滤波片设计与制作
【完整版毕业论文】巴特沃斯有源低通滤波器的设计
巴特沃斯有源低通滤波器的设计摘要随着社会科学技术的飞速发展，各种科技产品在人类社会中随处可见，极大的丰富了人们的日常生活。
物联设备、可穿戴设备以及虚拟仪器产品在各种应用和消费场合变得极为普遍。
就目前而言，在几乎所有的电子产品中，各种增益、带宽以及高性能的滤波器都发挥着至关重要的作用，例如可穿戴设备的语音信号输入系统中，运用高性能的低通滤波器进行语音信号的降噪、滤波、回声消除，来提高系统的音质和语音识别精准度等。
本论文通过对各种低通滤波器的通频带、增益和截止频率的分析，采用通频带最大扁平度技术（巴特沃斯技术）来设计实现四阶高性能低通滤波器，通过Multisum仿真软件，验证了设计的正确性。
在这基础上，本文还对如何提高该滤波器的响应速度进行了研究，提出了一种有效的提高响应速度的方案，并通过仿真软件得以验证。
这在低通滤波器的理论以及实际工程应用中，都具有非常重要的意义。
关键词：有源低通滤波器，巴特沃斯，运算放大器Design of Butterworth Active Low Pass FilterABSTRACTWith the rapid development of social science and technology, various technological products can be seen everywhere in human society, which greatly enriches people's daily lives. IoT devices, wearable devices, and virtual instrument products have become extremely common in various applications and consumer occasions. For now, in almost all electronic products, various gains, bandwidths, and high-performance filters play a vital role. For example, in the voice signal input system of wearable devices, the use of high-performance low-pass The filter performs noise reduction, filtering, and echo cancellation of the speech signal to improve the sound quality of the system and the accuracy of speech recognition.In this paper, through the analysis of the passband, gain and cutoff frequency of various low-pass filters, the maximum flatness of the passband technology (Butterworth technology) is used to design and implement a fourth-order high-performance low-pass filter, through Multisum simulation software To verify the correctness of the design. On this basis, this paper also studies how to improve the response speed of the filter, and puts forward an effective scheme to improve the response speed, which is verified by simulation software. This is of great significance in the theory of low-pass filters and in practical engineering applications.KEYWORDS：active low-pass filter，butterworth，amplifier1绪论1.1 引言在近现代的科技发展中，滤波器作为一种必不可少的组成成分，在仪器仪表、智能控制、计算机科学、通信技术、电子应用技术和现代信号处理等领域有着十分重要的作用。
基于单片机的程控滤波器设计要点
摘要在电子电路中，滤波器是不可或缺的部分，其中有源滤波器更为常用。
一般有源滤波器由运算放大器和RC元件组成，对元器件的参数精度要求比较高，设计和调试。
也比较麻烦。
美国Maxim公司生产的可编程滤波器芯片MAX270可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数如中心频率、品质因数等，可通过编程进行设置，电路的外围器件也少。
本文设计并实现了由MAX270构成的程控滤波器电路设计和实现。
单片机AT89S52是控制程序的控制过滤器的核心。
通过单片机控制继电器的吸合来控制增益电阻的连接进而实现了增益的0dB到60dB每10dB步进可调；通过单片机控制二阶低通程控滤波器MAX270，完成了在-3dB时截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调的低通滤波器的设计，调节截止频率步进为1kHz，并用LCD来显示设置参数。
应用Matlab计算椭圆滤波函数的传递函数，建立电路网络，设计出了四阶椭圆低通滤波器。
关键词：程控滤波器可编程滤波器芯片单片机ABSTRACTIn the electronic circuit, the filter is the indispensable part. Especially the active filter is used more commonly. Generally the active filter is composed of the operational amplifier and the RC part. Its requirement to the accuracy of the device's parameter is quite high, and the design and the debugging are also quite troublesome.The filter chip MAX262 which produced by American Maxim Corporation is capable of achieving low-pass, high-pass, band-pass, band elimination to each kind of low-frequency signal through programming, and the filter's characteristic parameter like center frequency, the quality factor and so on may set through programming, and the periphery component of electric circuit are also few. This article design and completed the design the design and realize of the program control filter circuit which make up of the MAX270.Monolithic integrated circuit AT89S52 is the control core of the program control filter. Controlled by the microcontroller to control relays pull the gain resistor connected in turn to achieve a gain of 0dB to 60dB 10dB step adjustable each; second-order low-pass through the SCM programmed filter MAX270, when completed in the-3dB cutoff frequency fc at 1kHz ~ 20kHz range adjustable low-pass filter design, cut-off frequency adjustment step is 1kHz, using the LCD to display the configuration parameters. Application of Matlab computing elliptic filter function of the transfer function, the establishment of the circuit network, to design a fourth-order elliptic low-pass filter.Key words:Program control Filter Programmable filter chip SCM目录1 绪论 (1)1.1 滤波器的发展 (1)1.2 课题研究的意义 (1)2 系统设计 (3)2.1 滤波器相关知识 (3)2.1.1 滤波器的分类 (3)2.2 单片机相关知识 (4)2.2.1 单片机的产生与发展 (4)2.3 系统方案设计 (6)2.3.1设计要求 (6)2.3.2 各模块方案的选择 (6)2.3.3 最终方案 (7)2.4 理论分析与计算 (10)3 硬件设计 (13)3.1 放大器模块 (13)3.2 单片机控制滤波器模块 (14)3.3 操作及显示模块 (18)4 软件设计 (20)4.1 开发软件及环境简介 (20)4.1.1 Keil (20)4.1.2 Proteus (20)4.2 系统主要程序 (21)5 系统测试 (23)5.1 指标测试 (23)5.2 误差分析 (23)5.3 功能实现 (24)结论 (26)谢辞 (27)参考文献 (28)附录 (29)1 绪论1.1 滤波器的发展从广义上讲，任何对某些频率（相对于其他频率来说）进行修正的系统称为滤波器。
材料课堂——XRD常见问题详解（二），超实用！！
材料课堂——XRD常见问题详解（二），超实用！！展开全文衍射峰的强度和很多因素有关，比如样品的衍射能力，性质，还有仪器功率，测试方法，检测器的灵敏度等等。
XRD 衍射强度和峰的宽度与样品颗粒大小，还是与晶体颗粒大小有关？样品中晶粒越小，衍射峰的峰高强度越来越低，但是峰越来越宽，实际上利用X 射线衍射峰的宽化对样品的结晶颗粒度分析就是根据这个原理的（Scherrer 公式）。
晶粒大小和颗粒大小有关系，但是其各自的含义是有区别的。
一颗晶粒也可能就是一颗颗粒，但是更可能的情况是晶粒抱到一起 , 二次聚集, 成为颗粒。
颗粒不是衍射的基本单位, 但是微小的颗粒能产生散射。
你磨的越细, 散射就越强.。
对于晶粒, 你磨过头了, 晶体结构被破坏了, 磨成非晶, 衍射能力就没有了。
磨得太狠的话，有些峰可能要消失了，而且相邻较近的衍射峰会由于宽化而相互叠加，最终会变成1 个或几个'鼓包'。
一般晶面间距大的峰受晶粒细化的影响会明显一些，因为 d 值大的晶面容易被破坏。
衍射强度变弱本质的原因是由于晶体颗粒变小，还是样品颗粒变小？强度除了和晶粒度有关外,还和晶粒的表面状态有关。
一般颗粒越细,其表面积越大，表面层结构的缺陷总是比较严重的。
结构缺陷将导致衍射强度降低和衍射峰宽化。
XRD 研究的应该是晶粒、晶体的问题，与晶体结构关联的问题，不是样品颗粒的大小问题，谢乐公式算的应该也是晶粒的大小。
样品颗粒的大小要用别的方法测定.，例如光散射、X 射线散射、电镜等。
细针状微晶粉末样品做 XRD 重复性很差。
（制作粉末衍射样品片）怎么可以避免择优取向？择优取向是很难避免的，只能尽力减少他的影响。
首先，你要讲样品磨得尽量细（但要适度，要注意样品的晶体结构不要因研磨过度而受到损坏）；不要在光滑的玻璃板上大力压紧（压样时可以在玻璃板上衬一张粗糙的纸张），样品成形尽可能松一些；制样过程中也可以掺一些玻璃粉，或加一些胶钝化一下样品的棱角。
模电课程设计--有源带通滤波器
1 滤波器的简介
在电子电路中，输入信号的频率有很多，其中有些频率是需要的工 作信号，有些频率是不需要的干扰信号。如果这两个信号在频率上有较 大的差别，就可以用滤波的方法将所需要的信号滤出。滤波电路的作用 是允许模拟输入信号中某一部分频率的信号通过，而阻断另一部分频率 的信号通过。
3.2单相桥式全波整流电路的工作原理
整流电路是利用二极管的单向导电性，把交流电变成脉动直流电的电 路。单相桥式全波整流电路由四个二级管组成，整流堆管脚图及内部结构 如图3.2所示。该电路的整流效果和输出电压波形，为单相半波整流电路 的二倍。桥式整流电路的简化电路图如图3.3所示。 图3.2 图3.3 整流堆管脚及内部结构图
ausaufssrc13aufssrcsrc2????????11设中心频率f0rc电压放大倍数auauf3auf???????12当ff0时得出通带放大倍数aupauf3aufqauf???????????13使式12分母模为2即使式12分母虚部绝对值为1即解方程取正根就可得到下限截止频率fp1与上限截止频率fp2分别为fp1f03auf????????14fp2f03auf????????15通频带为
运算放大器符号
图2.2
LM324管脚连
由于LM324四运放集成电路既可接单电源使用（3 电源使用（±1.5
~30V），也可以接双
~±15V），不需要调零，具有电源电压范围宽,静态功耗小,
可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
2.2有源带通滤波器的工作原理
带通滤波器只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下 限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。注意：要将高通的下 限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。典型的带通滤波器可以 由RC低通滤波器和RC高通滤波器串联而成，从而实现了“带通滤波”的 要求。二阶压控型有源带通滤波器原理框图如图2.3所示。
材料分析技术复习
一、选择题1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是（）A.X射线透射学；B.X射线衍射学；C.X射线光谱学；D.其它2.M层电子回迁到K层后, 多余的能量放出的特性X射线称.. ）Kα；B.Kβ；C.Kγ；D.Lα。
3.当X射线发生装置是Cu靶, 滤波片应选..）Cu；B.Fe；C.Ni；D.Mo。
4.当电子把所有能量都转换为X射线时, 该X射线波长称.. ）短波限λ0；B.激发限λk；C.吸取限；D.特性X射线A. 5.当X射线将某物质原子的K层电子打出去后, L层电子回迁K层, 多余能量将另一个L层电子打出核外, 这整个过程将产生（）（多选题）光电子；B.二次荧光；C.俄歇电子；D.（A+C）1.有一倒易矢量为, 与它相应的正空间晶面是（）。
A.（210）；B.（220）；C.（221）；D.（110）；。
2.有一体心立方晶体的晶格常数是0.286nm, 用铁靶Kα（λKα=0.194nm）照射该晶体能产生（）衍射线。
A.三条...四条.C.五条；D.六条。
3.一束X射线照射到晶体上能否产生衍射取决于（）。
A. 是否满足布拉格条件；B. 是否衍射强度I≠0；C. A+B；D. 晶体形状。
4.面心立方晶体（111）晶面族的多重性因素是（）。
A. 4；B. 8；C. 6；D. 12。
1.最常用的X射线衍射方法是（）。
A.劳厄法；B.粉末多法；C.周转晶体法；D.德拜法。
2.德拜法中有助于提高测量精度的底片安装方法是（）。
A.正装法；B.反装法；C.偏装法；D.A+B。
3.德拜法中对试样的规定除了无应力外, 粉末粒度应为（）。
A.<325目；B.>250目；C.在250-325目之间；D.任意大小。
4.测角仪中, 探测器的转速与试样的转速关系是（）。
A.保持同步1﹕.；B.2﹕.；C.1﹕.；D.1﹕.。
5.衍射仪法中的试样形状是（）。
A.丝状粉末多晶；B.块状粉末多晶；C.块状单晶；D.任意形状。
半导体领域中的SAW滤波器类型及实际应用
Telecom Power Technology研制开发SAW滤波器类型及实际应用胡多凯（中国电子科技集团第十三研究所，河北半导体行业中，对芯片元器件的质量要求越来越严格，如何确保元器件具有较高的应用性能成为人们关注的重点。
对此主要分析了半导体领域中声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）滤波器的类型，总结了梳状叉指式换能器（Interdigitated Interdigital Transducer，IIDT）、缺陷微带结构（Defected Microstrip Structure，DMS）与SAW滤波器的实际应用和未来发展趋势进行了总结，以期为半导体领域的半导体领域；声表面波（SAW）滤波器；梳状叉指式换能器（IIDT）；缺陷微带结构（DMS）Types and Practical Applications of SAW Filters in Semiconductor FieldHU Duokai(China Electronics Technology Group No.13 Institute, ShijiazhuangAbstract: In the semiconductor industry, the quality requirements for chip components are becoming more and more stringent, and how to ensure that components have high application performance has become the focus of attention. 2022年1月10日第39卷第1期Telecom Power TechnologyＪａｎ． １０， ２０２２， Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１ 胡多凯：半导体领域中的SAW滤波器类型及实际应用表1 不同种类SAW滤波器性能比较分析项目IIDT滤波器DMS滤波器Ladder滤波器衰减与频率/dB25～5025～6020～40插入损耗/dB3～42～31～3带宽幅度不限±3.5%±4.0%平衡设计可能可能不可能高功率耐久性良好一般良好三阶截距点IP3/dBm-370-61通过对表1的分析可知，与IIDT滤波器比较，DMS和Ladder类型滤波器的插入损耗较低，其中Ladder滤波器的插入损耗最小；针对宽带性能比较，Ladder滤波器也能够实现更宽的宽带，其带宽明显好于IIDT滤波器；在高功率作业条件下，Ladder型滤波器与IIDT型滤波器明显优于DMS型滤波器；然而值得注意的是，Ladder滤波器无法实现平衡型设计。
4、波导滤波器设计
π wλB
2 gn gn+1
λgi0 ∆f wλi = λ f 0 0
2、耦合设计 、 WR62波导：15.799mm*7.899mm 波导： 波导
Z0A K01 Z0
S21 = 2 jK′ − j K′
d
do
Coupling S21 (dB) 1 -16.14 2 -40.40 3 -43.47 4 -43.93 5 -43.47 6 -40.40 7 -16.14
lengt h2 wid th2
lengt h2 wid th3
lengt h1 wid th2
wid th1
a / b 2 port 1
耦合膜片设计 传输线段设计
symmetry boundary
设计步骤 1、由滤波器指标得到原型电路：得到K变换器的值； 、由滤波器指标得到原型电路：得到 变换器的值 变换器的值； 2、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用HFSS优化膜片 、膜片尺寸设计（耦合设计）：使用 ）：使用 优化膜片 尺寸，得到要求的 变换器的值对应膜片的尺寸 变换器的值对应膜片的尺寸； 尺寸，得到要求的K变换器的值对应膜片的尺寸； 3、传输线尺寸设计（谐振器设计）：得到各传输线段 、传输线尺寸设计（谐振器设计）：得到各传输线段 ）： 的长度 优点： 优点： • 每一步仅仅有简单结构仿真，速度快； 每一步仅仅有简单结构仿真，速度快； • 每一步仅仅有一个优化变量，收敛快速； 每一步仅仅有一个优化变量，收敛快速；
′ Ln = g n
′ Cn = g n
′ Rn+1 = g n+1
或
′ Gn+1 = g n +1
阶梯ＬＣ到 阶梯ＬＣ到 ＬＣ 单一元件低通
EMI滤波器的设计原理
EMI滤波器的设计原理1 电磁干扰滤波器的构造原理及应用1.1 构造原理1.2 基本电路及其典型应用电磁干扰滤波器的基本电路如图1所示。
电磁干扰的屏蔽方法EMC问题常常是制约中国电子产品出口的一个原因，本文主要论述EMI的来源及一些非常具体的抑制方法。
电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的性能，它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其他设备产生强烈电磁干扰(IEEE C63.12-1987)。
”对于无线收发设备来说，采用非连续频谱可部分实现EMC性能，但是很多有关的例子也表明EMC并不总是能够做到。
例如在笔记本电脑和测试设备之间、打印机和台式电脑之间以及蜂窝电话和医疗仪器之间等都具有高频干扰，我们把这种干扰称为电磁干扰(EMI)。
EMC问题来源所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。
EMI有两条途径离开或进入一个电路：辐射和传导。
信号辐射是通过外壳的缝、槽、开孔或其他缺口泄漏出去；而信号传导则通过耦合到电源 .... .、信号和控制线上离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。
很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽：从源头处降低干扰；通过屏蔽、过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。
EMI抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电路设计人员的目标，这些性能在设计阶段的早期就应完成。
对设计工程师而言，采用屏蔽材料是一种有效降低EMI的方法。
如今已有多种外壳屏蔽材料得到广泛使用，从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等)。
无论是金属还是涂有导电层的塑料，一旦设计人员确定作为外壳材料之后，就可着手开始选择衬垫。
金属屏蔽效率可用屏蔽效率(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估，其单位是分贝，计算公式为SE dB=A+R+B其中A：吸收损耗(dB) R：反射损耗(dB) B：校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况)一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE 要等于100dB。
滤光片的技术详解和应用参数
什么是OLPF光学低通滤光片OLPF全名是Optical lowpass filter,即光学低通滤光片，主要工作用来过滤输入光线中不同频率波长光讯号，以传送至CCD，并且避免不同频率讯号干扰到CCD对色彩的判读。
OLPF对于假色（false colors）的控制上有显著的影响，假色的产生主要来自于密接条纹、栅栏或是同心圆等主体影像，色彩相近却不相同，当光线穿过镜头抵达CCD时，由于分色马赛克滤光片仅能分辨25%的红与蓝色以及50%的绿色，再经由色彩处理引擎运用数据差值运算整合为完整的影像。
因为先天上色彩资料短缺，CCD根本无法判断密接条纹相邻色彩的参数，终于导致引擎判断错误输出错误的颜色。
由于细条纹的方向不同，需用相对应角度的光学低通滤波晶片加以消除，又因为不同型号的CCD摄像机与 CMOS图象传感器在规格上有些差异，为针对不同的型号及同时兼顾不同方向所产生的干扰杂音，需用不同厚度、片数、角度组合的OLPF的设计，以提高取象品质。
IR-CUT双滤光片切换的作用IR-CUT双滤光片的使用可以有效解决双峰滤光片产生问题。
IR-CUT双滤光片由一个红外截止滤光片和一个全光谱光学玻璃构成，当白天的光线充分时红外截止滤光片工作，CCD还原出真实彩色，当夜间光线不足时，红外截止滤光片自动移开，全光谱光学玻璃开始工作，使CCD充分利用到所有光线，从而大大提高了低照性能。
IR CUT双滤光片专为CCD摄影机修正偏色、失焦的问题，促使撷取影像画面不失焦、不偏色,红外夜视更通透，解决红外一体机，日夜图像偏色影响，能够过滤强光让画面色彩纯美更柔和、达到人眼视觉色彩一致。
普通日夜型摄象机使用能透过一定比例红外光线的双峰滤片，其优点是成本低廉，但由于自然光线中含有较多的红外成份，当其进入CCD后会干扰色彩还原，比如绿色植物变得灰白，红色衣服变成灰绿色等等（有阳光室外环境尤其明显）。
深圳纳宏光电技术有限公司是一家专业生产精密光学滤光片的厂家。
E面金属膜片波导滤波器的设计
性能优良的E 面双金属膜片波导滤波器马敏1 黄健1 喻志远2 甘体国 1(1.中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)(2. 电子科技大学物理电子学院应用所，四川 成都 610054)〔摘要〕本文采用复功率守恒技术[1]分析E 面双金属膜片波导滤波器，并考虑到膜片端面的电壁条件的修正，得到了准确的分析结果。
这种分析方法易于编程，有助于工程设计。
最后还设计了一个Ka 波段双金属膜片波导滤波器。
测试结果和理论分析吻合较好。
关键词：E 面金属膜片、波导滤波器、高阻带特性滤波器、复功率守恒技术一、引 言E 面结构波导滤波器自1974年Konishi[2]提出以来，经过长期的发展，已成为毫米波段广泛使用的滤波器形式。
但这种结构滤波器的阻带特性并不令人满意，很难得到陡峭的带外特性。
为了有效地改善阻带特性，F.Arndt[3]等人于1984年首次提出了E 面双金属膜片结构。
这种结构具有很好的带外特性，矩形特性较好。
本文以模式匹配法为基础，考虑到膜片端面电壁条件的修正[1]，对E 面双金属膜片结构做了全面的分析，给出了简明的计算公式，最后还设计了一只具有高阻带特性的Ka 波段E 面波导滤波器，测试结果与分析结果吻合良好。
二、E 面双金属膜片结构的理论分析E 面双金属膜片滤波器的结构如图一所示。
在矩形波导的Ｅ面等距离地插入与Ｅ面平行的两个金属膜片构成，金属片每相隔一定长度被挖去一部分，两金属片结构完全一样，相对应的膜片端面处于同一平面上。
其中，膜片起耦合作用，相邻膜片之间则构成谐振腔。
E 面双金属膜片的波导基本结构尺寸如图二，它可以用如图三所示的T 形网络来等效。
图一 Ｅ面双金属膜片波导滤波器及其膜片结构由于膜片关于T 0面对称，采用奇偶模分析可以由T 0面开路及短路时从z =0面看入的单口网络归一化输入导纳y oc 及y sc 求解等效网络中的x s 、x p 值，计算公式如下：jx y s sc=1， jx y y p oc sc=-1211() (1)y oc －－T 0面短路时z=0面归一化输入导纳;x s －－等效网络归一化串联电抗 y sc －－T 0面开路时z=0面归一化输入导纳;x p －－等效网络归一化并联电抗图二 波导E 面双金属膜片结构 图三 波导E 面双金属膜片的T 形等效网络由上面分析可知，问题关键在于计算T 0面短路及开路时的z =0面输入导纳。
硬X射线XAFS实验方法-201411-郑黎荣1
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
XAFS实验设计
北京同步辐射装置
Ar
Beijing Synchrotron Radiation Facility
HV
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
/dkxzz/bsrf/yonghudaohang/ziyuanxiazai/
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
LYTLE 探测器的结构原理示意图。 大的接收立体角 “Z-1”滤波片，利用吸收边前、后吸收系数的差异 sloar狭缝，消除滤波片本身发出的二次辐射
探测器
北京同步辐射装置
滤波片的选择是十分关键的。 （使用Hephaestus 查询；其中Ti、Sr对应的滤波片需自备） 滤波片有3、6 两种选择，其中3,6 指的是吸收长度（X）； Beijing Synchrotron Radiation Facility
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
入射光相对Si 220 晶面不同入射角度（保持bragg角度相同时）不同的glitch
单色器
狭缝
北京同步辐射装置
Ar
Beijing Synchrotron Radiation Facility
dθ X-ray beam E resolution, dE/E = dθ/Tan(θbragg)
白光 低能
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
双晶单色器
白光
单色器
北京同步辐射装置
Beijing Synchrotron Radiation Facility
Ar
HV
探 测 器
探测器
双晶模式
第三章 多晶体X射线衍射分析方法
山东科技大学材料学院 吴杰
X射线衍射方法:
劳厄法、周转晶体法、粉末多晶法
粉未法可以分为照相法和衍射仪法
照相法中根据试样和底片的相对位置不同可以分为三种： （1）德拜一谢乐法（Debye-scherrer method），底片位于
相机圆筒内表面，试样位于中心轴上。是晶体衍射分析中最 基本的方法。 （2）聚焦照相法（focusing methed），底片、试样、X射 线源均位于圆周上。 （3）针孔法（pinhole method），底片为平板形与X射线束 垂直放置，试样放在二者之间适当位置。 各衍射法其衍射束均在反射圆锥面上，圆锥的轴为入射束。
2L R 4 2 4R
360 57.3
2L 57.3
4R
当相机直径为57.3mm时，θ＝2L/2；
当相机直径为114.6mm时，θ＝2L/4。
（2）当2θ＞90o时 2L' R 4(rad ) 2 180o 2
¢用角度表示，则： 2L' R 4 2
三、德拜相机
德拜相机
德拜相机原理示意图
德拜相机结构简单，主要由相机圆筒、光阑、承光管和位于 圆筒中心的试样架构成。相机圆筒上下有结合紧密的底盖密 封，与圆筒内壁周长相等的底片，圈成圆圈紧贴圆筒内壁安 装，并有卡环保证底片紧贴圆筒。
相机圆筒：放置底片。常常设计为内圆周长为180mm和 360mm，对应的圆直径为φ57.3mm和φ114.6mm。这样的设 计目的是使底片在长度方向上每毫米对应圆心角2°和1°， 为将底片上测量的弧形线对距离2L折算成4θ角提供方便。
用胶水将粉末调成糊状注入毛细管中，从一端挤出2-3mm长 作为试样。
滤波片工艺制作流程
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滤波片工作原理
滤波片工作原理
滤波片是一种光学元件，用于选择性地传递或阻止特定波长或频率的光波。
它的工作原理基于衍射、干涉和吸收等光学原理。
滤波片由一个或多个具有特定特性的物质层构成。
这些物质层可以是薄膜、玻璃或晶体等，其厚度可以调整以达到所需的滤波效果。
当光线通过滤波片时，其特定波长或频率的光波将根据滤波片的特性被选择性地传递，而其他波长或频率的光波则被阻止。
其中一种常见的滤波片是长波通滤波片。
它使用多层薄膜堆积而成，每一层薄膜的厚度和折射率都精确设计，以形成光学膜系。
当光线射入时，光波在薄膜层之间来回反射，其中一部分光会被反射回去，而另一部分光会穿过薄膜层。
通过调整薄膜层的厚度和折射率，滤波片可以选择性地传递或反射特定波长的光。
另一种常见的滤波片是吸收滤波片。
这种滤波片通过在玻璃或晶体中加入特定的化合物，使得它对特定波长的光有较高的吸收率。
当光线通过滤波片时，该波长的光波会被吸收而不被透过，而其他波长的光波则可以透过。
这种滤波片常用于消除或减弱特定波长的光干扰。
总的来说，滤波片的工作原理基于其特定的设计和材质，通过选择性地传递或阻止特定波长或频率的光波，以达到滤波的效果。
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一．应用（1）窄带滤光片的作用只是让某一波段范围的光通过，而其余波长的光不能通过。
各种数码、电子产品视窗、太阳能电池、IC 封装等可以通过它减小杂色光或光害的影响，可以测量恒星表面温度，可以分色曝光以消除色差的影响，可以减弱太阳月亮火星等的亮度得到更清晰的细节，可以防止红外、紫外线对CCD 曝光或伤害眼睛等等。
（2）窄带滤光片在还在摄影创作、印刷制版、彩色摄影及放大和各种科技摄影中被广泛利用。
尤其在黑白摄影上，它能对各种色光光线起着有通过、限制和阻止的三个作用，色光通过的量多，在照片上色调就淡；通过量少，色调就深，如果光线完全被阻止，其结色色调就全黑色，所以在黑白摄影上窄带滤光片实际就是起着校正物体颜色反差的高低，使各种物体的颜色变成合乎自己反差，影调理想的要求。
（3）除此之外窄带滤光片还在数码成像（数码像机、数码录像机、监控用摄像机、电脑摄像头、手机摄像、可视电话、电子玩具等）红外探测器、医疗器械激光器、 LED 液晶显示、感应识别系统、舞台灯光色片、装饰性薄膜、防水保护薄膜有着广泛用途。
二．简介带通滤光片是指在一定的波段内，只有中间一小段是高透过率的通带，而在通带的两侧，是高反射率的截止带，表征滤光片特性的主要参数有：0λ———中心波长或称峰值波长；max T ———中心波长的透射率，也即峰值透射率；02λ∆———透射率为峰值透射率一半的波长宽度，也即通半宽度，或用02/λλ∆表示相对半宽度。
我们可以把带通滤光片分为两种结构形式，一种是由一个长波通膜系和一个短波通膜系的重叠通带波段形成带通滤光片的通带。
这种结构得到的光谱特性是：可以获得较宽的截止带和较深的截止度，但不容易获得很窄的通带，所以常用于获得宽带通滤光片。
第二种是法---珀干涉仪形式的镀光膜系，这种结构得到的光谱特性是：可以获得很窄的通带，但截止带宽度通常也比较窄，截止度也不深，所以大多数情况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。
由于金属反射膜的吸收较大，限制了滤光片性能的提高，因此此次实验使用多层介质反射膜代替金属反射膜，大大提高了法---珀滤光片的性能。
三．工作原理利用法---珀干涉仪的多光束干涉原理可以制作窄带干涉滤光片，其作用是让光源中某一窄带光谱范围的光波以尽可能高的透过率通过，而使其它光谱范围的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。
干涉滤光片原理可以用多光束干涉强度极大值条件来解释：当相干光束数目很大时，对于确定的n.d.i 值，光源中只有严格满足上述条件的波长成分才能基本无衰减地透过，微小偏离上述条件的波长成分将由于近似相消干涉而衰减，于是实现了窄带滤波。
当入射角i=0时，投射波长可表示为：干涉滤光片按其结构可分为两类：第一类为全介质膜干涉滤光片，它是在保护玻璃G 和G ’上分别镀上一组高反射多层介质膜H 和H ’，组合在一起，并让两组膜系之间形成厚度为d 的间隔层L 。
另一类是金属反射膜干涉滤光片，它是在保护玻璃G 上镀一层高反射银膜S ，在S 膜上镀一层光学厚度为nd 的介质薄042(0,1,2,...)M N N πϕπλ∆==2N nd Nλ=膜F ，然后再镀一层银膜S ’，加上保护玻璃G ’。
表征干涉滤光片光学性能 参数主要有透射中心波长N λ，透射光谱半宽度N δλ和峰值透射率M T 。
（1）透射中心波长N λ：透射中心波长N λ由公式 确定，当干涉滤光片的间隔层光学厚度nd 确定时，透射中心波长N λ可能不只一个。
为了滤掉不需要的透射中心波长，得到窄带的准单色光，一个方法是减小间隔层的光学厚度nd ，使可见光范围内只有一个透射中心波长，另一个方法是将保护玻璃G 和G ’换成有色玻璃，也可以达到同样的目的。
（2）透射光谱半宽度N δλ干涉滤光片的光谱透射曲线其透射光谱半宽度N δλ用透射率下降到峰值的一半时对应的两波长差来表示。
以N λ为中心的透射光谱半宽度为：上式表明，透射光谱半宽度N δλ随反射率ρ的增大而减少。
当入射角i 增大时，透射中心波长N λ将变短，透射半宽度N δλ将变宽。
图1 干涉滤光片的结构示意图2N nd Nλ=22N N dn λδλπ⎛⎫=（3）峰值透射率M TM T 的定义是中心波长透过的最大光强度TM I 与入射光强度o I 的比值，即M T =TM I /o I 。
由前面对法---珀干涉仪的分析可知，中心波长N λ的透过强度极大值TM I =o I ，所以干涉滤光片峰值透过率的理论值M T =1。
但实际上由于各层介质的吸收和散射损失，使得M T 远小于1.四．技术指标（1）入射介质0n ＝1；（2）出射介质g n ＝1.52；（3）入射角0θ＝︒0；（4）中心波长0λ＝550nm ，中心波长透过率大于93%，透射光谱的半宽度小于5nm 。
使用nH ＝2.3（TiO2）， nL ＝1.45（SiO2）。
五．计算机模拟仿真（一）①膜系结构：HLHL2HLHLH②膜层：9层（二）①膜系结构：HLH2LHLHLHLH2LHLH②膜层：15层六．制作工艺（1）制作环境光学薄膜可以采用物理气相法沉积法和化学液相沉积法两种工艺来制作。
但由于化学液相沉积法不能精确控制，膜系强度差，较难获得多层膜，还存在废水废气污染，因此本次制作采用物理气相法沉积法。
在物理气相法沉积法中，根据膜料汽化方式的不同，又分为热蒸发、溅射、离子镀及离子辅助镀技术。
考虑到各种因素，所以本次制作采用离子辅助镀的方法进行镀膜。
（2）制作设备本次制作采用光学真空镀膜机，其主要是热蒸发真空镀膜设备，由真空系统、热蒸发系统、膜层厚度控制系统组成。
制作设备装置图①真空系统真空系统是由“高真空低温冷凝泵+低真空机械泵”组成的。
一般情况下，先用高真空冷凝泵将真空室抽到低于5Pa的低真空状态，然后再用低真空10-Pa的数量级。
机械泵将真空室继续抽真空直到3②热蒸发系统光学真空镀膜机中设置有电阻热蒸发电极两对，电子束蒸发源一个或两个。
电阻热蒸发用于蒸发低熔点材料，电子束蒸发源用于蒸发高熔点材料。
③膜层厚度控制系统第一类：石英晶体膜厚仪，它是基于石英晶体振荡频率随膜层厚度增加而衰减的原理进行测厚的，它测量的是膜层的几何厚度；第二类：光电膜厚仪，它以被镀零件的光透射或反射信号随膜层厚度的变化值作为测量厚度的依据，测量的是膜层的光学厚度。
（3）基本工艺过程：清洁零件——清洁真空室/装零室——抽真空和零件加温——膜厚仪调整——离子束轰击——膜料预熔——镀后处理——检测（4）制作步骤①首先，先往真空室的材料区放入熔料，其中左边装放的是镀L膜用的S O，i2TO，然后接着将已经安放待镀玻片的盖顶放入真空右边装放的是镀H膜用的2i室；②在装料结束之后，关闭真空室，接着进行抽真空过程。
先用高真空冷凝泵将真空室抽到低于5Pa的低真空状态，然后再用低真空机械泵将真空室继续抽真10-Pa的数量级；空直到3③接着，往真空室里冲入氩气进行玻片清洗，目的是清洗玻片的表面杂质，氩气的冲入速率为5.7—6 ppm；④在冲入氩气一段时间之后开始冲入氧气，防止熔料的再次氧化，氧气的冲入速率为25ppm左右；⑤过了一段时间之后，打开监控仪，在电脑上将已经设计的膜系结构导入整个制作系统，然后开始镀膜；⑥在镀膜过程，若采用手工判停，则需要在计算机监控界面中观察镀膜曲线，到每个极值点的时候点击鼠标进行下一层镀膜的开始；⑦在镀膜结束后，打开真空室，取下玻片，进行消毒清洁就可以进行检测了。
七．检测（1）检测设备UV-28025型紫外可见分光光度计（2）检测步骤①打开机器，将镀了膜的玻片放入机器相关位置当中;②键进行调整；③键，则在机器显示仪上出现膜系结构图，完成检测。
（3）检测结果①膜系结构：HLHL2HLHLH②膜系结构：HLH2LHLHLHLH2LHLH八．误差及分析（1）人为因素如果在整个制作过程中，比如没将真空室的阀门关牢、没有严格按照制作工艺标准进行操作或是采用手工判停的时候判错时机等，都会因人为因素而引起最后的玻片镀膜的效果与设计的指标出现误差。
（2）环境因素①真空室内真空不够有可能在抽真空的时候真空室内的真空度没有达到制作的要求，使得被电击的离子无法更加顺利地镀到玻片的表面，造成所镀的膜强度差，不够纯；②真空室了含有其它杂质离子即使经过两次抽真空过程，但在真空室里仍旧会残留少量杂质离子，在镀膜过程中，这些杂质离子也会随之被镀到玻片之上，影响了所镀的膜的质量；③待镀玻片表面没有清洁干净虽然在制作过程中用氩气对玻片进行过清洗工作，但不能保证其能够完全的清洁干净，因此在其表面残留的杂质也会影响镀膜的最终效果；④在制作过程中氧气冲入速率不当如果在往真空室里冲入氧气的时候，没有很好地控制氧气的冲入速率，过快或过慢都会对镀膜效果有影响；⑤玻片表面温度在电击出离子束及热蒸发的过程中，待镀玻片表面的温度会提高，此时镀上的离子膜在玻片冷却之后就会得到与原先设计的膜系参数有差别了。
九.总结此次实验要求我们依据上个学期所学的《物理光学》的相关知识进行满足一定要求的窄带滤光片的设计及制作。
为此，我们认真地学习了喻老师的窄带滤波片设计的理论课，进行了知识补充；在设计过程中借鉴《物理光学》里的相关内容，进行理论设计和原理讨论。
由于计算相对复杂，所以我们采用老师推荐的模拟软件Filmaster进行仿真模拟，得到了设计曲线。
通过这次方案设计，我们不仅再次复习干涉知识，而且还掌握了Filmaster的使用方法，使我们的综合应用水平得以提高。
在制作过程中，我们在喻老师和学长的带领下，每天都实验室里观察和学习整个制作流程。
在每天的学习中，我们不仅在理论上加深了对光学薄膜的设计思想，而且还通过实践过程亲身体验了光学薄膜的制作，为以后我们的学习和工作都打下了基础。
十．参考文献★《物理光学教程》北京理工大学出版社2005版★《光学薄膜技术》西北工业大学出版社2005版。