现代材料分析与测试技术第3章X射线衍射方法.ppt

第三章 X射线衍射方法 第三章 X射线衍射方法 最基本的衍射实验方法有三种： 粉末法 劳厄法 转晶法。 粉末法的样品是粉末多晶体，其样品容易取得，衍射花样可提供丰富的晶体结构信息，通常作为一种常用的衍射方法。 劳厄法和转晶法采用单晶体作为样品，应用较少。 3.1 粉末照相法 3.1.1 粉末法成像原理 样品的粉末很细，每颗粉末又包含好几颗晶粒，这些晶粒的取向完全是无规则的。 因此，整个试样包含了无数取向无规则的细小晶粒。 这种粉末多晶中的某一组平行晶面在空间的分布，与一在空间绕着所有各种可能的方向转动的单晶体中同一组平行晶面在空间分布是等效的。 衍射环 粉末衍射法的历史发展 首先是有劳埃相机 再有了德拜相机 在此基础上发展了衍射仪。 衍射仪的思想最早是由布拉格（W.L. Bragg）提出的，原始叫 X射线分光计（X-ray spectrometer）。 3.2 X射线衍射仪 衍射仪法的优点: 如速度快 强度相对精确 信息量大 精度高 分析简便 试样制备简便等等。 3.2.1 X射线仪的基本组成 1.X射线发生器； 2.衍射测角仪； 3.辐射探测器； 4.测量电路； 5.控制操作和运行软件的电子计算机系统。 衍射仪法关键要解决的技术问题是： ①X射线接收装置－－计数管； ②衍射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样； ③相同的（hkl）晶面也是全方向散射的，所以要聚焦； ④计数管的移动要满足布拉格条件。 这些问题的解决关键是由几个机构来实现的： 1.X射线测角仪－－解决聚焦和测量角度的问题； 2.辐射探测仪－－解决记录和分析衍射线能量问题。 这里我们重点介绍X射线测角仪的基本构造。 1.测角仪的构造 测角仪是衍射仪的核心部件，相当于粉末法中的相机。 （1）样品台H： 位于测角仪中心，可以绕O轴旋转， O轴与台面垂直，平板状试样C放置于样品台上，要与O轴重合，误差≤0.1mm； （2）X射线源： X射线源是由X射线管的靶T上的线状焦点S发出的，S也垂直于纸面，位于以O为中心的圆周上，与O轴平行； （3）光路布置： 发散的X射线由S发出，投射到试样上，衍射线中可以收敛的部分在光阑F处形成焦点，然后进入计数管G。 A和B是为获得平行的入射线和衍射线而特制的狭缝，实质上是只让处于平行方向的X线通过，将其余的遮挡住。 光学布置上要求S、G（实际是F）位于同一圆周上，这个圆周叫测角仪圆。 若使用滤波片，则要放置在衍射光路而不是入射线光路中，这是为了一方面限制Kβ线强度，另一方面也可以减少由试样散射出来的背底强度。 （4）测角仪台面： 狭缝B、光阑F和计数管G固定于测角仪台E上，台面可以绕O轴转动（即与样品台的轴心重合），角位置可以从刻度盘K上读取。 （5）测量动作： 样品台H和测角仪台E可以分别绕O轴转动，也可机械连动，机械连动时样品台转过θ角时计数管转2θ角，这样设计的目的是使X射线在板状试样表面的入射角经常等于反射角，常称这一动作为θ－2θ连动。 在进行分析工作时，计数管沿测角仪圆移动，逐一扫描整个衍射花样。 计数器的转动速率可在0.125°／min～2°/min之间根据需要调整，衍射角测量的精度为0.01°，测角仪扫描范围在顺时针方向2θ为165°，逆时针时为100°。 2.测角仪的衍射几何 下图所示为测角仪衍射几何的示意图。 衍射几何的关键问题是 一方面要满足布拉格方程反射条件； 另一方面要满足衍射线的聚焦条件。 为达到聚焦目的，使X射线管的焦点S、样品表面O、计数器接收光阑F位于聚焦圆上。 在理想情况下，试样是弯曲的，曲率与聚焦圆相同 对于粉末多晶体试样，在任何方位上总会有一些（hkl）晶面满足布拉格方程产生反射，而且反射是向四面八方的 但是，那些平行于试样表面的（hkl）晶面满足入射角＝反射角＝θ的条件 此时反射线夹角为（π－2θ） （π－2θ）正好为聚焦圆的圆周角 由平面几何可知，位于同一圆弧上的圆周角相等 所以，位于试样不同部位M，O，N处平行于试样表面的（hkl）晶面，可以把各自的反射线会聚到F点（由于S是线光源，所以F点得到的也是线光源），这样便达到了聚焦的目的。 衍射仪的衍射花样均来自于与试样表面相平行的那些反射面的反射，这一点与粉末照相法是不同的。 在测角仪的测量动作中，计数器并不沿聚焦圆移动，而是沿测角仪圆移动逐个地对衍射线进行测量。 除X射线管焦点S之外，聚焦圆与测角仪圆只能有一个公共交点F，所以，无论衍射条件如何改变，最多只可能有一个（hkl）衍射线聚焦到F点接受检测。 出现了新问题： ①光源S固定在机座上，与试样C的直线位置不变，而计数管G和接收光阑F在测角仪大圆周上移动，随之聚焦圆半径发生改变。2θ增加时，弧SF接近，聚焦圆半径 r减小；反之，2θ减小时弧 SF拉远，r增加。