實(shí)驗十X射線衍射技術(shù)

實(shí)驗十二X射線射技術(shù)材料、能源和信息被公認(rèn)為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的三大支柱，而各種新材料的開發(fā)與研制則是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵．X射線衍射技術(shù)是研究材料科學(xué)的重要手段之一原是物理學(xué)的一個分支近80年來在理論、設(shè)備、方法及應(yīng)用上都有迅速的發(fā)展，而且已滲透到物理、化學(xué)、生命科學(xué)、地球科學(xué)、材料科學(xué)及工程技術(shù)等各個領(lǐng)域．最近十余年來，由于新的射線源和輻射探測設(shè)備的相繼出現(xiàn)，相關(guān)理論、實(shí)驗方法的發(fā)展，以及高速度、大容量計算機(jī)的應(yīng)用，使得這門古老的學(xué)科又獲得了新的生命，其相應(yīng)X射線衍射技術(shù)的實(shí)用性和重要性也愈加被人們所認(rèn)識．一、驗?zāi)康?、掌握X射線衍射的基本原理以及利用X射線衍射進(jìn)行物相分析的基本方法。2、掌握型X射線衍射儀的基本使用方法。二、驗原理1、X射線的性質(zhì)1895年11月8日德國維爾茨堡大學(xué)倫琴教授在做陰極射線實(shí)驗時，發(fā)現(xiàn)了一種新的射線—X射線．為此，1901年倫琴榮獲首屆諾貝爾物理獎．倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，1912年德國慕尼黑大學(xué)物理學(xué)家勞厄等利用晶體作為產(chǎn)生X射線衍射的光柵，使入射的X射線經(jīng)過晶體后發(fā)生衍射，證實(shí)了射線與無線電波、可見光和射線等其他各種高能射線無本質(zhì)上的區(qū)別，也是一種電磁波，只是波長很短而已X射線的波長在

-2

～10

2

?衍射工作中使用的X射線波長通常在l?左右，圖1為常用的X射線管結(jié)構(gòu)示意圖陰極(燈絲)和陽極(靶)兩極間加高壓，使陰極發(fā)射的電子加速射向陽極，則在轟擊處產(chǎn)生X射線，轟擊的面積稱為焦點(diǎn)，而經(jīng)X射線管出射的X射線束與靶面成一定的角度(為30～60)．由X射線管發(fā)生的X射線可以分為兩種：一種是具有連續(xù)波長的X線構(gòu)成連續(xù)X線譜。連續(xù)X射線譜是擊中了極靶的大量高能電圖1X射線管結(jié)構(gòu)示意圖

子迅速減速時產(chǎn)生的。另一種是居于特定波長的射線譜，它們疊加在連續(xù)X射線譜上，稱為標(biāo)識（或特征）X射線，標(biāo)識X射線譜是當(dāng)管壓提高到一特定電壓值以后，高能電子在轟擊陽極靶的過程中，部分具有充分動能的電子激發(fā)陽極靶金屬原子內(nèi)殼層電子躍遷所產(chǎn)生．常依波長增加的次序把標(biāo)識譜分KLM，…若干線系，分別對應(yīng)于躍遷到KLM，…殼層時輻射的X射線．2、X射線在晶體中的衍射由于X射線是波長100～?的一種電磁輻射的射線波長為2o，與晶體中的原子間距(1?)數(shù)量級相同，因此可以用晶體作為射線的天然衍射光柵，這就使得用X射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能．當(dāng)X射線沿某方向入射某一晶體時，晶體中每個原子的核外電子產(chǎn)生的相干波彼此發(fā)生干涉，當(dāng)兩個相鄰波源在某一方向的光程差△)等于波的整數(shù)倍時，它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強(qiáng)，這種波的加強(qiáng)叫做衍射，相應(yīng)的方向叫做衍射方向，在衍射方向前進(jìn)的波叫做衍射波．產(chǎn)生衍射的幾何條件可用布拉格定律來描述．圖2所示的是晶體內(nèi)部某—晶面族，晶面間距為d(hkl)。入射射線受到原子A散射的同時，另一條平行的入射X射線受到原子B射如果兩條散射線在某處為同相位，則它們的光程差△應(yīng)為入射波長的整數(shù)倍．即光程d

hkl

sin

N此時，則會產(chǎn)生干涉極大值，這就是布拉格定律．式中：X射線的波長；圖2

布拉格定律示意圖d結(jié)晶面間隔；衍射角(入射線與晶面間夾角)，稱為布拉格角N為整數(shù)，稱為干涉級次．由此可見，當(dāng)X射線入射到晶體上時，凡是滿足布拉格方程的晶面族，均會發(fā)生干涉性反射，反射射線束的方向在入射X射線和反射晶面法線的同一平面上，且反射角等于入射角．3、X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多具有重大意義的結(jié)果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922證明α、和δ鐵都是體心立方結(jié)構(gòu)，β并不是一種新相。而鐵中的α—→γ轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β硬化理論。隨后，在用X射線測定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時，在相圖測定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動了對合金中有序無序轉(zhuǎn)變的研究；

對馬氏體相變晶體學(xué)的測定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對鋁銅合金脫溶的研究等等目前X射線射(包括線散射)已經(jīng)成為研究晶體物和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面：（1物相分析物相分析是X線衍射在金屬中用得最多的方面晶體的線衍射圖像實(shí)質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)的一種精細(xì)復(fù)雜的變換，每種晶體的結(jié)構(gòu)與X線衍射圖之間都有著一一對應(yīng)的關(guān)系特征射線衍射圖譜不會因為它種物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生化，這就是X線衍射物相分析方法的依據(jù)。物相分析又分為定性分析和定量分析。定性分析是制備各種標(biāo)準(zhǔn)單相物質(zhì)的衍射花樣并使之規(guī)范化，將待分析物質(zhì)的衍射花樣與之對照，從而確定物質(zhì)的組成相，就成為物相定性分析的基本方法。定量分析則是鑒定出各個相后，根據(jù)各相花樣的強(qiáng)度正比于該組分存在的量，確定待測材料中各相的比例含量。（2點(diǎn)陣常數(shù)的精確測定點(diǎn)陣常數(shù)是晶體物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，測定點(diǎn)陣常數(shù)在研究固態(tài)相變、確定固溶體類型、測定固溶體溶解度曲線、測定熱膨脹系數(shù)等方面都得到了應(yīng)用。點(diǎn)陣常數(shù)的測定是通過X線衍射線的位置（）的測定而獲得的，通過測定衍射花樣中每一條衍射線的位置均可得出一個點(diǎn)陣常數(shù)值。（3應(yīng)力的測定X線測定應(yīng)力以衍射花樣特征的變化作為應(yīng)變的量度。宏觀應(yīng)力均勻分布在物體中較大范圍內(nèi)，產(chǎn)生的均勻應(yīng)變表現(xiàn)為該范圍內(nèi)方向相同的各晶粒中同名晶面間距變化相同，導(dǎo)致衍射線向某方向位移，這就X線測量宏觀應(yīng)力的基礎(chǔ)；微觀應(yīng)力在各晶粒間甚至一個晶粒內(nèi)各部分間彼此不同，產(chǎn)生的不均勻應(yīng)變表現(xiàn)為某些區(qū)域晶面間距增加、某些區(qū)域晶面間距減少，結(jié)果使衍射線向不同方向位移，使其衍射線漫散寬化，這是線測量微觀應(yīng)力的基礎(chǔ)。超微觀應(yīng)力在應(yīng)變區(qū)內(nèi)使原子偏離平衡位置導(dǎo)致衍射線強(qiáng)度減弱可以通過X線強(qiáng)度的變化測定超微觀應(yīng)力。三、驗儀器1產(chǎn)品型號名稱；該產(chǎn)品型號為JF―2型為X射線晶體分析儀，如圖3所示。JF―2型X線晶體分析儀是由X線發(fā)生器高壓變壓器管套高壓電纜X射線管控制匣組裝底板組裝光閘防護(hù)罩臺體水泵等組成。圖3JF-2型射衍射儀

圖4JF-2型X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4型X射衍射儀的結(jié)構(gòu)示意圖拍照系統(tǒng)由相機(jī)和通用相機(jī)架兩部分組成。該相機(jī)由相盒、光闌、樣品軸、夾片機(jī)構(gòu)放大鏡、熒光屏等部件組成。入射光闌采用分段裝配結(jié)構(gòu)，光闌孔由重元素合金銀制成，對防止熒光輻射增加底影黑度，光闌和相盒采用錐孔連接，安裝方便，重復(fù)安裝精度高，適合暗室操作。調(diào)整樣品由機(jī)殼外部調(diào)整螺旋完成，照相底片采用偏裝法裝入相盒，通過拉緊銷把底片漲緊。2用途、特點(diǎn)及適用范圍該儀器能夠提供穩(wěn)定的X射光源，用來研究物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是利用可控硅和集成電路自動控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)流，從而獲得一個較強(qiáng)而穩(wěn)定的X線光源。該儀器X射線發(fā)生器功率大、整機(jī)穩(wěn)定性高、操作簡單、可靠性高保護(hù)完善可與各種射線照相機(jī)一起構(gòu)成X射線晶體分析儀或作其它射線光源。該儀器適用于冶金、機(jī)械、電子、化工、地質(zhì)、建材、環(huán)保、能源等科研部門、工礦、企業(yè)和大專院校。四、驗內(nèi)容和驟1準(zhǔn)備（1在可見光下，用相盒外部的調(diào)整螺旋把樣品調(diào)正(即樣品軸線和相機(jī)軸線重合)；

（2在暗室里安裝照相底片，裝片時注意不要碰歪樣品，然后將裝好底片的相機(jī)安裝在通用相機(jī)架的導(dǎo)軌上，選好儀器實(shí)驗條件進(jìn)行照相；（3關(guān)閉儀器防護(hù)罩；（4調(diào)控千伏和毫安旋鈕到最小位置，即起始位置10KV，2mA)；2操作步驟（1按“低壓開”鍵，此時低壓燈亮，準(zhǔn)備燈亮，蜂鳴器鳴響；（2送水，開水泵電源、排水流暢，蜂鳴器停鳴；（3按“高壓開”鍵，此時，高壓指示燈亮，大約延時30，表開始有10KV,2mA指示；（4調(diào)整KV和mA旋鈕到要求值，注意調(diào)整時兩旋鈕數(shù)值交替、逐漸增大到實(shí)驗要求的數(shù)值KV和mA乘積不要超過射線管的功率議使用和20mA（最大在射線管功率的80％）。（5用瑩光板對好機(jī)械光路，打開光閘，進(jìn)行工作，相機(jī)拍照時間為：大相機(jī)60分鐘，小相40分；（6作完成后閉光閘慢降低千伏和毫安到起始位置2mA（7按“高壓關(guān)”鍵，此時高壓關(guān)斷，停止線發(fā)生；（8按“低壓關(guān)”鍵，此時電源關(guān)斷；（9等10分鐘后，使X光管進(jìn)一步冷卻，然后關(guān)斷水泵電源。（10）取下相機(jī)，到暗示中打開相機(jī)蓋，輕輕取出拍攝底片，切記將相機(jī)保護(hù)好，不要被顯影液、定影液腐蝕；（11）沖洗拍攝底片，顯影、定影時間為8鐘，隨季節(jié)溫度變化調(diào)整時間。五、意事項1注意X線管的電壓為幾十千伏，要特別注意高壓安全．2安裝和取出拍攝底片時，一定按要求輕拿輕放，不要碰歪樣品；調(diào)整