低22角到高角到高22角转动,当角转动,当转到适当的位置时便可接收到一根反射线,这样转到适当的位置时便可接收到一根反射线,这样逐一探测和记录逐一探测和记录下各条衍射线的位置(下各条衍射线的位置(22角度)和强度
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