石河子大学：《综合物理实验》课程实验讲义（近代物理实验）晶体的X射线衍射法进行物相分析.pdf_大学文库

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义有极小一部分转变为X射线能，靶面发射的X射线能量与电子束总能最的比率可用下面的近似公式表示： e=1.1×10-9ZV(1.1) 式中Z为靶材组成元素的原子序数，V为X射线管的极间电压（又称管电压），以伏特为单位。例如对于一只铜靶的X射线管，在30KV工作时，E=0.1%,而一只钨靶的X射线管在100KW条件下工作时，也不过e=0.8%。可见X射线管产生X射线的能量效率是十分低的，但是，目前X射线管仍是最实用的发生X射线的器件。因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能，所以，在工作时X射线管的靶必须采取水冷（或其他手段）进行强制冷却，以免对阴极被加热至熔化，受到损坏。也是由于这个原故，X射线管的最大功率受到一定限制，决定于阳极材料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的效果等因素。同一种冷却结构的X射线管的额定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，铜靶（铜有极佳的导热性）和钼靶（钼的熔点很高）的功率常为相同结构的铁、钴、铬靶的两倍。在晶体衍射实验中，常用的X射线管按其结构设计的特点可分为三种类型： (1)可拆式管一这种X射线管在动真空下工作，配有真空系统，使用时需抽真空使管内真空度达到10一5毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。 (2)密封式管一这是最常使用的X射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。靶和灯丝不能更换，如果需要使用另种靶，就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便，但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了。密封式X射线管的寿命一般为1000一2000小时，它的报废往往并不是与因灯丝损坏，而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金屈的污染，致使发射的X 射线谱线“不纯”而被废用。 (3)转靶式管一这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却，即所谓旋转阳极X射线管，是目前最实用的高强度X射线发生装置。管子的阳极设计成圆柱体形，柱面作为靶面，阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转，这样靶面受电子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面，使受热面积展开，从而有效地加强了热量的散发。所以，这种管的功率能远远超过前两种管子。对于铜或钼靶管，密封式管的额定功率，目前只能达到2K左右，而转靶式管最高可达90Km。 2.测角仪

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义有极小一部分转变为 X 射线能，靶面发射的 X 射线能量与电子束总能量的比率 ε 可用下面的近似公式表示： ε= 1.1×10－9 Z V （1.1）式中 Z 为靶材组成元素的原子序数，V 为 X 射线管的极间电压（又称管电压），以伏特为单位。例如对于一只铜靶的 X 射线管，在 30KV 工作时，ε= 0.1%，而一只钨靶的 X 射线管在 100KV 条件下工作时，也不过 ε= 0.8%。可见 X 射线管产生 X 射线的能量效率是十分低的，但是，目前 X 射线管仍是最实用的发生 X 射线的器件。因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能，所以，在工作时 X 射线管的靶必须采取水冷（或其他手段）进行强制冷却，以免对阴极被加热至熔化，受到损坏。也是由于这个原故，X 射线管的最大功率受到一定限制，决定于阳极材料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的效果等因素。同一种冷却结构的 X 射线管的额定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，铜靶（铜有极佳的导热性）和钼靶（钼的熔点很高）的功率常为相同结构的铁、钴、铬靶的两倍。在晶体衍射实验中，常用的 X 射线管按其结构设计的特点可分为三种类型：（1）可拆式管——这种 X 射线管在动真空下工作，配有真空系统，使用时需抽真空使管内真空度达到 10－5 毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。（2）密封式管——这是最常使用的 X 射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对 X 射线“透明”的 X 射线出射“窗孔”。靶和灯丝不能更换，如果需要使用另一种靶，就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便，但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了。密封式 X 射线管的寿命一般为 1000—2000 小时，它的报废往往并不是与因灯丝损坏，而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污染，致使发射的 X 射线谱线“不纯”而被废用。（3）转靶式管——这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却，即所谓旋转阳极 X 射线管，是目前最实用的高强度 X 射线发生装置。管子的阳极设计成圆柱体形，柱面作为靶面，阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转，这样靶面受电子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面，使受热面积展开，从而有效地加强了热量的散发。所以，这种管的功率能远远超过前两种管子。对于铜或钼靶管，密封式管的额定功率，目前只能达到 2 KW 左右，而转靶式管最高可达 90 KW。 2. 测角仪 2

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义测角仪是粉末X射线衍射仪的核心部件，主要由索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝、样品座及闪烁探测器等组成。 (1)衍射仪一般利用线焦点作为X射线源S。如果采用焦斑尺寸为1×10平方毫米的常规 X射线管，出射角6°时，实际有效焦宽为0.1毫米，成为0.1×10平方毫米的线状X射线源。 (2)从S发射的X射线，其水平方向的发散角被第一个狭缝限制之后，照射试样。这个狭缝称为发散狭缝0S),生产厂供给1/6°、1/2°、1°、2°、4°的发散狭缝和测角仪调整用0.05毫米宽的狭缝。 (3)从试样上衍射的X射线束，在下处聚焦，放在这个位置的第二个狭缝，称为接收狭缝 (®S).生产厂供给0.15毫米、0.3毫米、0.6毫米宽的接收狭缝。 (4)第三个狭缝是防止空气散射等非试样散射X射线进入计数管，称为防散射狭缝(SS)。 SS和DS配对，生产厂供给与发散获缝的发射角相同的防散射获缝。 (5)S1、S2称为索拉狭缝，是由一组等间距相互平行的薄金属片组成，它限制入射X射线和衍射线的垂直方向发散。索拉获缝装在叫做索拉狭缝盒的框架里。这个框架兼作其他狭缝插座用，即插入DS,RS和SS. 3.X射线探测记录装置衍射仪中常用的探测器是闪烁计数器(SC),它是利用X射线能在某些固体物质（磷光体）中产生的波长在可见光范围内的荧光，这种荧光再转换为能够测量的电流。由于输出的电流和计数器吸收的X光子能量成正比，因此可以用来测量衍射线的强度。闪烁计数管的发光体一般是用微量铊活化的碘化钠（阳I)单晶体。这种晶体经X射线激发后发出蓝紫色的光。将这种微弱的光用光电倍增管来放大，发光体的蓝紫色光激发光电倍增管的光电面（光阴极）而发出光电子（一次电子），光电倍增管电极由10个左右的联极构成，由于一次电子在联极表面上激发二次电子，经联极放大后电子数目按几何级数刷增（约106 倍)，最后输出几个毫伏的脉冲。 4计算机控制、处理装置 XD-2衍射仪主要操作都由计算机控制自动完成，扫描操作完成后，衍射原始数据自动存入计算机硬盘中供数据分析处理。数据分析处理包括平滑点的选择、背底扣除、自动寻峰、 d值计算，衍射峰强度计算等。【实验原理】

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义测角仪是粉末 X 射线衍射仪的核心部件，主要由索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝、样品座及闪烁探测器等组成。 (1）衍射仪一般利用线焦点作为 X 射线源 S。如果采用焦斑尺寸为 1×10 平方毫米的常规 X 射线管，出射角 6°时，实际有效焦宽为 0.1 毫米，成为 0.1×10 平方毫米的线状 X 射线源。 (2）从 S 发射的 X 射线，其水平方向的发散角被第一个狭缝限制之后，照射试样。这个狭缝称为发散狭缝(DS)，生产厂供给 1/6°、1/2°、1°、2°、4°的发散狭缝和测角仪调整用 0．05 毫米宽的狭缝。 (3）从试样上衍射的 X 射线束，在 F 处聚焦，放在这个位置的第二个狭缝，称为接收狭缝 (RS)．生产厂供给 0.15 毫米、0.3 毫米、0.6 毫米宽的接收狭缝。 (4）第三个狭缝是防止空气散射等非试样散射 X 射线进入计数管，称为防散射狭缝(SS)。 SS 和 DS 配对，生产厂供给与发散狭缝的发射角相同的防散射狭缝。 (5）S1、S2 称为索拉狭缝，是由一组等间距相互平行的薄金属片组成，它限制入射 X 射线和衍射线的垂直方向发散。索拉狭缝装在叫做索拉狭缝盒的框架里。这个框架兼作其他狭缝插座用，即插入 DS，RS 和 SS． 3.X 射线探测记录装置衍射仪中常用的探测器是闪烁计数器(SC)，它是利用 X 射线能在某些固体物质(磷光体) 中产生的波长在可见光范围内的荧光，这种荧光再转换为能够测量的电流。由于输出的电流和计数器吸收的 X 光子能量成正比，因此可以用来测量衍射线的强度。闪烁计数管的发光体一般是用微量铊活化的碘化钠(NaI)单晶体。这种晶体经 X 射线激发后发出蓝紫色的光。将这种微弱的光用光电倍增管来放大，发光体的蓝紫色光激发光电倍增管的光电面(光阴极)而发出光电子(一次电子)，光电倍增管电极由 10 个左右的联极构成，由于一次电子在联极表面上激发二次电子，经联极放大后电子数目按几何级数剧增(约 106 倍)，最后输出几个毫伏的脉冲。 4.计算机控制、处理装置 XD-2 衍射仪主要操作都由计算机控制自动完成，扫描操作完成后，衍射原始数据自动存入计算机硬盘中供数据分析处理。数据分析处理包括平滑点的选择、背底扣除、自动寻峰、 d 值计算，衍射峰强度计算等。【实验原理】 3

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义般测试使用铜靶，但因X射线的波长与试样的吸收有关，可根据试样物质的种类分别选用Co、F,或Cr靶。此外还可选用钼靶，这是由于钼靶的特征X射线波长较短，穿透能力强，如果希望在低角处得到高指数晶品面衍射峰，或为了减少吸收的影响等，均可选用钼靶。 (2)管电压和管电流的选择工作电压设定为3~5倍的靶材临界激发电压。选择管电流时功率不能超过X射线管额定功率，较低的管电流可以延长X射线管的寿命。 X射线管经常使用的负荷（管压和管流的乘积）选为最大允许负荷的80%左右。但是，当管压超过激发电压5倍以上时，强度的增加率将下降。所以，在相同负荷下产生X射线时，在管压约为激发电压5倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节。靶元素的原子序数越大，激发电压就越高。由于连续X射线的强度与管压的平方呈正比，特征X射线与连续X射线的强度之比，随者管压的增加接近一个常数，当管压超过激发电压的 4一5倍时反而变小，所以，管压过高，信噪比P/B将降低，这是不可取得的。具体数据见表四：衍射仪测试条件参数选择。 (3)发散狭缝的选择(DS): 发散狭缝(S)决定了X射线水平方向的发散角，限制试样被X射线照射的面积。如果使用较宽的发射狭缝，X射线强度增加，但在低角处入射X射线超出试样范围，照射到边上的试样架，出现试样架物质的衍射峰或漫散峰，对定量相分析带来不利的影响。因此有必要按测定目的选择合适的发散狭缝宽度。生产厂家提供1/6°、1/2°、1”、2°、4°的发散狭缝，通常定性物相分析选用1“ 发散狭缝，当低角度衍射特别重要时，可以选用1/2°（或1/6°）发散狭缝。 (④防散射狭缝的选择(SS) 防散射狭缝用来防止空气等物资引起的散射X射线进入探测器，选用SS与S角度相同。 (⑤)接收狭缝的选择(S): 生产厂家提供0.15mm、0.3m、0.6的接收狭缝，接收狭缝的大小影响衍射线的分辨率。接收狭缝越小，分辨率越高，衍射强度越低。通常物相定性分析时使用0.3的接收狭缝，桔确测定可使用0.15m的接收狭缝。 (6)滤波片的选择： 2滤40，Z滤=2靶-2 ()扫描范围的确定

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义一般测试使用铜靶，但因 X 射线的波长与试样的吸收有关，可根据试样物质的别选用 Co、Fe，或 Cr 靶。此外还可选用钼靶，这是由于钼靶的特征 X 射线波长能力强，如果希望在低角处得到高指数晶面衍射峰，或为了减少吸收的影响等，靶。 (2)管电压和管电流的选择工作电压设定为 3～5 倍的靶材临界激发电压。选择管电流时功率不能超过射线管额定功率，较低的管电流可以延长 X 射线管的寿命。 X 射线管经常使用的负荷(管压和管流的乘积)选为最大允许负荷的 80％左右。但是，当管压超过激发电压 5 倍以上时，强度的增加率将下降。所以，在相同负荷下产生 X 射线时，管压约为激发电压 5 倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节。元素的原子序数越大，激发电压就越高。由于连续 X 射线的强度与管压的平方呈正比，特征 X 狭缝的选择（DS）：射线水平方向的发散角，限制试样被 X 射线照射的面积。如果使用量相分析带来不利的影响。因此有必要 0.6mm 的接收狭缝，接收狭缝的大小影响衍射线的分辨，衍射强度越低。通常物相定性分析时使用 0.3mm 的接收狭缝，种类分较短，穿透均可选用钼 X 在靶射线与连续 X 射线的强度之比，随着管压的增加接近一个常数，当管压超过激发电压的 4～5 倍时反而变小，所以，管压过高，信噪比 P/B 将降低，这是不可取得的。具体数据见表四：衍射仪测试条件参数选择。 (3)发散发散狭缝（DS）决定了 X 较宽的发射狭缝，X 射线强度增加，但在低角处入射 X 射线超出试样范围，照射到边上的试样架，出现试样架物质的衍射峰或漫散峰，对定按测定目的选择合适的发散狭缝宽度。生产厂家提供 1/6°、1/2°、1°、2°、4°的发散狭缝，通常定性物相分析选用 1° 发散狭缝，当低角度衍射特别重要时，可以选用 1/2°（或 1/6°）发散狭缝。 (4)防散射狭缝的选择（SS）：防散射狭缝用来防止空气等物资引起的散射 X 射线进入探测器，选用 SS 与 DS 角度相同。 (5)接收狭缝的选择（RS）：生产厂家提供 0.15mm、0.3mm、率。接收狭缝越小，分辨率越高精确测定可使用 0.15mm 的接收狭缝。 (6)滤波片的选择： Z 滤40,Z 滤=Z 靶－2 (7)扫描范围的确定 7

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义不同的测定目的，其扫描范用也不同。当选用C靶进行无机化合物的相分析时，扫描范围一般为90°~2°(20)：对于高分子，有机化合物的相分析，其扫描范围一般为60~ 2”:在定量分析、点阵参数测定时，一般只对欲测衍射峰扫描几度。 (8)扫描速度的确定常规物相定性分析常采用每分钟2”或4“的扫描速度，在进行点阵参数测定，微量分析或物相定量分析时，常采用每分钟1/2°或1/4°的扫描速度。表四衍射仪测试条件参数选择的未试样的铁化合有机商卧子微量相条件，简相盼渐的湘盼新。测定，份折。定量测定，配 V,Hn,Fe Ni. 5，t 管压(W)3545.040,3545,545.3545. 35w45, 管克0.3040.2040.3040,3040.3040， n. 速度C/in2,4,2,4.1,2,1/2,1,1/4,1/2., 1/8w1/2, 发藏敬罐sr), 12,1, 12,1,2、 h.3.0.15,0.3h.3,0.6h.15,0.3,0.60.15,0.3 扫瑞范围C).3070)2,120w10.802 0T0)2,需要的行时线，房安的行肘线 50w10) 尽可能高角的几条行射螺 2.样品制备 X射线衍射分析的样品主要有粉末样品、块状样品、薄膜样品、纤维样品等。样品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），则样品制备方法也不同。 (1)粉末样品： X射线衍射分析的粉末试样必需满足这样两个条件：晶粒要细小，试样无择优取向（取向排列混乱)。所以，通常将试样研细后使用，可用玛璃研体研细。定性分析时粒度应小于44 微米(350目)，定量分析时应将试样研细至10微米左右。较方便地确定10微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾动，两手指间没有颗粒感觉的粒度大致为10微米。将试样粉末-点一点地放进制样框的窗口中，再用小抹刀的刀口轻轻剁紧，使粉末在窗孔内摊匀堆好，然后用小抹刀把粉末轻轻压紧，最后用保险刀片（或载玻片的断口）把多余凸出的粉末削去，使粉末试样在试样架里均匀分布并用玻璃板压平实，要求试样面与玻璃表面齐 8

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义平。然后，小心地把制样框从玻璃平面上拿起，便能得到一个很平的样品粉末的平面。此法所需样品粉末量较多，约需0.4cm。 (2)块状样品：先将块状样品表面研磨抛光，大小不超过20×18平方毫米，然后用橡皮泥将样品粘在铝样品支架上，要求样品表面与铝样品支架表面平齐。 3.样品测试 (①)开机前的准备和检查将制备好的试样插入衍射仪样品台，盖上顶盖关闭防护罩：X光管窗口应关闭，管电流管电压表指示应在最小位置：接通总电源。 (②)开机操作开启衍射仪总电源，启动循环水泵：待数分钟后，打开计算机X射线衍射仪应用软件，设置管电压、管电流至需要值，设置合适的衍射条件及参数，开始样品测试。 (3)停机操作测量完毕，关闭X射线衍射仪应用软件：取出试样：15分钟后关闭循环水泵，关闭水源：关闭衍射仪总电源及线路总电源。 4.数据处理测试完毕后，可将样品测试数据存入磁盘供随时调出处理。原始数据需经过曲线平滑， Ka2扣除，谱峰寻找等数据处理步骤，最后打印出待分析试样衍射曲线和值、20、强度、衍射峰宽等数据供分析鉴定。【实验课要求】 1.实验课前必须预习实验讲义和教材，掌握实验原理等必需知识。 2.根据教师给定实验样品，设计实验方案，选择样品制备方法、仪器条件参数等 3.要求用设计性实验报告用纸写出：实验原理，实验方案步骤（包括样品制备、实验参数选择、测试、数据处理等)，选择定性分析方法，物相鉴定结果分析等。 4.鉴定结果要求写出样品名称（中英文）、卡片号，实验数据和标准数据三强线的值相对强度及(KL),并进行简单误差分析。【思考题】 1.简述X射线衍射分析的特点和应用： 2.简述X射线衍射仪的结构和工作原理

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义平。然后，小心所需样品粉末量较多，约需 0.4cm 地把制样框从玻璃平面上拿起，便能得到一个很平的样品粉末的平面。此法表面研磨抛光，大小不超过 20×18 平方毫米,然后用橡皮泥将样品粘在铝闭 X 射线衍射仪应用软件；取出试样；15 分钟后关闭循环水泵,关闭水源；后，可将样品测试数据存入磁盘供随时调出处理。原始数据需经过曲线平滑，处理步骤，最后打印出待分析试样衍射曲【实验课要求】 1.实验课前必须预习实验讲义和教材，掌握实验原理等必需知识。 3.要求用设计性实验报告用纸写出：实验原理，实验方案步骤(包括样品制备、实验参数性分析方法，物相鉴定结果分析等。 4.鉴定结果要求写出样品名称（中英文）、卡片号，实验数据和标准数据三强线的 d 值、相对强度及（HKL），并进行简单误差分析。 1.简述 X 射线衍射分析的特点和应用； 3 。 (2)块状样品：先将块状样品样品支架上，要求样品表面与铝样品支架表面平齐。 3.样品测试 (1)开机前的准备和检查将制备好的试样插入衍射仪样品台，盖上顶盖关闭防护罩； X 光管窗口应关闭，管电流管电压表指示应在最小位置；接通总电源。 (2)开机操作开启衍射仪总电源，启动循环水泵；待数分钟后，打开计算机 X 射线衍射仪应用软件，设置管电压、管电流至需要值，设置合适的衍射条件及参数，开始样品测试。 (3)停机操作测量完毕，关关闭衍射仪总电源及线路总电源。 4. 数据处理测试完毕 Ka2 扣除，谱峰寻找等数据线和 d 值、2θ、强度、衍射峰宽等数据供分析鉴定。 2.根据教师给定实验样品，设计实验方案，选择样品制备方法、仪器条件参数等。选择、测试、数据处理等)，选择定【思考题】 2.简述 X 射线衍射仪的结构和工作原理； 9