浙江大学 研究生单衍射实验 课件.ppt

浙江大学研究生核心课程建设《现代仪器分析实验技术与方法》 X-射线衍射(XRD) 实验技术 * 《现代仪器分析实验技术与方法》 * 刘继永 浙江大学化学系 2012年6月 * X射线是由高速电子撞击物质的原子产生的电磁波。 XRD 即X-ray diffraction 的缩写，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。 一、X射线产生与XRD原理 X射线的产生 * X 射线发生器： 封闭式X射线管（2kW） 旋转靶式X射线管（加强冷却，提高X射线强度。6-20kW） 产生的是：连续谱＋靶物质元素的特征谱 特征谱的波长是固定的。不能连续调节。 电子束改变运动方向产生X射线：同步辐射(电子加速器＋储存环） 北京同步辐射国家实验室、合肥同步辐射实验室 产生的是：连续谱。高平行度，偏振。 需要单色射线时，用反射镜＋晶体单色器从连续谱中取出所需要的波长的单色X射线，因此可以随意调节单色X射线的波长。功率高的同步辐射的强度可达常规X射线发生器的上千倍。 X射线管示意图 靶接地，灯丝为负高压。电子束轰击到靶上，电子束激发靶原子的内层电子，外层电子跃迁至内层，产生X射线。X射线穿过对X射线吸收系数很小的铍窗射出。 靶材料的原子序数愈大，其特征X射线波长愈短，能量愈大，穿透能力愈强。 最常用靶材为Cu，其他有 Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ag, W 等。 连续光谱的最短波长取决于X光管工作高压。 特征谱的波长取决于靶材的元素种类。 粉末衍射需要使用特征谱。常用的是Cu靶的K? 谱线，K? 谱线一般用单色器滤掉。 Cu K? 平均波长：1.5418? Cu K? 1波长：1.54060? Mo K? 波长：0.707? Mo 靶35kV时的发射光谱 K? 谱线由K?1和K?2 构成 连续谱 特征谱 K? 1 K? 2 K? K? K? 实际由相距很近的 K? 1和 K? 2 组成 * X射线光谱 晶体点阵衍射示意图 * 根据布拉格方程，我们可以把晶体对 X 射线的衍射看作为“反射”，并乐于借用普通光学中“反射”这个术语，因为晶面产生衍射时，入射线、衍射线和晶面法线的关系符合镜面对可见光的反射定律。但是，这种“反射”并不是任意入射角都能产生的，只有符合布拉格方程的条件才能发生，故又常称为“选择反射”。 据此，每当我们观测到一束衍射线，就能立即想象出产生这个衍射的晶面族的取向，并且由衍射角 θn 便可依据布拉格方程计算出这组平行晶面的间距（当实验波长也是已知时） 。 入射X射线，波长＝? 衍射X射线 ?＝衍射角 晶体点阵 晶面间距 = d hkl ? h k l晶面 产生衍射的条件是光程差是波长的整数倍 2d hkl ·sin?＝ n? 布拉格公式 n：衍射的级(正整数） * d1 d2 d3 晶体有不同的晶面，不同的晶面有不同的晶面间距，如上图图的 d1，d2，d3，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，构成不同，衍射也不同。实际晶体是三维的阵点排列，衍射也是在三维空间产生的。 二、X射线衍射仪的构成 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示意图。 * 接收狭缝 接收狭缝 入射X射线 衍射X射线 样品作?转动 样品 衍射Soller狭缝 样品驱动机构 衍射Soller，接收狭缝，探测器和单色器作 2? 转动 2? 0° 探测器高、低压电源 单色器 前置放大器 水冷却系统 主放大器 脉冲高度分析器 控制和数据处理计算机 2? 和 ? 驱动系统 数据 / 图形输出设备 入射Soller狭缝 发散狭缝 实际上计算机还可控制发散狭缝、单色器等 稳定的： 直流高压 灯丝电源 聚焦偏压 X光管 当样品平面平行于入射X射线时，探测器与接收狭缝处在2? 零度。然后样品以?速度绕衍射仪轴转动，同时探测器与接收狭缝以2? 速度转动，依次探测记录各晶面的衍射线。这样记录下来的是那些其 h k l 晶面平行于样品表面的晶粒的衍射线。 * 粉末衍射仪的不同配置 多种样品台功能配置： 高温、低温、化学反应器 需要样品与环境隔离，隔离层吸收，强度减弱。