X射线衍射基本实验技术

单斜 2 2 2
三斜 2 2 2
HK0 0KL H0L
24
12
8
8
4
44
4
42
2
22
HHL HKL 24 48 12 24 8 16
8 4 2
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e2M
为温度因数 在温度 T 下衍射强度与绝对零度下衍射强度之比 。
温度升高，原子热振动幅度加大，晶体点阵周期性受到破 坏，使原严格满足布拉格条件的衍射产生附加相位差，强 度减弱。温度一定时，θ愈大，强度降低愈多。
精细工作时，可用重心法、 半高宽法(P1/2=50.134°)、 抛物线法(P=50.142°)等。
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在许多研究中需要考虑衍射强度，通常对一个试样而言只计算
相对累积强度，可用下式
I HKL
C
V Va2
1 cos2 2 sin2 cos
mHKL
FH2KL
e2M
A（）
1 cos2 2 sin 2 cos
射线。 DS：发散狭缝，限制X射线水
平方向的发散。 C： 运载器 O： 衍射仪轴心，与平板试样
表面贴合。 SS、 S2 、RS和D 同位于运载器 （ C ）上，与试样同方向转动，
转速比为2∶1
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为使测量的衍射线明锐，测量和记录每一衍射线时必须满足聚焦条件。 其一，X射线焦点 F 与探测器 D 需聚焦在测角仪圆周上。
A（） 为吸收因数
入射线和衍射线均要在试样中穿行，会被试样吸 收一部分，使衍射强度下降。其大小与试样半径、线 吸收系数、掠射角有关。掠射角θ愈小，A（θ）愈大。
角因数
FH2KL 结构因数
m HKL
为多重性因数， 与HKL面结构相同的面组数目。由于它们结构
相同，d 相等，多晶衍射时反射锥重合在一起，故 反射线强度增加到m倍。
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各 晶 系 的 mHKL 值
H00 0K0 00L HHH HH0
立方
6
8
12
六方Байду номын сангаас三方
6
2
6
正方
4
2
4
正交 2 2 2
☆ 正比计数器（PC） 利用X射线对气体的电离效应和气体放大原理。 两极间加900 -1400V高压，当入射X射线光子与气体分子撞击时，
产生电离，电子飞向阳极途中会进一步电离，形成“雪崩”，在阳极 丝上出现约10-9—10-7 A的电流脉冲，几mV的电压脉冲，脉冲幅值正 比于X射线光子的能量。
分辨时间很短， 约为1μs，记数率不 超过105S-1 ，不需作 记数损失校正。
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4.1 粉末照相法
用单色X射线照射多晶试样， 用照相胶片记录衍射花样，曾是应 用最广并富有成果的衍射技术。
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★ 衍射花样的形成
多晶体晶粒取向为任 意的，因而各晶粒的同一 （HKL）面所对应的倒易 点必然分布在以倒易原点 为心，半径为 1/dHKL的倒 易球面上。
针孔法:
平板胶片垂直入射线放置，A为透射针孔法，B为背 射针孔法，记录的花样是以O′为圆心的同心圆。
如令 RA 、RB 各为透 射和背射花样圆的半径 ， DA 、DB为相应胶片至试 样的距离，则有：
RA DA tan 2 RB DB tan（ 2）
背射
透射
A透射 → 低θ角衍射
B背射 → 高θ角衍射
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4.3 多晶衍射花样的度量和指数化
度量是指从衍射花样中提取相应的信息，供材料研究或检验使用。 照相法记录的多晶衍射花样是分布在较浅背底上的较黑且明锐线环 或线段，衍射仪则是强度变化平缓的背底上的一组强衍射峰。
峰位2θ的确定： 峰位是重要的实测数据。
精度要求不高时，取峰顶 对应的2θ。(P0=50.145°)
▲ 测角仪
一种衍射测 量装置，是衍 射仪的核心部 件。
用来实现衍 射、测量和记 录各衍射线的 布拉格角、强 度、线形等。
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结构和工作原理 F： X射线管的焦点，多数为固
定不动。
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D： 辐射探测器。 S1、S2 ：索拉狭缝，限制X射线
垂直方向的发散。 RS：接收狭缝， SS： 防散射狭缝，屏挡其他散
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☆ Si（Li）半导体固体探测器 X射线进入锂漂移硅晶体中，激发半导体产生电子-空穴对，数
目与X射线光子能量成正比。 电子移向n区，空穴移向 p区，聚焦在两端的电荷由前置放大器
积分成脉冲电压信号并经场效应晶体管放大。
工作条件要 求苛刻，需置于 1.33×10-4Pa真 空室内，在液氮 温度下使用和保 存。
其二，焦点F、试样O（测角仪 轴心）、探测器D三点需成一聚 焦圆，且试样表面应在O点与此 圆相切。
当D转过2θ角，探测布拉格 角为θ的衍射线时，试样必须转 过θ角。这种 2∶1 的关系保证了 整个衍射花样的聚焦。
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▲ 辐射探测器 广为使用的有正比计数器、闪烁计数器、硅渗锂Si（Li）探测器三种。
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☆ 闪烁计数器（SC） 利用X射线的荧光效应。 计数器加800—1400V电压，X射线光子打在闪烁晶体NaI（Tl）
时，产生紫蓝色可见光，激发光敏阴极K，产生光电子，经光电倍增 管放大，形成脉冲电流。其值与X射线光子的能量成正比。
记数效率约为 90%-100%，分辨 时间约为10-1μs ， 在105S-1 记数范围 内不需作记数损失 修正。
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4.2 衍射仪法
衍射仪是精密的机电一体化X射线衍射实验装置，用各种辐射
探测器替代照相胶片，探测和记录X射线衍射花样。
组成：X射线发生装置、测角仪、辐射探测器、自动控制和记
录单元等。
记录的是衍射图
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Ni-P合金（非晶态结构）的X射线衍射图
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按前述作反射球，则 必与不同半径的倒易球面 相交。交线为圆，此圆上 任意一点，必满足布拉格 方程。
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如A、B点，其衍射线方向即 OA、OB。如此， 圆周上的所有点 与O的连线均为衍射线方向。
从试样中射出的衍射线分布为以 试样为顶点，入射束为轴，2θ为半 顶角的圆锥。
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不同的HKL面， 半顶角2θ不等，但 共顶点共轴线。
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★ 衍射花样记录
Debye法 ：长条胶片，以试样柱轴线为轴，围成圆柱状。记 录的是衍射线与胶片相交成的弧线对。
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如胶片圆筒半径为R，弧线对间距为2 l， 则
2l 4R
如2R=57.3mm，θ以度为单位，2 l 以mm度量，
则
2l 180 l
4R
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