X射线衍射仪及其应用简介-ppt课件.ppt

1、X射线衍射仪是对物质和材料的组成和原子射线衍射仪是对物质和材料的组成和原子级结构进行研究和鉴定的基本手段级结构进行研究和鉴定的基本手段其最常用的目的如下其最常用的目的如下1. 确定物质和材料中各种化合物的各种原子的排列。确定物质和材料中各种化合物的各种原子的排列。 研究材料和物质的一些特殊性质与其原子排列的关系。研究材料和物质的一些特殊性质与其原子排列的关系。2. 确定物质和材料含有哪些化合物确定物质和材料含有哪些化合物(物相物相)。3. 确定各种化合物确定各种化合物(物相物相)的百分比。的百分比。4. 测定纳米材料的晶粒大小、材料中的应力、织构、取向测定纳米材料的晶粒大小、材料中的应力、织构

2、、取向度、结晶度等等。度、结晶度等等。仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季 绝大多数自然科学和技术科学都离不开物质和绝大多数自然科学和技术科学都离不开物质和材料材料, 因此因此, 其应用领域极其广泛。其应用领域极其广泛。 由于由于物质和材料的性能和功能物质和材料的性能和功能都取决于其都取决于其组成和结组成和结构构, 特别是高新技术科学中材料的特别是高新技术科学中材料的原子尺度级别的结构原子尺度级别的结构极其重要极其重要, 可以说起着决定性的作用可以说起着决定性的作用, 因此因此X射线衍射仪射线衍射仪在自然科学和技术科学中都是非常重要的、绝对不能在自然科学和技术科学中都是非常重要的、绝对不能

3、缺少的仪器。缺少的仪器。 中科院物理所中科院物理所X射线衍射仪射线衍射仪10台以上台以上, 北大化学系北大化学系近近10台台衍射仪衍射仪, 清华材料中心清华材料中心X衍射室衍射室7台台衍射仪。衍射仪。一台进口衍射仪一台进口衍射仪: 1030万美元万美元, 而这些衍射仪都运行而这些衍射仪都运行效率很高。效率很高。仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季 X射线被发现以来射线被发现以来, 对现代科学和技术起了极大的推动对现代科学和技术起了极大的推动作用作用, 历史上历史上,从发现从发现X射线、发现射线、发现X射线衍射、到应用射线衍射、到应用X射线衍射解决物理、化学、生命、医学等方面的问题射线衍射解

4、决物理、化学、生命、医学等方面的问题, 有有10余次诺贝尔奖余次诺贝尔奖。 如如DNA结构的确定、青霉素的发明、各种矿物的确结构的确定、青霉素的发明、各种矿物的确定、都主要依靠定、都主要依靠X射线衍射。又如超导材料为什么会有射线衍射。又如超导材料为什么会有超导性必须用它从其原子排列进行研究；生物分子、高超导性必须用它从其原子排列进行研究；生物分子、高分子材料、各种人造晶体和药物的的结构必须用它来分分子材料、各种人造晶体和药物的的结构必须用它来分析、制作集成电路的单晶硅片的质量只有用它来检查。析、制作集成电路的单晶硅片的质量只有用它来检查。纳米材料也必须用它来研究。纳米材料也必须用它来研究。仪器

5、分析实验仪器分析实验2006秋季秋季 在技术工业上在技术工业上,它也是必须和大量使用的。钢铁、它也是必须和大量使用的。钢铁、水泥、陶瓷、医药、地质水泥、陶瓷、医药、地质(石油石油)、化工等研究和生、化工等研究和生产单位全都离不开它。因为这些材料的性能都取决产单位全都离不开它。因为这些材料的性能都取决于它们的物相于它们的物相(化合物化合物)组成。我国目前只有少量国组成。我国目前只有少量国有大企业才配备有有大企业才配备有X射线衍射仪射线衍射仪, 水泥、医药、陶瓷水泥、医药、陶瓷等企业还基本没有配备。而国外是上述行业的厂、等企业还基本没有配备。而国外是上述行业的厂、甚至连大一些的食品企业都配备有衍射

6、仪。甚至连大一些的食品企业都配备有衍射仪。据粗略据粗略统计统计,我国目前在用的衍射仪总数我国目前在用的衍射仪总数(约约1200台台); 国外厂国外厂商说还不到日本的商说还不到日本的1/5。仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季 在大学和研究单位中在大学和研究单位中,下述这些系下述这些系(或学科或学科)都必须都必须大量或经常使用衍射仪大量或经常使用衍射仪:材料材料(无论是钢铁、陶瓷、建无论是钢铁、陶瓷、建材、半导体、高分子等或其他材料材、半导体、高分子等或其他材料)、物理、化学、物理、化学、生物、化工、地质、核能、微电子、机械、环境、生物、化工、地质、核能、微电子、机械、环境、医药等。尤其是在

7、医药等。尤其是在材料、物理、化学化工、生物几材料、物理、化学化工、生物几个学科个学科中中, X射线衍射仪射线衍射仪和和电子显微镜电子显微镜是使用量最大是使用量最大的两种大型分析仪器。的两种大型分析仪器。仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季晶体晶体: 原子在三维空间中长程原子在三维空间中长程有序排列有序排列晶胞晶胞:重复排列的最小单元称重复排列的最小单元称晶胞晶胞参数晶胞晶胞参数.三个轴长三个轴长 a , b , c 三个轴的夹角三个轴的夹角 , , 按排列规律可分为按排列规律可分为7种晶系种晶系, 14种点阵种点阵，230种空间群种空间群大部分种类的物质是晶体大部分种类的物质是晶体晶体点阵

8、晶体点阵仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季X射线的产生射线的产生X 射线发生器射线发生器I. 电子束撞击到物质上产生电子束撞击到物质上产生X射线：常规射线：常规X射线发生器射线发生器封闭式封闭式X射线管射线管(2kW)旋转靶式旋转靶式X射线管射线管(620kW, 加强冷却加强冷却, 提高提高X射线强度射线强度) 谱特征谱特征：连续谱靶物质元素的特征谱连续谱靶物质元素的特征谱. 特征谱的波长特征谱的波长固定固定, 不能连续调节不能连续调节.仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季II.电子束改变运动方向产生电子束改变运动方向产生X射线：同步辐射射线：同步辐射(电子电子加速器储存环）加速器储

9、存环） 北京同步辐射国家实验室北京同步辐射国家实验室 合肥同步辐射实验室合肥同步辐射实验室谱线特征谱线特征: 连续谱连续谱。高平行度。高平行度, 偏振偏振需要单色射线时需要单色射线时, 用反射镜晶体单色器从连续谱中取出所需要的波用反射镜晶体单色器从连续谱中取出所需要的波长的单色长的单色X射线射线, 因此可以随意调节单色因此可以随意调节单色X射线的波射线的波长强的同步辐射的长强的同步辐射的强度强度可达常规发生器的可达常规发生器的上千倍上千倍.仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季X射线管示意图射线管示意图聚焦杯聚焦杯真空真空灯丝灯丝玻璃玻璃靶靶鈹窗鈹窗铜铜电子束电子束冷却水冷却水X光光X光光接

10、高压电源和灯丝电源接高压电源和灯丝电源最常用靶材为最常用靶材为Cu其他有其他有 Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ag, W 等等衍射用封闭式衍射用封闭式X射线管的功率约为射线管的功率约为 2kW(受靶材受靶材料熔点、导热和冷却条件限制料熔点、导热和冷却条件限制)仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季X射线产生示意图射线产生示意图电子束电子束产生产生X射线面积射线面积110mm线焦点，实线焦点，实际焦点际焦点0.110mm点焦，实际焦点焦，实际焦点点11mm 6 6电子束激发靶原子的内层电子电子束激发靶原子的内层电子,外外层电子跃迁至内层层电子跃迁至内层,发射出发射出X射线射线靶接地靶

11、接地, 灯丝为负高压灯丝为负高压.电子束轰击到靶上电子束轰击到靶上,产生产生X射线射线.X射线穿过对射线穿过对X射线吸收系数很射线吸收系数很小的铍窗射出小的铍窗射出.采用与靶面成采用与靶面成312度角出射的度角出射的X射线射线靶材料的原子序数愈大靶材料的原子序数愈大,X射线波射线波长愈短长愈短,能量愈大能量愈大,穿透能力愈强穿透能力愈强仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季X射线光谱射线光谱Mo 靶靶35kV时的发射光谱时的发射光谱K 谱线由谱线由K 1和和K 2 构成构成连续谱连续谱特征谱特征谱K 1K 2K K K 实际由相距很近实际由相距很近的的 K 1和和 K 2 组成组成连续谱的最

12、短波长随连续谱的最短波长随X光管的电光管的电压升高而减小压升高而减小, 特征谱的波长是特征谱的波长是固定的。只有在固定的。只有在X光管的电压高光管的电压高于激发电压时才产生于激发电压时才产生.粉末粉末(多晶多晶)衍射使用特征谱常用衍射使用特征谱常用的是的是Cu靶的靶的K 谱线谱线, K 谱线一谱线一般无用般无用, 要用单色器过滤掉要用单色器过滤掉. K 2谱线无用谱线无用, 在分辨率要求很在分辨率要求很高时需使用入射高时需使用入射K 1单色器把它单色器把它过滤掉过滤掉.Cu K 平均波长：平均波长：1.5418Cu K 1波长：波长：1.54060Mo K 波长：波长：0.707仪器分析实验仪

13、器分析实验2006秋季秋季晶体点阵衍射示意图晶体点阵衍射示意图入射入射X射线。波长射线。波长 衍射衍射X射线射线 衍射角衍射角晶体点阵晶体点阵晶面间距晶面间距 = d hkl h k l晶面 当当X射线照射到晶体上时射线照射到晶体上时, 每个原子都散射每个原子都散射X 射线。射线。 各原子散射的各原子散射的X射线相互干射线相互干涉涉, 当符合一定条件时当符合一定条件时(各散各散射线相位相同射线相位相同), 产生衍射产生衍射, 即即在此方向上有衍射线产生。在此方向上有衍射线产生。如左图如左图: 产生衍射的条件是两产生衍射的条件是两层的光程差是波长的整数倍层的光程差是波长的整数倍. n = 2d

14、hkl sin 布拉格公式布拉格公式 n：衍射的级：衍射的级(正整数）正整数） 晶体晶体: 原子的三维长程有序排列原子的三维长程有序排列对对X射线射线, 晶体相当于三维光栅晶体相当于三维光栅仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季晶体点阵衍射示意图晶体点阵衍射示意图d3d1d2 晶体有不同的晶面晶体有不同的晶面, 不同的晶面有不同的晶面间距不同的晶面有不同的晶面间距, 如左图的如左图的 d1, d2, d3, 各自的衍射角不同。各自的衍射各自的衍射角不同。各自的衍射强度也不同强度也不同 不同的晶体不同的晶体: 原子排列不同原子排列不同, 构成不同构成不同, 衍射也不同衍射也不同,实际晶体是三维

15、的阵点排列实际晶体是三维的阵点排列, 衍射也在三维空间产生衍射也在三维空间产生.仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季多晶体衍射及衍射锥多晶体衍射及衍射锥 一个晶粒的某一个晶粒的某 (h k l ) 晶面所处方位正好符合布拉晶面所处方位正好符合布拉格公式格公式, 产生衍射产生衍射. 多晶体是极多个小晶粒的聚集体。如果其各个晶粒的取向随多晶体是极多个小晶粒的聚集体。如果其各个晶粒的取向随机分布机分布, 则相当于上图的晶面绕入射则相当于上图的晶面绕入射X射线束转动任意的情况都射线束转动任意的情况都存在存在, 则则X射线照射到此多晶体上时射线照射到此多晶体上时, 如中图的一个圆锥面上都有如中图的一

16、个圆锥面上都有衍射线产生衍射线产生仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季 若一个探测器沿赤道转动若一个探测器沿赤道转动, 当转到该当转到该2 角度时角度时, 就可以探测到此衍射线就可以探测到此衍射线.仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季NaCl 的粉末衍射仪图谱的粉末衍射仪图谱(Cu K )仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季接收狭缝接收狭缝入射X射线衍射X射线样品作转动样品衍射Soller狭缝样品驱动机构衍射Soller，接收狭缝，探测器和单色器作 2 转动2 0探测器高、低压电源单色器前置放大器水冷却系统主放大器脉冲高度分析器控制和数据处理计算机2 和 驱动系统数据 / 图形输出

17、设备入射Soller狭缝发散狭缝粉末衍射仪系统示意图粉末衍射仪系统示意图实际上计算机还可控制发散狭缝、单色器等稳定的：直流高压灯丝电源聚焦偏压X光管平样品，对称衍射平样品，对称衍射：当样品平面平行于入射X射线时，探测器与接收狭缝处在2 零度。然后样品以S速度绕衍射仪轴转动，同时探测器与接收狭缝以2S速度转动，依次探测记录各晶面的衍射线。这样记录下来的是那些其 h k l 晶面平行于样品表面的晶粒的衍射线18ppt课件Y2000型型X射线衍射仪结构示意图射线衍射仪结构示意图E: 高速电子流 T： 阳极靶F、S：索拉狭缝DS： 防发散狭缝Y： 样品YT： 样品台B： 滤波片SS： 防散射狭缝RS： 接收狭缝D： 闪烁记数器仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季试样台的三视图试样台的三视图 仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季测角仪圆与聚焦圆测角仪圆与聚焦圆 仪器分析实验仪器分析实验2006秋季秋季