X射線衍射分析技術(shù)

1、 00 圖圖1 （a）Wilhelm Conrad Roentgen （b）透過）透過X射線的手像射線的手像 （a） （b） 18951895年，德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線過程中偶然發(fā)年，德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線過程中偶然發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)了X X射線，因而獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎（射線，因而獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎（19011901年）。年）。 01 圖圖2 （a）Max von Laue （b）晶體的）晶體的X射線衍射圖像射線衍射圖像 19121912年，物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了晶體年，物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了晶體X X射線衍射現(xiàn)象，證明了射線衍射現(xiàn)象，證明了X X射線具有波動屬性，獲得諾貝爾物理學(xué)獎（射

2、線具有波動屬性，獲得諾貝爾物理學(xué)獎（19141914年）。年）。 （a） （b） 02 圖圖3 （a）Bragg 父子父子 （b）NaCl晶體及模型晶體及模型 1913-19141913-1914年，英國物理學(xué)家年，英國物理學(xué)家BraggBragg父子利用父子利用X X射線成功測定射線成功測定了了NaClNaCl晶體的結(jié)構(gòu)并提出了晶體的結(jié)構(gòu)并提出了BraggBragg方程，共同獲得方程，共同獲得19151915年的年的諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾物理學(xué)獎。 （a） （b） n2dsin 03 19531953年，英國科學(xué)家沃森等利用年，英國科學(xué)家沃森等利用X X射線衍射技術(shù)成功揭示了射線衍射技術(shù)成功

3、揭示了DNADNA分子具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，獲得了分子具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，獲得了19621962年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。 圖圖4 4 （a a）DNADNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者克里克和沃森結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者克里克和沃森 （b b）DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu) （a） （b） 04 19531953年，年，ZieglerZiegler和和NattaNatta借助借助X X射線晶體結(jié)構(gòu)分析手段發(fā)明射線晶體結(jié)構(gòu)分析手段發(fā)明了可實(shí)現(xiàn)了可實(shí)現(xiàn) 烯烴定向聚合的烯烴定向聚合的Ziegler-NattaZiegler-Natta催化劑，有力促催化劑，有力促進(jìn)了塑料、橡膠的工業(yè)化應(yīng)用。獲進(jìn)了塑料、橡膠的工業(yè)化應(yīng)用。獲19621

4、962年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。 （a） （b） （c） 05 自勞厄證實(shí)了自勞厄證實(shí)了X X射線衍射效應(yīng)以及射線衍射效應(yīng)以及BraggBragg父子提出父子提出BraggBragg方程方程 以來，以來，X X射線衍射分析技術(shù)至今已有顯著發(fā)展，已成為固體射線衍射分析技術(shù)至今已有顯著發(fā)展，已成為固體晶體結(jié)構(gòu)分析的最重要而基本的測試手段，廣泛應(yīng)用于：晶體結(jié)構(gòu)分析的最重要而基本的測試手段，廣泛應(yīng)用于： l 化學(xué)領(lǐng)域；化學(xué)領(lǐng)域； l 材料的制備、改性及加工領(lǐng)域；材料的制備、改性及加工領(lǐng)域； l 礦物成份分析；礦物成份分析； l 生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；l 其他領(lǐng)域；其他領(lǐng)域； 06 圖圖

5、6 X射線管結(jié)構(gòu)及射線管結(jié)構(gòu)及X射線產(chǎn)生過程示意圖射線產(chǎn)生過程示意圖 在陰極和陽極間通在陰極和陽極間通以高壓電場，高溫以高壓電場，高溫下由陰極發(fā)射的自下由陰極發(fā)射的自由電子經(jīng)聚焦、加由電子經(jīng)聚焦、加速后以一定方向撞速后以一定方向撞擊陽極表面，部分擊陽極表面，部分動能轉(zhuǎn)為熱能，另動能轉(zhuǎn)為熱能，另一轉(zhuǎn)化為一轉(zhuǎn)化為X X 射線加射線加以收集。以收集。 07 （a） （b） 圖圖7 （a）X射線管射線管 （b）X射線管旋轉(zhuǎn)陽極金屬靶（鎢）射線管旋轉(zhuǎn)陽極金屬靶（鎢） 陽極靶通常由傳熱性能好且陽極靶通常由傳熱性能好且熔點(diǎn)高的金屬材料制成，如熔點(diǎn)高的金屬材料制成，如銅、鈷、鎳、鐵、鉬等。銅、鈷、鎳、鐵、鉬等

6、。 08 圖圖8 金屬陶瓷金屬陶瓷X射線管射線管 X X射線管是射線管是X X射線機(jī)最射線機(jī)最重要的部件之一，目重要的部件之一，目前常用的前常用的 X X射線管均射線管均為封閉式電子為封閉式電子 X X射線射線管，大功率管，大功率 X X射線機(jī)射線機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)陽極一般采用旋轉(zhuǎn)陽極 X X射線管。射線管。 09 X X 射線的屬性是一種電磁波，其波長范圍為射線的屬性是一種電磁波，其波長范圍為1010-2-210102 2 埃，埃，介于紫外線與介于紫外線與 射線之間。射線之間。 10 h(1)h(2)h12.4/(3)EPcE為為X X射線的能量；射線的能量；為為X X射線的頻率；射線的頻率；

7、為為X X射線的動量；射線的動量； 為為X X射線射線的波長；的波長； 為為X X射線的波射線的波速；速； 為普朗克常數(shù)；為普朗克常數(shù)； EPchX X 射線與其他電磁波一樣，具有波粒二象性，可看作為具射線與其他電磁波一樣，具有波粒二象性，可看作為具有一定能量有一定能量E E、動量、動量P P、質(zhì)量、質(zhì)量m m 的的X X 射線光子流。射線光子流。 11 X X 射線的性質(zhì)與可見光有著非常大的區(qū)別，表現(xiàn)于：射線的性質(zhì)與可見光有著非常大的區(qū)別，表現(xiàn)于： l X X 射線可以穿透可見光不能穿透的物體；射線可以穿透可見光不能穿透的物體；l X X 射線始終沿直線傳播，不受電場、磁場影響；射線始終沿直

8、線傳播，不受電場、磁場影響；l X X 射線肉眼無法察覺，但能使照相底片感光；射線肉眼無法察覺，但能使照相底片感光； l X X 射線能夠殺死生物細(xì)胞或組織。射線能夠殺死生物細(xì)胞或組織。 12 50 kV 40 kV 30 kV 20 kV X射線相對強(qiáng)度 圖圖9 不同加速電壓下由金屬鎢產(chǎn)生的連續(xù)不同加速電壓下由金屬鎢產(chǎn)生的連續(xù)X射線譜射線譜 在高能電子束與陽極靶在高能電子束與陽極靶撞擊過程，由于不同電撞擊過程，由于不同電子的運(yùn)動狀況、撞擊條子的運(yùn)動狀況、撞擊條件等存在差異，導(dǎo)致所件等存在差異，導(dǎo)致所產(chǎn)生的產(chǎn)生的X X 射線波長不一射線波長不一，最終形成波長連續(xù)分，最終形成波長連續(xù)分布的連續(xù)布

9、的連續(xù)X X射線。射線。 13 maxminmin2minhh(4)h(5)111() (6)ceVceVIC Z為電子電荷；為電子電荷； 為加速電壓；為加速電壓； 為普朗克常數(shù)；為普朗克常數(shù)； 為輻射頻率；為輻射頻率； 為光速；為光速； 為短波限；為短波限； 為常數(shù)；為常數(shù)；為陽極原子序數(shù)；為陽極原子序數(shù)； eVhcminCZ連續(xù)連續(xù)X X射線譜可以經(jīng)驗(yàn)方程式（射線譜可以經(jīng)驗(yàn)方程式（6 6）進(jìn)行描述；式中）進(jìn)行描述；式中X X射線射線的短波限可由加速電壓和電子電量通過式（的短波限可由加速電壓和電子電量通過式（5 5）求得。）求得。 14 o/ AI KK由于陽極靶物質(zhì)原由于陽極靶物質(zhì)原子核外

10、層子核外層 K K電子被電子被高能電子撞出，形高能電子撞出，形成空位后高能級電成空位后高能級電子進(jìn)行補(bǔ)充，剩余子進(jìn)行補(bǔ)充，剩余能量以能量以 X X射線形式射線形式釋放，最終形成特釋放，最終形成特征征 X X射線，具有單射線，具有單一分布的波長。一分布的波長。 圖圖10 Mo靶靶X射光管產(chǎn)生的特征射光管產(chǎn)生的特征X射線譜（射線譜（39kV） 15 2121242n222nnnn22122e ()(7)h n11hR h () ()(8)nnmZEEEc Z為為n n層電子的能量；層電子的能量； 為電子的質(zhì)量；為電子的質(zhì)量； 為電子的電荷；為電子的電荷； 為主量子數(shù)；為主量子數(shù)； nEmen為原子

11、序數(shù)；為原子序數(shù)； 為屏蔽常數(shù)；為屏蔽常數(shù)； 為里德伯常數(shù)；為里德伯常數(shù)； 為光速；為光速； ZRc特征特征X X射線的頻率可由式（射線的頻率可由式（8 8）進(jìn)行描述，其波長與原）進(jìn)行描述，其波長與原子序數(shù)及核外量子數(shù)有關(guān)，具有特征性。子序數(shù)及核外量子數(shù)有關(guān)，具有特征性。 16 入射X射線 散射X射線 電子 熒光X射線 穿透X射線 熱 x 圖圖11 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 X X 射線與物質(zhì)的相射線與物質(zhì)的相互作用包括散射和互作用包括散射和吸收兩部分。其中吸收兩部分。其中散射包括相干和不散射包括相干和不相干兩類；吸收由相干兩類；吸收由光電效應(yīng)引起。光電效應(yīng)引起。 17 o/

12、 A （a） （b） 圖圖12 Cu靶靶X射線譜線示意圖射線譜線示意圖 ：（：（a）濾波前；（）濾波前；（b）經(jīng)）經(jīng)Ni濾波后濾波后 其中，其中， 和和 為穿透為穿透前后前后X射線的強(qiáng)度，射線的強(qiáng)度， 為樣品線吸收系數(shù)，為樣品線吸收系數(shù)， 為樣品厚度。為樣品厚度。 01exp() (9)IIx0II1x為進(jìn)行為進(jìn)行X 射線衍射分析射線衍射分析的需要，通常利用吸收的需要，通常利用吸收限性質(zhì)選擇合適濾波材限性質(zhì)選擇合適濾波材料，過濾料，過濾X 射線連續(xù)譜射線連續(xù)譜獲得單色獲得單色X 射線。射線。 18 當(dāng)當(dāng)X 射線以特定方向入射某晶射線以特定方向入射某晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，在其背面底片上產(chǎn)體結(jié)構(gòu)時(shí)，在其背面

13、底片上產(chǎn)生有規(guī)律分布的衍射斑點(diǎn)，稱生有規(guī)律分布的衍射斑點(diǎn)，稱該現(xiàn)象為該現(xiàn)象為X射線衍射。射線衍射。 X射線衍射花樣 石英晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 19 圖圖13 一維原子列的衍射示意圖一維原子列的衍射示意圖 a0SSOPQRcos - cos = H (10)(H = 0, 1, 2.)aa為原子間距；為原子間距； 為為X射線波長；射線波長；為入射為入射X射線夾角；射線夾角；為散射為散射X射線夾角；射線夾角； a當(dāng)相鄰原子的散射當(dāng)相鄰原子的散射X射線射線光程差等于入射光程差等于入射X射線波射線波長整數(shù)倍時(shí)發(fā)生衍射。長整數(shù)倍時(shí)發(fā)生衍射。 20 (coscos )(coscos )(11)(coscos )a

14、HbKcL000()()(12)()a SSHb SSKc SSL為為X軸晶體點(diǎn)陣間距；軸晶體點(diǎn)陣間距； 為為Y軸晶體點(diǎn)陣間距；軸晶體點(diǎn)陣間距； 為為Z軸晶體點(diǎn)陣間距；軸晶體點(diǎn)陣間距； 為入射線與為入射線與X軸夾角；軸夾角；為入射線與為入射線與Y軸夾角；軸夾角；為入射線與為入射線與Z軸夾角；軸夾角；為衍射線與為衍射線與X軸夾角；軸夾角；為衍射線與為衍射線與Y軸夾角；軸夾角；為衍射線與為衍射線與Z軸夾角；軸夾角； abc 21 S S0 圖圖14 面網(wǎng)反射面網(wǎng)反射X射線的條件射線的條件 2 sinn(13)(n0,1,2.)d為晶面間距；為晶面間距； 為為入射線夾角入射線夾角； 為入射線波長；為

15、入射線波長； d當(dāng)相鄰晶面產(chǎn)生的反射線當(dāng)相鄰晶面產(chǎn)生的反射線光程差等于入射線波長的光程差等于入射線波長的整數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生衍射。整數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生衍射。 晶面 22 sin1n1sin1nsin(2)2ndd只有當(dāng)入射線波長小于晶只有當(dāng)入射線波長小于晶最大面間距的兩倍時(shí)，才最大面間距的兩倍時(shí)，才可能滿足衍射條件。可能滿足衍射條件。 S S0 晶面 23 S S0 晶面 123nsin1 / 2sin2/ 2sin3 / 2.sinn/ 22dsin/2d /ddddn=當(dāng)當(dāng) 與與 確定后，衍射級確定后，衍射級數(shù)數(shù) 隨之確定，只有在若隨之確定，只有在若干角度干角度 才能產(chǎn)生衍射。才能產(chǎn)生衍射。 dn 24

16、S S0 晶面 hklHKLhklHKL2(d/ n)sind/ n2sin(14)dd為簡化布拉格方程，引入假為簡化布拉格方程，引入假想晶面（想晶面（HKLHKL），其面間距），其面間距為實(shí)際晶面（為實(shí)際晶面（hklhkl）的）的1/n1/n，稱該類晶面為干涉面。稱該類晶面為干涉面。 25 S S0 晶面 ）222222(4LKHaSin）2222222(4cLaKHSin）22222222(4cLbKaHSin立方晶系 正方晶系 斜方晶系 26 S S0 晶面 42e02241cos (2 )() (15)2eIIm r c為入射線光強(qiáng)；為入射線光強(qiáng)； 為散射線光強(qiáng)；為散射線光強(qiáng)； 為電子

17、質(zhì)量；為電子質(zhì)量； 為電子電荷；為電子電荷；為入射、散射線夾角；為入射、散射線夾角；為散射、觀察點(diǎn)距離；為散射、觀察點(diǎn)距離； 0IeIme2r單個(gè)電子對單個(gè)電子對X 射線的散射強(qiáng)射線的散射強(qiáng)度可表示為：度可表示為： 27 42aa02 2 4aae1 cos (2 )() (16)2/2eIfImr cfA AS S0 晶面 單個(gè)原子的散射線光強(qiáng)為：單個(gè)原子的散射線光強(qiáng)為： 為原子散射線光強(qiáng)；為原子散射線光強(qiáng)； 為原子散射因數(shù)；為原子散射因數(shù)； 為單個(gè)原子散射波振幅；為單個(gè)原子散射波振幅； 為單個(gè)電子散射波振幅；為單個(gè)電子散射波振幅； aIaAeAaf 28 S S0 晶面 22cei(17)

18、e(18)hk lhklhklhklINFIFF含含N N個(gè)晶胞的晶體散射強(qiáng)度：個(gè)晶胞的晶體散射強(qiáng)度： 為晶體總散射強(qiáng)度；為晶體總散射強(qiáng)度； 為晶體內(nèi)晶胞數(shù)量；為晶體內(nèi)晶胞數(shù)量； 衍射衍射 hkl 結(jié)構(gòu)因子；結(jié)構(gòu)因子； 為單個(gè)電子散射光強(qiáng)；為單個(gè)電子散射光強(qiáng)；為散射線束周相相差；為散射線束周相相差； cINhklFeIhkl 29 2 /I衍射峰 圖圖15 X射線衍射譜射線衍射譜 橫坐標(biāo)：衍射角橫坐標(biāo)：衍射角 ；縱坐標(biāo)：衍射強(qiáng)度縱坐標(biāo)：衍射強(qiáng)度 ；譜譜 峰：衍射峰；峰：衍射峰； 2I某特定樣品的衍射強(qiáng)度隨某特定樣品的衍射強(qiáng)度隨衍射角度的變化關(guān)系曲線衍射角度的變化關(guān)系曲線稱為稱為X射線衍射譜。射

19、線衍射譜。 30 X射線衍射儀射線衍射儀由由X 射線發(fā)生射線發(fā)生器、衍射測角器、衍射測角儀、輻射探測儀、輻射探測器、測量電路器、測量電路及記錄分析系及記錄分析系統(tǒng)等組成。統(tǒng)等組成。 31 X射線衍射儀射線衍射儀由由X 射線發(fā)生射線發(fā)生器、衍射測角器、衍射測角儀、輻射探測儀、輻射探測器、測量電路器、測量電路及記錄分析系及記錄分析系統(tǒng)等組成。統(tǒng)等組成。 32 X射線衍射儀射線衍射儀由由X 射線發(fā)生射線發(fā)生器、衍射測角器、衍射測角儀、輻射探測儀、輻射探測器、測量電路器、測量電路及記錄分析系及記錄分析系統(tǒng)等組成。統(tǒng)等組成。 X 射線衍射儀外形結(jié)構(gòu) 33 固定陽極X射線管 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極靶 X 射線發(fā)

20、生器通常是指射線發(fā)生器通常是指X 射射線管，其作用是提供一定波線管，其作用是提供一定波長范圍的特征長范圍的特征X 射線譜。射線譜。 34 圖圖16 MSAL石墨彎晶單色器石墨彎晶單色器 由于由于 X射線管產(chǎn)生的射線管產(chǎn)生的 X射線通常含有連續(xù)射線通常含有連續(xù) X射射線，其波長呈一定范圍線，其波長呈一定范圍分布，為得到單一波長分布，為得到單一波長的單色的單色X 射線，需利用射線，需利用單色器進(jìn)行過濾。單色器進(jìn)行過濾。 35 圖圖17 測角儀示意圖測角儀示意圖 測角儀內(nèi)外圓可分別測角儀內(nèi)外圓可分別繞中心軸轉(zhuǎn)動；測試?yán)@中心軸轉(zhuǎn)動；測試過程樣品臺固定于測過程樣品臺固定于測角儀內(nèi)圓，通過圓周角儀內(nèi)圓，通

21、過圓周轉(zhuǎn)動改變?nèi)肷渚€的入轉(zhuǎn)動改變?nèi)肷渚€的入射角；計(jì)數(shù)器固定于射角；計(jì)數(shù)器固定于外圓，與樣品轉(zhuǎn)動同外圓，與樣品轉(zhuǎn)動同步測定對應(yīng)角度上的步測定對應(yīng)角度上的衍射強(qiáng)度。衍射強(qiáng)度。 36 測角儀內(nèi)外圓可分別測角儀內(nèi)外圓可分別繞中心軸轉(zhuǎn)動；測試?yán)@中心軸轉(zhuǎn)動；測試過程樣品臺固定于測過程樣品臺固定于測角儀內(nèi)圓，通過圓周角儀內(nèi)圓，通過圓周轉(zhuǎn)動改變?nèi)肷渚€的入轉(zhuǎn)動改變?nèi)肷渚€的入射角；計(jì)數(shù)器固定于射角；計(jì)數(shù)器固定于外圓，與樣品轉(zhuǎn)動同外圓，與樣品轉(zhuǎn)動同步測定對應(yīng)角度上的步測定對應(yīng)角度上的衍射強(qiáng)度。衍射強(qiáng)度。 圖圖18 測角儀系統(tǒng)實(shí)圖測角儀系統(tǒng)實(shí)圖 37 其作用是接收樣品其作用是接收樣品產(chǎn)生的衍射線強(qiáng)度產(chǎn)生的衍射線強(qiáng)度，

22、通常將其轉(zhuǎn)化為，通常將其轉(zhuǎn)化為電信號；常用的探電信號；常用的探測器有閃爍計(jì)數(shù)器測器有閃爍計(jì)數(shù)器、正比計(jì)數(shù)器等。、正比計(jì)數(shù)器等。 晶體晶體 38 其作用是接收樣品其作用是接收樣品產(chǎn)生的衍射線強(qiáng)度產(chǎn)生的衍射線強(qiáng)度，通常將其轉(zhuǎn)化為，通常將其轉(zhuǎn)化為電信號；常用的探電信號；常用的探測器有閃爍計(jì)數(shù)器測器有閃爍計(jì)數(shù)器、正比計(jì)數(shù)器等。、正比計(jì)數(shù)器等。 高壓接頭高壓接頭 39 40 圖圖19 D2CRYSO XRD 儀儀 配備有先進(jìn)的配備有先進(jìn)的 X射線發(fā)生射線發(fā)生裝置和探測系統(tǒng)，運(yùn)用先裝置和探測系統(tǒng)，運(yùn)用先進(jìn)的能量分散進(jìn)的能量分散 X射線衍射射線衍射技術(shù)，非常適合進(jìn)行各類技術(shù)，非常適合進(jìn)行各類晶體的取向分析。

23、晶體的取向分析。 41 圖圖20 D2 PHASER - Desktop XRD 儀儀 一款小型、臺式、結(jié)構(gòu)一款小型、臺式、結(jié)構(gòu)緊湊的緊湊的 X射線衍射儀，射線衍射儀，具有先進(jìn)的分析軟件及具有先進(jìn)的分析軟件及探測系統(tǒng)，適合于工業(yè)探測系統(tǒng)，適合于工業(yè)礦物、地質(zhì)、化學(xué)、藥礦物、地質(zhì)、化學(xué)、藥物及教學(xué)等領(lǐng)域。物及教學(xué)等領(lǐng)域。 42 圖圖21 D4 ENDEAVOR XRD 儀儀 具有先進(jìn)的一維探測系具有先進(jìn)的一維探測系統(tǒng)，利用粉末衍射技術(shù)統(tǒng)，利用粉末衍射技術(shù)可進(jìn)行多晶可進(jìn)行多晶X 射線衍射射線衍射分析，廣泛應(yīng)用于水泥分析，廣泛應(yīng)用于水泥、地質(zhì)、藥物、化學(xué)等、地質(zhì)、藥物、化學(xué)等諸多領(lǐng)域。諸多領(lǐng)域。 4

24、3 圖圖22 D8 Focus XRD 儀儀 通過性能優(yōu)化，具有先通過性能優(yōu)化，具有先進(jìn)硬件、軟件系統(tǒng)，尤進(jìn)硬件、軟件系統(tǒng)，尤其適合于粉末衍射分析其適合于粉末衍射分析，可根據(jù)實(shí)際需要選擇，可根據(jù)實(shí)際需要選擇探測系統(tǒng)及分析軟件，探測系統(tǒng)及分析軟件，適用于多用戶的實(shí)驗(yàn)室適用于多用戶的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。環(huán)境。 44 圖圖23 D8 ADVANCE with DAVINCI XRD 儀儀 具有很廣的通用性，幾具有很廣的通用性，幾乎可滿足各種類型的粉乎可滿足各種類型的粉末衍射分析需要，具有末衍射分析需要，具有操作安全、簡便、適用操作安全、簡便、適用范圍寬等突出優(yōu)點(diǎn)。范圍寬等突出優(yōu)點(diǎn)。 45 圖圖24 The

25、New D8 DISCOVER XRD 儀儀 借助實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)以及借助實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)以及即插即用技術(shù)，使得該即插即用技術(shù)，使得該款儀器非常方便于在不款儀器非常方便于在不同分析目的間進(jìn)行切換同分析目的間進(jìn)行切換包括：反射、高倍衍射包括：反射、高倍衍射、小角、小角 X射線散射以及射線散射以及殘余應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)研殘余應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)研究等等。究等等。 46 圖圖25 X-ray Metrology with the D8 FABLINE 由于由于X射線衍射分析具射線衍射分析具有非破壞性、精確且可有非破壞性、精確且可靠，而且可以提供材料靠，而且可以提供材料納米尺度上的關(guān)鍵性結(jié)納米尺度上的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)信息，因

26、此在半導(dǎo)體構(gòu)信息，因此在半導(dǎo)體工業(yè)或研究領(lǐng)域具有顯工業(yè)或研究領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢和意義。該儀著的優(yōu)勢和意義。該儀器非常適合于半導(dǎo)體加器非常適合于半導(dǎo)體加工制備過程中的在線結(jié)工制備過程中的在線結(jié)構(gòu)監(jiān)控和分析。構(gòu)監(jiān)控和分析。 47 圖圖26 D8 DISCOVER with GADDS 可采用多種樣品形態(tài)進(jìn)可采用多種樣品形態(tài)進(jìn)行多類型分析，包括小行多類型分析，包括小角度角度 X射線散射和射線散射和 X射射線衍射分析；關(guān)鍵硬件線衍射分析；關(guān)鍵硬件主要有：激光排樣體系主要有：激光排樣體系以及自主創(chuàng)新的以及自主創(chuàng)新的 HI-ST RA探測系統(tǒng)。探測系統(tǒng)。 48 圖圖27 NANOSTAR XRD 儀儀 納

27、米材料的制納米材料的制備及研究是材備及研究是材料領(lǐng)域的重要料領(lǐng)域的重要前沿，利用前沿，利用X射線衍射技術(shù)射線衍射技術(shù)可以分析納米可以分析納米結(jié)構(gòu)信息。該結(jié)構(gòu)信息。該儀器適用于納儀器適用于納米材料的結(jié)構(gòu)米材料的結(jié)構(gòu)分析與評價(jià)。分析與評價(jià)。 49 運(yùn)用超級快速理論提運(yùn)用超級快速理論提供高功率的供高功率的 X射線源射線源，該儀器非常適合于，該儀器非常適合于尺度處于尺度處于10 um 左右左右的樣品衍射分析。此的樣品衍射分析。此外該儀器借助先進(jìn)的外該儀器借助先進(jìn)的探測系統(tǒng)使高端可以探測系統(tǒng)使高端可以獲得精確全面的數(shù)據(jù)獲得精確全面的數(shù)據(jù)結(jié)果。結(jié)果。 圖圖28 SUPER SPEED SOLUTIONS

28、XRD 儀儀 50 可沿著可沿著XYZ三維進(jìn)行三維進(jìn)行靈活移動，同時(shí)提供靈活移動，同時(shí)提供靈活多樣的樣品支座靈活多樣的樣品支座，適合于各類樣品的，適合于各類樣品的X 射線衍射分析。射線衍射分析。 圖圖29 Motorized XYZ sample stage 51 可沿兩個(gè)不同中心軸可沿兩個(gè)不同中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可沿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可沿Z 軸移動，可安裝于軸移動，可安裝于各類各類 X射線衍射儀用射線衍射儀用于樣品衍射分析。于樣品衍射分析。 圖圖30 Compact Eulerian cradle 52 p 高穩(wěn)定性的高穩(wěn)定性的X射線發(fā)生器；射線發(fā)生器； p 測角儀（臥式或立式）；測角儀（臥式或

29、立式）； p X射線強(qiáng)度測量系統(tǒng)；射線強(qiáng)度測量系統(tǒng)； p 操作分析系統(tǒng)及應(yīng)用分析軟件包；操作分析系統(tǒng)及應(yīng)用分析軟件包； 53 l 額定功率：額定功率：3KW3KW；l X射線管電壓：射線管電壓：101060KV 1KV/step60KV 1KV/step；l X射線管電流：射線管電流：5 580mA 1mA/step80mA 1mA/step；l X射線管配置：射線管配置：Cu Cu 靶衍射管；靶衍射管； l 穩(wěn)定度：穩(wěn)定度：0.01%0.01%； l 管電壓和管電流：手動設(shè)定或程序控制；管電壓和管電流：手動設(shè)定或程序控制；l 高壓電纜：高壓電纜：100KV 100KV 介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度, ,

30、長度長度2 2米；米；l 保護(hù)及報(bào)警裝置；保護(hù)及報(bào)警裝置； 高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性 X射線發(fā)生器：射線發(fā)生器： 54 l 測角儀方式：臥式或垂直；測角儀方式：臥式或垂直； l 掃描半徑：掃描半徑： 185 mm185 mm； l 掃描范圍（掃描范圍（22）：）：0 0o o-164-164o o；-60 -60 o o-160-160o o； l 掃描速度范圍：掃描速度范圍：0.60.6o o-76.2-76.2o o/min; /min; l 掃描方式：掃描方式： 連續(xù)或步進(jìn)掃描連續(xù)或步進(jìn)掃描; ; l 最小步進(jìn)角度：最小步進(jìn)角度：0.0010.001; ; l 角重復(fù)精度：角重復(fù)精度：0.001

31、0.001; ; l 測量精度：測量精度：0.0050.005; ; 測角儀規(guī)格：測角儀規(guī)格： 55 探測器規(guī)格：探測器規(guī)格： l 類型：閃爍計(jì)數(shù)器；類型：閃爍計(jì)數(shù)器； l 晶體：晶體：NaINaI； l 最大線性計(jì)數(shù)器：最大線性計(jì)數(shù)器：500,000CPS500,000CPS； l 噪聲：噪聲：10CPS10CPS； l 能譜分辨率：能譜分辨率：25%25%（PCPC）；）；60%60%（SCSC）；）； l 計(jì)數(shù)方式：微分或積分方式；計(jì)數(shù)方式：微分或積分方式； 56 平板照相法是平板照相法是 X射線照相射線照相法中最基本的類型。通常法中最基本的類型。通常采用平面底片相機(jī)進(jìn)行拍采用平面底片相

32、機(jī)進(jìn)行拍攝。入射攝。入射 X射線經(jīng)針孔狹射線經(jīng)針孔狹縫后輻照樣品，所得散射縫后輻照樣品，所得散射線與底片接觸、感光后在線與底片接觸、感光后在底片上可形成一定形狀的底片上可形成一定形狀的衍射花樣。衍射花樣。 57 對于無規(guī)取向結(jié)晶高聚物，采用特征對于無規(guī)取向結(jié)晶高聚物，采用特征X射線進(jìn)行輻照，將射線進(jìn)行輻照，將形成衍射圓錐，最終在底片上形成連續(xù)的衍射同心圓環(huán)。形成衍射圓錐，最終在底片上形成連續(xù)的衍射同心圓環(huán)。 58 根據(jù)布拉格公式，從平板照相底片圓環(huán)半徑等參數(shù)，可粗根據(jù)布拉格公式，從平板照相底片圓環(huán)半徑等參數(shù)，可粗略計(jì)算得聚合物晶體點(diǎn)陣面間距略計(jì)算得聚合物晶體點(diǎn)陣面間距 大?。捍笮。?XL212

33、arctan() (18)22(19)122sin arctan()22XLdXL其中，其中， 為半圓錐角；為半圓錐角； 為為衍射環(huán)半徑；衍射環(huán)半徑； 為樣品至底為樣品至底片距離；片距離； 為入射線波長；為入射線波長； 2XLd 59 對于單軸取向的結(jié)晶聚合物樣品，由于樣品取向，連續(xù)對對于單軸取向的結(jié)晶聚合物樣品，由于樣品取向，連續(xù)對稱的衍射圓環(huán)在平面底片上將退化為弧，直至成為斑點(diǎn)。稱的衍射圓環(huán)在平面底片上將退化為弧，直至成為斑點(diǎn)。 60 對于粉末樣品，可將樣品對于粉末樣品，可將樣品壓入樣品架孔內(nèi)；如果是壓入樣品架孔內(nèi)；如果是塊狀樣品，可用刀片切取塊狀樣品，可用刀片切取小片試樣；對于纖維狀樣小

34、片試樣；對于纖維狀樣品，可將其平行纏繞或粘品，可將其平行纏繞或粘于樣品框架上。于樣品框架上。 61 22采用德拜相機(jī)進(jìn)行，由圓采用德拜相機(jī)進(jìn)行，由圓筒形外殼、試樣架、光闌筒形外殼、試樣架、光闌和承光管等部分組成。采和承光管等部分組成。采用特征用特征 X射線輻照位于中射線輻照位于中心軸線上的樣品，產(chǎn)生的心軸線上的樣品，產(chǎn)生的衍射線由四周的底片進(jìn)行衍射線由四周的底片進(jìn)行感光記錄。感光記錄。 62 22與平板照相法相比，德拜與平板照相法相比，德拜照相法不但能記錄透射區(qū)照相法不但能記錄透射區(qū)的衍射，而且也能記錄背的衍射，而且也能記錄背射區(qū)的衍射。此外，在已射區(qū)的衍射。此外，在已知圓形外殼直徑下，只要知

35、圓形外殼直徑下，只要知道底片上衍射環(huán)的距離知道底片上衍射環(huán)的距離即可很方便確定圓心角。即可很方便確定圓心角。 63 其中：其中： 為相機(jī)半徑；為相機(jī)半徑； 為某一對衍射線間距。為某一對衍射線間距。 2221804()()90R2sinLRLdR2L 64 65 德拜照相法所得衍射花樣呈衍射圓弧對形式出現(xiàn)，由衍射德拜照相法所得衍射花樣呈衍射圓弧對形式出現(xiàn)，由衍射圓錐與底片相交所得，代表某一等同晶面族的反射。圓錐與底片相交所得，代表某一等同晶面族的反射。 66 2 X 射線衍射射線衍射儀法也稱計(jì)儀法也稱計(jì)數(shù)器法、衍數(shù)器法、衍射曲線法或射曲線法或掃描法。具掃描法。具有測量快速有測量快速、記錄準(zhǔn)確、記

36、錄準(zhǔn)確的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 67 塊狀樣品一般首先研磨成均勻粉末，然后在金屬模框內(nèi)擠塊狀樣品一般首先研磨成均勻粉末，然后在金屬模框內(nèi)擠壓成片；板狀或薄膜樣品測試前切成小條直接固定于樣品壓成片；板狀或薄膜樣品測試前切成小條直接固定于樣品夾上；纖維狀樣品可纏繞或粘結(jié)于樣品框架上進(jìn)行測試。夾上；纖維狀樣品可纏繞或粘結(jié)于樣品框架上進(jìn)行測試。 68 2I低分子完善晶體的XRD曲線圖中每個(gè)衍射峰均非常尖圖中每個(gè)衍射峰均非常尖銳，表明樣品具有嚴(yán)格的銳，表明樣品具有嚴(yán)格的三維周期性晶格結(jié)構(gòu)，如三維周期性晶格結(jié)構(gòu)，如由低分子晶體樣品。由低分子晶體樣品。 三維介孔ZnO粒子及其前驅(qū)體的XRD譜圖 69 2I結(jié)晶型聚合

37、物的XRD曲線 圖中各衍射峰總體較尖銳圖中各衍射峰總體較尖銳，但較低分子晶體的衍射，但較低分子晶體的衍射峰明顯變寬，代表結(jié)晶能峰明顯變寬，代表結(jié)晶能力較強(qiáng)的聚合物樣品。力較強(qiáng)的聚合物樣品。 HDPE/水滑石納米復(fù)合材料的XRD曲線 70 2I低結(jié)晶度聚合物的XRD曲線 結(jié)晶衍射峰的尖銳程度進(jìn)結(jié)晶衍射峰的尖銳程度進(jìn)一步下降，一般僅在低衍一步下降，一般僅在低衍射區(qū)有較尖銳的衍射峰而射區(qū)有較尖銳的衍射峰而高衍射區(qū)峰較平坦，代表高衍射區(qū)峰較平坦，代表低結(jié)晶度的聚合物。低結(jié)晶度的聚合物。 71 2I非晶聚合物的XRD曲線 圖中沒有尖銳衍射峰，僅圖中沒有尖銳衍射峰，僅有一個(gè)平坦的有一個(gè)平坦的“鈍衍射峰鈍衍

38、射峰”，代表非晶聚合物，如聚，代表非晶聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等等。烯等等。 72 2I半結(jié)晶聚合物的XRD曲線 圖中含有尖銳衍射峰的同圖中含有尖銳衍射峰的同時(shí)含有時(shí)含有“鈍衍射峰鈍衍射峰”，譜，譜圖同時(shí)具備結(jié)晶、非晶譜圖同時(shí)具備結(jié)晶、非晶譜圖的特征，代表半結(jié)晶型圖的特征，代表半結(jié)晶型聚合物。聚合物。 73 2I (P)2最大值法：最大值法： 以衍射峰表觀最大強(qiáng)度以衍射峰表觀最大強(qiáng)度處處 P點(diǎn)所對應(yīng)的衍射角點(diǎn)所對應(yīng)的衍射角 作為峰位置。作為峰位置。 2 74 2I (P)2切線法：切線法： 以衍射峰兩側(cè)切線的交以衍射峰兩側(cè)切線的交點(diǎn)點(diǎn)P所對應(yīng)的衍射角所對應(yīng)的衍

39、射角 作為峰的位置。作為峰的位置。 2 75 2I (P)2弦中點(diǎn)法：弦中點(diǎn)法： 分別于最大吸收強(qiáng)度的分別于最大吸收強(qiáng)度的1/2、2/3、3/4處的弦中處的弦中點(diǎn)連線與峰交點(diǎn)點(diǎn)連線與峰交點(diǎn) P所對所對應(yīng)的衍射角應(yīng)的衍射角 為峰的為峰的位置。位置。 21/2 2/3 3/4 76 101520253035404550 101520253035404550 4.130 3.7152.969 2.474 2.271 2.2092.105 HDPE 4.141 3.742 2.482 LDPE 2 /( )2/ ( )兩圖中均同時(shí)存在尖銳的結(jié)晶峰和非晶態(tài)漫射峰，表明兩兩圖中均同時(shí)存在尖銳的結(jié)晶峰和非晶態(tài)漫射峰，表明兩體系內(nèi)均為晶態(tài)與非晶態(tài)共存；但與體系內(nèi)均為晶態(tài)與非晶態(tài)共存；但與LDPE比，比，HDPE圖中圖中銳峰強(qiáng)度明顯更高，表明具有更強(qiáng)的結(jié)晶能力。銳峰強(qiáng)度明顯更高，表明具有更強(qiáng)的結(jié)晶能力。 77 I 2無規(guī)1, 4聚丁二烯 順式1,4聚丁二烯 I 2 反式1,4聚丁二烯 I 2 無規(guī)1,2聚丁二烯 2 I 等規(guī)1,2聚丁二烯 2I 間規(guī)1,2聚丁二烯 2I 聚丁二烯具有多種不同的鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致具有完全不同的