射线衍射仪原理及应用技术

1200 4000
1000
Y-(Fe,Ni) (200) 800
3000
Ni (200)
600
Y-(Fe,Ni) (200) 2000
Ni (200)
400
Y-(Fe,Ni) (311)
Ni (311) Y-(Fe,Ni) (220)
1000
200
Ni (220)
Ni (222)
Y-(Fe,Ni) (311)
射振幅
强度比等于振幅的平方; | F | 2称为结构因子 | F | 2 =0 衍射线消光 | F | 2≠0 衍射线不消光
晶体X射线衍射充要条件
布拉格公式：晶体产生衍射的方向只与晶胞参数有关，与 晶体结构无关；
F2hkl：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：
2d hklsinθhkl = nλ
产地：德国布鲁克（AXS)公司 型号：D8 discover
主要结构
➢ 光源：高压发生器与X光管 ➢ 精密测角仪 ➢ 光学系统 ➢ 探测器
光源－高压发生器与X光管
X射线产生条件：电子流、高压、真空室、靶面
阴极 X射线管
阳极 （对阴极）
104~150 V
+
封闭管光源
X光管：陶瓷X光管
靶面：Cu靶
倒易性质： 倒易矢量H=H=ha*+kb*+llc*, h,k,l 均为整
数，则H⊥ (hkl), /Hhkl/ =1/dhkl 表示: a) 方向(hkl)的法线方向， b) b)倒易点阵每一结点的倒易矢量其长度为 (hkl)面间距倒数。
X射线物理学概要
➢ 1895年W.C.Roentgen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X射线(伦琴射线)。
➢ 晶面：互为平行、等距且面上点阵分布全同 {hkl}。 ➢ 晶面指数(hkl)：晶面截晶轴的倒数，乘以最小公倍数，
它表示晶面法向特征。
晶体学基础知识--晶面间距
晶面间距: 两个相邻的平行晶面间的垂直距离 立方晶系:
正方晶系:
斜方晶系:
晶体学基础知识—倒易点阵
➢ 晶体点阵的倒易，数学抽象。 ➢ 晶体点阵 晶面(hkl)对应倒易点阵一个倒易点Phkl。
➢ 晶体结构= 空间点阵+结构基元。
晶体学基础知识—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：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：三个向量a、b、c的长度，以及它们之间的夹
角α、β、γ
晶体学基础知识—空间点阵
Bravais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 胞，并要求单胞相等棱与角数最多。
及质点种类，数目，分布）和组成元素。任何一个物 相都有一套d-I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。 ➢ 一种物质有自已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 加。
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 相的相对含量，就得进行X射线物相定量分析
X射线衍射实验测试
制样要求： ➢ 粉末或块状样均可，表面平整 ➢ 粉末颗粒在5～15μm最佳 ➢ 块状样受夹方向50mm，平行射线出射方向(>20mm且
<60mm）
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连续扫描和步进(阶梯) 扫描两种
➢ 测量参数包括狭缝光栏宽度、扫描速度、时间常数等。
➢ Diffrac Plus Measurement Package系统控制管理与 数据采集软件；
➢ Diffrac Plus EVA 基本数据处理软件； ➢ Diffrac Plus Search 自动物相检索软件，除常规化
学元素,I/d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、 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；
定量相分析方法
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） ➢ K值法（基体冲洗法） ➢ 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
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
中残余奥氏体测定）
D8 discover衍射仪
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。
Bragg公式： 实质：光程差等于波长整数倍（周相一致）
晶体X射线衍射原理
厄瓦尔德（ Ewald）图解： 倒易点落在Ewald球上的晶面
多晶体衍射花样的形成
结构因子
X射线散射的强度与晶胞的结构有关 F为结构振幅， ︱ FHKL︱=一个晶胞的相干散射振幅/一个电子的相干散
高温条件下的试样物相结构
直热式加热，升降温速度可达 200 ℃/min ；
温度最高可达1600 ℃ ； 样品平放，安全性能好；
高温测试样品要求
➢ 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 ➢ 加热后不产生腐蚀性气体
薄膜附件
衍射仪上加装一掠射附件 （0.35°平行光狭缝）
➢ X射线是电磁波，具有波粒性。
➢ X射线波长范围约为0.10到100埃。原子和分子对X射线 的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。
X射线衍射的方法
多晶体衍射方法
德拜法（德拜-谢乐法） 照相法
聚焦法 针孔法 衍射仪法
单晶体衍射方法
劳埃（Laue）法 周转晶体法 四圆衍射仪
晶体X射线衍射原理
数据谱采集
检索/匹配
在Search/Match框内点击“Search”,进行微机检索/匹配确认物相。
常规测试实例
➢ Ni44Fe56合金薄膜镀态和退火处理后微观结构对比
测试条件：Slits:1.0/1.0/0.2，start:10˚ to:100˚
increment:0.03˚/step Step time:0.8s
配置的附件
➢ 织构附件 ➢ 高温附件 ➢ 薄膜掠射附件
织构
单晶体金属材料：各向异性 多晶体金属材料：各向同性
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 ➢ 高温超导体YBa2Cu3O7-x的超导特性 (001)面，也即ab
面能承载大的电流密度应制备这种(001)强织构超导材 料
a = b = c , α=β=γ ≠90°
菱形晶系
a≠ b ≠ c , α=β=γ = 90°
单斜晶系 a≠b ≠ c , α= γ = 90° , β≠ 90°
三斜晶系
a≠ b≠c , α≠β≠γ
晶体学基础知识--晶面、晶向
➢ 晶向：一族具有等周期的点阵直线<uvw>。 ➢ 晶向指数[uvw]：原点与阵点相联在晶轴方向的投影。
F2hkl ≠0
衍射仪法
➢ 方法实质：X射线与物质作用产生衍射花样。 ➢ 衍射花样三要素：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。
物像鉴定
物相鉴定原理： ➢ 衍射方向, 是晶胞参数的函数；衍射强度是结构因子
函数(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
X射线衍射仪原理及应用技术交流
安泰科技研发中心 李艳萍
主要内容
➢ X射线衍射的晶体学知识简介 ➢ D8 discover XRD 主要结构 ➢ D8 discover XRD 主要功能及分析方法
晶体学基础知识—晶体
➢ 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。
➢ 空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和 物质环境均同， 这些这些“点集”称空间点阵。
膜及多层膜的物相分析 入射光束以较低掠射角入射，
可使薄膜衍射信息增大， 而衬底反射最小。
可实现功能
➢ 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） ➢ 织构和残余应力分析 ➢ 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）
应用软件功能
应用软件功能
➢ Diffrac plus Dquant(包括在EVA软件中) 用作物相的 定量分析，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分析， 如铝电解槽分析等；
➢ Diffrac Plus TOPAS P 对X射线衍射线形进行函数模 拟和基本参数拟合，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 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。
50
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
衍射角
I
谢 谢!
应用软件功能
➢ Diffrac plus STRESS 用作试样和实物构件残余应力测定， 含有Omega模式和Psi模式，可给出选定方向的应力、切应 力和应力张量。
➢ Diffrac plus ODF 取向分布函数(ODF)织构定量分析软件是 在DiffracPlus TEXEDIT数据处理基础上,由完整极图或不完 整极图数据,用球谐级数展开法做ODF分析,计算了奇数项,载 尾项可任选,用Bunge符号绘出恒Phi1、Phi2和Φ的ODF截面 图,可回算绘制任意{hkl}完整极图和反极图。
1600
Ni44Fe56 1400 as-deposit
Y-(Fe,Ni) (111) Ni (111)
6000
Y-(Fe,Ni) (111)
Ni44Fe56 as-deposit
Ni (111)
400oC 1h annealing
5000
Intensity/arb.unit Intensity/arb.unit
➢ 根据X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 数值可以确定对应物相的相对含量。
➢ 由于各个物相对X射线的吸收影响不同，X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 修正。
➢ 德拜法中由于吸收因子与2θ角有关，而衍射仪法的吸 收因子与2θ角无关，所以X射线物相定量分析常常是 用衍射仪法进行。
合），或试样不动，光管转θ，探测器转θ （ θ /θ偶合）
探测器
作用是接收样品衍射线(光子)信号转变为电(瞬时脉冲) 信号。
➢ NaI闪烁计数器具有低背底（0.4cps）、高线性范围 2x106 cps；新型YAP晶体闪烁计数器的线性范围高达 1x107cps
➢ Si（Li）固体探测器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0.01cps。
织构的分析方法
描绘织构空间取向的极射赤面投影图：极图、反极图 极图表示出试样内各晶粒某一(hkl)晶面极点在外观坐标
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
的取向分布；
取向分布函数(ODF)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
高温附件
14种Bravais点阵分4类： P：简单 C：底心 I：体心 F：面心
晶体学基础知识—晶系
按晶胞形状、大小分七大晶系
立方晶系
a = b = c , α=β=γ = 90°
正方晶系
a = b ≠c , α=β=γ wenku.baidu.com 90°
六方晶系
a = b ≠ c , α=β= 90°, γ = 120°
正交晶系
X射线测角仪
测角仪是X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
精密光学系统
Bragg－Brentano衍射几何 设计原理：R1＝R2，试样转θ 角，探测器转2θ 角（ 2θ / θ偶
Ni (311) Ni (222)
0 0
0
20
40
60
80
100
2/degree
20
40
60
80
100
2/degree
常规测试实例
➢ FeNi非晶粉末试样
测试条件：Slits:2.0/1.0/0.2，start:10˚ to:100˚ increment:0.1˚/step Step time:0.8s