X射线衍射试验指导书

实验指导书

实验一“衍射仪的结构、原理及物相分析”

一.实验目的及要求

学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理；掌握X射线衍射物相定性分析的方法和步骤。

二.实验原理

根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是X射线物相分析法。每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线的相对强度I／I1来表征。其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据d和I／I1是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。

三.实验仪器

本实验使用的仪器是D/max 2500 X射线衍射仪(日本理学)。X射线衍射仪主要由X射线发生器（X射线管）、测角仪、X射线探测器、计算机控制处理系统等组成。图1是D/max 2500 X射线衍射仪。

图1 Rigaku D/max2500

1.X射线管

衍射用X射线管实际都属于热电子二极管，有密闭式和转靶式两种。广泛使用的是密闭式，由阴极灯丝、阳极、聚焦罩等组成，功率大部分在1～2.5千瓦，转靶式一般在10千瓦以上，其特点是阳极以极快的速度转动，使电子轰击面不断改变，即不断改变发热点，从而达到提高功率的目的。本实验中使用的日本理学D/max 2500X射线衍射仪采用旋转靶，最高功率高达18kw。图2是X射线管结构示意图。阴极由钨丝绕成螺线形，工作时通电至白热状态。由于阴阳极间有几十千伏的电压，故热电子以高速撞击阳极靶面。为防止灯丝氧化并保证电子流稳定，转靶X射线管采用机械泵+分子泵二级真空泵系统保持管内真空度。为使电子束集中，在灯丝外设有聚焦罩。阳极靶由熔点高、导热性好的铜制成，靶面上镀一层纯金属。常用的金属材料有Cr，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W等，本实验中靶材料为Cu。当高速电子撞击阳极靶面时，便有部分动能转化为X射线，但其中约有99％将转变为热。为了保护阳极靶面，管子工作时需强制冷却。为了使用流水冷却，也为了操作者的安全，应使X射线管的阳极接地，而阴极则由高压电缆加上负高压。X射线管有相当厚的金属管套，使X射线只能从窗口射出。窗口由吸收系数较低的Be片制成。

图2 X射线管示意图

选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰。

2. 测角仪

测角仪是粉末X射线衍射仪的核心部件，实现对衍射角的测量。本实验中测角仪

采用θ-2θ联动模式（X光管固定不动，样品台旋转θ，探测器为了接收衍射光则需旋转2θ）。如图3（b）所示，样品台位于测角仪中心，平板试样置于样品台上，与测角仪中心重合，X射线源S和衍射光探测器（F C E）位于测角仪圆周。其光路主要由索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝、试样台及探测器等组成，如图3（c）所示，光路从F发射的X射线源焦线，先经过索拉狭缝S1（一组平行金属箔片光阑，限制入射X射线垂直方向发散），再经过发散狭缝Fs（限制入射X射线水平方向的发散），照射样品后，衍射X射线光束先经过滤片（有时候没有滤片，在光路最后会有单色器），再经过接收狭缝Js（限制衍射X射线水平方向的发散），再经过索拉狭缝S2（限制衍射X射线垂直方向发散），最后在F处聚焦被探测器接收，该处设置防散射狭缝Fss （防止空气散射等非试样散射X射线进入探测器）。

（a）测角仪实物图（b）测角仪结构图

（c）测角仪光路图

图3 测角仪

3.X射线探测器

本实验中衍射仪中使用的探测器是较为常用的闪烁计数器(SC)，它是利用X射线能在某些固体物质(磷光体)中产生的波长在可见光范围内的荧光，这种荧光再转换为能够测量的电流。由于输出的电流和计数器吸收的X光子能量成正比，因此可以用来测量衍射线的强度。除了闪烁体，近几年还有CCD探测器、锂漂移探测器等能量分辨率更高的探测器。

4.计算机控制、处理装置

衍射仪主要操作都由计算机控制自动完成，扫描操作完成后，衍射原始数据自动存入计算机硬盘中供数据分析处理。数据分析处理包括平滑点的选择、背底扣除、自动寻峰、d值计算，衍射峰强度计算，本实验使用MDI Jade 6.5软件进行数据处理。

四.实验参数选择

1. 阳极靶的选择：

选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰。

必须根据试样所含元素的种类来选择最适宜的特征X射线波长(靶)。当X射线的波长稍短于试样成分元素的吸收限时，试样强烈地吸收X射线，并激发产生成分元素的荧光X射线，背底增高。其结果是峰背比(信噪比)P／B低(P为峰强度，B为背底强度)，衍射图谱难以分清。

X射线衍射所能测定的d值范围，取决于所使用的特征X射线的波长。X射线衍射所需测定的d值范围大都在1nm至0.1nm之间。为了使这一范围内的衍射峰易于分离而被检测，需要选择合适波长的特征X射线。一般测试使用铜靶，但因X射线的波长与试样的吸收有关，可根据试样物质的种类分别选用Co、Fe，或Cr靶。此外还可选用钼靶，这是由于钼靶的特征X射线波长较短，穿透能力强，如果希望在低角处得到高指数晶面衍射峰，或为了减少吸收的影响等，均可选用钼靶。

2. 管电压和管电流的选择

工作电压设定为3 ～5倍的靶材临界激发电压。选择管电流时功率不能超过X射线管额定功率，较低的管电流可以延长X射线管的寿命。

X射线管经常使用的负荷(管压和管流的乘积)选为最大允许负荷的80％左右。但是，当管压超过激发电压5倍以上时，强度的增加率将下降。所以，在相同负荷下产生X射线时，在管压约为激发电压5倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节。靶元素的原子序数越大，激发电压就越高。由于连续X射线的强度与管压的平方呈正比，特征X射线与连续X射线的强度之比，随着管压的增加接近一个常数，当管压超过激发电压的4～5倍时反而变小，所以，管压过高，信噪比P/B 将降低，这是不可取的。

3. 发散狭缝的选择：

发散狭缝决定了X射线水平方向的发散角，限制试样被X射线照射的面积。如果使用较宽的发射狭缝，X射线强度增加，但在低角处入射X射线超出试样范围，照射到边上的试样架，出现试样架物质的衍射峰或漫散峰，对定量相分析带来不利的影响。因此有必要按测定目的选择合适的发散狭缝宽度。

4. 防散射狭缝的选择：

防散射狭缝用来防止空气等物质引起的散射X射线进入探测器，选用与发散狭缝角度相同。

5. 接收狭缝的选择：

接收狭缝的大小影响衍射线的分辨率。接收狭缝越小，分辨率越高，衍射强度越低。

6. 滤波片的选择：

Z滤< Z靶－(1～2):

Z靶< 40, Z滤= Z靶－1

Z靶> 40, Z滤= Z靶－2