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》 2 X 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 3 X 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? 2 K?K? K?实际由相距很近的 K? 1和 K? 2 组成 5 X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θ n 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 = d hkl ?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》 7 d 1d 2d 3 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