X射線衍射儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)一X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康母爬私釾射線衍射晶體分析儀的構(gòu)造與使用。二、X射線晶體分析儀介紹X射線晶體分析儀包括X射線管、高壓發(fā)生器以及控制線路等幾部分。圖實(shí)1-1是目前常用的熱電子密封式X射線管的示意圖。陰極由鎢絲繞成螺線形，工作時(shí)通電至白熱狀態(tài)。由于陰陽(yáng)極間有幾十千伏的電壓，故熱電子以高速撞擊陽(yáng)極靶面。為防止燈絲氧化并保證電子流穩(wěn)定，管內(nèi)抽成1.33X10-9i.33X-11Mpa，的高真空。為使電子束集中，在燈絲外設(shè)有聚焦罩。陽(yáng)極靶由熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好的銅制成，靶面上鍍一層純金屬。常用的金屬材料有Cr，F(xiàn)e,Co，Ni，Cu,Mo，W等。當(dāng)擁雷口*府蝕上隠聚e；蓋圖

2、實(shí)1-1高速電子撞擊陽(yáng)極靶面時(shí)，便有部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線，但其中約有99%將轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。為了保護(hù)陽(yáng)極靶面，管子工作時(shí)需強(qiáng)制冷卻。為了使用流水冷卻，也為了操作者的安全，應(yīng)使X射線管的陽(yáng)極接地，而陰極則由高壓電纜加上負(fù)高壓。X射線管有相當(dāng)厚的金屬管套，使X射線只能從窗口射出。窗口由吸收系數(shù)較低的Be片制成。結(jié)構(gòu)分析X射線管通常有四個(gè)對(duì)稱的窗口，靶面上被電子轟擊的范圍稱為焦點(diǎn)，它是發(fā)射X射線的源泉。用螺線形燈絲時(shí)，焦點(diǎn)的形狀為長(zhǎng)方形（面積常為lmmx10mm），此稱實(shí)際焦點(diǎn)。窗口位置的設(shè)計(jì)，使得射出的X射線與靶面成6。角（圖實(shí)1-2）。從長(zhǎng)方形短邊上的窗口所看到的焦點(diǎn)為lmm2的正方形，稱點(diǎn)焦點(diǎn)，在長(zhǎng)

3、邊方向看則得到線焦點(diǎn)。一般的照相多采用點(diǎn)焦點(diǎn)，而線焦點(diǎn)則多用在衍射儀上。圖實(shí)1-2X射線晶體分析儀由交流穩(wěn)壓器、調(diào)壓器、高壓發(fā)生器、整流與穩(wěn)壓系統(tǒng)、控制電路及管套等組成。啟動(dòng)分析儀按下列程序進(jìn)行：1. 打開(kāi)冷卻水，繼電器觸點(diǎn)K1即接通。2 接通外電源。3. 按低壓按鈕SB3,交流接觸器KMI接通，即其觸點(diǎn)KMi-1,KM1-2接通。4. 預(yù)熱3分鐘后按下高壓按鈕SB4。S表示管流零位開(kāi)關(guān)及過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，正常情況下應(yīng)接通，故交流接觸器KMn-1,KMn-2接通。根據(jù)X射線管的額定功率確定管壓和管流。調(diào)整管壓系通過(guò)調(diào)壓器改變高壓變壓器的一次電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)由二極管Vi,V2及電容Ci,C2組成的倍壓

4、全波整流線路將高壓加到X射線管上。高壓值由電壓表讀出。通過(guò)燈絲電位器R可調(diào)節(jié)管流，其數(shù)值由電流表讀出。關(guān)閉的過(guò)程與起動(dòng)的過(guò)程相反，即先將管流、管壓降至最小值，再切斷高壓，切斷低壓電及外電源，經(jīng)15min后關(guān)閉冷卻水。使用X射線儀時(shí)必須注意安全，防止人身的任何部位受到X射線的直接照射及散射，防止觸及高壓部件及線路，并使工作室有經(jīng)常的良好通風(fēng)。三、X射線衍射儀簡(jiǎn)介傳統(tǒng)的衍射儀由X射線發(fā)生器、測(cè)角儀、記錄儀等幾部分組成。自動(dòng)化衍射儀是近年才面世的新產(chǎn)品，它采用微計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序的自動(dòng)控制。圖實(shí)1-3為日本理光光學(xué)電機(jī)公司生產(chǎn)的D/max-B型自動(dòng)化衍射儀工作原理方框圖。入射X射線經(jīng)狹縫照射到多晶試樣上

5、，衍射線的單色化可借助于濾波片或單色器。衍射線被探測(cè)器所接收，電脈沖經(jīng)放大后進(jìn)入脈沖高度分析器。操作者在必要時(shí)可利用該設(shè)備自動(dòng)畫(huà)出脈沖高度分布曲線，以便正確選擇基線電壓與上限電壓。信號(hào)脈沖可送至計(jì)數(shù)率儀，并在記錄儀上畫(huà)出衍射圖。脈沖亦可送至計(jì)數(shù)器（以往稱為定標(biāo)器）,經(jīng)微處理機(jī)進(jìn)行尋峰、計(jì)算峰積分強(qiáng)度或?qū)挾?、扣除背底等處理，并在屏幕上顯示或通過(guò)打印機(jī)將所需的圖形或數(shù)據(jù)輸出?？刂蒲苌鋬x的專用微機(jī)可通過(guò)帶編碼器的步進(jìn)電機(jī)控制試樣（）及探測(cè)器（2）進(jìn)行連續(xù)掃描、階梯掃描，連動(dòng)或分別動(dòng)作等等。目前，衍射儀都配備計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使衍射儀的功能進(jìn)一步擴(kuò)展，自動(dòng)化水平更加提高。衍射儀目前已具有采集衍射資料

6、，處理圖形數(shù)據(jù)，查找管理文件以及自動(dòng)進(jìn)行物相定性分析等功能。物相定性分析是X射線衍射分析中最常用的一項(xiàng)測(cè)試，衍射儀可自動(dòng)完成這一過(guò)程；首先，儀器按所給定的條件進(jìn)行衍射數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，接著進(jìn)行尋峰處理并自動(dòng)啟動(dòng)程序。當(dāng)檢索開(kāi)始時(shí)，操作者要選擇輸出級(jí)別（扼要輸出、標(biāo)準(zhǔn)輸出或詳細(xì)輸出）,選擇所檢索的數(shù)據(jù)庫(kù)（在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，存貯著物相數(shù)據(jù)庫(kù)，約有物相46000種，并設(shè)有無(wú)機(jī)、有機(jī)、合金、礦物等多個(gè)分庫(kù)），指出測(cè)試時(shí)所使用的靶，掃描范圍，實(shí)驗(yàn)誤差范圍估計(jì)，并輸入試樣的元素信息等。此后，系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)檢索匹配，并將檢索結(jié)果打印輸出。黑片：圖實(shí)1-3四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 由教師介紹X射線衍射晶體分析儀的構(gòu)造并作示范

7、操作。2 .由教師介紹粉末試樣的制備、實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等。3 由學(xué)生獨(dú)立完成粉末相的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析。五、對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求1簡(jiǎn)述X射線晶體分析儀的構(gòu)造。2將測(cè)量與計(jì)算數(shù)據(jù)以表格列出。3寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)的體會(huì)與疑問(wèn)。實(shí)驗(yàn)二X射線物相定性分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?概括了解X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)及使用。2. 練習(xí)用PDF（ASTM）卡片及索引對(duì)多相物質(zhì)進(jìn)行相分析。二、用衍射儀進(jìn)行物相分析物相分析的原理及方法在第5章中已有較詳細(xì)的介紹，此處僅就實(shí)驗(yàn)及分析過(guò)程中的某些具體問(wèn)題作一簡(jiǎn)介。為適應(yīng)初學(xué)者的基礎(chǔ)訓(xùn)練，下面的描述仍多以手工衍射儀和人工檢索為基礎(chǔ)。1試樣衍射儀一般采用塊狀平面試樣，它可以是整塊的多晶體，亦可用粉末

8、壓制。金屬樣可從大塊中切割出合適的大?。ɡ?0mmxl5mm）,經(jīng)砂輪、砂紙磨平再進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕g而得。分析氧化層時(shí)表面一般不作處理，而化學(xué)熱處理層的處理方法須視實(shí)際情況進(jìn)行（例如可用細(xì)砂紙輕磨去氧化皮）。粉末樣品應(yīng)有一定的粒度要求，這與德拜相的要求基本相同（顆粒大小約在110m）數(shù)量級(jí)。粉末過(guò)200-325目篩子即合乎要求），不過(guò)由于在衍射儀上攝照面積較大，故允許采用稍粗的顆粒。根據(jù)粉末的數(shù)量可壓在玻璃制的通框或淺框中。壓制時(shí)一般不加粘結(jié)劑，所加壓力以使粉末樣品粘牢為限，壓力過(guò)大可能導(dǎo)致顆粒的擇優(yōu)取向。當(dāng)粉末數(shù)量很少時(shí)，可在乎玻璃片上抹上一層凡士林，再將粉末均勻撒上。2.測(cè)試參數(shù)的選擇描畫(huà)衍

9、射圖之前，須考慮確定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)很多，如X射線管陽(yáng)極的種類、濾片、管壓、管流等，其選擇原則在§4-3中已有所介紹。有關(guān)測(cè)角儀上的參數(shù)，如發(fā)散狹縫、防散射狹縫、接收狹縫的選擇等，可參考§4-3。衍射儀的開(kāi)啟，與K射線晶體分析儀有很多相似之處，特別是X射線發(fā)生器部分。對(duì)于自動(dòng)化衍射儀，很多工作參數(shù)可由微機(jī)上的鍵盤(pán)輸入或通過(guò)程序輸入。衍射儀需設(shè)置的主要參數(shù)有：脈沖高度分析器的基線電壓，上限電壓；計(jì)數(shù)率儀的滿量程，如每秒為500計(jì)數(shù)、1000計(jì)數(shù)或5000計(jì)數(shù)等；計(jì)數(shù)率儀的時(shí)間常數(shù)，如0.1s,0.5g,1s等，記錄儀的走紙速度，如每度2日為10mm,20mm,50mm等；測(cè)角儀連續(xù)

10、掃描速度，如0.010/s,0,03o/s或0.05o/s等；掃描的起始角和終止角等。此外，還可以設(shè)置尋峰掃描、階梯掃描等其它方式。3衍射圖韻分析先將衍射圖上比較明顯的衍射峰的2值量度出來(lái)。測(cè)量可借助于三角板和米尺。將米尺的刻度與衍射圖的角標(biāo)對(duì)齊，令三角板一直角邊沿米尺移動(dòng)，另一直角邊與衍射峰的對(duì)稱（平分熾重合，并以此作為峰的位置。借米尺之助，可以估計(jì)出百分之一度（或十分之一度）的2值，并通過(guò)工具書(shū)查出對(duì)應(yīng)的d值。又按衍射峰的高度估計(jì)出各衍射線的相對(duì)強(qiáng)度。有了d系列與I系列之后，取前反射區(qū)三根最強(qiáng)線為依據(jù)，查閱索引，用嘗試法找到可能的卡片，再進(jìn)行詳細(xì)對(duì)照。如果對(duì)試樣中的物相已有初步估計(jì)，亦可借

11、助字母索引來(lái)檢索。確定一個(gè)物相之后，將余下線條進(jìn)行強(qiáng)度的歸一處理，再尋找第二相。有時(shí)亦可根據(jù)試樣的實(shí)際情況作出推斷，直至所有的衍射均有著落為止。4 .舉例球墨鑄鐵試片經(jīng)570C氣體軟氮化4h,用CrK照射，所得的衍射圖如圖實(shí)2-2所示。將各衍射峰對(duì)應(yīng)的2,d及I/11,列成表格，即是表實(shí)2-1中左邊的數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)資料，知滲氮層中可能有各種鐵的氮化物，于是按英文名稱"IronNitride”翻閱字母索引，找出Fe3N,Fe2N,FesNFeqN等物相的卡片。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)照后，確定了“Fe3NFe2N”及“Fe3N”兩個(gè)物相，并有部分殘留線條。根據(jù)試樣的具體情況，猜測(cè)可能出現(xiàn)基體相有

12、鐵的氧化物的線條。經(jīng)與這些卡片相對(duì)照，確定了物相-Fe3O4衍射峰的存在。各物相線條與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的情況，已列于表實(shí)2-l中。表實(shí)2-1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卡片數(shù)據(jù)3-09251-1236FesN6-0696Fe19-629Fe3O4FeaNFe2N2d/AI/I1d/AI/I1d/AI/11d/AI/11d/AI/1127.304.85624.85845.432.968152.9673053.892.529302.53210057.352.38722.382058.622.338202.3410063.112.189452.191002.192562.202.098202.091002.0992067.

13、402.0651002.0610068.802.0275402.026810090.301.615651.61251.6163091.541.5986201.59100101.181.482951.48540105.901.435051.433219112.501.377651.3725116.101.3500201.34100135.271.2385401.231001.2425根據(jù)具體情況判斷，各物相可能處于距試樣表面不同深度處。其中Fe3O4應(yīng)在最表層，但因數(shù)量少，且衍射圖背底波動(dòng)較大，致某些弱線未能出現(xiàn)。離表面稍遠(yuǎn)的應(yīng)是“Fe3NFe?”相，這一物相的數(shù)量較多，因它占據(jù)了衍射圖中比較強(qiáng)

14、的線。再往里應(yīng)是PqN，其數(shù)量比較少。-Fe應(yīng)在離表面較深處，它在被照射的體積中所占分量較大，因?yàn)樗木€條亦比較強(qiáng)。從這一點(diǎn)，又可判斷出氮化層并不太厚。衍射線的強(qiáng)度跟卡片對(duì)應(yīng)尚不夠理想，特別是d=2.065A這根線比其它線條強(qiáng)度大得多。本次分析對(duì)線條強(qiáng)度只進(jìn)行了大致的估計(jì)，實(shí)驗(yàn)條件跟制作卡片時(shí)的亦不盡相同，這些都是造成強(qiáng)度差別的原因。至于各物相是否存在擇優(yōu)取向，則尚未進(jìn)行審查。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及報(bào)告1. 由教師在現(xiàn)場(chǎng)介紹衍射儀的構(gòu)造，進(jìn)行操作表演，并描畫(huà)一兩個(gè)衍射峰。2. 以2-3人為一組，按事先描繪好的多相物質(zhì)的衍射圖進(jìn)行物相定性分析。3記錄所分析的衍射圖的測(cè)試條件，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果以表格列出。

15、實(shí)驗(yàn)三透射電子顯微鏡結(jié)構(gòu)與工作原理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)1）結(jié)合透射電鏡實(shí)物，介紹其基本結(jié)構(gòu)及工作原理，以加深對(duì)透射電鏡結(jié)構(gòu)的整體印象，加深對(duì)透射電鏡工作原理的了解。2）選用合適的樣品，通過(guò)明暗場(chǎng)像操作的實(shí)際演示，了解明暗場(chǎng)成像原理。二、透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理透射電子顯微鏡是一種具有高分辨率、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)等研究領(lǐng)域。透射電鏡以波長(zhǎng)極短的電子束作為光源，電子束經(jīng)由聚光鏡系統(tǒng)的電磁透鏡將其聚焦成一束近似平行的光線穿透樣品，再經(jīng)成像系統(tǒng)的電磁透鏡成像和放大，然后電子束投射到主鏡筒最下方的熒光屏上形成所觀察的圖像。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，透射電鏡主要用于材料微區(qū)的組織形

16、貌觀察、晶體缺陷分析和晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定。透射電子顯微鏡按加速電壓分類，通?？煞譃槌Ｒ?guī)電鏡（100kV）、高壓電鏡（300kV）和超高壓電鏡（500kV以上）。提高加速電壓，可縮短入射電子的波長(zhǎng)。一方面有利于提高電鏡的分辨率；同時(shí)又可以提高對(duì)試樣的穿透能力，這不僅可以放寬對(duì)試樣減薄的要求，而且厚試樣與近二維狀態(tài)的薄試樣相比，更接近三維的實(shí)際情況。就當(dāng)前各研究領(lǐng)域使用的透射電鏡來(lái)看，其主要三個(gè)性能指標(biāo)大致如下：加速電壓：803000kV分辨率：點(diǎn)分辨率為0.20.35nm(23.5A)、線分辯率為0.10.2nm(12A)最高放大倍數(shù)：30100萬(wàn)倍盡管近年來(lái)商品電鏡的型號(hào)繁多，高性能多用途的透射電鏡

17、不斷出現(xiàn)，但總體說(shuō)來(lái),透射電鏡一般由電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)三大部分組成。此外，還包括一些附加的儀器和部件、軟件等。有關(guān)的透射電鏡的工作原理可參照第九章，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的透射電鏡，根據(jù)具體情況進(jìn)行介紹和講解。以下僅對(duì)透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)單介紹。1 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)通常又稱為鏡筒，是電鏡的最基本組成部分，是用于提供照明、成像、顯像和記錄的裝置。整個(gè)鏡筒自上而下順序排列著電子槍、雙聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏及照相室等。通常又把電子光學(xué)系統(tǒng)分為照明、成像和觀察記錄部分。2 .真空系統(tǒng)為保證電鏡正常工作，要求電子光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)處于真空狀態(tài)下。電鏡的真空度一般

18、應(yīng)保持在10-5Torr(1Torr=133.322Pa)，這需要機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵兩級(jí)串聯(lián)才能得到保證。目前的透射電鏡增加一個(gè)離子泵以提高真空度，真空度可高達(dá)1.33x10-6Pa或更高。如果電鏡的真空度達(dá)不到要求會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：1) 電子與空氣分子碰撞改變運(yùn)動(dòng)軌跡，影響成像質(zhì)量。2) 柵極與陽(yáng)極間空氣分子電離，導(dǎo)致極間放電。3) 陰極熾熱的燈絲迅速氧化燒損，縮短使用壽命甚至無(wú)法正常工作。4) 試樣易于氧化污染，產(chǎn)生假象。3 .供電控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)主要提供兩部分電源：一是用于電子槍加速電子的小電流高壓電源；二是用于各透鏡激磁的大電流低壓電源。目前先進(jìn)的透射電鏡多已采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中包括真空

19、系統(tǒng)操作的自動(dòng)控制，從低真空到高真空的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、真空與高壓?jiǎn)㈤]的連鎖控制，以及用計(jì)算機(jī)控制參數(shù)選擇和鏡筒合軸對(duì)中等。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1) 簡(jiǎn)述透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)。2) 繪圖并舉例說(shuō)明暗場(chǎng)成像的原理。實(shí)驗(yàn)四選區(qū)電子衍射及明、暗場(chǎng)成像一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)1) 通過(guò)選區(qū)電子衍射的實(shí)際操作演示，加深對(duì)選區(qū)電子衍射原理的了解。2) 選擇合適的薄晶體樣品，利用雙傾臺(tái)進(jìn)行樣品取向的調(diào)整，利用電子衍射花樣測(cè)定晶體取向的基本方法。二、選區(qū)電子衍射的原理和操作1選區(qū)電子衍射的原理使學(xué)生掌握簡(jiǎn)單地說(shuō)，選區(qū)電子衍射借助設(shè)置在物鏡像平面的選區(qū)光欄，可以對(duì)產(chǎn)生衍射的樣品區(qū)域進(jìn)行選擇，并對(duì)選區(qū)范圍的大小加以限制，從而實(shí)現(xiàn)形貌

20、觀察和電子衍射的微觀對(duì)應(yīng)。選區(qū)電子衍射的基本原理見(jiàn)圖1016。選區(qū)光欄用于擋住光欄孔以外的電子束，只允許光欄孔以內(nèi)視場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的樣品微區(qū)的成像電子束通過(guò)，使得在熒光屏上觀察到的電子衍射花樣僅來(lái)自于選區(qū)范圍內(nèi)晶體的貢獻(xiàn)。實(shí)際上，選區(qū)形貌觀察和電子衍射花樣不能完全對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)選區(qū)衍射存在一定誤差，選區(qū)域以外樣品晶體對(duì)衍射花樣也有貢獻(xiàn)。選區(qū)范圍不宜太小，否則將帶來(lái)太大的誤差。對(duì)于100kV的透射電鏡，最小的選區(qū)衍射范圍約0.5m；加速電壓為1000kV時(shí)，最小的選區(qū)范圍可達(dá)0.1m。2選區(qū)電子衍射的操作1) 在成像的操作方式下，使物鏡精確聚焦，獲得清晰的形貌像。2) 插入并選用尺寸合適的選區(qū)光欄圍住

21、被選擇的視場(chǎng)。3) 減小中間鏡電流，使其物平面與物鏡背焦面重合，轉(zhuǎn)入衍射操作方式。對(duì)于近代的電鏡，此步操作可按“衍射”按鈕自動(dòng)完成。4) 移出物鏡光欄，在熒光屏上顯示電子衍射花樣可供觀察。5) 需要拍照記錄時(shí)，可適當(dāng)減小第二聚光鏡電流，獲得更趨近平行的電子束，使衍射斑點(diǎn)尺寸變小。三、選區(qū)電子衍射的應(yīng)用單晶電子衍射花樣可以直觀地反映晶體二維倒易平面上陣點(diǎn)的排列，而且選區(qū)衍射和形貌觀察在微區(qū)上具有對(duì)應(yīng)性，因此選區(qū)電子衍射一般有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：1) 根據(jù)電子衍射花樣斑點(diǎn)分布的幾何特征，可以確定衍射物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)；再利用電子衍射基本公式Rd=L，可以進(jìn)行物相鑒定。2) 確定晶體相對(duì)于入射束的取向。

22、3) 在某些情況下，利用兩相的電子衍射花樣可以直接確定兩相的取向關(guān)系。4) 利用選區(qū)電子衍射花樣提供的晶體學(xué)信息，并與選區(qū)形貌像對(duì)照，可以進(jìn)行第二相和晶體缺陷的有關(guān)晶體學(xué)分析，如測(cè)定第二相在基體中的生長(zhǎng)慣習(xí)面、位錯(cuò)的柏氏矢以下僅介紹其中兩個(gè)方面的應(yīng)用。(1)特征平面的取向分析特征平面是指片狀第二相、慣習(xí)面、層錯(cuò)面、滑移面、孿晶面等平面。特征平面的取向分析(即測(cè)定特征平面的指數(shù))是透射電鏡分析工作中經(jīng)常遇到的一項(xiàng)工作。利用透射電鏡測(cè)定特征平面的指數(shù)，其根據(jù)是選區(qū)衍射花樣與選區(qū)內(nèi)組織形貌的微區(qū)對(duì)應(yīng)性。這里特介紹一種最基本、較簡(jiǎn)便的方法。該方法的基本要點(diǎn)為：使用雙傾臺(tái)或旋轉(zhuǎn)臺(tái)傾轉(zhuǎn)樣品，使特征平面平行

23、于入射束方向，在此位向下獲得的衍射花樣中將出現(xiàn)該特征平面的衍射斑點(diǎn)。把這個(gè)位向下拍照的形貌像和相應(yīng)的選區(qū)衍射花樣對(duì)照，經(jīng)磁轉(zhuǎn)角校正后，即可確定特征平面的指數(shù)。其具體操作步驟如下：1）利用雙傾臺(tái)傾轉(zhuǎn)樣品，使特征平面處于與入射束平行的方向。2）拍照包含有特征平面的形貌像，以及該視場(chǎng)的選區(qū)電子衍射花樣。3）標(biāo)定選區(qū)電子衍射花樣，經(jīng)磁轉(zhuǎn)角校正后，將特征平面在形貌像中的跡線畫(huà)在衍射花樣中。4）由透射斑點(diǎn)作跡線的垂線，該垂線所通過(guò)的衍射斑點(diǎn)的指數(shù)即為特征平面的指數(shù)。鎳基合金中的片狀一Ni3Nb相常沿著基體（面心立方結(jié)構(gòu)）的某些特定平面生長(zhǎng)。當(dāng)片狀相表面相對(duì)入射束傾斜一定角度時(shí)，在形貌像中片狀相的投影寬度較

24、大（見(jiàn)圖實(shí)41a）;如果傾斜樣品使片狀相表面逐漸趨近平行于入射束，其在形貌像中的投影寬度將不斷減小；當(dāng)入射束方向與片狀相表面平行時(shí)，片狀相在形貌像中顯示最小的寬度（圖實(shí)1b）。圖實(shí)41c是入射電子束與片狀相表面平行時(shí)拍照的基體衍射花樣。由圖實(shí)41c所示的衍射花樣的標(biāo)定結(jié)果，可以確定片狀相的生長(zhǎng)慣習(xí)面為基體的（111）面。通pij；4i謝M-屮KiNJ徉冷卑禹14時(shí)M甲*1|生轟iPPl畀4也b>H噸X扎肘cl1iIQJ圖實(shí)42是鎳基合金基體中孿晶的形貌像及相應(yīng)的選區(qū)衍射花樣。圖實(shí)42中的形貌像和衍射花樣是在孿晶面處于平行入射束的位向下拍照的。將孿晶的形貌像與選區(qū)衍射花樣的對(duì)照，很容易確定

25、孿晶面為（111）。M）卞*旳盼農(nóng)席b）10111I圖實(shí)43a是鎳基合金基體和r''相的電子衍射花樣，圖實(shí)43b是r''（002）衍射成的暗場(chǎng)像。由圖可見(jiàn)，暗場(chǎng)像可以清晰地顯示析出相的形貌及其在基體中的分布，用暗場(chǎng)像顯示析出相的形態(tài)是一種常用的技術(shù)。鼻律窯叩常楂稈稱體中的甘布用譜H星子術(shù)射征抨必IIH1LmfMb】存料月四、明暗場(chǎng)成像原理及操作1 明暗場(chǎng)成像原理晶體薄膜樣品明暗場(chǎng)像的襯度（即不同區(qū)域的亮暗差別）,是由于樣品相應(yīng)的不同部位結(jié)構(gòu)或取向的差別導(dǎo)致衍射強(qiáng)度的差異而形成的，因此稱其為衍射襯度，以衍射襯度機(jī)制為主形成的圖像稱為衍襯像。如果只允許透射束通過(guò)物鏡

26、光欄成像，稱其為明場(chǎng)像；如果只允許某支衍射束通過(guò)物鏡光欄成像，則稱為暗場(chǎng)像。有關(guān)明暗場(chǎng)成像的光路原理參見(jiàn)第一章圖1113。就衍射襯度而言，樣品中不同部位結(jié)構(gòu)或取向的差別，實(shí)際上表現(xiàn)在滿足或偏離布拉格條件程度上的差別。滿足布拉格條件的區(qū)域，衍射束強(qiáng)度較高，而透射束強(qiáng)度相對(duì)較弱，用透射束成明場(chǎng)像該區(qū)域呈暗襯度；反之，偏離布拉格條件的區(qū)域，衍射束強(qiáng)度較弱，透射束強(qiáng)度相對(duì)較高，該區(qū)域在明場(chǎng)像中顯示亮襯度。而暗場(chǎng)像中的襯度則與選擇哪支衍射束成像有關(guān)。如果在一個(gè)晶粒內(nèi)，在雙光束衍射條件下，明場(chǎng)像與暗場(chǎng)像的襯度恰好相反。2 明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像明暗場(chǎng)成像是透射電鏡最基本也是最常用的技術(shù)方法，其操作比較容易。這里僅

27、對(duì)暗場(chǎng)像操作及其要點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹如下：1）在明場(chǎng)像下尋找感興趣的視場(chǎng)。2）插人選區(qū)光欄圍住所選擇的視場(chǎng)。3）按“衍射”按鈕轉(zhuǎn)入衍射操作方式，取出物鏡光欄，此時(shí)熒光屏上將顯示選區(qū)域內(nèi)晶體產(chǎn)生的衍射花樣。為獲得較強(qiáng)的衍射束，可適當(dāng)?shù)貎A轉(zhuǎn)樣品調(diào)整其取向。4）傾斜入射電子束方向，使用于成像的衍射束與電鏡光軸平行，此時(shí)該衍射斑點(diǎn)應(yīng)位于熒光屏中心。5）插入物鏡光欄套住熒光屏中心的衍射斑點(diǎn)，轉(zhuǎn)入成像操作方式，取出選區(qū)光欄。此時(shí)，熒光屏上顯示的圖像即為該衍射束形成的暗場(chǎng)像。通過(guò)傾斜人射束方向，把成像的衍射束調(diào)整至光軸方向，這樣可以減小球差，獲得高質(zhì)量的圖像。用這種方式形成的暗場(chǎng)像稱為中心暗場(chǎng)像。在傾斜入射束時(shí)，應(yīng)

28、將透射斑移至原強(qiáng)衍射斑（hkl）位置，而（hkl）弱衍射斑相應(yīng)地移至熒光屏中心，變成強(qiáng)衍射斑點(diǎn)，這一點(diǎn)應(yīng)該在操作時(shí)引起注意。圖實(shí)4-4是相鄰兩個(gè)鎢晶粒的明場(chǎng)和暗場(chǎng)像。由于A晶粒的某晶面滿足布拉格條件，衍射束強(qiáng)度較高，因此在明場(chǎng)像中顯示暗襯度。圖實(shí)4-4b是A晶粒的衍射束形成的暗場(chǎng)像，因此A晶粒顯示亮襯度，而B(niǎo)晶粒則為暗像。圖實(shí)4-5是顯示析出相（Zrll3）在鋁合金基體中分布的明場(chǎng)和暗場(chǎng)像，圖實(shí)4-5b是析出相衍射束形成的暗場(chǎng)像。利用暗場(chǎng)像觀測(cè)析出相的尺寸、空間形態(tài)及其在基體中的分布，是衍襯分析工作中一種常用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。圖實(shí)4-6是位錯(cuò)的明暗場(chǎng)像，明場(chǎng)像中位錯(cuò)線顯現(xiàn)暗線條，暗場(chǎng)像襯度恰好與此相

29、反。圖實(shí)4-7是面心立方結(jié)構(gòu)的銅合金中層錯(cuò)的明暗場(chǎng)像。利用層錯(cuò)明暗場(chǎng)像外側(cè)條紋的襯度，可以判定層錯(cuò)的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)五掃描電鏡的結(jié)構(gòu)原理及圖像襯度觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)1）結(jié)合掃描電鏡實(shí)物，介紹其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，加深對(duì)掃描電鏡結(jié)構(gòu)及原理的了解。2）選用合適的樣品，通過(guò)對(duì)表面形貌襯度和原子序數(shù)襯度的觀察，了解掃描電鏡圖像襯底原理及其應(yīng)用。二、掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理掃描電子顯微鏡利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描，與樣品相互作用產(chǎn)行各種物理信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)檢測(cè)器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號(hào)，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。掃描電鏡具有景深大、圖像立體感強(qiáng)、放大倍數(shù)范圍大、連續(xù)可調(diào)、

30、分辨率高、樣品室空間大且樣品制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是進(jìn)行樣品表面研究的有效分析工具。掃描電鏡所需的加速電壓比透射電鏡要低得多，一般約在130kV，實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)被分析樣品的性質(zhì)適當(dāng)?shù)剡x擇，最常用的加速電壓約在20kV左右。掃描電鏡的圖像放大倍數(shù)在一定范圍內(nèi)（幾十倍到幾十萬(wàn)倍）可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，放大倍數(shù)等于熒光屏上顯示的圖像橫向長(zhǎng)度與電子束在樣品上橫向掃描的實(shí)際長(zhǎng)度之比。掃描電鏡的電子光學(xué)系統(tǒng)與透射電鏡有所不同，其作用僅僅是為了提供掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)的激發(fā)源。掃描電鏡最常使用的是二次電子信號(hào)和背散射電子信號(hào)，前者用于顯示表面形貌襯度，后者用于顯示原子序數(shù)襯度。掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)可分為

31、電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源及控制系統(tǒng)六大部分。這一部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可參照教材第十二章，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的掃描電鏡進(jìn)行，在此不作詳細(xì)介紹。三、掃描電鏡圖像襯度觀察1樣品制備掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)之一是樣品制備簡(jiǎn)單，對(duì)于新鮮的金屬斷口樣品不需要做任何處理，可以直接進(jìn)行觀察。但在有些情況下需對(duì)樣品進(jìn)行必要的處理。1）樣品表面附著有灰塵和油污，可用有機(jī)溶劑（乙醇或丙酮）在超聲波清洗器中清洗。2）樣品表面銹蝕或嚴(yán)重氧化，采用化學(xué)清洗或電解的方法處理。清洗時(shí)可能會(huì)失去一些表面形貌特征的細(xì)節(jié)，操作過(guò)程中應(yīng)該注意。5- 3）對(duì)于不導(dǎo)電的樣品，觀察前需在表面噴鍍一層導(dǎo)電金

32、屬或碳，鍍膜厚度控制在10nm為宜。2表面形貌襯度觀察二次電子信號(hào)來(lái)自于樣品表面層5lOnm,信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)樣品微區(qū)表面相對(duì)于入射束的取向非常敏感，隨著樣品表面相對(duì)于入射束的傾角增大，二次電子的產(chǎn)額增多。因此，二次電子像適合于顯示表面形貌襯度。二次電子像的分辨率較高，一般約在36nm。其分辨率的高低主要取決于束斑直徑，而實(shí)際上真正達(dá)到的分辨率與樣品本身的性質(zhì)、制備方法，以及電鏡的操作條件如高匝、掃描速度、光強(qiáng)度、工作距離、樣品的傾斜角等因素有關(guān)，在最理想的狀態(tài)下，目前可達(dá)的最佳分辯率為lnm。掃描電鏡圖像表面形貌襯度幾乎可以用于顯示任何樣品表面的超微信息，其應(yīng)用已滲透到許多科學(xué)研究領(lǐng)域，在失效分

33、析、刑事案件偵破、病理診斷等技術(shù)部門(mén)也得到廣泛應(yīng)用。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，表面形貌襯度在斷口分析等方面顯示有突出的優(yōu)越性。下面就以斷口分析等方面的研究為例說(shuō)明表面形貌襯度的應(yīng)用。利用試樣或構(gòu)件斷口的二次電子像所顯示的表面形貌特征，可以獲得有關(guān)裂紋的起源、裂紋擴(kuò)展的途徑以及斷裂方式等信息，根據(jù)斷口的微觀形貌特征可以分析裂紋萌生的原因、裂紋的擴(kuò)展途徑以及斷裂機(jī)制。圖實(shí)5-1是比較常見(jiàn)的金屬斷口形貌二次電子像。較典型的解理斷口形貌如圖實(shí)5-1a所示，在解理斷口上存在有許多臺(tái)階。在解理裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，臺(tái)階相互匯合形成河流花樣，這是解理斷裂的重要特征。準(zhǔn)解理斷口的形貌特征見(jiàn)圖實(shí)51b，準(zhǔn)解理斷口與解理斷口

34、有所不同，其斷口中有許多彎曲的撕裂棱，河流花樣由點(diǎn)狀裂紋源向四周放射。沿晶斷口特征是晶粒表面形貌組成的冰糖狀花樣，見(jiàn)圖實(shí)51c。圖51d顯示的是韌窩斷口的形貌，在斷口上分布著許多微坑，在一些微坑的底部可以觀察到夾雜物或第二相粒子。由圖實(shí)71e可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口存在一系列大致相互平行、略有彎曲的條紋，稱為疲勞條紋，這是疲勞斷口在擴(kuò)展區(qū)的主要形貌特征。圖實(shí)51示出的具有不同形貌特征的斷口，若按裂紋擴(kuò)展途徑分類，其中解理、準(zhǔn)解理和韌窩型屬于穿晶斷裂，顯然沿晶斷口的裂紋擴(kuò)展是沿晶粒表面進(jìn)行的。圖實(shí)52是顯示灰鑄鐵顯微組織的二次電子像，基體為珠光體加少量鐵素體，在基體上分布著較粗大的片狀石墨。

35、與光學(xué)顯微鏡相比，利用掃描電鏡表面形貌襯度顯示材料的微觀組織，具有分辨率高和放大倍數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，適合于觀察光學(xué)顯微鏡無(wú)法分辨的顯微組織。為了提高表面形貌襯度，在腐蝕試樣時(shí)，腐蝕程度要比光學(xué)顯微鏡使用的金相試樣適當(dāng)?shù)厣钜恍?。表面形貌襯度還可用于顯示表面外延生長(zhǎng)層（如氧化膜、鍍膜、磷化膜等）的結(jié)晶形態(tài)。這類樣品一般不需進(jìn)行任何處理，可直接觀察。圖實(shí)5-3是低碳鋼板表面磷化膜的二次電子像，它清晰地顯示了磷化膜的結(jié)晶形態(tài)。3 原子序數(shù)襯度觀察原子序數(shù)襯度是利用對(duì)樣品表層微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分變化敏感的物理信號(hào)，如背散射電子、吸收電子等作為調(diào)制信號(hào)而形成的一種能反映微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)

36、驗(yàn)條件相同的情況下，背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度隨原子序數(shù)增大而增大。在樣品表層平均原子序數(shù)較大的區(qū)域，產(chǎn)生的背散射信號(hào)強(qiáng)度較高，背散射電子像中相應(yīng)的區(qū)域顯示較亮的襯度；而樣品表層平均原子序數(shù)較小的區(qū)域則顯示較暗的襯度。由此可見(jiàn)，背散射電子像中不同區(qū)域襯度的差別，實(shí)際上反映了樣品相應(yīng)不同區(qū)域平均原子序數(shù)的差異，據(jù)此可定性分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分分布。吸收電子像顯示的原子序數(shù)襯度與背散射電子像相反，平均原子序數(shù)較大的區(qū)域圖像襯度較暗，平均原子序數(shù)較小的區(qū)域顯示較亮的圖像襯度。原子序數(shù)襯度適合于研究鋼與合金的共晶組織，以及各種界面附近的元素?cái)U(kuò)散。Pts1兒種Rfl*Hffin甌""掃F：

37、】hlI4MS*i：賞h鮒n圖實(shí)54是A1-Li合金鑄態(tài)共晶組織的背散射電子像。由圖可見(jiàn)，基體a-A1固溶體由于其平均原子序數(shù)較大，產(chǎn)生背散射電子信號(hào)強(qiáng)度較高，顯示較亮的圖像襯度。在基體中平行分布的針狀相為鋁鋰化合物，因其平均原子序數(shù)小于基體而顯示較暗的襯度。在此順便指出，由于背散射電子是被樣品原子反射回來(lái)的入射電子，其能量較高,離開(kāi)樣品表面后沿直線軌跡運(yùn)動(dòng)，因此信號(hào)探測(cè)器只能檢測(cè)到直接射向探頭的背散射電子，有效收集立體角小，信號(hào)強(qiáng)度較低。尤其是樣品中背向探測(cè)器的那些區(qū)域產(chǎn)生的背散射電子，因無(wú)法到達(dá)探測(cè)器而不能被接收。所以利用閃爍體計(jì)數(shù)器接收背散射電子信號(hào)時(shí)，只適合于表面平整的樣品，實(shí)驗(yàn)前樣品

38、表面必須拋光而不需腐蝕。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1）簡(jiǎn)述掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。2）舉例說(shuō)明掃描電鏡表面形貌襯度和原子序數(shù)襯度的應(yīng)用。If17$3鼻刊監(jiān)*址鼻粘如二氏電in-6*aii*實(shí)驗(yàn)六電子探針（能譜儀）結(jié)構(gòu)原理及分析方法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)1）結(jié)合電子探針儀實(shí)物，介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，加深對(duì)電子探針的了解。2）選用合適的樣品，通過(guò)實(shí)際操作演示，以了解電子探針?lè)治龇椒捌鋺?yīng)用。二、電子探針的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理電子探針X射線顯微分析儀（簡(jiǎn)稱電子探針）利用約1Pm的細(xì)焦電子束，在樣品表層微區(qū)內(nèi)激發(fā)元素的特征X射線，根據(jù)特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分定性或定量分析。電子探針的光學(xué)系統(tǒng)、真空系

39、統(tǒng)等部分與掃描電鏡基本相同，通常也配有二次電子和背散射電子信號(hào)檢測(cè)器，同時(shí)兼有組織形貌和微區(qū)成分分析兩方面的功能。電子探針的構(gòu)成除了與掃描電鏡結(jié)構(gòu)相似的主機(jī)系統(tǒng)以外，還主要包括分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等部分。本實(shí)驗(yàn)這部分內(nèi)容將參照第十四章，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電子探針，簡(jiǎn)要介紹與X射線信號(hào)檢測(cè)有關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和原理。三、電子探針的分析方法電子探針有三種基本工作方式：點(diǎn)分析用于選定點(diǎn)的全譜定性分析或定量分析，以及對(duì)其中所含元素進(jìn)行定量分析；線分析用于顯示元素沿選定直線方向上的濃度變化；面分析用于觀察元素在選定微區(qū)內(nèi)濃度分布。1實(shí)驗(yàn)條件(1) 樣品樣品表面要求平整，必須進(jìn)行拋光；樣品應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，對(duì)于

40、不導(dǎo)電的樣品，表面需噴鍍一層不含分析元素的薄膜。實(shí)驗(yàn)時(shí)要準(zhǔn)確調(diào)整樣品的高度，使樣品分析表面位于分光譜儀聚焦圓的圓周上。加速電壓電子探針電子槍的加速電壓一般為350kV，分析過(guò)程中加速電壓的選擇應(yīng)考慮待分析元素及其譜線的類別。原則上，加速電壓一定要大于被分析元素的臨界激發(fā)電壓，一般選擇加速電壓為分析元素臨界激發(fā)電壓的23倍。若加速電壓選擇過(guò)高，導(dǎo)致電子束在樣品深度方向和側(cè)向的擴(kuò)展增加，使X射線激發(fā)體積增大，空間分辨率下降。同時(shí)過(guò)高的加速電壓將使背底強(qiáng)度增大，影響微量元素的分析精度。(2) 電子束流特征X射線的強(qiáng)度與入射電子束流成線性關(guān)系。為提高X射線信號(hào)強(qiáng)度，電子探針必須使用較大的入射電子束流，特別是在分析微量元素或輕元素時(shí)，更需選擇大的束流，以提高分析靈敏度。在分析過(guò)程中要保持束流穩(wěn)定，在定量分析同一組樣品時(shí)應(yīng)控制束流條件完全相同，以獲取準(zhǔn)確的分析結(jié)果。2定點(diǎn)分析全譜定性分析驅(qū)動(dòng)分光譜儀的晶體連續(xù)改變衍射角，記錄X射線信號(hào)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化曲線。檢測(cè)譜線強(qiáng)度峰值位置的波長(zhǎng)，即可獲得樣品微區(qū)內(nèi)所含元素的定性結(jié)果。電子探針?lè)治龅脑胤秶蓮拟?序數(shù)4)到鈾(序數(shù)92)，檢測(cè)的最低濃度(靈敏度)大致為0.01，空間分辨率約在微米數(shù)量級(jí)。全譜定性分析往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。(1) 半定量分析在分析精度要求不高的情況下，可以進(jìn)行半定量計(jì)算。依