材料分析测试方法-5.ppt

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1、多晶的衍射强度多晶的衍射强度材料分析测试方法结构因子结构因子单胞所有原子散射波在单胞所有原子散射波在(hkl)衍射方向的合成振衍射方向的合成振幅幅角因子角因子入射角、参与衍射的晶粒数、衍射角的大小等入射角、参与衍射的晶粒数、衍射角的大小等多重性因子多重性因子同一晶面族中等同晶面数同一晶面族中等同晶面数吸收因子吸收因子样品对样品对X射线的吸收射线的吸收温度因子温度因子样品原子的热振动样品原子的热振动上节课要点上节课要点相对强度相对强度 材料分析测试方法上节课要点上节课要点积分强度计算积分强度计算l已知入射已知入射X X射线波长，计算给定多晶粉末的衍射线波长，计算给定多晶粉末的衍射线位置和相对强度

2、。射线位置和相对强度。材料分析测试方法上节课要点上节课要点材料分析测试方法上节课要点上节课要点材料分析测试方法上节课要点上节课要点多晶体分析方法多晶体分析方法材料分析测试方法照相法：照相法：用照片的感光程度估计衍射线强度，是早期用照片的感光程度估计衍射线强度，是早期的原始方法，设备简单，精度低，拍照时间长。的原始方法，设备简单，精度低，拍照时间长。衍射仪法：衍射仪法：用电子计数管直接测定用电子计数管直接测定X射线衍射强度，精射线衍射强度，精度高，速度快，信息量大，分析简便。度高，速度快，信息量大，分析简便。上节课要点上节课要点德拜照相法原理德拜照相法原理l 材料分析测试方法上节课要点上节课要点

3、底片安装方法底片安装方法 l正装法l反装法l偏装法材料分析测试方法上节课要点上节课要点德拜相的指数标定德拜相的指数标定l测量每条衍射线对的几何位置（测量每条衍射线对的几何位置（22角）并换角）并换算为算为d d值，测定每条衍射线对的相对强度，根值，测定每条衍射线对的相对强度，根据测量结果标定每一条衍射线的据测量结果标定每一条衍射线的晶面指数晶面指数。材料分析测试方法上节课要点上节课要点4.2 X射线衍射仪法射线衍射仪法 l随着各种辐射探测器（计数器）用于记录衍射强度，随着各种辐射探测器（计数器）用于记录衍射强度，X X射线射线衍射仪已取代照相法，是广泛使用的衍射仪已取代照相法，是广泛使用的X

4、X射线衍射装置。射线衍射装置。lX X射线衍射仪是进行晶体分析的最主要设备，具有方便、快射线衍射仪是进行晶体分析的最主要设备，具有方便、快速、准确等有点，与计算机结合，使操作、测量和数据处理速、准确等有点，与计算机结合，使操作、测量和数据处理实现了自动化。实现了自动化。lX X射线衍射仪射线衍射仪 三部分构成。三部分构成。l衍射线方向用测角仪测量，衍射线强度用辐射探测器测量衍射线方向用测角仪测量，衍射线强度用辐射探测器测量材料分析测试方法X射线源系统射线源系统测角仪测角仪接收记录系统接收记录系统X射线衍射仪射线衍射仪材料分析测试方法一、一、X射线测角仪射线测角仪l测角仪圆测角仪圆H Hl在测角

5、仪圆周上安在测角仪圆周上安装有装有X光管光管S和和X射射线辐射探测器线辐射探测器D，两者可以绕两者可以绕O轴线轴线转动。转动。材料分析测试方法1.测角仪结构与原理测角仪结构与原理l测角仪圆测角仪圆中心为样品中心为样品台台H，H可绕中心轴可绕中心轴O转动。转动。l平板状粉末多晶样品平板状粉末多晶样品放置在样品台放置在样品台H上，上，并保证试样被照射的并保证试样被照射的表面与轴线表面与轴线O严格重严格重合。合。材料分析测试方法测角仪测角仪 测角仪测角仪 材料分析测试方法-2-2连动连动l工作时，若工作时，若X光管固光管固定不动，探测器与试定不动，探测器与试样同时转动。为保证样同时转动。为保证探测器

6、始终位于反射探测器始终位于反射方向上，两者转动的方向上，两者转动的角速度为角速度为2：1的比例的比例关系。关系。测角仪测角仪 l衍射仪工作时，若样衍射仪工作时，若样品固定不动，探测器品固定不动，探测器与与X X光管同时转动，光管同时转动，为保证探测器始终位为保证探测器始终位于反射方向上，于反射方向上，转动转动的角速度为的角速度为1 1：1 1的比的比例关系。例关系。材料分析测试方法-连动连动l2联动：联动：X光管固定，样品绕中心轴转动光管固定，样品绕中心轴转动角，角，X射射线探测器在测角仪圆上转动线探测器在测角仪圆上转动2角。角。l联动：样品固定，联动：样品固定，X光管与光管与X射线探测器同时

7、沿测射线探测器同时沿测角仪圆转动相同的角仪圆转动相同的角。角。l2联动与联动与联动，确保探测的衍射线与入射线始联动，确保探测的衍射线与入射线始终保持终保持2的关系，即入射线与衍射线以试样表面法线为的关系，即入射线与衍射线以试样表面法线为对称轴，在两侧对称分布。对称轴，在两侧对称分布。测角仪测角仪 材料分析测试方法材料分析测试方法测角仪测角仪测角仪原理测角仪原理l这样辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表示这样辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表示平行的晶面产生的衍射。平行的晶面产生的衍射。l当然，同样的晶面若不平行与试样表面，尽管也当然，同样的晶面若不平行与试样表面，尽管也产生衍射，但衍射线进不

8、了探测器，不能被接受。产生衍射，但衍射线进不了探测器，不能被接受。材料分析测试方法2.测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何 l测角仪中测角仪中X X射线光路应满足射线光路应满足布拉格定律布拉格定律和和聚焦条件聚焦条件，以，以获得最大的衍射强度和分辨率。获得最大的衍射强度和分辨率。l聚焦圆聚焦圆XX射线管的焦点、样品表面被照射位置、接射线管的焦点、样品表面被照射位置、接收狭缝三者位于一个圆上，称为聚焦圆。收狭缝三者位于一个圆上，称为聚焦圆。材料分析测试方法聚焦圆聚焦圆 l当一束当一束X X射线从射线从S S照射到试样照射到试样上的上的A A、O O、B B三点，各点的同三点，各点的同一一HKLHKL

9、的衍射线都聚焦到的衍射线都聚焦到探测器探测器F F。圆周角圆周角SAF=SOF=SBF=-2SAF=SOF=SBF=-2。材料分析测试方法聚焦圆聚焦圆 l设测角仪圆的半径为设测角仪圆的半径为R R，聚焦圆半径为聚焦圆半径为r r，根据衍根据衍射几何关系，可得聚焦射几何关系，可得聚焦圆半径圆半径r r与测角仪圆的半与测角仪圆的半径径R R的关系。的关系。l在三角形在三角形SOOSOO中，中，l则则 材料分析测试方法聚焦圆原理聚焦圆原理l上式中，测角仪圆半径上式中，测角仪圆半径R固定不变，聚焦圆半径固定不变，聚焦圆半径 r 则随则随改变而变化。改变而变化。l当当 0，r ；90，r rmin=R/

10、2。这说明衍射仪在工作过程这说明衍射仪在工作过程中，聚焦圆半径中，聚焦圆半径r随随增加而逐渐减小到增加而逐渐减小到R/2，且时刻在变化，且时刻在变化l要同时满足布拉格定律和聚焦原理，那么只有试样的曲率半径随要同时满足布拉格定律和聚焦原理，那么只有试样的曲率半径随角的角的变化而变化。这在实验中是难以实现。变化而变化。这在实验中是难以实现。l通常试样是平板状，当聚焦圆半径通常试样是平板状，当聚焦圆半径r试样的被照射宽度时，可以近似试样的被照射宽度时，可以近似满足聚焦条件。完全满足聚焦条件的只有满足聚焦条件。完全满足聚焦条件的只有O点位置，其它地方点位置，其它地方X射线能射线能量分散在一定的宽度范围

11、内。量分散在一定的宽度范围内。材料分析测试方法3.测角仪的光路布置测角仪的光路布置 lX X射线经焦点射线经焦点S S发出，发出，在入射路径中加入在入射路径中加入S S1 1梭拉光栏限制梭拉光栏限制X X射射线在高度方向的发线在高度方向的发散，加入散，加入DSDS发散狭发散狭缝光栏限制缝光栏限制X X射线的射线的照射宽度。照射宽度。材料分析测试方法衍射仪中的光路布置衍射仪中的光路布置 l试样产生的衍射线也试样产生的衍射线也会发散，设置接收狭会发散，设置接收狭缝光栏缝光栏RSRS、防散射光、防散射光栏栏SSSS、梭拉光栏梭拉光栏S S2 2，仅让精确满足衍射方仅让精确满足衍射方向的衍射线进入探测

12、向的衍射线进入探测器，遮挡其余杂散射器，遮挡其余杂散射线。线。材料分析测试方法二、二、X射线探测器射线探测器 lX射线探测元件为射线探测元件为计数管计数管（探测器），计数管及其附（探测器），计数管及其附属电路称为属电路称为计数器计数器。lX射线探测器是基于射线探测器是基于X射线能使原子电离的特性而制造。射线能使原子电离的特性而制造。lX射线衍射仪可用的辐射探测器有正比计数器、盖革射线衍射仪可用的辐射探测器有正比计数器、盖革管、闪烁计数器、管、闪烁计数器、Si（Li）半导体探测器、位敏探测半导体探测器、位敏探测器等，其中常用的是正比计数器和闪烁计数器。器等，其中常用的是正比计数器和闪烁计数器。材

13、料分析测试方法1.正比计数器正比计数器 l由金属圆筒（阴极）与由金属圆筒（阴极）与位于圆筒轴线的金属位于圆筒轴线的金属丝（阳极）组成。丝（阳极）组成。l金属圆筒外用玻璃壳封金属圆筒外用玻璃壳封装，内抽真空后再充装，内抽真空后再充稀薄的惰性气体。一稀薄的惰性气体。一端由对端由对X X射线高度透明射线高度透明铍或云母等做窗口接铍或云母等做窗口接收收X X射线。射线。材料分析测试方法l阴阳极间加上稳定的阴阳极间加上稳定的600600900V900V直流高压；直流高压；l没有没有X X射线进入窗口时，输出端无电压；射线进入窗口时，输出端无电压；l若有若有X X射线从窗口进入，射线从窗口进入，X X射线

14、使惰性气体电离。射线使惰性气体电离。l在电场作用下气体离子向金属圆筒运动，电子则向阳极丝运动。在电场作用下气体离子向金属圆筒运动，电子则向阳极丝运动。l由于阴阳极间的电压在由于阴阳极间的电压在600-900V600-900V之间，圆筒中将产生多次电离的之间，圆筒中将产生多次电离的“雪崩雪崩”现象现象，大量的电子涌向阳极，这时输出端就有电流输出，大量的电子涌向阳极，这时输出端就有电流输出，计数器可以检测到电压脉冲。计数器可以检测到电压脉冲。lX X射线强度越高，输出电流越大，射线强度越高，输出电流越大，脉冲峰值与脉冲峰值与X X射线光子能量成正比，射线光子能量成正比，所以正比计数器可以可靠地测定

15、所以正比计数器可以可靠地测定X X射射线强度。线强度。材料分析测试方法正比计数器特点正比计数器特点lX X射线强度越高，输出电流越大，脉冲峰值与射线强度越高，输出电流越大，脉冲峰值与X X射线光子射线光子能量成正比，所以正比计数器可以可靠地测定能量成正比，所以正比计数器可以可靠地测定X X射线强射线强度。度。l特点：反应极快，性能稳定，能量分辨率高，背底极低，特点：反应极快，性能稳定，能量分辨率高，背底极低，光子计数效率高光子计数效率高l缺点：对温度比较敏感，电压要求高度稳定缺点：对温度比较敏感，电压要求高度稳定材料分析测试方法2.闪烁计数器闪烁计数器 l闪烁计数器是利用闪烁计数器是利用X X

16、射线作用在某些物质上产生可见荧光，并通过光射线作用在某些物质上产生可见荧光，并通过光电倍增管来接收探测的辐射探测器。电倍增管来接收探测的辐射探测器。l闪烁计数器结构：闪烁计数器结构：材料分析测试方法Be窗口窗口NaI单晶单晶光敏阴极光敏阴极光电倍增管光电倍增管闪烁计数器工作原理：闪烁计数器工作原理：材料分析测试方法l当当X射线照射到射线照射到NaI晶体后，产生蓝色可见荧光。晶体后，产生蓝色可见荧光。l蓝色可见荧光透过玻璃再照射到光敏阴极上产生光致电子。蓝色可见荧光透过玻璃再照射到光敏阴极上产生光致电子。l在光敏阴极后面设置了多个联极（可多达在光敏阴极后面设置了多个联极（可多达10个），每个联极

17、递增个），每个联极递增100V正电压，光敏阴极发出的每个电子都可以在下一个联极产生同正电压，光敏阴极发出的每个电子都可以在下一个联极产生同样多的电子增益，这样到最后联极出来的电子就可多达样多的电子增益，这样到最后联极出来的电子就可多达106-107个，个，从而产生足够高的电压脉冲。从而产生足够高的电压脉冲。闪烁计数器特点：闪烁计数器特点：l优点：计数速率高，反应极快，可联用脉冲高度分析器优点：计数速率高，反应极快，可联用脉冲高度分析器l缺点：背底脉冲过高，无缺点：背底脉冲过高，无X X射线入射时也产生脉冲射线入射时也产生脉冲 低温下工作低温下工作 价格贵，体积较大，不耐振动。价格贵，体积较大，

18、不耐振动。材料分析测试方法衍射图谱 材料分析测试方法小结小结l衍射仪法的特点衍射仪法的特点:试样是平板状试样是平板状l存在两个圆存在两个圆(测角仪圆测角仪圆,聚焦圆聚焦圆)l衍射是那些平行于试样表面的平面提供的衍射是那些平行于试样表面的平面提供的l射线强度用辐射探测器测定射线强度用辐射探测器测定(正比计数器正比计数器)l测角仪圆的工作特点测角仪圆的工作特点:试样与探测器以试样与探测器以2 2联动与联动与联动联动;射线源射线源,试样和探测器三者应始终位于聚试样和探测器三者应始终位于聚焦圆上焦圆上材料分析测试方法4.3 XRD技术的新进展技术的新进展1.计算机用于计算机用于XRD分析分析l实验参数

19、的计算机控制实验参数的计算机控制 自动确定管电压、管电流，显示与调整测角仪和各实自动确定管电压、管电流，显示与调整测角仪和各实验参数。验参数。l计算机数据分析，直接给出实验结果计算机数据分析，直接给出实验结果 如：物相鉴定、晶粒尺寸测定、宏观应力测定等。如：物相鉴定、晶粒尺寸测定、宏观应力测定等。材料分析测试方法2.新型附件新型附件l高温衍射附件高温衍射附件 可将试样加热到可将试样加热到1500 用于研究相变、熔化用于研究相变、熔化与结晶过程，建立相与结晶过程，建立相图等图等材料分析测试方法2.新型附件新型附件l低温衍射附件低温衍射附件 可将试样冷却到可将试样冷却到-196 用于研究材料低温下

20、晶体结构的变化用于研究材料低温下晶体结构的变化l应力附件应力附件 测定材料表面的残余应力测定材料表面的残余应力材料分析测试方法2.新型附件新型附件l极图衍射附件极图衍射附件 用于测定材料的择优取向（织构）。用于测定材料的择优取向（织构）。l样品转动和摆动附件样品转动和摆动附件 用于大晶粒和有织构的样品，可得连续均匀的衍射线用于大晶粒和有织构的样品，可得连续均匀的衍射线条，提高测试精度。条，提高测试精度。l单晶分析附件单晶分析附件 用于单晶体分析，测定晶体取向用于单晶体分析，测定晶体取向材料分析测试方法3.高强度高强度X射线源射线源l为提高检测效率和灵敏度，要使用高强度为提高检测效率和灵敏度，要

21、使用高强度X射线源。射线源。高功率旋转阳极高功率旋转阳极X射线管（转靶）射线管（转靶）阳极旋转，不让电子束集中轰击一个部位，可防止损阳极旋转，不让电子束集中轰击一个部位，可防止损伤阳极靶，提高电子束能量伤阳极靶，提高电子束能量电子同步加速器辐射电子同步加速器辐射 电子作加速运动辐射电磁波，波长与电子能量有关电子作加速运动辐射电磁波，波长与电子能量有关 特点时强度高、波长连续可调、准直性好特点时强度高、波长连续可调、准直性好材料分析测试方法4.新型探测器新型探测器半导体计数器半导体计数器 Si（Li）、）、Ge（Li）位置灵敏正比计数器（位敏计数器）位置灵敏正比计数器（位敏计数器）通过脉冲在阳极

22、上产生的位置确定衍射角，通过脉冲在阳极上产生的位置确定衍射角，无需沿测角仪扫描，可同时测很多衍射线的无需沿测角仪扫描，可同时测很多衍射线的强度。强度。材料分析测试方法4.4 衍射仪的测量方法和实验参数衍射仪的测量方法和实验参数1.试样试样l衍射仪的试样一般是平板状衍射仪的试样一般是平板状。材料分析测试方法l衍射仪试样可以是金属、非金属的块状、片状或各种粉衍射仪试样可以是金属、非金属的块状、片状或各种粉末。对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在试样末。对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在试样框架上，并保持一个平面与框架平面平行；粉末试样用框架上，并保持一个平面与框架平面平行；粉末试样用粘接

23、剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框粘接剂调和后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框架平面一致。试样对晶粒大小、试样厚度、择优取向、架平面一致。试样对晶粒大小、试样厚度、择优取向、应力状态和试样表面平整度等都有一定要求。应力状态和试样表面平整度等都有一定要求。l衍射仪用试样晶粒大小要适宜，在衍射仪用试样晶粒大小要适宜，在1m-5m1m-5m左右最佳。左右最佳。粉末粒度也要在这个范围内，一般要求能通过粉末粒度也要在这个范围内，一般要求能通过325325目的目的筛子为合适。筛子为合适。材料分析测试方法2.实验参数选择实验参数选择 l实验参数的选择对于成功的实验来说非常重要。如果实验参数的选

24、择对于成功的实验来说非常重要。如果参数选择不当不仅不能获得好的实验结果，甚至可能参数选择不当不仅不能获得好的实验结果，甚至可能将实验引入歧途。在衍射仪法中许多实验参数的选择将实验引入歧途。在衍射仪法中许多实验参数的选择与德拜法是一样的，这里不再重复。与德拜法是一样的，这里不再重复。l与德拜法不同的实验参数是与德拜法不同的实验参数是狭缝光栏狭缝光栏、时间常数时间常数和和扫扫描速度描速度。材料分析测试方法时间常数选择时间常数选择l时间常数时间常数表示对表示对X X射线强度记录时间间隔的长短。射线强度记录时间间隔的长短。l增大时间常数，可使衍射峰的轮廓及背底变得平滑，但将降增大时间常数，可使衍射峰的

25、轮廓及背底变得平滑，但将降低分辨率和强度，衍射峰也将向扫描方向偏移，造成衍射峰低分辨率和强度，衍射峰也将向扫描方向偏移，造成衍射峰不对称宽化。不对称宽化。l因此，要提高测量精度应该选择小的时间常数。因此，要提高测量精度应该选择小的时间常数。l通常选择时间常数通常选择时间常数RCRC值小于或等于接收狭缝的时间宽度的一值小于或等于接收狭缝的时间宽度的一半。时间宽度是指狭缝转过自身宽度所需时间。这样的选择半。时间宽度是指狭缝转过自身宽度所需时间。这样的选择可以获得高分辨率的衍射线峰形。可以获得高分辨率的衍射线峰形。材料分析测试方法l扫描速度是指探测器在测角仪圆周上均匀转动的角速度。扫描速度是指探测器

26、在测角仪圆周上均匀转动的角速度。l扫描速度对衍射结果的影响与时间常数类似，扫描速度扫描速度对衍射结果的影响与时间常数类似，扫描速度越快，衍射线强度下降，衍射峰向扫描方向偏移，分辨越快，衍射线强度下降，衍射峰向扫描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩盖而丢失。但过低的扫描速度率下降，一些弱峰会被掩盖而丢失。但过低的扫描速度也是不实际的。也是不实际的。材料分析测试方法扫描速度选择扫描速度选择狭缝选择狭缝选择l防散射光栏与接收光栏应同步选择。防散射光栏与接收光栏应同步选择。l选择宽的狭缝可以获得高的选择宽的狭缝可以获得高的X X射线衍射强度，但分辨率要射线衍射强度，但分辨率要降低；若希望提高分辨率则应选择小的狭缝宽度。降低；若希望提高分辨率则应选择小的狭缝宽度。材料分析测试方法3.计数测量方法计数测量方法 l连续扫描连续扫描 探测器从接近探测器从接近0 接近接近180连续扫描，用于物相定性连续扫描，用于物相定性分析分析l阶梯扫描阶梯扫描l探测器在某个衍射峰附近扫描，用于定量分析和应力探测器在某个衍射峰附近扫描，用于定量分析和应力测定。测定。材料分析测试方法材料分析测试方法AlN XRD谱图定定性性分析分析定量分析定量分析XRD-6000材料分析测试方法钇钇稳定的氧化锆应力分析稳定的氧化锆应力分析 材料分析测试方法