X射线衍射仪原理及应用技术.ppt

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1、X X射线衍射仪原理及应用技术交流射线衍射仪原理及应用技术交流安泰科技研发中心安泰科技研发中心李艳萍李艳萍 X X射线衍射的晶体学知识简介射线衍射的晶体学知识简介 D8 discover XRD D8 discover XRD 主要结构主要结构 D8 discover XRD D8 discover XRD 主要功能及分析方法主要功能及分析方法主要内容主要内容晶体学基础知识晶体学基础知识晶体晶体晶体基本特点：质点（结构单元）沿三维空间周期性晶体基本特点：质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义）并有对称性。排列（晶体定义）并有对称性。空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和空间点阵

2、：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，物质环境均同，这些这些这些这些“点集点集”称空间点阵。称空间点阵。晶体结构晶体结构=空间点阵空间点阵+结构基元。结构基元。晶胞：晶胞：晶体中空间点阵的单位，晶体结构的最小单位两个要素：两个要素：晶胞的大小、类型（三维空间中向量大小、方向）和 内容（晶胞中原子或分子种类及分布）晶胞参数：晶胞参数：三个向量a、b、c的长度，以及它们之间的夹角、晶体学基础知识晶体学基础知识晶胞晶胞晶体学基础知识晶体学基础知识空间点阵空间点阵BravaisBravais点阵：点阵：空间点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单空间点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称

3、性的单胞，并要求单胞相等棱与角数最多。胞，并要求单胞相等棱与角数最多。1414种种BravaisBravais点阵分点阵分4 4类：类：P P：简单：简单 C C：底心：底心 I I：体心：体心F F：面心：面心晶体学基础知识晶体学基础知识晶系晶系按晶胞形状、大小分七大晶系按晶胞形状、大小分七大晶系立方晶系立方晶系 a=b=c,=90 a=b=c,=90正方晶系正方晶系 a=b c,=90 a=b c,=90六方晶系六方晶系 a=b c,=90,=120 a=b c,=90,=120正交晶系正交晶系 a=b=c,=90 a=b=c,=90菱形晶系菱形晶系 a b c,=90 a b c,=90

4、单斜晶系单斜晶系 ab c,=90,90 ab c,=90,90三斜晶系三斜晶系 a bc,a bc,晶体学基础知识晶体学基础知识-晶面、晶向晶面、晶向晶向：一族具有等周期的点阵直线晶向：一族具有等周期的点阵直线 。晶向指数晶向指数 uvwuvw：原点与阵点相联在晶轴方向的投影。原点与阵点相联在晶轴方向的投影。晶面：互为平行、等距且面上点阵分布全同晶面：互为平行、等距且面上点阵分布全同 hklhkl。晶面指数晶面指数(hklhkl)：晶面截晶轴的倒数，乘以最小公倍数，晶面截晶轴的倒数，乘以最小公倍数，它表示晶面法向特征。它表示晶面法向特征。晶体学基础知识晶体学基础知识-晶面间距晶面间距晶面间距

5、晶面间距:两个相邻的平行晶面间的垂直距离两个相邻的平行晶面间的垂直距离立方晶系立方晶系:正方晶系正方晶系:斜方晶系斜方晶系:晶体学基础知识晶体学基础知识倒倒易点阵易点阵晶体点阵的倒易，数学抽象。晶体点阵的倒易，数学抽象。晶体点阵晶体点阵 晶面晶面(hklhkl)对应倒易点阵一个倒易点对应倒易点阵一个倒易点P Phklhkl。倒易性质：倒易性质：倒易矢量倒易矢量H=H=H=ha*+kb*+H=ha*+kb*+l llc*,h,k,l lc*,h,k,l 均为整均为整数，则数，则HH (hkl),/Hhkl/=1/dhkl(hkl),/Hhkl/=1/dhkl表示表示:a):a)方向方向(hkl)

6、(hkl)的法线方向，的法线方向，b)b)b)b)倒易点阵每一结点的倒易矢量其长度为倒易点阵每一结点的倒易矢量其长度为(hkl)(hkl)面间距倒数。面间距倒数。X X射线物理学概要射线物理学概要18951895年年研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉眼研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见的射线，称为看不见的射线，称为X X射线射线(伦琴射线伦琴射线)。X X射线是电磁波，具有波粒性。射线是电磁波，具有波粒性。X X射线波长范围约为射线波长范围约为0.100.10到到100100埃埃。原子和分子。原子和分子对对X X射线射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。的散射和衍射能

7、够传递极为丰富的微观结构信息。X X射线衍射的方法射线衍射的方法 德拜法（德拜德拜法（德拜-谢乐法）谢乐法）照相法照相法 聚焦法聚焦法 多晶体衍射方法多晶体衍射方法 针孔法针孔法 衍射仪法衍射仪法 劳埃（劳埃（LaueLaue）法）法 单晶体衍射方法单晶体衍射方法 周转晶体法周转晶体法 四圆衍射仪四圆衍射仪 晶体晶体X X射线衍射原理射线衍射原理晶体中各个电子的散射波可相互干涉。散射波周相一致晶体中各个电子的散射波可相互干涉。散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。相互加强的方向称衍射方向。BraggBragg公式：公式：实质：光程差等于波长整数倍（周相一致）晶体晶体X X射线衍射原理射线衍射

8、原理厄瓦尔德（厄瓦尔德（Ewald Ewald）图解：）图解：倒易点落在倒易点落在EwaldEwald球上的晶面球上的晶面多晶体衍射花样的形成多晶体衍射花样的形成结构因子结构因子X X射线散射的强度与晶胞的结构有关射线散射的强度与晶胞的结构有关F F为结构振幅，为结构振幅，F FHKLHKL=一个晶胞的相干散射振幅一个晶胞的相干散射振幅/一个电子的相干散一个电子的相干散射振幅射振幅强度比等于振幅的平方强度比等于振幅的平方;|F|;|F|2 2称为结构因子称为结构因子|F|F|2 2=0 =0 衍射线消光衍射线消光|F|F|2 20 0 衍射线不消光衍射线不消光晶体晶体X X射线衍射充要条件射线

9、衍射充要条件布拉格公式：晶体产生衍射的方向只与晶胞参数有关，与布拉格公式：晶体产生衍射的方向只与晶胞参数有关，与晶体结构无关；晶体结构无关；F F2 2hklhkl：决定衍射强度的重要因素，决定衍射线的存在与否。：决定衍射强度的重要因素，决定衍射线的存在与否。衍射充要条件：衍射充要条件：2d hklsinhkl=n F2hkl 0衍射仪法衍射仪法方法实质：方法实质：X X射线与物质作用产生衍射花样。射线与物质作用产生衍射花样。衍射花样三要素：衍射花样三要素：峰位、峰强、峰形峰位、峰强、峰形；数据谱分析：开拓对粉末衍射数据处理的根本变革。数据谱分析：开拓对粉末衍射数据处理的根本变革。物像鉴定物像

10、鉴定物相鉴定原理：物相鉴定原理：衍射方向衍射方向,是晶胞参数的函数；衍射强度是结构因子是晶胞参数的函数；衍射强度是结构因子函数函数(取决于晶胞中原子的种类、数目和排列方式取决于晶胞中原子的种类、数目和排列方式)。结晶物质均具有特定结晶结构（结晶类型，晶胞大小结晶物质均具有特定结晶结构（结晶类型，晶胞大小及质点种类，数目，分布）和组成元素。任何一个物及质点种类，数目，分布）和组成元素。任何一个物相都有一套相都有一套d-Id-I特征值及衍射谱图。因此，可以对多相特征值及衍射谱图。因此，可以对多相共存的体系进行全分析。共存的体系进行全分析。一种物质有自已独特衍射谱与之对应，多相物质的衍一种物质有自已

11、独特衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个互不相干，独立存在物相衍射谱的简单叠射谱为各个互不相干，独立存在物相衍射谱的简单叠加。加。物相定量分析物相定量分析多相物质经定性分析后，若要进一步知道各个组成物多相物质经定性分析后，若要进一步知道各个组成物相的相对含量，就得进行相的相对含量，就得进行X X射线物相定量分析射线物相定量分析根据根据X X射线衍射强度公式，某一物相的相对含量的增加，射线衍射强度公式，某一物相的相对含量的增加，其衍射线的强度亦随之增加，所以通过衍射线强度的其衍射线的强度亦随之增加，所以通过衍射线强度的数值可以确定对应物相的相对含量。数值可以确定对应物相的相对含量。由于各个物相

12、对由于各个物相对X X射线的吸收影响不同，射线的吸收影响不同，X X射线衍射强射线衍射强度与该物相的相对含量之间不成正比关系，必须加以度与该物相的相对含量之间不成正比关系，必须加以修正。修正。德拜法中由于吸收因子与德拜法中由于吸收因子与2 2角有关，而衍射仪法的吸角有关，而衍射仪法的吸收因子与收因子与2 2角无关，角无关，所以所以X X射线物相定量分析常常是射线物相定量分析常常是用衍射仪法进行。用衍射仪法进行。定量相分析方法定量相分析方法多种定量分析方法多种定量分析方法内标法（待测样中加入一种含量固定的标准物质）内标法（待测样中加入一种含量固定的标准物质）K K值法（基体冲洗法）值法（基体冲洗

13、法）无标样法（试样中所有相均已知）无标样法（试样中所有相均已知）绝热法（试样中某一相作为内标物质，不能有非晶态绝热法（试样中某一相作为内标物质，不能有非晶态物质存在）物质存在）直接对比法（两相的衍射强度比为基，适用于淬火钢直接对比法（两相的衍射强度比为基，适用于淬火钢中残余奥氏体测定）中残余奥氏体测定）D8 discoverD8 discover衍射仪衍射仪产地：产地：德国布鲁克（德国布鲁克（AXS)AXS)公司公司型号：型号：D8 discoverD8 discover主要结构主要结构光源：高压发生器与光源：高压发生器与X X光管光管精密测角仪精密测角仪光学系统光学系统探测器探测器光源高压发

14、生器与光源高压发生器与X X光管光管X X射线产生条件：电子流、高压、真空室、靶面射线产生条件：电子流、高压、真空室、靶面104105V+X X射线管射线管射线管射线管阴极阴极阴极阴极 阳极阳极阳极阳极（对阴极）（对阴极）（对阴极）（对阴极）封闭管光源封闭管光源X X光光管：陶瓷管：陶瓷X X光管光管 靶面：靶面：CuCu靶靶X射线测角仪射线测角仪n测角仪是测角仪是X X射线衍射仪的核心部分射线衍射仪的核心部分 X射线测角仪结构示意图C-计数管 D-样品 E-支架 F-接收(狭缝)光栏 G-大转盘(测角仪圆)H-样品台 M-入射光栏 O-测角仪中心 S-管靶焦斑 测角仪系统测角仪系统 精密光学

15、系统精密光学系统BraggBraggBrentanoBrentano衍射几何衍射几何设计原理：设计原理：R1R1R2R2，试样转，试样转 角，探测器转角，探测器转2 2 角（角（2/2/偶偶合），或试样不动，光管转合），或试样不动，光管转，探测器转，探测器转 （/偶合）偶合）探测器探测器 作用作用是接收样品衍射线是接收样品衍射线(光子光子)信号转变为电信号转变为电(瞬时脉冲瞬时脉冲)信号。信号。NaINaI闪烁计数器闪烁计数器具有低背底（具有低背底（0.4cps0.4cps）、高线性范围）、高线性范围2x102x106 6 cps cps；新型；新型YAPYAP晶体闪烁计数器的线性范围高达晶体

16、闪烁计数器的线性范围高达1x101x107 7cpscpsSiSi（LiLi）固体探测器）固体探测器具有极佳的能量分辨率。可选择具有极佳的能量分辨率。可选择特定能量的光子进行响应。背景小于特定能量的光子进行响应。背景小于0.01cps0.01cps。配置的附件配置的附件织织构构附件附件高温附件高温附件薄膜掠射附件薄膜掠射附件织织 构构单晶体金属材料：各向异性单晶体金属材料：各向异性多晶体金属材料：各向同性多晶体金属材料：各向同性织构：晶粒取向择优分布织构：晶粒取向择优分布用冲床冲制金属零件时，往往会因择优取向造成废品用冲床冲制金属零件时，往往会因择优取向造成废品高温超导体高温超导体YBaYBa

17、2 2CuCu3 3O O7-x7-x的超导特性的超导特性(001)(001)面，也即面，也即abab面面能承载大的电流密度应制备这种能承载大的电流密度应制备这种(001)(001)强织构超导材料强织构超导材料织织构的分析方法构的分析方法描绘织构空间取向的极射赤面投影图：极图、反极图描绘织构空间取向的极射赤面投影图：极图、反极图极图表示出试样内各晶粒某一极图表示出试样内各晶粒某一(hkl)(hkl)晶面极点在外观坐标晶面极点在外观坐标系里的取向分布；系里的取向分布；反极图表示晶粒的某一特定外观方向相对于晶体坐标系反极图表示晶粒的某一特定外观方向相对于晶体坐标系的取向分布；的取向分布；取向分布函

18、数取向分布函数(ODF)(ODF)法：将试样的轧面法向、轧向和横向法：将试样的轧面法向、轧向和横向三位一体地在三维晶体学取向空间表示出来三位一体地在三维晶体学取向空间表示出来高温附件高温附件 高温条件下的试样物相结构高温条件下的试样物相结构 直热式加热，升降温速度可达直热式加热，升降温速度可达 200/min 200/min；温度最高可达温度最高可达1600 1600 ；样品平放，安全性能好；样品平放，安全性能好；高温测试样品要求高温测试样品要求非液态（原则上）最好为粉末样非液态（原则上）最好为粉末样高温下不与加热片（铂铑合金）发生反应高温下不与加热片（铂铑合金）发生反应加热后不产生腐蚀性气体

19、加热后不产生腐蚀性气体薄膜附件薄膜附件 衍射仪上加装一掠射附件衍射仪上加装一掠射附件 （0.35平行光狭平行光狭缝）膜及多层膜的物相分析膜及多层膜的物相分析入射光束以较低掠射角入射，入射光束以较低掠射角入射，可使薄膜衍射信息增大，可使薄膜衍射信息增大，而衬底反射最小。而衬底反射最小。可实现功能可实现功能物相分析（物相鉴定与定量分析，结晶度测量）物相分析（物相鉴定与定量分析，结晶度测量）晶体结构分析（晶粒大小、点阵参数测定、相结构等）晶体结构分析（晶粒大小、点阵参数测定、相结构等）织构和残余应力分析织构和残余应力分析高温条件下物相变化分析高温条件下物相变化分析薄膜分析（薄膜的物相鉴定和定量分析）

20、薄膜分析（薄膜的物相鉴定和定量分析）应用软件功能应用软件功能DiffracDiffrac Plus Plus Measurement PackageMeasurement Package系统控制管理与系统控制管理与数据采集软件；数据采集软件；DiffracDiffrac Plus Plus EVA EVA 基本数据处理软件；基本数据处理软件；DiffracDiffrac Plus Plus Search Search 自动物相检索软件自动物相检索软件，除常规化，除常规化学元素学元素,I/dI/d值三判据作物相自动检索方法外，本物相值三判据作物相自动检索方法外，本物相检索方法利用扣除背底全谱数据

21、作检索，考虑到测量检索方法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、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重叠峰、肩峰）以及弱峰等。可有效地检索多相样品中重叠峰、择优取向、微量相中的物相；择优取向、微量相中的物相；应用软件功能应用软件功能DiffracDiffrac plus plus DquantDquant(包括在包括在EVAEVA软件中软件中)用作用作物相的物相的定量分析定量分析，包括多种常规定量分析方法，如内标法、，包括多种常规定量分析方法，如内标法、外标法、直接对比法，并可编程适用多种相定量

22、分析，外标法、直接对比法，并可编程适用多种相定量分析，如铝电解槽分析等；如铝电解槽分析等；Diffrac Plus TOPAS P 对对X射线衍射射线衍射线形进行函数模线形进行函数模拟和基本参数拟合拟和基本参数拟合，后者从仪器几何参数和试样性质，后者从仪器几何参数和试样性质拟合线形，有确切物理意义，为无标样晶粒尺寸和微拟合线形，有确切物理意义，为无标样晶粒尺寸和微观应变测定提供解决办法，可用作点阵参数精修和结观应变测定提供解决办法，可用作点阵参数精修和结晶度测定等。晶度测定等。应用软件功能应用软件功能Diffrac plus STRESS 用作试样和实物构件用作试样和实物构件残余应力残余应力测

23、定，测定，含有含有Omega模式和模式和Psi模式，可给出选定方向的应力、切应模式，可给出选定方向的应力、切应力和应力张量。力和应力张量。Diffrac plus ODF 取向分布函数取向分布函数(ODF)织构定量分析软件织构定量分析软件是在是在DiffracPlus TEXEDIT数据处理基础上数据处理基础上,由完整极图或不完整由完整极图或不完整极图数据极图数据,用球谐级数展开法做用球谐级数展开法做ODF分析分析,计算了奇数项计算了奇数项,载载尾项可任选尾项可任选,用用Bunge符号绘出恒符号绘出恒Phi1、Phi2和和的的ODF截截面图面图,可回算绘制任意可回算绘制任意hkl完整极图和反极

24、图。完整极图和反极图。X射线衍射实验测试射线衍射实验测试制样要求：制样要求：粉末或块状样均可，表面平整粉末或块状样均可，表面平整粉末颗粒在粉末颗粒在5 515m15m最佳最佳块状样受夹方向块状样受夹方向50mm50mm，平行射线出射方向，平行射线出射方向(20mm(20mm且且60mm60mm）计数测量方法与测量参数选择计数测量方法与测量参数选择多晶体衍射仪计数测量方法分为多晶体衍射仪计数测量方法分为连续扫描连续扫描和和步进步进(阶梯阶梯)扫描扫描两种两种测量参数包括狭缝光栏宽度、扫描速度、时间常数等。测量参数包括狭缝光栏宽度、扫描速度、时间常数等。数据谱采集数据谱采集检索检索/匹配匹配在在S

25、earch/Match框内点击框内点击“Search”,进行微机检索进行微机检索/匹配确认物相。匹配确认物相。Ni44Fe56Ni44Fe56合金薄膜镀态和退火处理后微观结构对比合金薄膜镀态和退火处理后微观结构对比 测试条件：测试条件：Slits:1.0/1.0/0.2Slits:1.0/1.0/0.2，start:10start:10 to:100 to:100 increment:0.03 increment:0.03/step Step time:0.8s Step time:0.8s常规测试实例常规测试实例常规测试实例常规测试实例FeNiFeNi非晶粉末试样非晶粉末试样测试条件：测试条件：Slits:2.0/1.0/0.2Slits:2.0/1.0/0.2，start:10start:10 to:100 to:100 increment:0.1 increment:0.1/step Step time:0.8s/step Step time:0.8s 谢谢 谢谢!