1、X射線衍射系列教程射線衍射系列教程Page 1X X射線衍射分析射線衍射分析-5-5X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 2第五章 X射線衍射方法 德拜法（德拜德拜法（德拜-謝樂法謝樂法） 照相法照相法 聚焦法聚焦法多晶體衍射方法多晶體衍射方法 針孔法針孔法 X-ray Powder diffraction 衍射儀法衍射儀法 勞埃（勞埃（Laue）法法單晶體衍射方法單晶體衍射方法 周轉晶體法周轉晶體法 四圓衍射儀四圓衍射儀 CCD系統單晶衍射儀系統單晶衍射儀 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 3第一節第一節 多

2、晶多晶X射線衍射發展歷程射線衍射發展歷程X射線多晶體衍射（射線多晶體衍射（X-ray Polycrystalline diffraction）也稱也稱X射線粉末衍射（射線粉末衍射（X-ray Powder diffraction），），是是由德國科學家德拜（由德國科學家德拜（Debye）、）、謝樂（謝樂（Scherrer）在在1916年提出的。年提出的。所謂多晶體衍射或粉末衍射是相對于單晶體衍射來命名所謂多晶體衍射或粉末衍射是相對于單晶體衍射來命名的，在單晶體衍射中，被分析試樣是一粒單晶體，而在的，在單晶體衍射中，被分析試樣是一粒單晶體，而在多晶體衍射中被分析試樣是一堆細小的單晶體（粉末）。多

3、晶體衍射中被分析試樣是一堆細小的單晶體（粉末）。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 4第一節第一節 多晶多晶X射線衍射發展歷程射線衍射發展歷程初期初期時間大致是從時間大致是從1916年年Debye等提出方法起至等提出方法起至20世紀世紀40年年代。其特征實驗技術是以照相底片做記錄介質的各種照代。其特征實驗技術是以照相底片做記錄介質的各種照相機。相機。最初的相機是最初的相機是Debye相機（如下圖），為了提高入射光相機（如下圖），為了提高入射光的利用率，的利用率，Seemann和和Bohlin發展了利用發散光的聚發展了利用發散光的聚焦相機。焦相機。主要是

4、用來解晶體結構。曾成功地測定了一些元素單質主要是用來解晶體結構。曾成功地測定了一些元素單質（如金屬、石墨、金剛石等）的晶體結構及一些簡單化（如金屬、石墨、金剛石等）的晶體結構及一些簡單化合物（如合物（如LiF等）的晶體結構。等）的晶體結構。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 5德拜相機構造示意圖德拜相機構造示意圖 總體是一個金屬圓筒，樣品粉末置于其中軸線上，照相底片圍成圓總體是一個金屬圓筒，樣品粉末置于其中軸線上，照相底片圍成圓筒緊貼于金屬圓筒內壁，用平直器從發散筒緊貼于金屬圓筒內壁，用平直器從發散X射線中截取一小束準平射線中截取一小束準平行光，垂直投

5、射到粉末條上，產生的衍射圓錐在底片上切割得弧線。行光，垂直投射到粉末條上，產生的衍射圓錐在底片上切割得弧線。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 6德拜相機幾何原理德拜相機幾何原理2L=R*4* /180=(2L/4R)*180/ =(L/2R)*57.3X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 7德拜相的攝取德拜相的攝取 1 1、制備園柱試樣、制備園柱試樣 待測物質研磨成粒度小于待測物質研磨成粒度小于45m45m的粉末，取直徑為的粉末，取直徑為0.20.3mm0.20.3mm的玻璃絲（非晶物質），用普通膠水（非晶物質

6、）均勻涂在玻璃的玻璃絲（非晶物質），用普通膠水（非晶物質）均勻涂在玻璃絲上，將粉末均勻地滾粘在玻璃絲上，厚度適當，制成直徑絲上，將粉末均勻地滾粘在玻璃絲上，厚度適當，制成直徑0.31.0mm0.31.0mm的園柱形試樣。的園柱形試樣。 2 2、安裝試樣、安裝試樣 取取D=573mmD=573mm相機一個，截取相機一個，截取20mm20mm長度一段試樣，用橡皮泥將長度一段試樣，用橡皮泥將其固定在相機蓋中心軸上，要盡量安正，試樣垂直于相機蓋平面，其固定在相機蓋中心軸上，要盡量安正，試樣垂直于相機蓋平面，然后調整：將相機蓋裝好，從入口和出口看去，轉動試樣，同時然后調整：將相機蓋裝好，從入口和出口看去

7、，轉動試樣，同時通過蓋上的四個羅柱調整至試樣恰在試樣的中心，在轉動時，目通過蓋上的四個羅柱調整至試樣恰在試樣的中心，在轉動時，目視試樣不動為止。此時試樣在正確的位置。視試樣不動為止。此時試樣在正確的位置。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 8 3 3、安裝底片、安裝底片 在暗室中將底片裝入相機，采用正裝法：底片接口在入口處，底在暗室中將底片裝入相機，采用正裝法：底片接口在入口處，底片中間開園孔，安于出口處。要求裝正、裝平、裝片恰在相機的槽內。片中間開園孔，安于出口處。要求裝正、裝平、裝片恰在相機的槽內。然后蓋上相機，注意不要碰壞試樣，在入口安上光闌，在

8、出口安上熒然后蓋上相機，注意不要碰壞試樣，在入口安上光闌，在出口安上熒光屏。光屏。 4 4、曝光、曝光 裝片完畢，將相機裝在裝片完畢，將相機裝在X X光機的窗口上進行曝光。在曝光過程中光機的窗口上進行曝光。在曝光過程中不停地轉動試樣，曝光時間為不停地轉動試樣，曝光時間為60906090分鐘。分鐘。X X光機工作管電壓可以設定光機工作管電壓可以設定如如30KV30KV，管電流，管電流10mA10mA，靶極用，靶極用FeFe。 5 5、底片沖洗、底片沖洗 曝光完畢后，在暗室中沖洗底片。用預先配制的顯、定影液，溫曝光完畢后，在暗室中沖洗底片。用預先配制的顯、定影液，溫度度2020時，顯影時，顯影35

9、35分鐘，定影分鐘，定影10151015分鐘，然后用清水沖洗并烘干。分鐘，然后用清水沖洗并烘干。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 9德拜相的處理德拜相的處理 對攝好的底片，先判斷弧線對，并用較精確的米尺正確測出弧線對對攝好的底片，先判斷弧線對，并用較精確的米尺正確測出弧線對的間距的間距S S（相機中對應的弧長）。間距對應衍射角（相機中對應的弧長）。間距對應衍射角44。則。則 c c為相機周長。已知為相機周長。已知D=57.3mmD=57.3mm，所以，所以C=180mmC=180mm，故有，故有S/2(S/2(度度) ) 根據根據BraggBragg

10、定理定理d=/2sind=/2sin，求出各，求出各d d值，用值，用PDFPDF卡作定性處理?？ㄗ鞫ㄐ蕴幚?。)(1802236040度csRsX射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 101918年年 Scherrer就提出了衍射線寬就提出了衍射線寬()和晶粒尺寸（和晶粒尺寸（D）的關系式的關系式,被稱為謝樂方程被稱為謝樂方程 。Hanawalt和和Rinn在在1936年提出了年提出了X射線衍射物相穩定射線衍射物相穩定性分析法，就是用性分析法，就是用X射線多晶體衍射譜從混合物中鑒定射線多晶體衍射譜從混合物中鑒定出所含組成的方法。出所含組成的方法。X射線衍射

11、系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 11第一節第一節 多晶多晶X射線衍射發展歷程射線衍射發展歷程中中 期期時間大約是從時間大約是從20世紀世紀40年代后期至年代后期至70年代后期。其標志年代后期。其標志是用計數器作為是用計數器作為X射線探測器的衍射儀取代了用底片的照射線探測器的衍射儀取代了用底片的照相機成為主要的實驗儀器。相機成為主要的實驗儀器。最早使用的計數器是蓋格計數器，以后為正比計數器及閃最早使用的計數器是蓋格計數器，以后為正比計數器及閃爍計數器所取代。閃爍計數器因其時間分辨率可達爍計數器所取代。閃爍計數器因其時間分辨率可達10-6 s，計數線性范圍大，容

12、易維護，壽命長而被廣泛使用，至今計數線性范圍大，容易維護，壽命長而被廣泛使用，至今仍為重要的探測器。仍為重要的探測器。由于由于X射線衍射譜質量的提高，特別衍射強度準確性的提射線衍射譜質量的提高，特別衍射強度準確性的提高，使物相定量分析在這一時期的到了較快的發展。主要高，使物相定量分析在這一時期的到了較快的發展。主要有：內標法，參考強度比法（國內常把他簡稱為有：內標法，參考強度比法（國內常把他簡稱為K值法），值法），基體沖洗法和不用標樣的無標法?；w沖洗法和不用標樣的無標法。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 12我國曾經制定過幾個用于金屬材料定量相分析

13、的國家標準：我國曾經制定過幾個用于金屬材料定量相分析的國家標準：如金屬材料定量相分析如金屬材料定量相分析X射線衍射射線衍射K值法（值法（GB 522585）；）；高速鋼中碳化物相的定量分析高速鋼中碳化物相的定量分析X射線衍射儀法射線衍射儀法（GB 835987）；）；鋼中殘余奧氏體定量測定鋼中殘余奧氏體定量測定X射線射線衍射儀法（衍射儀法（GB 836287）。）。我國在精密測定點陣常數方面也有許多工作，也曾經制定我國在精密測定點陣常數方面也有許多工作，也曾經制定過一個國家標準：金屬點陣常數的測定方法過一個國家標準：金屬點陣常數的測定方法X射線衍射射線衍射儀法（儀法（GB 8360一一87）。

14、）。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 13第一節第一節 多晶多晶X射線衍射發展歷程射線衍射發展歷程近代近代從從20世紀世紀70年代后期至今，以計算機應用于年代后期至今，以計算機應用于X射線多晶體衍射線多晶體衍射、全譜擬合法射、全譜擬合法(Rietveld)處理數據及同步輻射處理數據及同步輻射X射線衍射射線衍射技術的應用為標志。技術的應用為標志。計算機技術應用于計算機技術應用于X射線多晶體衍射，大大促近了射線多晶體衍射，大大促近了X射線多射線多晶體衍射各方面的發展。其作用主要表現在：晶體衍射各方面的發展。其作用主要表現在：（1）與衍射儀結合，使衍射儀的

15、調試，操作的自動化程度）與衍射儀結合，使衍射儀的調試，操作的自動化程度更高。更高。（2）建立數據庫與做數據檢索。如粉末衍射卡片集（）建立數據庫與做數據檢索。如粉末衍射卡片集（PDF）已轉變為數字數據庫并有了相應得檢索匹配程序，使物相已轉變為數字數據庫并有了相應得檢索匹配程序，使物相定性分析自動化等。定性分析自動化等。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 14（3）數據處理）數據處理,如光滑、尋峰、扣本底、求出積分強度和如光滑、尋峰、扣本底、求出積分強度和半峰寬及分峰等；更重要的是對實驗得到的物理量作進一半峰寬及分峰等；更重要的是對實驗得到的物理量作進一步

16、處理，如傅里葉變換、衍射線形的反卷積的研究、衍射步處理，如傅里葉變換、衍射線形的反卷積的研究、衍射圖的指標化和求晶胞參數、全譜擬合作晶體結構的精修及圖的指標化和求晶胞參數、全譜擬合作晶體結構的精修及晶體結構的從頭測定等。晶體結構的從頭測定等。（4）網站的建立。如）網站的建立。如ICDD已將已將PDF以電子形式發行，網以電子形式發行，網址為址為。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 15X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 16X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 17高分辨衍

17、射儀高分辨衍射儀（D8-Discovre型，型，Bruker公司公司1999年產品）年產品）X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 18第二節第二節 X射線儀的基本組成射線儀的基本組成1.X射線發生器；射線發生器；2.衍射測角儀；衍射測角儀；3.輻射探測器；輻射探測器；4.測量電路；測量電路；5.控制操作和運行控制操作和運行軟件的計算機系統。軟件的計算機系統。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 19X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 20 X射線發生器射線發生器X射線衍射系

18、列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 21 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 22 常用的常用的X X射線管為熱陰極式二極管，射線管為熱陰極式二極管，靠加至灼熱的陰極鎢絲得到熱電子，靠加至灼熱的陰極鎢絲得到熱電子，如圖。如圖。 光管管壁是玻璃或者陶瓷制的。靠光管管壁是玻璃或者陶瓷制的?？拷翱诘年枠O靶部分用金屬制成近窗口的陽極靶部分用金屬制成（常用銅），光管要求抽真空，真（常用銅），光管要求抽真空，真空度越高燈絲的使用壽命越長，靶空度越高燈絲的使用壽命越長，靶表面的污染也會減輕。表面的污染也會減輕。 管壁金屬部分上開兩個或

19、四個窗口，管壁金屬部分上開兩個或四個窗口，窗口材料現在都以鈹片（厚窗口材料現在都以鈹片（厚0.250.30.250.3mmmm）制成，它對制成，它對MoKMoK、CuKCuK、CrKCrK的透過率分別為的透過率分別為99%99%、93%93%、80%80%，并且具有較高的機械強，并且具有較高的機械強度和穩定性。度和穩定性。 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 23陽極靶常用導熱性好、熔點較高的金屬制成，表面磨陽極靶常用導熱性好、熔點較高的金屬制成，表面磨成鏡面。靶面上被電子束轟擊的面積稱為成鏡面。靶面上被電子束轟擊的面積稱為焦斑焦斑，它是，它是X X射

20、線的發射面積，射線的發射面積，X X射線的強度射線的強度主要由單位面積焦斑的主要由單位面積焦斑的功率來決定，衍射儀常用功率來決定，衍射儀常用X X射線管是線狀焦斑射線管是線狀焦斑1 1mm mm * *10mm10mm，取出角（取出角（X X射線與靶面夾角）為射線與靶面夾角）為3-63-6左右，出左右，出射射X X射線的線度大約為射線的線度大約為0.10.1mmmm* *10mm10mm。 X X射線的產生效率是很低的，電子束的絕大部分能量都射線的產生效率是很低的，電子束的絕大部分能量都轉化為熱，使靶面焦斑處的溫度升高，如果不及時將轉化為熱，使靶面焦斑處的溫度升高，如果不及時將熱量帶走，焦斑處

21、會很快熔化，使管子損壞，這也是熱量帶走，焦斑處會很快熔化，使管子損壞，這也是必須使用導熱性好，熔點高的金屬做陽極材料和用水必須使用導熱性好，熔點高的金屬做陽極材料和用水冷卻陽極靶的原因。冷卻陽極靶的原因。 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 24提高提高X X射線管的功率對結構分析的好處：射線管的功率對結構分析的好處：1.1.縮短曝光時間，這不但可提高縮短曝光時間，這不但可提高X X射線衍射儀的利用射線衍射儀的利用率，而且對實驗中容易變性的樣品也能較順利地進行；率，而且對實驗中容易變性的樣品也能較順利地進行；2.2.提高檢測靈敏度，對低含量成分及表面涂

22、層的分析提高檢測靈敏度，對低含量成分及表面涂層的分析極為有利；極為有利；3.3.提高譜圖的清晰度和分辨率，由于焦斑小，亮度大，提高譜圖的清晰度和分辨率，由于焦斑小，亮度大，實驗中可使用更細小的入射光束及晶體單色器分光，實驗中可使用更細小的入射光束及晶體單色器分光，提高單色輻射的純度，減小背底。提高單色輻射的純度，減小背底。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 25提高提高X X射線管的功率，可通過兩個途徑來完成：射線管的功率，可通過兩個途徑來完成：加大加大X X射線管的負荷（管壓和管流）和縮小焦斑尺寸。射線管的負荷（管壓和管流）和縮小焦斑尺寸。這兩個途徑

23、的主要障礙是散熱問題。這兩個途徑的主要障礙是散熱問題。旋轉靶旋轉靶X X射線管的功率最高已經達到射線管的功率最高已經達到9090kWkW，比普通比普通2 2kWkW的密封管高的密封管高4545倍。為適應特殊工作如生物大分子和蛋倍。為適應特殊工作如生物大分子和蛋白質結構分析的需要，還可生產有更高亮度的細焦斑白質結構分析的需要，還可生產有更高亮度的細焦斑旋轉靶管。旋轉靶管。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 26測角儀簡介測角儀簡介 測角儀是測角儀是X射線衍射儀的核心部分射線衍射儀的核心部分 。 S-管靶焦斑管靶焦斑 M-入射光柵入射光柵 P-發散狹縫發散

24、狹縫DS O-測角儀中心測角儀中心 D-樣品樣品 Q-防散射狹縫防散射狹縫SS F-接收狹縫接收狹縫RS C-計數器計數器 S-Soller狹縫狹縫 E-支架支架 H-樣品臺樣品臺 G- 測角儀圓測角儀圓 樣品臺位于測角儀中心，樣品臺的中樣品臺位于測角儀中心，樣品臺的中心軸與測角儀的中心軸心軸與測角儀的中心軸(垂直圖面垂直圖面)O垂直。垂直。 樣品臺既可以繞測角儀中心軸轉動，樣品臺既可以繞測角儀中心軸轉動，又可以繞自身中心軸轉動。又可以繞自身中心軸轉動。X射線測角儀結構示意圖射線測角儀結構示意圖PQSSX射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 27DSDS為

25、發散狹縫，它限制入射為發散狹縫，它限制入射光束的發散度；光束的發散度；SSSS為防散射狹縫，它的作用為防散射狹縫，它的作用是阻止空氣散射和其它寄生是阻止空氣散射和其它寄生散射進入檢測器；散射進入檢測器；RSRS為接收狹縫，衍射線束通為接收狹縫，衍射線束通過它進入計數器被接收；過它進入計數器被接收；S S1 1、S S2 2為為SollerSoller狹縫，由平行狹縫，由平行的金屬片組成，作用是限制的金屬片組成，作用是限制光束的軸向發散度并將其變光束的軸向發散度并將其變成縱向平行的光束。成縱向平行的光束。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 28X射線衍射

26、系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 29X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 30輻射探測器輻射探測器作用作用是接收樣品衍射線是接收樣品衍射線(光子光子)信號轉變為電信號轉變為電(瞬時脈沖瞬時脈沖)信號。信號。正比計數器正比計數器蓋革計數器蓋革計數器 閃爍計數器閃爍計數器閃爍計數器與正比計數器是目前使用最為普遍的計數閃爍計數器與正比計數器是目前使用最為普遍的計數器。器?，F在最新探測器包括：現在最新探測器包括：固體探測器，面探測器，超能固體探測器，面探測器，超能探測器，萬特探測器探測器，萬特探測器等。等。 X射線衍射系列教程

27、射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 31Be窗口窗口 光陰極光陰極倍增極倍增極陽極陽極閃爍晶體閃爍晶體X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 32閃爍計數器的結構：閃爍計數器的結構：它主要由鉈激活的碘化鈉閃爍晶體和光電倍增管兩部分它主要由鉈激活的碘化鈉閃爍晶體和光電倍增管兩部分組成。碘化鈉晶體的作用是使入射到其中的每一個組成。碘化鈉晶體的作用是使入射到其中的每一個X X射射線光子轉換成突發的可見光子群，光電倍增管的作用是線光子轉換成突發的可見光子群，光電倍增管的作用是把這些光子變成電子并倍增成一個電脈沖。把這些光子變成電子并倍增成一

28、個電脈沖。顯然，閃爍計數器要密封、不透氣、不透光，漏光會增顯然，閃爍計數器要密封、不透氣、不透光，漏光會增加背底，漏氣則使加背底，漏氣則使NaINaI晶體潮解。晶體潮解。X X射線入射窗口用射線入射窗口用0.20.2mmmm厚的鈹片密封，鈹的作用是密封厚的鈹片密封，鈹的作用是密封蔽光，但它對蔽光，但它對X X射線是透明的。射線是透明的。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 33閃爍計數器內的光電過程閃爍計數器內的光電過程活性的活性的NaI(TlNaI(Tl) )單晶體固溶體有約單晶體固溶體有約1%1%的鉈，鉈是這個晶的鉈，鉈是這個晶體的發光中心，它們由受

29、激態回復到基態時發射出紫體的發光中心，它們由受激態回復到基態時發射出紫色的可見光。色的可見光。入射到入射到NaI(TlNaI(Tl) )晶體中的晶體中的X X射線光子被碘吸收后：射線光子被碘吸收后：1.1.發生發生L L電離，產生電離，產生L L殼層空穴和具有一定動能的殼層空穴和具有一定動能的L L光電光電子；子；L L空穴被空穴被M M層電子填充，或發射層電子填充，或發射L L輻射，或發射輻射，或發射LMMLMM俄歇電子；更外層電子躍遷到俄歇電子；更外層電子躍遷到M M空穴，產生空穴，產生M M線系或線系或MNNMNN俄歇電子；俄歇電子；X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學

30、而知新學而知新Page 342.2.光電子、俄歇電子、碘的特征輻射都會最后將光電子、俄歇電子、碘的特征輻射都會最后將TlTl激發激發到受激態，在它回復到基態時發射平均波長為到受激態，在它回復到基態時發射平均波長為420420nmnm的的紫色可見光，該光射到光電倍增管的光敏陰極上，產生紫色可見光，該光射到光電倍增管的光敏陰極上，產生N N個光電子，這個光電子，這N N個光電子投射到第一級倍增電極上，每個光電子投射到第一級倍增電極上，每一個都打出一個都打出 （一般為（一般為2-42-4）個光電子，若倍增電極數為）個光電子，若倍增電極數為n n個，則一個入射個，則一個入射X X射線光子產生的電脈沖大

31、小為射線光子產生的電脈沖大小為P=P=KNKN n n，K K約為約為0.90.9左右。左右。由于閃爍晶體發出的可見光子數與由于閃爍晶體發出的可見光子數與X X射線光子的能量成射線光子的能量成正比，這些電流脈沖大小也正比于正比，這些電流脈沖大小也正比于X X射線光子的能量，射線光子的能量，這種正比關系是閃爍計數器（這種正比關系是閃爍計數器（SCSC）進行進行X X射線能量檢測射線能量檢測的基礎。的基礎。 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 35測量電路測量電路輻射測量電路是保證輻射探測器能有最佳狀態的輸出電輻射測量電路是保證輻射探測器能有最佳狀態的輸出

32、電(脈沖脈沖)信號，并且能夠直觀讀取或記錄數值的電子電路。信號，并且能夠直觀讀取或記錄數值的電子電路。脈沖高度分析器（脈沖高度分析器（PHAPHA）：）：由計數器輸出的信號先經前置放大由計數器輸出的信號先經前置放大1010倍左右，輸出信號倍左右，輸出信號約約2020020200mV,mV,然后將此信號送至線性脈沖放大器放大到然后將此信號送至線性脈沖放大器放大到51005100V V，由放大器輸出的齒形脈沖經脈沖整形器后變成，由放大器輸出的齒形脈沖經脈沖整形器后變成矩形脈沖，矩形脈沖被輸送到脈沖甄別器進行脈沖的選矩形脈沖，矩形脈沖被輸送到脈沖甄別器進行脈沖的選擇擇 。 利用利用PHAPHA可去除

33、連續譜造成的背底，提高峰背比，去除可去除連續譜造成的背底，提高峰背比，去除高次諧波的譜線干擾，計數管和電子電路的噪聲等，故高次諧波的譜線干擾，計數管和電子電路的噪聲等，故PHAPHA在在X X射線分析上有著廣泛的應用。射線分析上有著廣泛的應用。 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 36計數測量方法與測量參數選擇多晶衍射儀計數測量方法分為多晶衍射儀計數測量方法分為連續掃描連續掃描和和步進步進(階梯階梯)掃描掃描兩種。兩種。 連續掃描法連續掃描法：將計數器與計數率儀相連接，在選定的：將計數器與計數率儀相連接，在選定的2 角角范圍內。計數器以一定的掃描速度與

34、樣品范圍內。計數器以一定的掃描速度與樣品(臺臺)聯動掃描測聯動掃描測量各衍射角相應的衍射強度，結果獲得量各衍射角相應的衍射強度，結果獲得I2 曲線。曲線。連續掃描方式掃描速度快、工作效率高，一般用于對樣品連續掃描方式掃描速度快、工作效率高，一般用于對樣品的全掃描測量的全掃描測量(如物相定性分析時如物相定性分析時)。 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 37步進掃描法步進掃描法：將計數器與定標器相連接，計數器首先固：將計數器與定標器相連接，計數器首先固定在起始定在起始2 角位置，按設定時間定時計數角位置，按設定時間定時計數(或定數計時或定數計時)獲得平均

35、計數速率獲得平均計數速率(即為該即為該2 處衍射強度處衍射強度)；然后將計數；然后將計數器以一定的步進寬度器以一定的步進寬度(角度間隔角度間隔)和步進時間和步進時間(行進一個步行進一個步進寬度所用時間進寬度所用時間)轉動，每轉動一個角度間隔重復一次上轉動，每轉動一個角度間隔重復一次上述測量，結果獲得兩兩相隔一個步長的各述測量，結果獲得兩兩相隔一個步長的各2 角對應的衍角對應的衍射強度。射強度。步進掃描測量精度高并受步進寬度與步進時間的影響，步進掃描測量精度高并受步進寬度與步進時間的影響，適于做各種定性，定量分析工作。適于做各種定性，定量分析工作。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄

36、發 學而知新學而知新Page 38測量參數包括：測量參數包括：電壓、電流、狹縫寬度、掃描速度、時間常數電壓、電流、狹縫寬度、掃描速度、時間常數等等。（。（舉例）舉例） X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 39 石英的衍射儀計數器記錄圖石英的衍射儀計數器記錄圖* *右上角為石英的德拜圖，衍射峰上方為（右上角為石英的德拜圖，衍射峰上方為（hklhkl）值值X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 40 GADDS Powder Pattern for LaB6X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學

37、而知新Page 41第三節第三節 單晶衍射法簡介單晶衍射法簡介單晶體單晶體X射線衍射分析的基本方法為射線衍射分析的基本方法為勞埃（勞埃（Laue）法法與與回回轉晶體法轉晶體法，四圓衍射法四圓衍射法( (面探法面探法) ) 。勞埃法勞埃法以光源發出的復合光即連續以光源發出的復合光即連續X射線照射置于樣品臺射線照射置于樣品臺上不動的單晶體樣品，用平板底片記錄產生的衍射線，底上不動的單晶體樣品，用平板底片記錄產生的衍射線，底片置于樣品前方者稱為片置于樣品前方者稱為透射勞埃法透射勞埃法，底片處于光源與樣品，底片處于光源與樣品之間者稱為之間者稱為背射勞埃法背射勞埃法。勞埃法照相裝置稱勞埃法照相裝置稱勞埃

38、相機勞埃相機。 回轉晶體法回轉晶體法以光源發出的單色光照射轉動的單晶體樣品，以光源發出的單色光照射轉動的單晶體樣品，用以樣品轉動軸為軸線的圓柱形底片記錄產生的衍射線。用以樣品轉動軸為軸線的圓柱形底片記錄產生的衍射線。X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 42勞埃法勞埃法 實驗條件：連續實驗條件：連續X X射線。射線。 增加一個變量增加一個變量, , 因因LaueLaue方程中方程中 , , , , 并非完全獨立并非完全獨立, , 存在存在F F( ( , , , , ) = 0. ) = 0. 例如在直角坐標系中例如在直角坐標系中. cos2. cos2

39、 + cos2+ cos2 + + cos2cos2 = 1. = 1. 增加變量的方式為晶體旋轉或改變波長增加變量的方式為晶體旋轉或改變波長。 X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 43回轉單晶法回轉單晶法 實驗條件：特征實驗條件：特征X射線射線 設使晶體繞設使晶體繞 c 軸轉動軸轉動, x射線從垂直于射線從垂直于 c 軸的方向入射軸的方向入射, 則衍則衍射方向應滿足勞埃方程射方向應滿足勞埃方程 c(cos l cos 0) l 因因 090, 故上式簡化為故上式簡化為 c cos l l 即所有衍射線都應分布在以即所有衍射線都應分布在以 c 為軸的一

40、系列圓錐上為軸的一系列圓錐上, 由于晶由于晶體具有空間點陣結構體具有空間點陣結構, 故衍射線除了滿足上式外故衍射線除了滿足上式外, 還必須滿還必須滿足空間勞埃方程另外的兩個方程足空間勞埃方程另外的兩個方程. 所以衍射圖不是由連續的所以衍射圖不是由連續的線組成線組成, 而是由分布在而是由分布在 l=0, 1, 2 的層線上的衍射點組成的層線上的衍射點組成.X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 44 圖中圖中R為相機的半徑為相機的半徑, Hl 為為 l 層線與中層線與中央層線的距離央層線的距離, 由圖可得由圖可得 故有故有l =0lHl轉動轉動單晶單晶R l

41、x射線射線底片底片22coslllHlcHR22llHRclH X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 45 同樣同樣, 若使晶體分別繞若使晶體分別繞 a 或或 b 軸旋轉軸旋轉, 則有則有22hhHRahH 22kkHRbkH 分別求得晶胞參數分別求得晶胞參數a,b,c后后, 便可計算晶胞的體積便可計算晶胞的體積, 普遍的計算公式為普遍的計算公式為2221 coscoscos2coscoscosVabc在此基礎上可進一步計算晶胞中所含原子或在此基礎上可進一步計算晶胞中所含原子或“分子分子”數數0VZNM式中式中 為密度為密度, M 為分子量為分子量, N0為為 阿弗加得羅常數阿弗加得羅常數.X射線衍射系列教程射線衍射系列教程厚積薄發厚積薄發 學而知新學而知新Page 46單晶衍射儀法單晶衍射儀法四圓衍射法和四圓衍射法和CCDCCD面探測法面探測法是近年來在綜合衍射儀法與周是近年來在綜合衍射儀法與周轉晶體法基礎上發展起來的單晶體衍射方法，已成為單晶轉晶體法基礎上發展起來的單晶體衍射方法，已成為單晶體結構分析的最有效方法。體結構分析的最有效方法。四圓衍射儀和面探衍射