第4章 X射线衍射仪.
第4章多晶体分析方法-课件
X 射线衍射仪主要由 X射线发生器、测角仪、辐射探测器、 记录单元和自动控制单元等组成，其中测角仪是仪器的核 心部件
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第三节 X射线衍射仪
一、 X射线测角仪
(一) 概述
图4-12是测角仪示意图，平板试样D安装在可绕轴O旋转 的试样台H上，S处发射的一束发散X射线照射到试样上时，
正比计数器输出的脉冲峰 值与所吸收的光子能量成 正比，强度测定较可靠
图4-17 正比计数管及其基本电路
反应快、能量分辨率高、 背底脉冲低、计数率高、 性能稳定；但对温度比较 敏感，电压稳定度要求高
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第三节 X射线衍射仪
二、探测与记录系统
(一) 探测器
2) 闪烁计数器(SC) 如图4-18， 闪烁计数器主要由磷光体和 光电倍增管组成。磷光体一般为加入约0.5% 的铊活化的碘 化钠单晶体；光电倍增管有光敏阴极和10个联极，每个联 极递增100V正电压，最后一个联极与测量电路连接
图4-8 对称聚焦照相法 1-光阑 2-照相机壁 3-底片 4-试样
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第二节 其他照相法简介
二、背射平板照相法(针孔法)
平板照相法分为透射和背射两种，图4-9为背射平板照相 法示意图，由于聚焦圆直径很大，一般采用平面试样。该法 要求试样、光阑和衍射环A与B四点共圆，且试样与圆相切
其衍射花样由同心衍射环组 成，由于衍射环太少，不适 用于物相分析，用于研究晶 粒大小、择优取向、晶体完 整性，及点阵参数精确测定
7) 查卡片 根据d系列和I系列，对照物质标准卡片。如果这 两个系列均与卡片符合很好，则可确定物相。其中d 系列 是物相鉴定的主要依据
X射线衍射仪实验报告（范文模版）
X射线衍射仪实验报告（范文模版）第一篇：X射线衍射仪实验报告（范文模版）基本构造：（1）高稳定度X射线源提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度。
（2）样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。
（3）射线检测器检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。
（4）衍射图的处理分析系统现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。
操作：第一步：检查真空灯是否正常，左“黄”右“绿”为正常状态，如果“绿”灯闪或者灭的状态表明真空不正常；第二步：冷却水系统箱，打开其开关（冷却水的温度低于26℃为正常）。
如果“延时关机”为开的状态要关闭。
“曲轴加热”一般在寒冬才用，打开预热10min 后即可继续以下操作。
（此外，测试实验完成后，打开“延时关机”按钮，而冷却水的“关闭”按钮不关，30min后冷却水会自动关闭）第三步：打开机器后面“右下角”的“测角仪”（上开下关），而“左下角”的开关一般为“开”的状态，除有允许不要动；第四步：电脑操作，桌面“右下角”有“蓝色标示”说明电脑和机器已经连接，否则“左击”该标示选择“初始化”即可；第五步：装样品，载物台一般用“多功能”的，粉体或者块体装上后，使其平面与载物台面相平。
如果是粉体还要在滑道上铺层纸，避免掉料污染滑道；第六步：在机器中放样品前，按“Door”按键，听到“嘀嘀”声时，方可打开机器门；第七步：点击“standard measurement”中的运行按钮即可运行机器进行测试中。
第八步：实验完成后，先降电流后降电压，20mA/5min至10mA，5kV/5min至20kV；关闭各个软件，关闭“测角仪”开关。
冷却水箱上的开关可以直接打开“延时关机”开关，而冷却水“关闭”按钮不关，30min后自动关闭冷却水。
x射线衍射仪工作原理
x射线衍射仪工作原理
x射线衍射仪是一种常用的分析仪器，广泛应用于材料科学、
结构生物学等领域。
它的工作原理是基于x射线的衍射现象。
首先，x射线衍射仪会通过一个x射线管产生一束高能的x射线。
这束x射线会经过一个束限器，使得只有一束直线状的射线从出口射出。
接下来，这束x射线会进入一块晶体或者一束平行的晶体。
晶体的晶格结构会使得入射的x射线遇到晶格中的原子时发生衍射现象。
根据布拉格定律，x射线在晶体晶面上的散射角度与
晶面的间距有关。
这意味着，不同晶面的散射角度是不同的。
在x射线衍射仪中，会放置一个底片或者探测器来捕捉散射光的信息。
当散射光到达底片或者探测器时，会形成一种特殊的衍射图样，称为衍射图。
衍射图上的每个峰代表着不同的晶面。
通过测量、分析衍射图中的峰的位置、强度等参数，可以推算出晶体的晶格参数、晶面的间距、晶体的结构等信息。
需要注意的是，为了获得准确的衍射图，x射线衍射仪中各个
部件的位置、角度等参数要进行精确的调整。
并且，在实际应用中，也需要进行数据处理、解析等工作，以获得更详细的晶体结构信息。
总结起来，x射线衍射仪通过向晶体中发射高能的x射线，并
捕捉其衍射光的信息，利用衍射图来研究晶体的结构和性质。
这种衍射现象基于布拉格定律，因此可以通过衍射图的分析来推导晶体的晶格结构参数。
x射线衍射仪的工作原理
x射线衍射仪的工作原理X射线衍射仪的工作原理是基于X射线的散射现象。
当X射线通过物质时，会与物质的原子产生相互作用，通过散射来改变其传播方向和能量。
具体工作原理如下：1. 产生X射线：X射线衍射仪使用X射线管产生X射线。
X射线管中有一个阴极和阳极，当高压施加在两个电极之间时，阴极上的电子会被加速，击中阳极，从而产生X射线。
2. 照射样品：产生的X射线通过选择性选择性照射到待测样品上。
样品中的原子核和电子会与X射线发生相互作用。
3. 散射现象：当X射线与样品中的原子相互作用时，会发生散射现象。
主要有两种类型的散射，即弹性散射和无弹性散射。
- 弹性散射（Rayleigh散射）：在弹性散射中，X射线与样品中的原子表面相互作用，改变传播方向，但不改变能量。
这种散射通常被忽略，因为它对X射线衍射仪的结果没有贡献。
- 无弹性散射（Compton散射）：在无弹性散射中，X射线与样品中的原子内部相互作用，改变了X射线的能量。
这种散射是X射线衍射仪中非常重要的现象，因为它提供了有关样品内部结构和晶体学信息的重要数据。
4. 衍射现象：当经过样品后的X射线进入到探测器时，会发生衍射现象。
衍射是由于入射X射线在样品中被散射后，不同方向上的散射波相互叠加形成的相干波的干涉现象。
5. 探测与记录：探测器将衍射产生的干涉图案转化为电信号，并通过信号处理和记录设备将其转化为可见图像或X射线衍射图谱。
这些图像或图谱可以用于分析样品的晶体结构、晶胞参数、晶体定向和有序结构等信息。
总的来说，X射线衍射仪的工作原理是通过利用X射线与样品中原子的相互作用和散射现象，来获取样品的晶体学信息和结构参数。
衍射图案的形状和强度可以提供关于样品原子排列和晶格结构的重要信息。
X射线衍射仪
显微畸变程度越大，则物理宽化的程度越大。
通常用衍射线的FWHM（半高宽）的大小来
描述宽化的程度。即图（a）中的B。
Ф扫描与ω扫描
2.2案例分析
用ω扫描进行不同晶面取向的 ＲＤＸ
单晶的位错密度研究。
分别对(210)、(200)和(111)晶面 进 行
ω扫 描，扫 描 范 围：(-300~300)
如图，（b）为理
想条件下得到的
衍射强度曲线，
（a）为实际情况
下得到的衍射曲
线。 可见，在实际情况来自，衍射曲线发生了“宽化”。
Ф扫描与ω扫描
影响衍射线宽化通常有三个方面的原因：1、
仪器引起的宽化；2、物理宽化；3、谱线线
形的卷积。
物理宽化：主要与亚晶粒的尺寸以及显微畸
变程度有关。一般来说，亚晶粒尺寸越细、
1.2 连续扫
描
定义：计数管在选定的扫描范围内以一定的
均匀速度进行不停顿的扫描，并扫描的同时
进行计数；仪一定角度间隔内的积累技术作
为间隔的强度值。
如：用连续扫描方式进行一个20°~80°的扫
描，选取计数间隔为0.02°，扫描速度为
4°/min;于是，此次扫描需要（80-20）/4=15
分钟。
连续扫描多用来对晶体进行一些要求不高的
面；B轴位试样表面法线所在轴；C轴为衍射
仪轴，固定。
Ψ角为B轴与C轴之间的夹角，当Ψ =0°时，B
轴与C轴重合；ø为试样表面法线自旋转的角
度。
在衍射过程中，X射线不变。
Ф扫描与ω扫描
第四章、第五章 X射线衍射方法及分析
主要内容
1. 定性分析
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 定性分析原理 PDF卡片 PDF卡片 索引 单相物质的定性分析 多相物质的定性分析
2. 定量分析
2.1 2.2 2.3 2.4 定量分析原理 直接比较法 内标法 K值法 K值法
材料研究经常需要知道材料中包含几种结晶 物质或某种物质以何种结晶状态存在. 物质或某种物质以何种结晶状态存在. 材料中的一种物质称为一个相 材料中的一种物质称为一个相,此类问题称 物相分析. 物相分析. 物相:试样中由各种元素形成的具有固定结 物相:试样中由各种元素形成的具有固定结 的化合物.(包括单质元素和固溶体) .(包括单质元素和固溶体 构的化合物.(包括单质元素和固溶体)
工作原理
只测量平行于样品表面的晶面,试样和测角仪以1:2的角速度转动 只测量平行于样品表面的晶面,试样和测角仪以1:2的角速度转动
衍射仪光路图 衍射仪光路图
梭拉狭缝由一组等距平行的重金属薄片组成, 梭拉狭缝由一组等距平行的重金属薄片组成,用来限 制由焦点F发出的射线的水平发散角 发出的射线的水平发散角. 制由焦点 发出的射线的水平发散角. 接收狭缝用以排除非衍射线进入计数管和限制衍射束 在水平方向上的发散度,使衍射线背底得到改善. 在水平方向上的发散度,使衍射线背底得到改善.
2. 定性相分析基本方法
制备单相物质的衍射花样使之规范化, 制备单相物质的衍射花样使之规范化,将欲 分析物质的衍射花样与之对照 对照, 分析物质的衍射花样与之对照,从而确定物 质的相组成. 质的相组成. 将试样的d I数据与已知晶体的d I数据 将试样的d ~ I数据与已知晶体的d ~ I数据 数据与已知晶体的 对比. 对比.
目前大量应用的是粉末衍射卡片库, 目前大量应用的是粉末衍射卡片库,每张晶 体的衍射数据标准卡片上列出晶体的粉末衍 射花样的基本数据.称为PDF卡片 卡片( 射花样的基本数据.称为PDF卡片(The Powder Diffraction File) File) 物相定性分析的核心就是如何运用PDF卡片. 物相定性分析的核心就是如何运用PDF卡片. 卡片
X射线衍射仪
X射线衍射仪的形式多种多样，用途各异，但其基本构成很相似，为X射线衍射仪的基本构造原理图，主要部 件包括4部分。
（1）高稳定度X射线源 提供测量所需的X射线,改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长,调节阳极电压 可控制X射线源的强度。
（2）样品及样品位置取向的调整机构系统 样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。 （3）射线检测器 检测衍射强度或同时检测衍射方向,通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多 晶衍射图谱数据。 （4）衍射图的处理分析系统 现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统,它们 的特点是自动化和智能化。 x射线衍射仪 X射线衍射仪
每种矿物都具有其特定的X射线衍射图谱，样品中某种矿物含量与其衍射峰和强度成正相关关系。在混合物 中，一种物质成分的衍射图谱与其他物质成分的存在与否无关，这就是X射线衍射做相定量分析的基础。X射线衍 射是晶体的“指纹”，不同的物质具有不同的X射线衍射特征峰值(点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数 目、位置等)，结构参数不同则X射线衍射线位置与强度也就各不相同，所以通过比较X射线衍射线位置与强度可 区分出不同的矿物成分。X射线衍射仪主要采集的是地层中各种矿物的相对含量，并系统采集各种矿物的标准图谱， 包括石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿等近30种矿物成分，通过矿物成分的相对含量就可以确定 岩石岩性，为现场岩性定名提供定量化的参考依据，提高特殊钻井条件下岩性识别准确度。
主要参数
主要参数
三个物理量：从图中可以看出，衍射谱上可以直接得到的有三个物理量，即衍射峰位置(2θ)、衍射峰强度 (I)及衍射峰形状(f(x))。粉末衍射可解决的任何问题或可求得的任何结构参数一般都是以这三个物理量为基础 的。
第四章X射线衍射与散射详解
朱诚身
第四章：X射线衍射与散射
X射线衍射法概述
X射线分析法原理 广角X射线衍射法 多晶X射线衍射在高聚物中的应用 小角X射线散射法 X射线法应用
第一节 X射线衍射法概述
一． X射线的发现 1895年，W．K．Rontgen（1845—1923）发现 了X-Ray。1906年，英国物理学家巴克拉（1874— 1944）确定了不同金属都有自己特征的X-Ray。1912 年，Max ue（劳厄）发现X-Ray在晶体中的干涉现 象。1913年提出布拉格（Bragg）方程，用于晶体结 构分析。不久在20年代即开始应用于聚合物的结构测 定，最大分子确立的基础之一。
二． X射线的性质
1 ．波长范围：0.001~10nm，对高分子有用的是 0.05~0.25nm，最有用的是CuKα线，入=0.1542nm， 与聚合物微晶单胞0.2~2nm相当。
2 . X-Ray的产生 X-射线管效率： E=1.1×10-9 Z V 上面的“E”—效率，“Z”—原子序数，“V” —电压。 电能的0.2%转变为X-Ray，绝大部分变成热，帮阳 极靶须导 热良好，同时水冷。 3 ．连续X-Ray和特征X-Ray （1）连续（白色）X-Ray：由于极大数量的电子射到阳 极时穿透阳极物质深浅程度不同，动能降低多少不一， 产生各种波长的X-Ray。
3.典型聚集态衍射谱图的特征 衍射谱图是记录仪上绘出的衍 射强度（I）与衍射角（2θ）的关 系图。右图中：a 表示晶态试样衍 射，特征是衍射峰尖锐，基线缓平。 同一样品，微晶的择优取向只影响 峰的相对强度。图b为固态非晶试 样散射，呈现为一个（或两个）相 当宽化的“隆峰”。图c与d是半晶 样品的谱图。C有尖锐峰，且被隆 拱起，表明试样中晶态与非晶态 “两相”差别明显；d呈现为隆峰 之上有突出峰，但不尖锐，这表明 试样中晶相很不完整。 四种典型聚集态衍射谱图的特征示意图
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一、X射线衍射仪构造及几何光学
X射线(多晶体)衍射仪是以特征X射线照射 多晶体样品，用探测器记录衍射信息的衍 射实验装置。 X射线发生器、
X射线测角仪、 探测器 探测电路 控制操作系统 计算机系统
X射线衍射仪的组成
1. X射线发生器
2．测角仪的构造
（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射线源由X射线管 靶子上的线状焦点S发 出，S垂直于纸面，位 于以O为中心的圆周上， 与O轴平行。 大转盘(测角仪圆) H-样品台 C-样品 O-测角仪中心
测角仪的聚焦几何
1—测角仪圆 2—聚集圆
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。
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。 当θ=0时，聚焦圆半径为∞； θ=90°时，聚焦圆直径等于测 角仪圆半径，即2r=R。新式衍 射仪可使计数管沿FO方向径向 运动，并与θ－2θ连动，使F始 终在焦点上。
3．测角仪的光学布置
测角仪光学布置要求与X射线管的线状焦点的长边方向与测角仪的中心 轴平行。X射线管的线焦点S 的尺寸一般为1.5 mm×l0mm，但靶是倾 斜放置的，靶面与接受方向夹角为3°，这样在接受方向上的有效尺寸为 0.08mm×10mm。采用线焦点可使较多的入射线照射到试样。
窄缝光阑与梭拉光阑组成的联合光阑系统
2．测角仪的衍射几何
衍射几何：
（1）满足布拉格方程 （2）满足衍射线的聚焦条件。为达到聚焦 目的，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。由此可 以看出，衍射仪的衍射花样均 来自与试样表面相平行的那些 反射面的反射。
G-计数管 E-支架 F-接收(狭缝)光栏
（3）光路布置：S发出的X 射线，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。 滤波片放置在衍射光路 中，一方面限制Kβ线强度， 另一方面减少由试样散射出 来的背底强度。
X射线衍射仪
从历史发展看，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 spectromem H＝90mm 可以在样品上选 择任意位置进行 分析。设定分析 的范围后，可以 全自动地画出分 析结果的图像。
（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）， 角度可以从刻度盘K上读取。
（5）测量动作：样品台H和测 角仪台面可以分别绕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°。
为了保证衍射圆环宽度的均匀性，采用由窄 缝光阑与梭拉光阑组成的联合光阑系统。在线焦 点S与试样之间采用由一个梭拉光阑S，和两个窄 缝光阑（a）和（b）组成的入射光阑系统。 在试样与计数器之间采用由一个梭拉光阑S2 一个窄缝光阑组成的接收光阑系统，有时还在试 样与梭拉光阑S2之间再安置一个狭缝光阑，以遮 挡住除由试样产生的衍射线之外的寄生散射线。 光路中心线所决定的平面称为测角仪平面，它与 测角仪中心轴垂直。
R r 2 sin
R 为测角仪半径
②按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与聚焦圆 有相同的曲率。但是聚焦圆的曲率半径在测量过程中 是不断改变的，而试样表面却难以实现这一点。因此， 只能作为近似而采用平板试样，要使试样表面始终保 持与聚焦圆相切，即聚焦圆的圆心永远位于试样表面 的法线上。为了做到这一点，还必须让试样表面与计 数器保持一定的对应关系，即当计数器处于2θ角的位 置时，试样表面与入射线的掠射角应为θ。为了能随时 保持这种对应关系，衍射仪应使试样与计数器转动的 角速度保持 1∶2 的速度比，这便是 θ － 2θ 连动的主要 原因之一。
第 4 章 多晶体分析方法
照相法
多晶体衍射方法 衍射仪法
德拜法（德拜-谢乐法） 聚焦法 针孔法
照相法有三种： 1.德拜法底片位于相机圆筒内表面，试样位于中心轴上。 2.聚焦法底片，试样，X光源都位于圆周上； 3.针孔法底片为平板形与X射线垂直放置，试样在两者之 间。 衍射仪法： 衍射束在反射圆锥面上，圆锥的轴为入射束，各圆锥均是 由特定晶面的衍射形成的。