材料分析方法课件-8 粉末X射线衍射仪
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X射线粉末衍射仪法
X射线粉末衍射仪法摘要本实验采用X射线粉末衍射仪法，对样品、薄膜ZnO和二者的混合物等多晶样品进行了X射线衍射扫描。
实验测得的结构为体心立方，ZnO为六角密排结构；由已知和ZnO的质量分数比为1：1的混合物定标得出另外一种混合物中和ZnO的质量分数之比约为2.54:1，实验还测量了ZnO薄膜样品的晶粒大小为。
关键词X射线粉末衍射仪法物相分析PDF卡1．引言X射线是一种波长介于紫外线与射线之间的电磁波，其波长约为0.01~100之间，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
1912年德国物理学家劳厄(M.Von Laue)发现了晶体的X射线衍射现象。
同年，英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上，提出著名的X射线的布拉格衍射方程，并首次用X射线衍射法测定出氯化钠的晶体结构。
1916年德国科学家德拜和写了提出了X射线粉末衍射仪法，揭开了利用多晶样品进行晶体结构测定的序幕。
X射线衍射法已经成为研究原子、分子和晶体结构的重要手段之一，被广泛用于晶体结构参数测定、材料的物相分析和亚微观晶粒的大小分布测量等方面。
物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。
前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。
在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。
本实验学习掌握多晶X射线粉末衍射仪的原理与基本操作，熟悉定性物相分析的步骤及PDF数据库的使用方法，了解定量物相分析，精确测定晶格常数及晶粒大小测量等实验方法。
2．原理2.1理论晶体的粉末X射线衍射图的衍射峰的强度和对应的衍射角是由晶体内部结构特性决定的。
衍射峰对应的衍射角取决于晶胞大小和形状，以此可以对样品组成进行定性物相分析；而你是否的强度取决于晶胞内原子的类型及分布，这是利用X 射线衍射进行定量物相分析的基础。
X射线粉末衍射法
实验五χ射线粉末衍射法测定药物的多晶型一、实验目的1.熟悉χ-射线粉末衍射法确定药物多晶型的基本原理与方法2.掌握x-射线粉末衍射图谱的分析与处理方法二、基本原理χ-射线衍射是研究药物多晶型的主要手段之一，它有单晶法和粉末χ-射线衍射法两种。
可用于区别晶态与非晶态、混合物与化合物。
可通过给出晶胞参数，如原子间距离、环平面距离、双面夹角等确定药物晶型与结构。
粉末法研究的对象不是单晶体，而是许多取向随机的小晶体的总和。
此法准确度高，分辨能力强。
每一种晶体的粉末图谱，几乎同人的指纹一样，其衍射线的分布位置和强度有着特征性规律，因而成为物相鉴定的基础。
它在药物多晶的定性与定量方面都起着决定性作用。
当χ-射线（电磁波）射入晶体后，在晶体内产生周期性变化的电磁场，迫使晶体内原子中的电子和原子核跟着发生周期振动。
原子核的这种振动比电子要弱得多，所以可忽略不记。
振动的电子就成为一个新的发射电磁波波源，以球面波方式往各个方向散发出频率相同的电磁波，入射χ-射线虽按一定方向射入晶体，但和晶体内电子发生作用后，就由电子向各个方向发射射线。
当波长为λ的χ-射线射到这族平面点阵时，每一个平面阵都对χ-射线产生散射，如图5-1。
图5-1 晶体的Bragg-衍射先考虑任一平面点阵1对χ-射线的散射作用：χ-射线射到同一点阵平面的点阵点上，如果入射的χ-射线与点阵平面的交角为θ，而散射线在相当于平面镜反射方向上的交角也是θ，则射到相邻两个点阵点上的入射线和散射线所经过的光程相等，即PP'=QQ'=RR'。
根据光的干涉原理，它互相加强，并且入射线、散射线和点阵平面的法线在同一平面上。
再考虑整个平面点阵族对χ-射线的作用：相邻两个平面点阵间的间距为d，射到面1和面2上的χ-射线的光程差为CB+BD，而CB=BD=dsinθ，即相邻两个点阵平面上光程差为2dsinθ。
根据衍射条件，光程差必须是波长λ的整数倍才能产生衍射，这样就得到χ-射线衍射（或Bragg衍射）基本公式：2dsinθ =nλ（5-1）θ为衍射角或Bragg角，随n不同而异，n是1，2，3……等整数。
第二章 X射线衍射分析方法及应用 ppt课件
设备：Bruker D8 ADVANCE 衍射仪.
辐射：单色化的 Cu K 射线
PPT课件
41
1-样品制备: 样品碾成粉末，颗粒度小于300目， 取约1g粉末放入样品槽内，用毛玻璃轻压 粉末，使之充满槽内，轻轻刮去多余的粉 末，将样品，置于测角仪中心。
X 光管 固定
PPT课件
42
2 - 设置参数并进行衍射花样测量：
（2） 计算面间距d值和测定相对强度I/I1 (I1为最强线的强度)
分析以2<90的衍射线为主， 2测 量精度要达到0.01，d 值计算到0.001位
有效数字。衍射强度取相对强度。
（3） 检索PDF卡片
先进行单相分析,不成功则进行多相 分析
（4） 最后判定存在的物相。
PPT课件
40
物相定性分析实例
2.753
PPT课件
55
例：图a为SrTiO3的XRD谱， 图b为以SrTiO3为主晶相的SrTiO3-CaTiO3 系固溶体的XRD谱，
图c为SrTiO3-CaTiO3机械混合物XRD谱， 图d 为CaTiO3的XRD谱。 可见: SrTiO3-CaTiO3系固溶体的XRD谱 图与SrTiO3的XRD谱图相似，由于CaTiO3的 加入使峰值、峰形稍有变化。
如, Diffractometer代表衍射仪法； Ref．—该区数据来源。
PPT课件
31
区间4：物相的结晶学数据, 其中
Sys. — 晶系;
S. G. — 空间群符号；
a0、b0、c0 — 晶胞轴长； A、C — 轴率，A = a0/b0，C = c0/b0 、 、 — 轴角;
Z — 单位晶胞内“分子”数；
衍射曲线：衍射峰 基线
辐射：单色化的 Cu K 射线
PPT课件
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1-样品制备: 样品碾成粉末，颗粒度小于300目， 取约1g粉末放入样品槽内，用毛玻璃轻压 粉末，使之充满槽内，轻轻刮去多余的粉 末，将样品，置于测角仪中心。
X 光管 固定
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2 - 设置参数并进行衍射花样测量：
（2） 计算面间距d值和测定相对强度I/I1 (I1为最强线的强度)
分析以2<90的衍射线为主， 2测 量精度要达到0.01，d 值计算到0.001位
有效数字。衍射强度取相对强度。
（3） 检索PDF卡片
先进行单相分析,不成功则进行多相 分析
（4） 最后判定存在的物相。
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物相定性分析实例
2.753
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例：图a为SrTiO3的XRD谱， 图b为以SrTiO3为主晶相的SrTiO3-CaTiO3 系固溶体的XRD谱，
图c为SrTiO3-CaTiO3机械混合物XRD谱， 图d 为CaTiO3的XRD谱。 可见: SrTiO3-CaTiO3系固溶体的XRD谱 图与SrTiO3的XRD谱图相似，由于CaTiO3的 加入使峰值、峰形稍有变化。
如, Diffractometer代表衍射仪法； Ref．—该区数据来源。
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区间4：物相的结晶学数据, 其中
Sys. — 晶系;
S. G. — 空间群符号；
a0、b0、c0 — 晶胞轴长； A、C — 轴率，A = a0/b0，C = c0/b0 、 、 — 轴角;
Z — 单位晶胞内“分子”数；
衍射曲线：衍射峰 基线
08-粉末多晶衍射分析
3、出现的新问题：
①光源S固定在机座上与试样的直线位置不变，而 计数管和接收光阑在测角仪大圆周上移动，随之聚焦应永远保持与聚焦 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。
4、解决方案： 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。
反装法
不对称法
偏装法
• 根据衍射几何关系，偏 装法固定了两个圆孔位 置后就能求出相机的真 实圆周长度 由图可见A+B=2πR， R 就是真实半径。偏装法 可以消除底片收缩、试 样偏心、相机直径不准 等造成的误差。
•
四、衍射角测量
上图照相机，设晶体中某晶面族(hkl)所产生的衍射 线与底片交于PP’两点，从二点之间的距离S就可算出其 衍射角θ。从图可知，在透射区有：S/4θ=W/180°；在
背射区，可用相似方法先求出φ，再求出衍射角。
求得衍射角后，可按布喇格公式2dsinθ=λ算出与该 衍射线对应的晶面间距d(因波长是已知的)。
为使用方便，一般把相机的直径作57.3mm或
114.6mm。这样它们的圆周长就分别180mm或360mm， 于是底片上1mm的距离相当于角度2 °或1°，计算θ很方
推荐的实验条件
分析目的 简单相分析 靶材 Cu Cr Fe Co Cu Cu Cu Cu Co 管压 (kV) 35-45 扫描 速度 (度/分) 2、4 2、4 1、2 ½ 、1 ¼ 、1/2 扫描范围 ( 度) 20-900
粉末X射线衍射分析 PPT课件
2
1.1 晶体
晶体区别于其他状态的物质： 长程有序、有固定熔点、各相异性、自范性
3
1.2 晶体结构与空间点阵
晶体结构（以CsCl为例）
Cl离子和Cs离子 按照一定规律周期排列
Cl
Cs Cs
Cl
抽象出排列周期，物质点抽象为几何 点称结点或等同点，结点在三维作周 期排列构成空间点阵 结点代表的具体内容为结构基元
26
二、衍射基础
衍射的产生及衍射方向的确定 劳埃方程及布拉格方程 反射球及劳埃方程在反射球上的表达 布拉格方程与反射球 产生衍射的方法 小晶体衍射线的强度
27
2.1 衍射的产生及衍射方向
确定衍射产生及衍射方向的基本原则: 光程差为波长的整倍数
28
Laue方程
三维点阵：按周期a，b，c分别沿X、Y、 Z轴构成原子立体网。 三维Laue方程: a •(cos a - cos a0 ) = h b •(cos b - cos b0 ) = k c •(cos c - cos c0 ) = l
C
2q
S/
2q
s S0 /
s
O
2q
S/
终点永远在球面上
33
劳埃方程在反射球上的表达
Laue方程
( S S0 ) / H
S/
倒易阵点
S/ H
1 / C
hkl
Hhkl S0/
O
S0 /
反射球342 sinqhkl / H hklHhkl 1/ dhkl
入射方向
粉末X射线衍射分析
0
主要内容：
X射线衍射分析PPT课件
穿过一层物质，降低一部分动能，穿透深浅 不同，降低动能不等，所以有各种波长的X射
线。
2021/3/7
CHENLI
5
二．特征X射线
由阳极金属材料决定，波长确定 产生机理：高速电子将原子内层电子激发， 再由外层电子跃迁至内层，势能下降而产生 的X射线，波长由原子的能级决定。 如CuK1＝1.5405Å
MoK1＝0.7093Å 在X射线衍射分析工作中，利用的是特
征X射线，而连续X射线只能增加衍射谱图的 背底。
2021/3/7
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6
特征X射线的激发原理
2021/3/7
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7
晶体结构
晶体的定义
由原子或分子在三维空间周期排列而成 的固体物质
2021/3/7
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8
一．晶体结构的特征 晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周
1·三斜晶系（triclinic）a≠b≠c,≠≠≠90 2·单斜晶系(monoclinic)a≠b≠c,==90≠ 3·六方晶系(hexagonal)a=b≠c,==90=120 4·三方晶系(rhombohedral or trigonal)a=b=c,==≠90 5·正交晶系(orthorhombic)a≠b≠c,===90 6·四方晶系(tetragonal)a=b≠c,===90 7·立方晶系(cubic)a=b=c,===90
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二．标准卡片 标准卡片由国际粉末衍射标准协会搜
编，称JCPDS卡，至2005年已搜集到无机 物、有机物近10万张卡片，而且还在不断 增补。
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10
d 1a 1b 1c 1d 7
线。
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二．特征X射线
由阳极金属材料决定，波长确定 产生机理：高速电子将原子内层电子激发， 再由外层电子跃迁至内层，势能下降而产生 的X射线，波长由原子的能级决定。 如CuK1＝1.5405Å
MoK1＝0.7093Å 在X射线衍射分析工作中，利用的是特
征X射线，而连续X射线只能增加衍射谱图的 背底。
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特征X射线的激发原理
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晶体结构
晶体的定义
由原子或分子在三维空间周期排列而成 的固体物质
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一．晶体结构的特征 晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周
1·三斜晶系（triclinic）a≠b≠c,≠≠≠90 2·单斜晶系(monoclinic)a≠b≠c,==90≠ 3·六方晶系(hexagonal)a=b≠c,==90=120 4·三方晶系(rhombohedral or trigonal)a=b=c,==≠90 5·正交晶系(orthorhombic)a≠b≠c,===90 6·四方晶系(tetragonal)a=b≠c,===90 7·立方晶系(cubic)a=b=c,===90
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二．标准卡片 标准卡片由国际粉末衍射标准协会搜
编，称JCPDS卡，至2005年已搜集到无机 物、有机物近10万张卡片，而且还在不断 增补。
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d 1a 1b 1c 1d 7
材料分析方法-8 粉末X射线衍射仪
光路布置中光阑（狭缝）的作用：
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发散狭缝 防散射狭缝：排斥非样品的辐射，提高峰背比 接收狭缝：提高衍射的分辨本领
限制射线在水 平方向上的发 散度
梭拉狭缝S1、S2：
限制射线在竖直方向上的发 散度，保证射线平行入射
22
衍射几何的关键问题 是一方面要满足布拉 格方程反射条件，另 一方面要满足衍射线 的聚焦条件。
Kα2
50000
50000
0
68.4 68.5 68.6 68.7 68.8 68.9
69
69.1 69.2 69.3 69.4 69.5 69.6 69.7 69.8 69.9
70
0
30
35
40
45
50
55
60
S－靶面上的线焦点，K－发散狭缝，L－防散射狭缝，
F－接收狭缝，S1，S2－梭拉狭缝
r = R / 2sin
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23
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24
正比计数器和 盖革计数器都 是以气体电离 为基础的，其 构造示意图如 右图。
主要由一个充 气的圆筒形金
属套筒（作阴极）和一根与圆筒同轴的细金属丝（作 阳极）所构成。
“雪崩效应”
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25
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利用X射线激发某种物质会产生可见的荧光， 而且荧光的多少与X射线的强度成正比。
打印机 记录仪
10
4. 4 X射线仪的常规测量
衍射强度的测量
连续扫描 步进扫描（阶梯扫描）
衍射强度公式
I
I0
3 32R
e2 mc
2
2
V V胞2
P FHKL
2
1 cos2 2 sin2 cos
X射线衍射图谱分析——介绍 ppt课件
六、X射线衍射仪组成：
带有稳压稳流装置的X射线发生器 精密的测角仪系统
控制及数据处理系统
PPT课件
4
PPT课件
5
（利用单色器得到特征X射线）
PPT课件
6
七、数据分析方法
X射线物相分析 晶胞参数的确定 晶粒尺寸的计算 结晶度的测量 晶粒取向测定 ……
PPT课件
7
X射线物相分析
① 粉末衍射图谱的获得 ② d 值的测量： 2θ →d 2dsinθ=nλ ③ 相对强度的测量
各衍射线的峰高比——最强线为100 ④ 查阅索引 ⑤ 核对卡片
PPT课件
9
1、晶体不同晶面“反射”衍射强度不同,测得的衍射线强度是一组晶 面（hkl）反射的X射线总量，即积分强度。
2、入射X射线不是严格平行而是有一定散度的光束，晶体也非严整的 格子，一组晶面反射的X射线是在θ附近一个小的角度范围内
13
PPT课件
14
二、晶胞参数测定方法
• 间接方法；直接测量某一衍射线的θ 角，然后通 过晶面间距公式、布拉格公式计算出晶格常数。
• 以立方晶体为例，其晶面间距公式为：
•
a d H 2 K 2 L2
• 根据布拉格3 方程2dsinθ =λ，则有：
•
H 2 K 2 L2
PPT课件
10
1 横坐标：衍射角2θ 单位 °
2 纵坐标：强度标值 I 单位cps(记数/秒)
3 峰顶标值：网面间距d 单位埃
4 基线：BL
5 衍射强度：去背景后的峰高h 单位cps
可用相对强度 峰值最大为100
6 半高宽：峰高的1/2宽度（表示某些晶体的
结晶度）单位 °
X射线粉末衍射仪原理及应用 ppt课件
ppt课件 3
晶体X射线衍射原理
晶体中各个电子的散射波可互相干涉。 散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。 Bragg公式： 2dhklsinθhkl =nλ 实质：光程差等于波长整数倍（周相一致）
ppt课件
4
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
x射线粉末衍射仪原理及应用1ppt课件主要内容?x射线衍射基础知识简介?x射线衍射仪主要结构?x射线衍射仪主要功能及分析方法2ppt课件x射线物理学概要?1895年伦琴w
X射线粉末衍射容
X射线衍射基础知识简介 X射线衍射仪主要结构 X射线衍射仪主要功能及分析方法
ppt课件
5
X射线粉末衍射仪系统工作原理
ppt课件
6
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
ppt课件
7
光源：高压发生器与X光管
用阴极射线 (高速电子束) 轰击对阴极 (靶) 的表面获得有 足够强度的X射线。
ppt课件
8
X射线测角仪
测角仪是粉末衍射仪的核心，是衍射仪最精密的机械部分。 XD-2自动衍射仪的测角仪由以下3部分组成： 1. 测角仪主体：包括轴系、驱动电机、样品台和检测 器转臂等； 2. X射线管管座； 3. 底座。其作用是支撑并固定测角仪主体和X射线管管 座； 测角仪通过一个25针的连接器和衍射仪的计算机系统 连接，通过衍射仪计算机系统可编程控制。
ppt课件
2
X射线物理学概要
1895年伦琴 (W. C. Roentgen) 研究阴极射线管时，发现 管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线，称 为X射线(伦琴射线)。 1912年劳埃 (M. Von Laue) 以晶体为光栅，发现了晶体的 X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。 在物质的微观结构中，原子和分子的距离 (1～10埃左右) 正好落在X射线的波长范围内，所以物质 (特别是晶体) 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。
晶体X射线衍射原理
晶体中各个电子的散射波可互相干涉。 散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。 Bragg公式： 2dhklsinθhkl =nλ 实质：光程差等于波长整数倍（周相一致）
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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
x射线粉末衍射仪原理及应用1ppt课件主要内容?x射线衍射基础知识简介?x射线衍射仪主要结构?x射线衍射仪主要功能及分析方法2ppt课件x射线物理学概要?1895年伦琴w
X射线粉末衍射容
X射线衍射基础知识简介 X射线衍射仪主要结构 X射线衍射仪主要功能及分析方法
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X射线粉末衍射仪系统工作原理
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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
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光源：高压发生器与X光管
用阴极射线 (高速电子束) 轰击对阴极 (靶) 的表面获得有 足够强度的X射线。
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X射线测角仪
测角仪是粉末衍射仪的核心，是衍射仪最精密的机械部分。 XD-2自动衍射仪的测角仪由以下3部分组成： 1. 测角仪主体：包括轴系、驱动电机、样品台和检测 器转臂等； 2. X射线管管座； 3. 底座。其作用是支撑并固定测角仪主体和X射线管管 座； 测角仪通过一个25针的连接器和衍射仪的计算机系统 连接，通过衍射仪计算机系统可编程控制。
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X射线物理学概要
1895年伦琴 (W. C. Roentgen) 研究阴极射线管时，发现 管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线，称 为X射线(伦琴射线)。 1912年劳埃 (M. Von Laue) 以晶体为光栅，发现了晶体的 X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。 在物质的微观结构中，原子和分子的距离 (1～10埃左右) 正好落在X射线的波长范围内，所以物质 (特别是晶体) 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。
现代材料分析方法实验课讲义——X射线衍射分析2学时11-56页精选文档
射角；
n——反射级数，为整数； ——入射X线波长，与X射线管所用的靶材有关。
上式即为布拉格定律或布拉格方程，它把衍射方向、平面
点阵族的间距d(hkl) 和X射线的波长 联系在一起。
01.05.2020
Deliang Chen，Zhengzhou University
4
当波长一定时，对指定的某一族平面点阵(hkl)来说，n数值 不同，衍射的方向也不同。n=1, 2, 3,……，相应的衍射角 为1, 2, 3,……，而n=1, 2, 3等衍射分别为一级、二级、三
可以证明，在衍射hkl中，通过晶胞原点的衍射波与通过第 j个原子（坐标为xj，yj，zj）的衍射波的周相差为:
j = 2(hxj +kyj +lzj)。
01.05.2020
Deliang Chen，Zhengzhou University
9
若晶胞中有n个原子，每个原子散射波的振幅（即原子散射
因子）分别为f1, f2, , fj, , fn，各原子的散射波与入射波的
2
当入射角与散射角相等时，一层原子面上所有散射波干涉 将会加强。与可见光的反射定律类似，X射线从一层原子面 呈镜面反射的方向，就是散射线干涉加强的方向。因此， 将这种散射称为从晶面反射。
下面讨论两相邻原子面的散射波的干涉：
过D点分别向入射 线和反射线作垂线， 它们的光程差为：
=AB+BC=2dsin
级衍射。为了区别不同的衍射方向，可将上式改写为：
[2d(hkl)sinn ]/n =
带有公因子n的晶面指标(nh nk nl)是一组和(hkl)平行的晶面， 晶面间距d (nh nk nl)和相邻两个晶面的间距d (hkl)的关系为：
n——反射级数，为整数； ——入射X线波长，与X射线管所用的靶材有关。
上式即为布拉格定律或布拉格方程，它把衍射方向、平面
点阵族的间距d(hkl) 和X射线的波长 联系在一起。
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当波长一定时，对指定的某一族平面点阵(hkl)来说，n数值 不同，衍射的方向也不同。n=1, 2, 3,……，相应的衍射角 为1, 2, 3,……，而n=1, 2, 3等衍射分别为一级、二级、三
可以证明，在衍射hkl中，通过晶胞原点的衍射波与通过第 j个原子（坐标为xj，yj，zj）的衍射波的周相差为:
j = 2(hxj +kyj +lzj)。
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若晶胞中有n个原子，每个原子散射波的振幅（即原子散射
因子）分别为f1, f2, , fj, , fn，各原子的散射波与入射波的
2
当入射角与散射角相等时，一层原子面上所有散射波干涉 将会加强。与可见光的反射定律类似，X射线从一层原子面 呈镜面反射的方向，就是散射线干涉加强的方向。因此， 将这种散射称为从晶面反射。
下面讨论两相邻原子面的散射波的干涉：
过D点分别向入射 线和反射线作垂线， 它们的光程差为：
=AB+BC=2dsin
级衍射。为了区别不同的衍射方向，可将上式改写为：
[2d(hkl)sinn ]/n =
带有公因子n的晶面指标(nh nk nl)是一组和(hkl)平行的晶面， 晶面间距d (nh nk nl)和相邻两个晶面的间距d (hkl)的关系为：
材料分析测试 第六章 X射线衍射方法 ppt课件
主要技术指标：
X射线源：最大输出功率：3kW； 最大电压：60kV；最大电流：60mA 陶瓷X光管； 靶材及功率：Cu靶 2.2kW； 最大电压：60kV；最大电流：50mA； X’Celerator超能探测器
ppt课件
25
日本理学D/max 2550V X射线衍射仪
18kW（40kV，450mA）
测角仪精度：0.002pp°t课件(2θ)
26
X射线测角仪——衍射仪的核心
样品 入射光栏
大转盘(测角仪圆) 样品台——小转盘
管靶焦斑
测角仪中心
接收(狭缝)光栏
计数管
支架
X射线测角仪结构示意图
计数管与样品连动扫描， －2连动
测角仪扫描范围：正向(顺时针)2可达165，反向(逆时针)2可 达－100。2测量绝对精度0.02，重复精度0.001。
ppt课件
17
（7）德拜相机的分辨本领
L
分辨率() ：描述相机分辨底片上相距最近衍射线条的本领。
L
d / d
当两晶面间距差值d一定时，值大则意味着底 片上两晶面相应衍射线条距离(位置差)L大，即 两线条容易分辨。
L——晶面间距变化值为d/d时，衍射线条的位置变化。
将布拉格方程写为sin＝/(2d)的 形式，对其微分并整理，有
样品大小：直径0.2~0.8mm左右），长度约为10~15mm。 注意：
（1）经研磨后的韧性材料粉末应在真空或保护气氛下退火， 以清除加工应力。 （2）研磨时，不能用力过度，以免破坏样品的结构。
筛目：每平方英寸的筛孔数。有国际标准、泰勒标准等。
1英寸=2.54cm
ppt课件
7
（3）底片的安装
第一节 多晶体衍射方法 一、（粉末）照相法 二、 衍射仪法
材料研究方法三X射线衍射分析PPT课件
结构分析时所采用的就是K系X射线。
.
20
eU=1/2mV2
λmin=hc/eU
.
21
三、X射线与物质的相互作用
➢1.透射。强度减弱，波长不变，方向基本不变； ➢2.吸收。①能量以其他能量形式释放，如光电效应、 俄歇(Auger)效应、荧光效应等。②吸收。类似LB定 律。 ➢3.散射。原子使X射线偏离原来方向。 ①波长不变相干散射-Thomson散射；②有能量交换，波长变长， 非相干散射-Compton散射。
.
13
本章主要内容
➢ 1. X 射线介绍 ➢ 2. X 射线与物质的作用 ➢ 3. X 射线衍射仪器 ➢ 4. X 射线衍射分析方法 ➢ 5. X 射线衍射应用
.
14
一、X-射线的性质
➢ ①肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光
板发光和使气体电离； ➢ ②能透过可见光不能透过的物体； ➢ ③这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转， 在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅 亦不引起衍射； ➢ ④这种射线对生物有很厉害的生理作用。
穿透能力强，一般条件下不能被反射，几乎完全不发
生折射——X射线的粒子性比可见光显著的多
.
16
二、X-射线的产生
1.产生X-射线的方法：是使快速移动的电子(或 离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转 变成X光能，即辐射出X-射线。
.
17
*X射线发生器的主要部件
➢ (1)阴极：钨灯，电流3-4A，加速电压5-8KV ➢ (2)阳极靶材：Cu/Mo/Ni等熔点高、导热性好的金属 ➢ (3)Be窗：d=0.2mm，可透过X射线。
X 射
铅 屏
底
线
晶体
现代材料分析-X射线衍射介绍PPT课件
产生机理
❖ 能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞 碰撞一次产生一个能量为hv的光子
短波限
❖ 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短 波限λ0，它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的 X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。
❖ 相互关系为：
❖ 式中：ee为V电子h电ma荷x ，he=0c1.662 18920×110V.-2194C；(nm)
样品托
5.4 X射线衍射方法在材料研究中的应用
5.4.1 结晶高分子材料的定性鉴别
HDPE和LDPE的X射线衍射谱 （a）HDPE（高密度聚乙烯） （b）LDPE（低密度聚乙烯）
（a）含α型晶体的IPP X射线衍射图 （b）含β型晶体的IPP X射线衍射图 （c）被鉴定的IPP X射线衍射图
5.4.2 取向度测定
❖ 非相干散射分布在各个方向，强度一般很低， 但无法避免，在衍射图上成为连续的背底， 对衍射工作带来不利影响。
5.2 X射线衍射原理（布拉格方程）
1913年英国布拉格父子（W.H .bragg .WL Bragg)建立了一个公式—布拉格公式。能用于对晶体 结构的研究。
布拉格父子认为当能量很高的X射线射到晶 体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫 振荡，从而向周围发 射同频率的电磁波， 即产生了电磁波的 散射，而每个原子 则是散射的子波波 源。
❖ 晶体的定义：由原子、分子或离子等微粒在空间按 一定规律、周期性重复排列所构成的固体物质。
晶态结构示意图
非晶态结构示意图
布拉格反射
入射波
散射波
o
dA B
C
晶格常数 d 掠射角
Δ A C CB
2dsin
相邻两个晶面反射的两 X射线干涉加强的条件
《X射线衍射》PPT课件
峰于M、N点，直线MN的中点对应
的 2θ角位置为峰位。（适用于峰形
光滑，高度较大情况，此法精度高）
精选课件ppt
17
3°查索引，对照卡片
取三条强线，查数值索引 如果试样为单一物相，则实验数据与标准数据均能基本对 应（主要对应d值） 如果试样为多种物相，则先选取最强峰（100）对应的d值 组与标准数据对应，确定物相；剩余d值再做归一化处理，依 次确定物相。
➢ 1938年，哈那瓦特（Hanawalt)等人－－开始收集和摄取各种已 知晶体物相的衍射花样，将其衍射数据进行整理和分类。 ➢ 1942年，美国材料试验协会－－最初出版约1300张衍射数据卡 片－－ASTM卡片。 ➢ 1969年起， “粉末衍射标准联合委员会”（JCPDS）国际机构， －－统一分类和编号，编制标准粉末衍射卡片出版－－PDF卡片。
精选课件ppt
23
衍射积分强度公式可简化为： Ia K 1 Ca
Ia为某相的衍射强度，K1为未知常数，Ca为某相的体积分 数，μ为混合物相的线吸收系数。
若混合物中只有两相α和β，其密度分别为ρα、ρβ，线 吸收系数分别为μα、μβ，质量百分比为xα、xβ。
则某物相α的衍射强度为
Ia
K1x
[x(
2区 I/I1 ：上述 各衍射线的相 对强度，其中 最强线的强度 为100；
1a 1b 1c 1d
精选课件ppt
6
3区 实验条件：
辐射光源及波长
滤波片（Filler） 相机直径（Dia.） 所用仪器可测最大 面间距（Cut off） 相对强度的测量方 法（I/I1） 参考资料（Ref.）
精选课件ppt
度递减顺序排列）； 后面依次排列着化学式，卡片编号，（参比强度）。
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衍射仪法的优点较多，如速度快、强度相对精确、信息量大、 精度高、分析简便（现在大部分测试项目已有了专用程序）、 试样制备简便等等。
衍射仪对强度的测量是利用电子计数器（计数管）直接测 定的。
17
衍射仪法需要解决的关键技术问题是：
X射线接收装置——计数管； 衍射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样；
r = R / 2sin
Back
23
Back
24
正比计数器和 盖革计数器都 是以气体电离 为基础的，其 构造示意图如 右图。
主要由一个充 气的圆筒形金
属套筒（作阴极）和一根与圆筒同轴的细金属丝（作 阳极）所构成。
“雪崩效应”
Back
25
Back
利用X射线激发某种物质会产生可见的荧光， 而且荧光的多少与X射线的强度成正比。
光路布置中光阑（狭缝）的作用：
Back
发散狭缝 防散射狭缝：排斥非样品的辐射，提高峰背比 接收狭缝：提高衍射的分辨本领
限制射线在水 平方向上的发 散度
梭拉狭缝S1、S2：
限制射线在竖直方向上的发 散度，保证射线平行入射
22
衍射几何的关键问题 是一方面要满足布拉 格方程反射条件，另 一方面要满足衍射线 的聚焦条件。
选择原则：Kβ(光源）< K(滤波片）< Kα(光源） 当 Z靶 ＜ 40时，则 Z片＝ Z靶－1 当 Z靶 ≥ 40时，则 Z片＝ Z靶－2
● 选择管电压
U管压 ≈ (3~5) UK
阳极元素的K系标识谱出现的最低电压称为该元素的K
系临界激发电压UK。
当管电压为临界激发电压的 3~5倍时，标识谱与连续谱
26
线性
来自 计数器
放大器
上限甄 别电路
下限甄 别电路
反符合 微分法 电路
接计数 积分法 电路
27
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28
• 针孔法（Pinhole method）
衍射仪法
2
复习
回顾
● 选择阳极
应使阳极元素所发射的标识X射线不激发出 试样元素的二次标识X射线。
一般原则： Z阳 ≤ Z样
当不能满足此关系时，可将选择极限推延至：
Z阳 ＝ Z样 ＋ 1
对Z极小的样品，可选较重的阳极元素如Cu 靶、Mo靶。
3
● 选择虑片
15
16
照相法是较原始的方法，缺点是：摄照时间长，往往需要 10～20小时；衍射线强度靠照片的黑度来估计，准确度不高。 优点是：设备简单，价格便宜，在试样非常少的时候（如 1mg）也可以进行分析，可记录晶体衍射的全部信息，需要 迅速确定晶体取向、晶粒度等时候尤为有效，另外在试样太 重不便于用衍射仪时照相法也是必不可少的。
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19
200
180
AlN
160
(002)
140
120
(100)
100
80
(101)
60
40
20
0
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
20
300000
250000
Si(100)
200000
300000 250000
Si(100)
Kα1
150000
200000
100000
150000 100000
10
4. 4 X射线仪的常规测量
衍射强度的测量
连续扫描 步进扫描（阶梯扫描）
衍射强度公式
I
I0
3 32R
e2 mc
2
2
V V胞2
P FHKL
2
1 cos2 2 sin2 cos
e2M
2l
实验参数的选择
狭缝宽度 扫描速度 时间常数
11
12
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13
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纯铝多晶体的德拜像
14
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吸收限的应用
1. 滤波片（filter）的选择 滤波片选择原则：
Kβ(光源）< K(滤波片）< Kα(光源）
当 Z靶 ＜ 40时，则 Z片＝ Z靶－1 当 Z靶 ≥ 40时，则 Z片＝ Z靶－2
2. 阳极靶的选择
Kα(靶）略大于试样的K系吸收限K
Z靶 ≤ Z试样 ＋ 1
Cu
避免产生荧光X射线
的强度比例可达到最佳值。工作电压就选用这一范围。
4
● 选择管电流 X射线管的额定功率除以管电压便是许用的
最大管电流。工作管电流不得超过此数值。
5
4.1 测角仪
衍射仪的构造及几何光学
概述
测角仪的构造
测角仪的衍射几何 测角仪的光学布置
试样
弯晶单色器
发展历史
012.swf
6
7
8
Kα2
50000
50000
0
68.4 68.5 68.6 68.7 68.8 68.9
69
69.1 69.2 69.3 69.4 69.5 69.6 69.7 69.8 69.9
70
0
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
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21
S－靶面上的线焦点，K－发散狭缝，L－防散射狭缝，
F－接收狭缝，S1，S2－梭拉狭缝
θ/2θ 偶合扫描的衍射晶面
9
4.2 X射线探测器的工作原理
正比计数器
盖革计数器
闪烁计数器
锂漂移硅检测器
4.3 X射线测量中的 主要电路
计数器 前置放大器
高压电源
线性放大器 脉冲高度分析器
定时器 定标器 计数率计
计数器的主要功能是将X射线 绘图仪 的能量转换成电脉冲信号。
打印机 记录仪
相同的（hkl）晶面也是全方向散射的，所以要聚焦；
计数管的移动要满足布拉格条件。
这些问题的解决关键是由几个机构来实现的：
X射线测角仪——解决聚焦和测量角度的问题； 辐射探测仪——解决记录和分析衍射线能量问题。
18
X射线衍射仪由X射线发生器、测角仪、辐射探测器、 记录单元或自动控制单元等部分组成，其中测角仪是 仪器的中心部分。
第四章 粉末多晶体X射线衍射仪
本章要求
• 了解X射线衍射仪的构造和常用探测器， 重点掌握测角仪构造和工作原理。
1
4.0 前言
本章将介绍X射线衍射的最基本的实验方法和装置
粉末法：以单色X射线照射粉末试样为基础
照相法 原理图
实例
• 德拜-谢乐法（Debye-scherrer method）
• 聚焦照相法（Focusing method）
衍射仪对强度的测量是利用电子计数器（计数管）直接测 定的。
17
衍射仪法需要解决的关键技术问题是：
X射线接收装置——计数管； 衍射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样；
r = R / 2sin
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正比计数器和 盖革计数器都 是以气体电离 为基础的，其 构造示意图如 右图。
主要由一个充 气的圆筒形金
属套筒（作阴极）和一根与圆筒同轴的细金属丝（作 阳极）所构成。
“雪崩效应”
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利用X射线激发某种物质会产生可见的荧光， 而且荧光的多少与X射线的强度成正比。
光路布置中光阑（狭缝）的作用：
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发散狭缝 防散射狭缝：排斥非样品的辐射，提高峰背比 接收狭缝：提高衍射的分辨本领
限制射线在水 平方向上的发 散度
梭拉狭缝S1、S2：
限制射线在竖直方向上的发 散度，保证射线平行入射
22
衍射几何的关键问题 是一方面要满足布拉 格方程反射条件，另 一方面要满足衍射线 的聚焦条件。
选择原则：Kβ(光源）< K(滤波片）< Kα(光源） 当 Z靶 ＜ 40时，则 Z片＝ Z靶－1 当 Z靶 ≥ 40时，则 Z片＝ Z靶－2
● 选择管电压
U管压 ≈ (3~5) UK
阳极元素的K系标识谱出现的最低电压称为该元素的K
系临界激发电压UK。
当管电压为临界激发电压的 3~5倍时，标识谱与连续谱
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线性
来自 计数器
放大器
上限甄 别电路
下限甄 别电路
反符合 微分法 电路
接计数 积分法 电路
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• 针孔法（Pinhole method）
衍射仪法
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复习
回顾
● 选择阳极
应使阳极元素所发射的标识X射线不激发出 试样元素的二次标识X射线。
一般原则： Z阳 ≤ Z样
当不能满足此关系时，可将选择极限推延至：
Z阳 ＝ Z样 ＋ 1
对Z极小的样品，可选较重的阳极元素如Cu 靶、Mo靶。
3
● 选择虑片
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照相法是较原始的方法，缺点是：摄照时间长，往往需要 10～20小时；衍射线强度靠照片的黑度来估计，准确度不高。 优点是：设备简单，价格便宜，在试样非常少的时候（如 1mg）也可以进行分析，可记录晶体衍射的全部信息，需要 迅速确定晶体取向、晶粒度等时候尤为有效，另外在试样太 重不便于用衍射仪时照相法也是必不可少的。
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Si(100)
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Si(100)
Kα1
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150000 100000
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4. 4 X射线仪的常规测量
衍射强度的测量
连续扫描 步进扫描（阶梯扫描）
衍射强度公式
I
I0
3 32R
e2 mc
2
2
V V胞2
P FHKL
2
1 cos2 2 sin2 cos
e2M
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实验参数的选择
狭缝宽度 扫描速度 时间常数
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纯铝多晶体的德拜像
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吸收限的应用
1. 滤波片（filter）的选择 滤波片选择原则：
Kβ(光源）< K(滤波片）< Kα(光源）
当 Z靶 ＜ 40时，则 Z片＝ Z靶－1 当 Z靶 ≥ 40时，则 Z片＝ Z靶－2
2. 阳极靶的选择
Kα(靶）略大于试样的K系吸收限K
Z靶 ≤ Z试样 ＋ 1
Cu
避免产生荧光X射线
的强度比例可达到最佳值。工作电压就选用这一范围。
4
● 选择管电流 X射线管的额定功率除以管电压便是许用的
最大管电流。工作管电流不得超过此数值。
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4.1 测角仪
衍射仪的构造及几何光学
概述
测角仪的构造
测角仪的衍射几何 测角仪的光学布置
试样
弯晶单色器
发展历史
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Kα2
50000
50000
0
68.4 68.5 68.6 68.7 68.8 68.9
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69.1 69.2 69.3 69.4 69.5 69.6 69.7 69.8 69.9
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S－靶面上的线焦点，K－发散狭缝，L－防散射狭缝，
F－接收狭缝，S1，S2－梭拉狭缝
θ/2θ 偶合扫描的衍射晶面
9
4.2 X射线探测器的工作原理
正比计数器
盖革计数器
闪烁计数器
锂漂移硅检测器
4.3 X射线测量中的 主要电路
计数器 前置放大器
高压电源
线性放大器 脉冲高度分析器
定时器 定标器 计数率计
计数器的主要功能是将X射线 绘图仪 的能量转换成电脉冲信号。
打印机 记录仪
相同的（hkl）晶面也是全方向散射的，所以要聚焦；
计数管的移动要满足布拉格条件。
这些问题的解决关键是由几个机构来实现的：
X射线测角仪——解决聚焦和测量角度的问题； 辐射探测仪——解决记录和分析衍射线能量问题。
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X射线衍射仪由X射线发生器、测角仪、辐射探测器、 记录单元或自动控制单元等部分组成，其中测角仪是 仪器的中心部分。
第四章 粉末多晶体X射线衍射仪
本章要求
• 了解X射线衍射仪的构造和常用探测器， 重点掌握测角仪构造和工作原理。
1
4.0 前言
本章将介绍X射线衍射的最基本的实验方法和装置
粉末法：以单色X射线照射粉末试样为基础
照相法 原理图
实例
• 德拜-谢乐法（Debye-scherrer method）
• 聚焦照相法（Focusing method）