X射線衍射儀在“材料分析方法”課程教學中的應用

李曉偉 楊吉春 李濤

【摘要】X射線衍射是一種應用廣泛的無損分析測試技術，把該技術應用于實驗教學中，使學生了解X射線衍射儀的工作原理，熟悉D8 ADVANCE 型X射線衍射儀的使用方法。利用X射線衍射儀對氧化鐠粉末試樣進行物相分析，使學生掌握基本的物相結構確定方法。幫助激發學生對科研的興趣和培養他們的科學思維能力。

【關鍵詞】X射線衍射儀 ?測試分析 ?物相分析

【中圖分類號】G642.423;TH83【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0202-02

X射線衍射儀（X-Ray-Diffraction簡稱XRD）是對流體、粉末及塊狀晶體等物質的重要無損檢測工具，作為物質結構表征的必須手段[1-3]。X射線衍射技術具有操作簡便、迅速、信息全面、樣品用量少、無污染、衍射強度準確等優點[1-3]。大多數固態物質（以及一些流體）都是晶態或者準晶態物質，它們常以細粒或者微細粒的晶粒聚集體形式存在，即使是大顆粒的晶體，也可容易得到其粉末態[4]。故而通過粉末衍射可以確定物質是否為晶體，可以研究介孔材料，可以研究礦物組成以及豐度，可以研究晶粒尺寸、殘余應力以及晶粒的擇優取向等。還可以利用Rietveld全譜擬合技術對衍射所得數據進行擬合進而解結構。

在實驗教學中，根據實驗學時的具體情況和面向本科生教學的現狀，我們將用從白云鄂博稀土礦萃取提純出的氧化鐠粉末向同學們演示物相分析的基本方法，同時介紹X射線衍射儀的基本構造和原理。

1.儀器設備

X射線衍射儀的形式多種多樣，用途各異，但基本構成相似，本實驗所用的是德國Bruker 所產的D8 ADVANCE型X射線衍射儀，該儀器設計精密，測角儀角度重現性高達0.0001度。采用Si（Li）固體探測器具有超低的熒光背地以及性噪比。能精確度運用于物質微觀結構、殘余應力、織構極圖等得各種測試、分析和研究。該設備主要有六部分組成：X射線發生器、冷卻水系統、測角儀、探測和記錄系統、控制和數據處理系統、附屬裝置。

1.1 X射線發生器：提供高穩定的x射線，改變x射線陽極靶材質可改變x射線的波長，本實驗室配備有銅靶和鈷靶，以及各種型號的點焦源和線焦源。

1.2冷卻水系統：X射線輻射出來，最多也僅僅為1%左右，而大部分功率轉化為熱能，使靶面焦斑處的溫度升高，如果不及時冷卻，將會使靶材熔化，使管損毀。同時高壓發生器也需要冷卻。當高精度X射線強度測定時，X射線管的冷卻水溫差要求控制在±1℃以內。

1.3測角儀：上面裝有索拉光欄、發散光欄、防散射光欄和接收光欄以及探測器。可以繞測角儀軸轉動，樣品臺上放置樣品。其是X射線衍射儀核心部件。

1.4探測和記錄系統：主要包括探測器、脈沖高度分析器、定標器、計數率計等部分。可以將光信號轉換成電脈沖信號并放大，并除去信號中的干擾和噪聲。

1.5附屬裝置：主要包括單色器、高低溫附件（本實驗室配有最高溫度可達1100℃的高溫附件）、殘余應力測試附件、小角衍射附件和織構測試附件等，通過增加這些特殊附件，擴展了測試功能。

2.X射線衍射的基本原理

X射線本質是一種波長很短的電磁波，其磁場矢量在于物質相互作用中效應很弱，故可以測試磁性物質，其波長大約在0.01-10nm范圍內，用于衍射分析的X射線波長范圍在0.05-0.25nm。1912年勞埃（M.VonLaue）發現X射線的波長和許多晶體的原子間距離同一數量級和X射線通過晶體的衍射現象。隨后布拉格父子導出了布拉格發射定律，奠定了X射線衍射學在物理、化學和材料等科學中得以廣泛應用的基礎。

當X射線入射到晶體時，基于晶體結構的周期性，晶體中各個電子中一部分散射波會發生相干散射，電子散射線相互干涉的總結果被稱為衍射。晶體的x射線衍射圖是對晶體微觀結構的反映，每種晶體物質都有其特定的結構參數，包括點陣類型、晶胞大小、晶胞中原子（離子或分子）的數目及其位置等，而這些參數在x射線衍射花樣中均有所反映。某種物質的多晶衍射譜的衍射線峰形、數目、位置以及強度是該種物質的特征，因而可為鑒別物相的標志。

由布拉格方程可知，花樣線條位置由衍射角2θ決定，而θ取決于波長和晶面間距d，其中d是由晶體結構決定的基本量。即： 2d·sinθ=nλ

晶體中每一條衍射線的強度I和結構因子都有關：

I=I0·K·F2·V

I0為入射線束強度，K為比例常數，V為被照射晶體的體積，F為結構因子。每種晶體結構中可能出現的d值是由晶胞參數a、b、c、α、β、γ所決定。它們實際上決定了衍射線的峰位。F是結構因子F的模量稱為結構振幅，是單胞中所有原子散射波振幅的總和，與每個原子的散射因子f和原子的相位有關。滿足布拉格衍射方程式，只是產生衍射的必要條件，是否出現可觀察的具有一定強度的衍射線，還取決于原子在晶胞內的分布，結構因子不為零值才可能出現衍射線。多晶衍射法測定晶體結構，就是利用結構因子與原子位置的關系，來確定原子在晶胞中的位置。

3.PDF卡片比對

粉末衍射標準聯合委員會JCPDS（Joint Committee on Ponder Diffraction Stands）編纂的《粉末衍射卡片集》是內容最豐富、規模最龐大的粉末衍射數據庫。測試試樣所得衍射花樣通過與PDF卡片比對，即可確定試樣為何種物質。

3.1儀器與試樣

所用儀器為德國Bruker公司生產的D8 ADVANCE X-ray Diffraction，待測試樣為萃取制得的氧化鐠。

3.2實驗步驟

3.2.1開機：

①開啟循環水，使之保證x射線源不會溫度過高而被燒毀;②儀器啟動，預熱30分鐘后，初始化5個驅動軸;③加載高壓，鈷靶電壓35千伏，電流40毫安;銅靶電壓40千伏，電流40毫安。本實驗教學中采用銅靶，kα1=1.540598A。

3.2.2試樣要求：

①粉末晶體顆粒細小，塊狀試樣表面平整;②制備：取適量試樣放于瑪瑙研缽中，充分研磨后，用篩子過濾，將過濾下的氧化鐠粉末裝入樣品臺，用載玻片壓平，切忌使勁擠壓，否則會有擇優取向，然后固定于樣品室的樣平臺上。

3.2.3測試：

在commander軟件中設置起始角、終了角、掃描速度和掃描方式等完畢后，開始測試，得到衍射譜圖。如圖一：

圖一 原始衍射譜線

3.2.4數據分析：

雙擊氧化鐠的raw格式文件，用Eva軟件打開數據，扣除掉Kα2峰;如圖二：

圖二 扣除掉Kα2峰后的譜線

從PDF卡片中查出一系列氧化鐠的標準花樣，經過比對，確定物相并指標化。如圖三：

圖三 比對且指標化后的譜線

3.3分析結果

經過比對，分析得出該譜圖是由Pr6O11和PrO2構成。

4.結論

X射線衍射儀是物相分析的重要儀器，衍射分析技術在“材料分析與測試技術”課程實驗教學中占有重要地位。本實驗課程的目的是使學生了解X射線衍射儀的基本構造和原理。掌握物相分析的方法。在實驗教學中，激發學生的科研興趣，培養理論聯系實際。

參考文獻：

[1]馬禮敦.近代 X射線多晶體衍射 [M ].北京： 化學工業出版社：

[2]梁敬魁. 粉末衍射法測定晶體結構 [M ]. 北京： 科學出版

[3]劉粵惠， 劉平安. X射線衍射分析原理與應用 [M ].北京： 化學工業出版社， 2003.

[4]毛宏志，印志磊，許效紅.X射線粉末衍射儀在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2006，23（11）：30-32.