第四章 多晶体分析方法

德拜法照相法X射线衍射仪法内容第二节第四章多晶体分析方法第一节第一节德拜照相法•粉末多晶中不同的晶面族只要满足衍射条件都将形成各自的反射圆锥。•如何记录下这些衍射花样呢？一种方法是用平板底片被X射线衍射线照射感光，从而记录底片与反射圆锥的交线。如果将底片与入射束垂直放置，那么在底片上将得到一个个同心圆环，这就是针孔照相法。•但是受底片大小的限制，一张底片不能记录下所有的衍射花样。如何解决这个问题？德拜和谢乐等设计了一种新方法。将一个长条形底片圈成一个圆，以试样为圆心，以X射线入射方向为直径放置圈成的圆底片。这样圆圈底片和所有反射圆锥相交形成一个个弧形线对，从而可以记录下所有衍射花样，这种方法就是德拜-谢乐照相法。•记录下衍射花样的圆圈底片，展平后可以测量弧形线对的距离2L，进一步可求出L对应的反射圆锥的半顶角2θ，从而可以标定衍射花样。德拜照相法德拜将一个长条形底片圈成一个圆，以试样为圆心，以X射线入射方向为直径放置圈成的圆底片。这样圆圈底片和所有反射圆锥相交形成一个个弧形线对，从而可以记录下所有衍射花样，这种方法就是德拜-谢乐照相法。德拜相机物理学全明星梦之队1927年第5届索尔维会议参加者的合影。德拜相机的结构•组成：相机圆筒、光阑、承光管和位于圆筒中心的试样架。•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。德拜相机的结构•德拜相机中试样放置在位于圆筒中心轴线的试样架上。为校正试样偏心，在试样架上设有调中心的部件。圆筒半高处沿直径方向开两圆孔，一端插入光栏，另一端插入承光管。•光阑的作用是限制照射到样品光束的大小和发散度。•承光管包括让X射线通过的小铜管以及在底部安放的黑纸、荧光纸、和铅玻璃。黑纸可以挡住可见光到相机的去路，荧光纸可显示X射线的位置，铅玻璃则可以防护X射线对人体的有害影响。承光管有两个作用：①可以检查X射线对样品的照准情况；②可以将透过试样后入射线在管内产生的衍射和散射吸收，避免这些射线混入样品的衍射花样，给分析带来困难。德拜相机•相机圆筒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：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2θ角提供方便。底片安装方法•①正装法：底片中心开一圆孔，底片两端中心开半圆孔。底片安装时光栏穿过两个半圆孔和成的圆孔，承光管穿过中心圆孔。•②反装法：底片开孔位置同上，但底片安装时光栏穿过中心孔。•③偏装法：底片上开两个圆孔，间距仍然是πR。当底片围成圆时，接头位于射线束的垂线上。底片安装时光栏穿过一个圆孔，承光管穿过另一个圆孔。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（如图）。•由图可见A+B=2πR，其中R就是真实半径。•所以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。底片安装方法德拜法的试样制备德拜法中的试样尺寸为φ0.4-0.8×5-10mm的圆柱样品。制备方法：•（1）用细玻璃丝涂上胶水后，捻动玻璃丝粘结粉末。•（2）采用石英毛细管、玻璃毛细管来制备试样。将粉末填入石英毛细管或玻璃毛细管中即制成试样。•（3）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。试样要求：①试样必须具有代表性；②试样粉末尺寸大小要适中；③试样粉末不能存在应力；脆性材料可以用碾压或用研钵研磨的方法获取；对于塑性材料（如金属、合金等）可以用锉刀锉出碎屑粉末。德拜法的实验参数选择•选择阳极靶和滤波片是获得一张清晰衍射花样的前提。阳极靶：根据吸收规律，所选择的阳极靶产生的X射线不会被试样强烈地吸收，即Z靶≤Z样或Z靶Z样。滤波片：其选择是为了获得单色光，避免多色光产生复杂的多余衍射线条。实验中通常仅用靶材产生的Kα线条照射样品，因此必须滤掉Kβ等其它特征射线。滤波片的选择是根据阳极靶材确定的。在确定了靶材后，选择滤波片的原则是：当Z靶≤40时，Z滤=Z靶-1；当Z靶40时，Z滤=Z靶–2，滤波片获得的单色光只是除Kα外其它射线强度相对很低的近似单色光。德拜法的实验参数选择•获得单色光的方法除了滤波片以外，还可以采用单色器。•单色器实际上是具有一定晶面间距的晶体，通过恰当的面间距选择和机构设计，可以使入射X射线中仅Kα产生衍射，其它射线全部被散射或吸收掉。•以Kα的衍射线作为入射束照射样品是真正的单色光。•单色器获得的单色光强度很低，实验中必须延长曝光时间或衍射线的接受时间。德拜法的实验参数选择•实验中还需要选择的参数有X射线管的电压和电流。•管电压：通常管电压为阳极靶材临界电压的3-5倍，此时特征谱与连续谱的强度比可以达到最佳值。•管电流：可以尽量选大，但电流不能超过额定功率下的最大值。•在管电压和电流选择好后，就得确定曝光时间参数。•影响曝光时间的因素很多，试样、相机尺寸、底片感光性能等等都影响到曝光时间。曝光时间的变化范围很大，常常在一定的经验基础上，再通过实验来确定曝光时间。德拜相的指数标定•在获得一张衍射花样的照片后，我们必须确定照片上每一条衍射线条的晶面指数，这个工作就是德拜相的指标化。•进行德拜相的指数标定，首先得测量每一条衍射线的几何位置（2θ角）及其相对强度，然后根据测量结果标定每一条衍射线的晶面指数。衍射花样照片的测量与计算•衍射线条几何位置测量可以在专用的底片测量尺上进行，用带游标的量尺可以测得线对之间的距离2L，且精度可达0.02-0.1mm。用比长仪测量，精度可以更高。当采用φ114.6的德拜相机时，测量的衍射线弧对间距（2L）每毫米对应的2θ角为1°；若采用φ57.3的德拜相机时，测量的衍射线弧对间距（2L）每毫米对应的2θ角为2°。实际上由于底片伸缩、试样偏心、相机尺寸不准等因素的影响，真实相机尺寸应该加以修正。•德拜相衍射线弧对的强度通常是相对强度，当要求精度不高时，这个相对强度常常是估计值，按很强（VS）、强（S）、中（M）、弱（W）和很弱（VW）分成5个级别。精度要求较高时，则可以用黑度仪测量出每条衍射线弧对的黑度值，再求出其相对强度。精度要求更高时，强度的测量需要依靠X射线衍射仪来完成。第二节X射线衍射仪法•X射线衍射仪是广泛使用的X射线衍射装置。•1913年布拉格父子设计的X射线衍射装置是衍射仪的早期雏形，经过了近百年的演变发展，今天的衍射仪如图所示。X射线衍射仪法衍射仪记录花样与德拜法有很大区别。•①接收X射线方面衍射仪用辐射探测器，德拜法用底片感光；•②衍射仪试样是平板状，德拜法试样是圆柱状。③衍射强度公式中的吸收项不同：1/2µ（衍射仪），A(θ)（德拜法）。•④衍射仪法中辐射探测器沿测角仪圆转动，逐一接收衍射；德拜法中底片是同时接收衍射。相比之下，衍射仪法使用更方便，自动化程度高，尤其是与计算机结合，使得衍射仪在强度测量、花样标定和物相分析等方面具有更好的性能。X射线衍射仪法测角仪•测角仪圆H中心是样品台。样品台可以绕中心O轴转动。平板状粉末多晶样品安放在样品台上，并保证试样被照射的表面与O轴线严格重合。•测角仪圆周上安装有X射线辐射探测器D，探测器亦可以绕O轴线转动。•工作时，探测器与试样同时转动，但转动的角速度为2：1的比例关系。测角仪•设计2:1的角速度比，目的是确保探测的衍射线与入射线始终保持2θ的关系，即入射线与衍射线以试样表示法线为对称轴，在两侧对称分布。•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。•当然，同样的晶面若不平行与试样表面，尽管也产生衍射，但衍射线进不了探测器，不能被接受。测角仪•X射线源由X射线发生器产生，其线状焦点位于测角仪周围位置上固定不动。在线状焦点S到试样O和试样产生的衍射线到探测器的光路上还安装有多个光阑以限制X射线的发散。•当探测器由低θ角到高θ角转动的过程中将逐一探测和记录各条衍射线的位置（2θ角度）和强度。探测器的扫描范围可以从-20º到+165º，这样角度可保证接收到所有衍射线。衍射仪中的光路布置•X射线经线状焦点S发出，为了限制X射线的发散，在照射路径中加入S1梭拉光栏限制X射线在高度方向的发散，加入DS发散狭缝光栏限制X射线的照射宽度。•经过二道光栏限制，入射X射线仅照射到试样区域，试样以外均被光栏遮挡。•试样产生的衍射线也会发散，同样在试样到探测器的光路中也设置防散射光栏SS、梭拉光栏S2和接收狭缝光栏RS，这样限制后仅让聚焦照向探测器的衍射线进入探测器，其余杂散射线均被光栏遮挡。聚焦圆•当一束X射线从S照射到试样上的A、O、B三点，它们的同一﹛HKL﹜的衍射线都聚焦到探测器F。•圆周角∠SAF=∠SOF=∠SBF=π-2θ。•设测角仪圆的半径为R，聚焦圆半径为r，根据图3-10的衍射几何关系，可以求得聚焦圆半径r与测角仪圆的半径R的关系。•在三角形⊿SOO’中，•则r=R/2sinθrROOSO2/'2/22cos聚焦圆•r=R/2sinθ•在式中，测角仪圆的半径R是固定不变的，聚焦圆半径r则是随θ的改变而变化的。当θ→0º，r→∞；θ→90º，r→rmin=R/2。•这说明衍射仪在工作过程中，聚焦圆半径r是随θ的增加而逐渐减小到R/2，是时刻在变化的。•S、F是固定在测角仪圆同一圆周上的，若要S、F同时又满足落在聚焦圆的圆周上，那么只有试样的曲率半径随θ角的变化而变化。这在实验中是难以做到的。•通常试样是平板状，当聚焦圆半径r试样的被照射面积时，可以近似满足聚焦条件。•完全满足聚焦条件的只有O点位置，其它地方X射线能量分散在一定的宽度范围内，只要宽度不太大，应用中是容许的。单色器•测角仪与晶体单色器联用，能很好的消除Kβ线，并降低由于连续x射线及荧光辐射所产生的背底。•目前普遍使用石墨弯曲单色器。石墨结构石墨烯2010年诺贝尔物理学奖英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫研究：“search”而非“research”探测器与记录系统•X射线衍射仪可用的辐射探测器：•正比计数器、盖革管•闪烁计数器、Si（Li）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。正比计数器X射线强度越高，输出电流越大，脉冲峰值与X射线光子能量成正比，所以正比计数器可以可靠地测定X射线强度。•正比计数器是由金属圆筒（阴极）与位于圆筒轴线的金属丝（阳极）组成。金属圆筒外用玻璃壳封装，内抽真空后再充稀薄的惰性气体，一端由对X射线高度透明的材料如铍或云母等做窗口接收X射线。•当阴阳极间加上稳定的600-900V直流高压，没有X射线进入窗口时，输出端没有电压；若有X射线从窗口进入，X射线使惰性气体电离。气体离子向金属圆筒运动，电子则向阳极丝运动。由于阴阳极间的电压在600-900V之间，圆筒中将产生多次电离的“雪崩”现象，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。闪烁计数器•闪烁计数器是利用X射线作用在某些物质（如磷光晶体）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，其结构如图3-12所示。当X射线照射到用铊（含量0.5%）活化的碘化钠（NaI）晶体后，产生蓝色可见荧光。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。由于蓝色可见荧光很微弱，在光敏阴极上产生的电子数很少，只有6-7个。但是在光敏阴极后面设置了多个联极（可多达10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，从而产生足够高的电压脉冲。闪烁计数器计数测量电路•将探测器接收的信号转换成电信号并进行计量后输出可读取数据的电子电路部分。图3-13是电路结构框图。•它的主要组成部分是脉冲高度分析器、定标器和计数率器。计数测量电路•脉冲高度分析器是对探测器测到的脉冲信号进行甄别，剔除对衍射分析不需要的干扰脉冲，从而降低背底，提高峰背比。•定标器是对甄别后的脉冲进行计数的电路。定标器有定时