文档介绍：浙江大学研究生核心课程建设浙江大学研究生核心课程建设《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》X-射线衍射(XRD) 实验技术刘继永浙江大学化学系2012年6月《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》2X射线是由高速电子撞击物质的原子产生的电磁波。XRD 即X-ray diffraction 的缩写,通过对材料进行X射线衍射,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。一、X射线产生与XRD原理《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》X射线的产生3X 射线发生器:?封闭式X射线管(2kW)?旋转靶式X射线管(加强冷却,提高X射线强度。6-20kW)产生的是:连续谱+靶物质元素的特征谱特征谱的波长是固定的。不能连续调节。?电子束改变运动方向产生X射线:同步辐射(电子加速器+储存环)北京同步辐射国家实验室、合肥同步辐射实验室产生的是:连续谱。高平行度,偏振。?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长的单色X射线,因此可以随意调节单色X射线的波长。功率高的同步辐射的强度可达常规X射线发生器的上千倍。《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》X射线管示意图靶接地,灯丝为负高压。电子束轰击到靶上,电子束激发靶原子的内层电子,外层电子跃迁至内层,产生X射线。X射线穿过对X射线吸收系数很小的铍窗射出。靶材料的原子序数愈大,其特征X射线波长愈短,能量愈大,穿透能力愈强。最常用靶材为Cu,其他有Mo, Fe, Ni, Co, Cr, Ag, W 等。《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》连续光谱的最短波长取决于X光管工作高压。特征谱的波长取决于靶材的元素种类。粉末衍射需要使用特征谱。常用的是Cu靶的K?谱线,K?谱线一般用单色器滤掉。Cu K?平均波长:? Cu K? 1波长:? Mo K?波长:?Mo 靶35kV时的发射光谱K?谱线由K?1和K?2 构成连续谱特征谱K? 1K? 2K?K?K?实际由相距很近的K? 1和K? 2 组成5X射线光谱《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》晶体点阵衍射示意图6根据布拉格方程,我们可以把晶体对X 射线的衍射看作为“反射”,并乐于借用普通光学中“反射”这个术语,因为晶面产生衍射时,入射线、衍射线和晶面法线的关系符合镜面对可见光的反射定律。但是,这种“反射”并不是任意入射角都能产生的,只有符合布拉格方程的条件才能发生,故又常称为“选择反射”。据此,每当我们观测到一束衍射线,就能立即想象出产生这个衍射的晶面族的取向,并且由衍射角θn便可依据布拉格方程计算出这组平行晶面的间距(当实验波长也是已知时)。入射X射线,波长=?衍射X射线?=衍射角晶体点阵晶面间距= dhkl?h k l晶面?产生衍射的条件是光程差是波长的整数倍2d hkl·sin?=n?布拉格公式n:衍射的级(正整数)《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》7d1d2d3晶体有不同的晶面,不同的晶面有不同的晶面间距,如上图图的d1,d2,d3,各自的衍射角不同,各自的衍射强度也不同。不同的晶体:原子排列不同,构成不同,衍射也不同。实际晶体是三维的阵点排列,衍射也是在三维空间产生的。《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》二、X射线衍射仪的构成X射线多晶衍射仪(又称X射线粉末衍射仪) 由X射线发生器、测角仪、X射线强度测量系统以及衍射仪控制与衍射数据采集、处理系统四大部分组成。下图示出了X射线多晶衍射仪的构成示意图。8《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》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/ 图形输出设备入射Soller狭缝发散狭缝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?速度绕衍射仪轴转动,同时探测器与接收狭缝以2?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。9《《现代仪器分析实验技术与方法现代仪器分析实验技术与方法》》粉末衍射仪的不同配置多种样品台功能配置:高温、低温、化学反应器需要样品与环境隔离,隔离层吸收,强度减弱。可能需要高功率发生器或快速探测器薄膜附件、应力附件可能需要平行光束织构