X射线衍射技术

关键词： 衍射 X射线 科学技术 技术

X射线衍射技术（精选6篇）

篇1：X射线衍射技术

实验十二 X射线衍射技术

材料、能源和信息被公认为现代科学技术发展的三大支柱，而各种新材料的开发与研制则是科学技术发展的关键．

X射线衍射技术是研究材料科学的重要手段之一，原是物理学的一个分支，近80年来在理论、设备、方法及应用上都有迅速的发展，而且已渗透到物理、化学、生命科学、地球科学、材料科学及工程技术等各个领域．最近十余年来，由于新的X射线源和辐射探测设备的相继出现，相关理论、实验方法的发展，以及高速度、大容量计算机的应用，使得这门古老的学科又获得了新的生命，其相应的X射线衍射技术的实用性和重要性也愈加被人们所认识．

一、实验目的

1、掌握X射线衍射的基本原理以及利用X射线衍射进行物相分析的基本方法。

2、掌握JF-2型X射线衍射仪的基本使用方法。

二、实验原理

1、X射线的性质

1895年11月8日德国维尔茨堡大学伦琴教授在做阴极射线实验时，发现了一种新的射线—X射线．为此，1901年伦琴荣获首届诺贝尔物理奖．

伦琴发现X射线后，1912年德国慕尼黑大学物理学家劳厄等利用晶体作为产生X射线衍射的光栅，使入射的X射线经过晶体后发生衍射，证实了X射线与无线电波、可见光和射线等其他各种高能射线无本质上的区别，也是一种电磁波，只是波长很短而已．X射线的波长在10-2～102 Å，衍射工作中使用的X射线波长通常在lÅ左右，图1 为常用的X射线管结构示意图．在阴极(灯丝)和阳极(靶)两极间加高压，使阴极发射的电子加速射向阳极，则在轰击处产生X射线，轰击的面积称为焦点，而经X射线管出射的X射线束与靶面成一定的角度(为30～60)．

由X射线管发生的X射线可以分为两种：一种是具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱。连续X射线谱是击中了阳极靶的大量高能电

图1 X射线管结构示意图 子迅速减速时产生的。另一种是居于特定波长的X射线谱，它们叠加在连续X射线谱上，称为标识（或特征）X射线，标识X射线谱是当管压提高到一特定电压值以后，高能电子在轰击阳极靶的过程中，部分具有充分动能的电子激发阳极靶金属原子内壳层电子跃迁所产生．常依波长增加的次序把标识谱分成K，L，M，„若干线系，分别对应于跃迁到K，L，M，„壳层时辐射的X射线．

2、X射线在晶体中的衍射

由于X射线是波长为100～0．0l Å的一种电磁辐射，常用的射线波长为2．5～o．5 Å，与晶体中的原子间距(1 Å)数量级相同，因此可以用晶体作为X射线的天然衍射光栅，这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能．

当X射线沿某方向入射某一晶体时，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉，当两个相邻波源在某一方向的光程差(△)等于波长的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波．产生衍射的几何条件可用布拉格定律来描述．

图2所示的是晶体内部某—晶面族，晶面间距为d(hkl)。入射X射线受到原子A散射的同时，另一条平行的入射X射线受到原子B散射．如果两条散射线在某处为同相位，则它们的光程差△应为入射波长的整数倍．即

光程差 2dhklsinN 此时，则会产生干涉极大值，这就是布拉格定律．式中：λ是X射线的波长；

图2 布拉格定律示意图

d是结晶面间隔；θ是衍射角(入射线与

晶面间夹角)，称为布拉格角；N为整数，称为干涉级次．由此可见，当X射线入射到晶体上时，凡是满足布拉格方程的晶面族，均会发生干涉性反射，反射X射线束的方向在入射X射线和反射晶面法线的同一平面上，且反射角等于入射角．

3、X射线衍射在金属学中的应用

X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如韦斯特格伦（A.Westgren）(1922年)证明α、β和δ铁都是体心立方结构，β-Fe并不是一种新相;而铁中的α—→γ相转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了β-Fe硬化理论。随后，在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究； 对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱溶的研究等等。目前 X射线衍射(包括X射线散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。

在金属中的主要应用有以下方面：

（1）物相分析

物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是X射线衍射物相分析方法的依据。

物相分析又分为定性分析和定量分析。定性分析是制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。定量分析则是鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于该组分存在的量，确定待测材料中各相的比例含量。

（2）点阵常数的精确测定

点阵常数是晶体物质的基本结构参数，测定点阵常数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置（θ）的测定而获得的，通过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。

（3）应力的测定

X射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量度。宏观应力均匀分布在物体中较大范围内，产生的均匀应变表现为该范围内方向相同的各晶粒中同名晶面间距变化相同，导致衍射线向某方向位移，这就是X射线测量宏观应力的基础；微观应力在各晶粒间甚至一个晶粒内各部分间彼此不同，产生的不均匀应变表现为某些区域晶面间距增加、某些区域晶面间距减少，结果使衍射线向不同方向位移，使其衍射线漫散宽化，这是X射线测量微观应力的基础。超微观应力在应变区内使原子偏离平衡位置，导致衍射线强度减弱，故可以通过X射线强度的变化测定超微观应力。

三、实验仪器

1、产品型号名称；

该产品型号为JF―2型，名称为X射线晶体分析仪，如图3所示。JF―2型X射线晶体分析仪是由X射线发生器，高压变压器、管套、高压电缆、X射线管、控制匣组装、底板组装、光闸、防护罩、台体、水泵等组成。

图3 JF-2型 X射线衍射仪 图4是JF-2型X射线衍射仪的结构示意图。

图4 JF-2型X射线衍射仪的结构示意图

拍照系统由相机和通用相机架两部分组成。该相机由相盒、光阑、样品轴、夹片机构放大镜、荧光屏等部件组成。入射光阑采用分段装配结构，光阑孔由重元素合金银制成，对防止荧光辐射增加底影黑度，光阑和相盒采用锥孔连接，安装方便，重复安装精度高，适合暗室操作。调整样品由机壳外部调整螺旋完成，照相底片采用偏装法装入相盒，通过拉紧销把底片涨紧。

2、用途、特点及适用范围

该仪器能够提供稳定的X射线光源，用来研究物质内部的微观结构。

其特点是利用可控硅和集成电路自动控制系统进行调压调流，从而获得一个较强而稳定的X射线光源。该仪器X射线发生器功率大、整机稳定性高、操作简单、可靠性高、保护完善，可与各种X射线照相机一起构成X射线晶体分析仪，或作其它X射线光源。

该仪器适用于冶金、机械、电子、化工、地质、建材、环保、能源等科研部门、工矿、企业和大专院校。

四、实验内容和步骤

1、准备

（1）在可见光下，用相盒外部的调整螺旋把样品调正(即样品轴线和相机轴线重合)；

4（2）在暗室里安装照相底片，装片时注意不要碰歪样品，然后将装好底片的相机安装在通用相机架的导轨上，选好仪器试验条件进行照相；

（3）关闭仪器防护罩；

（4）调控千伏和毫安旋钮到最小位置，即起始位置(10KV，2mA)；

2、操作步骤

（1）按“低压开”键，此时低压灯亮，准备灯亮，蜂鸣器鸣响；

（2）送水，开水泵电源、排水流畅，蜂鸣器停鸣；

（3）按“高压开”键，此时，高压指示灯亮，大约延时30秒，表开始有10KV,2mA指示；

（4）调整KV和mA旋钮到要求值，注意调整时两旋钮数值交替、逐渐增大，直到实验要求的数值；KV和mA的乘积不要超过X射线管的功率，建议使用35KV和20mA。（最大在射线管功率的80％）。

（5）用莹光板对好机械光路，打开光闸，进行工作，相机拍照时间为：大相机60分钟，小相机40分钟；

（6）工作完成后，关闭光闸，缓慢降低千伏和毫安到起始位置10KV，2mA（7）按“高压关”键，此时高压关断，停止X射线发生；（8）按“低压关”键，此时电源关断；

（9）等10分钟后，使X光管进一步冷却，然后关断水泵电源。

（10）取下相机，到暗示中打开相机盖，轻轻取出拍摄底片，切记将相机保护好，不要被显影液、定影液腐蚀；

（11）冲洗拍摄底片，显影、定影时间为3～8分钟，随季节温度变化调整时间。

五、注意事项

1、注意X射线管的电压为几十千伏，要特别注意高压安全．

2、安装和取出拍摄底片时，一定按要求轻拿轻放，不要碰歪样品；调整样品位置时，一定要有耐心，调整螺旋不要用力过大，以免损坏仪器。

3、X射线对人体有极大伤害，操作时一定要按规程操作；

4、仪器防护罩是实验安全的保证，而且是易碎材料，所以开启和关闭防护罩时，一定要小心谨慎。

六、思考题

1、X射线衍射仪的基本原理是什么？X射线衍射技术有哪些应用？

2、X射线衍射仪开启和关闭时，调整KV和mA旋钮为什么要交替、逐渐增大和交替、逐渐减小？

3、定性物相分析的基本方法是什么?

篇2：X射线衍射技术

摘要

本文评递了十余年来单晶X射残衍射技术的进展。介绍高亮度x射残光源的获得，能够大幅度提高折射数据收集速度和灵敏虞的二堆电子面探臧器成像板和电荷耦合器件CCD的工作原理扣应用等，井通过实倒说明这些技术上的重大进步正在极大地推动人们对物质微观结构的深入认识井带来巨大的成果。

关键词 单晶X射线折射

高亮度X射线光源

面探测器

成像板IP

电荷耦合器CCD

X射线衍射测定晶体结构的方法自问世数十年以来获得了极为丰富的成果。其中，单晶x射线衍射法已成为人们认识物质微观结构的最重要的途径和权威方法之一。通过测定单晶的晶体结构，可以在原子分辨水平上了解晶体中原子的三维空问排列，获得有关键长、键角、扭角、分子构型和构象、分子问相互作用和堆积等等大量微观信息并研究其规律，从而进一步阐明物质的性质，为化学、物理学、材料科学、生命科学等学科的发展提供基础。可以毫不夸张地说，人们对于物质在原子、分子水平上结构的认识和了解，大部分来源于单晶的x-射线衍射。

作为x射线衍射晶体结构溯定工作的主要工具的x射线单晶衍射技术，随着技术的进步和发展，其自动化程度和衍射数据收集和结构解析的精度、速度都在不断提高。在上个世纪的20～60年代，晶体结构溯定工作属于十分耗时费力的研究领域。照相法是唯一用于测量晶体衍射强度的工具，通常采用魏森堡(Weissenberg)法或旋进（Precession)法照相来收集衍射数据，用目测法获得衍射斑点的强度，完成一套小分子晶体的三维数据收集一般需要数月甚至经年。随后的结构计算则由于当时的计算技术的限制而十分困难。完成一个晶体结构的 溯定所需时间常以年计。60年代后期，计算机控制的四圆衍射仪开始出现，并在其后的20年间成为晶体结构溯定的主要工具。同时，大量精确的衍射数据的获得和计算机技术的进步，使结构计算特别是直接法得以发展成熟。由于这些进步，一个小分子晶体结构可在几天到数周内获得。四圆衍射仪主要用于小分子晶体结构的研究，也可用于蛋白质等生物大分子的研究。但是，四圆衍射仪属于点探测器型仪器，需逐点地收集衍射数据，数据收集速度慢，耗时长，而且灵敏度也较低。对于那些晶胞体积大、衍射能力弱、不稳定、或者较长时间暴露在x射线中衍射能力会衰减的晶体样品如超分子体系或生物大分子的研究显得力不从心。对 于生物大分子体系，改进的照相法(如采用光密度扫描仪来读取衍射强度)仍然是主要的手段。同一时期内，转靶x射线发生器的研发，提供了亮度比封闭管x射线高一个数量级的光源。另外，大量结构数据的积累，使得晶体结构数据库的建立成为必要和可能。到80年代末和90年代初，两项新技术的使用给单晶晶体结构分析带来了突破性的进展。一个是同步辐射的应用，为x射线晶体学提供了比一般实验室x射线光源亮几个数量级并且波长可调的高亮度光源。另一个是能够大幅度提高衍射数据收集速度和灵敏度的二维电子x射线探测器(面探测器)成像板IP（Image Plate)和电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device)。面探浏器型的x射线单面衍射系统能够成十倍、百倍地提高数据收集速度，而且由于其灵敏度高，对于弱衍射能力或小尺寸的晶体样品也能获得高质量的衍射数据。因此，IP和CCD正日渐替代四圆衍射仪和照相法而成为x射线晶体结构分析的主要手段，并正在对人们对物质微观结构研究的深人产生重大的影响。

现代X射线单晶衍射系统包括这几个部分：

(1)X射线光源

(2)测角仪

(3)X射线探测器

(4)计算机系统和软件

(5)其他辅助设备如循环

冷却装置．高、低温装置，真空装置，高压装置以及x射线安全防护设施等。其中X射线光源、x射线探测器、计算机系统和软件在近十余年来有很大的发展。

x射线光源

x射线光源为晶体的x射线衍射提供高亮度单色化的x射线。近年来的发展包括两个方面：光源自身功率的提高和能够聚焦x射线的光学系统的使用。

通常在实验室中，x射线由x射线管产生。在高真空的x射线管(图1)中，阴极灯丝发射的电子经过数十kv的电压加速后轰击阳极靶面，产生白光x射线和靶材料的特征x射线。这个过程中大约只有0．1％的能量被转化成X-射线，其余的能量变为热量耗散。为了避免阳极靶的熔化，需要对阳极进行冷却，而冷却的效率则决定了x射线管所能允许的最大运行功率。对封闭的x射线管而言，由于高压电子束轰击阳极靶面的位置是固定的，其最大功率在3kW左右。封闭管x射线光源因其便宜且易于维护、并能满足一般小分子晶体结构测定的要求而仍被广泛使用。在舳年代推出的转靶(旋转阳极)x射线发生器中，由阴极发射的电子束轰击高速旋转着的圆柱形阳极靶面。由于被轰击的阳极靶面总是在不断更新，其冷却效 率大大提高，因此光源的功率也得以大大提高，一般可达到十几kW甚至更高，如日本的Rigaku公司甚至已研制开发了90kW的高亮度转靶x射线光源。

更亮的x射线光源为同步辐射，为大型加速器中以接近光速运动的荷电粒子如电子或质子在速度发生改变时产生的x射线。其亮度可比实验室中的x射线光源亮几个数量级同时还具有波长可调、高度极化、单色性好等特点。表1列出同步辐射和实验室中的x射线光源的特点及简单的比较。同步辐射的高亮度对于衍射能力弱、不稳定、小尺寸的微晶样品的晶体结构测定以及时间分辩的晶体结构研究十分重要。令人遗憾的是，目前我国大陆尚无一个具有供晶体学研究的束线的同步辐射装置。

x射线单晶衍射要求光源提供高亮度、发散度小、截面(或焦斑)为数十到数百um直径的x射线束。x射线光学系统起到将x射线光源发出的发散的x射线聚焦、单色化和准直化的作用。传统所用的滤光片、晶体单色器以及准直管实际上只是将光源发出的部分立体角内x射线单色化和准直化，而未将更大立体角范围的x射线聚焦。近年来已发展了多种光学系统来达到将发散的x射线聚焦、单色化和准直化。与可见光不同，x射线在物质中几乎不发生折射(其折射率n仅比1小10-5)，因而通常无法象可见光那样采用透镜来改变x射线的方向来达到聚焦的目的。但是，当X-射线以很小的入射角度射到镜面(由Ni,Au,Pt等贵金属形成的平整度为亚纳米级的镜面)时可被镜面全反射。这一原理已应用于一系列的广泛被采用的光学系统来聚焦x射线，如双镜面（Yale Mirror)、多毛细管束等，甚至一个带有单毛细管的准直管(如Nonius的Mirscol single carpillsry collimator)也能够明显地增强x射线的亮度。具有椭球形表面的镜面系统可以将处于椭球一个焦点的光源发射的x射线聚焦到处于另一个焦点的样品上而大大提高x射线的亮度。最近该技术被应用于开发一种称为Microsource的x射线光源，能以数十瓦的功率获得相当于原来5kW转靶X射线光源的亮度。面探测器

已如前述，90年代以来x-射线单晶衍射技术的另一个也是最重要的进展是面探测器的研发和投人实用。与十余年前广泛使用的逐点收集衍射强度的四圆衍射仪相比，面探测器系统可以同时记录许多衍射点，因而可以呈数量级地提高数据收集速度，并且灵敏度也大大提高。同时，采用面探测器可以比以往更快获得有关晶体的质量、晶胞参数、衍射能力等初步信息。照相底片是最原始的面探测器，但由其固有的缺点如动态线性范围小，灵敏度低，使用和处理繁琐等。然而照相法为后来的面探测器从数据收集方法到数据处理提供了基础。较早推出的电子面探测器有多丝正比计数器和TV型面探测器，但因其空间分辨和动态范围等性能不及IP和CCD而逐渐为后二者所替代。IP和CCD已成为当前的主流面探测器。计算机系统和软件

计算机技术已广泛应用于现代科学技术的各个方面。同样，现代单晶衍射系统的各个部分和正常运转：从仪器的控制、衍射数据的收集、衍射数据的还原(晶胞测定、衍射点的指标化、衍射强度的积分等)、结构的解析和表达，都离不开功能强大的计算机和软件的支持。例如，由IP或CCD收集到的一个衍射画面的文件所包含的数据量可达几到几十MB，而一套衍射数据通常包括几

十、几百甚至上千个衍射画面文件，其巨大的数据处理量和运算量可想而知。没有强大的计算机技术的发展，这一切都是不可想象的。目前，已经在各种操作系统如Windows、Linux、Unix等平台上开发出了各种系列软件，用于仪器的自动控制、衍射实验、数据处理、结构计算、结果表述等，并且人机界面友好。使晶体结构测定工作比以前更易于进行。

低温装置

在现代单晶衍射系统的辅助设备中，低温装置是值得一提的。晶体在低温下，晶格内原子的热振动大大减小，晶体的衍射能力会大大增强，使收集的晶体衍射数据质量得到极大的提高。特别是对在室温环境下不稳定的样品，在低温下能够有效地提高其稳定性而利于其晶体结构测定工作。低温装置对于研究低温下发生韵相变等也十分重要。因此欧美等先进国家的许多x射线单晶衍射系统，都配备了低温装置。现代低温装置除了能够精确地控制所测量样品的温度外，还具有各种程序控制升温降温等多种功能。由于面探测器的使用极大地提高数据收集速度，也使现代低温装置变得更加有效。世界上最著名的低温装置为英国Oxford Cyrosystems生产的系列产品，它们以液氮或液氦为冷源，可以获得液氮或液氦温度以上的任何温度，而且液氮或液氦的消耗量很低。最近Rigaku还开发出了不需要使用液氮储罐的低温装置X-Stream 2000,在运转过程中该装置会从空气中分离氮气和制备液氮。

参考文献

1．周公度，晶体和准晶体的衍射，北京：北京大学出版社，1999 2.C.Ciacovazzo(ed.),Fuodamentals of Crystallogmphy,Internstional Crystallography,Oxford Univ.Preas,New York,1994.Union

篇3：X射线衍射仪的升级改造

随着时代发展, 用户对X射线衍射仪技术指标的要求不断提高, 原有控制系统已不能满足用户要求, 在这个前提下, 我们对原有控制系统进行升级改造, 把过去的以单片机为核心控制单元更改为可编程逻辑控制器 (PLC) 为核心的控制单元, 提高整机系统控制稳定性。测角仪角度控制由原来的步进电机, 改用进口伺服电机, 在相同机械结构下, 提高测角仪转台的旋转角度精度和角度重复精度。计算机数据采集软件与可编程控制器PLC采用以太网通信, 提高计算机数据交换的准确性。

2 X射线衍射仪构成

X射线衍射仪由X射线高压控制系统构成的X射线源、测角仪、计数管、衍射仪控制系统和数据采集软件、射线防护系统等组成。

2.1 测角仪是衍射仪的重要组成部分

它的用途是在稳定的X射线源和记录控制单元控制下, 将待分析的样品放在样品架上进行X射线衍射。计算机采集软件读取测角仪伺服电机反馈信号数据, 获得样品的衍射角度, 同时通过探测器记录衍射强度, 根据布拉格公式:2dsinθ=ηλ求出样品的面间距d值。从而揭示出物质内部的精细结构, 达到分析样品的目的。

2.2 X射线高压控制系统

X射线高压控制系统由X射线管、X射线高压控制单元, X射线高压发生器、水冷却器等组成, 形成稳定的X光源电压10k V~60kV, 管电流5mA~80mA, 有过压、过流、过功率、无压、无水, X光管超温保护。

2.3 计数管

计数管通常使用正比探测器和闪烁探测器, 它们不同之处是计数率高度之分。正比探测器计数频率能达到500KHz, 闪速探测器计数频率能达到200KHz。

2.4

计算机控制系统和数据采集软件

2.5

防护系统:射线对人体有害, 需要对射线进行屏蔽

3 计算机控制系统和数据采集处理软件

3.1 计算机控制系统和数据采集系统

为了提高X射线衍射仪的测角精度, 采用原测角仪的机械传动机构将步进电机改用高精度进口伺服电机。用衍射仪操作系统软件对测角仪进行驱动控制, 提高机械精度及电机旋转电角度;样品轴和探测器架轴分别与伺服电机相连接, 保证两轴单动或联动的功能;通过数据采集软件获取衍射样品的衍射强度和衍射角度数据文件, 用国际通用的JADE 6.5检索软件进行解谱数据分析。衍射仪技术参数的保证, 需要对衍射仪系统进行各项技术指标的测试才能确认, 其中包括对单晶Si粉角度的测定、SiO2分辨率的测定、角度重复性的测试、kV、m A的稳定度的测试。

3.2 伺服系统

为了保证测角仪角度控制精度达到0.0001°, 选用富士伺服电机及伺服驱动器, 当伺服电机旋转一周对应测角仪的角度是

1°, 连续采集速度是:0.005°/s~1.27°/s, 伺服电机最大转速是:3000r/min。因此, 通过设定伺服电机旋转一周脉冲数是100kpps, 也就是说当我发送10pps脉冲数时, 测角仪旋转0.0001°。保证测角仪最大控制精度, 同时PLC最大输出频率是1MHz, 测角仪电机转速最快是10r/s, 也就是说相当于测角仪旋转10°/s。

3.3 以太网通信协议分析:

可编程逻辑控制器 (PLC) 扩展以太网模块卡, 它的接口很容易与控制单元接口对接, 计算机通过标准网线与PLC进行网络连接。这样, 以太网卡通过标准FINS协议为可编程控制器接收指令, 上载和下载程序, 也可以通过网络连接多个PLC等。TCP/IP是传输控制协议, TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。在简化的计算机网络ISO模型中, 它完成第四层传输层所指定的功能, 和UDP是同一层内另一个重要的传输协议。TCP协议中包含了专门的传递保证机制, 当数据接收方收到发送方传来的信息时, 会自动向发送方发出确认消息;发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息, 否则将一直等待直到收到确认信息为止。

4 计算机采集软件及PLC程序设计

PLC程序是控制样品轴和探测器支架这俩个伺服电机, 方便计算机发送控制指令, 以便PLC接收正确控制指令信号, 达到计算机控制目的。

1) 在计算机上编制衍射仪操作系统界面, 设定对应控制参数;

2) 用鼠标点击开始采集按钮时, 计算机通过以太网接口发送一组采集控制指令, 当PLC接收到信号, 同时对信号进行异或校验后的结果与计算机发送之前指令所给出的校验数据一致时, 证明完成一次控制信号发送, 比如PLC的内存地址 (地址是D100~D200这个区域) 获得相应的控制信号数据后, PLC输出控制脉冲信号传输给伺服电机驱动器上, 然后伺服电机按照伺服驱动器发出的指令旋转运行, 测角仪转台按照指定角度开始旋转, 同时发出控制X射线信号 (X射线开启) , 这时在计算机采集软件上就能显示出当前样品角度与强度对应关系, 直到整个过程采集完成, 并把谱图中强度按照相应存储格式保存到计算机硬盘上。图1是对某一标准样品采集后的数据谱图;

3) 编制PLC样品轴及探测器支架轴的控制程序及探测器采集信号程序:

(1) 计算机软件采用CShape高级软件编写的程序, 该语言完全面向对象操作。单击计算机采集软件图标, 启动采集软件后, 采集软件作为客户机通过网络 (TCP协议) 自动与PLC服务器进行连接, 连接程序如下:

(2) 发送控制指令函数

(3) 接收控制指令函数

以上代码通过与设备实际调试后, 并对其代码进行优化。按照程序步骤执行, 将所有函数进行串联在一起, 完成执行程序目的, 即完成衍射样品的数据采集工作。

结论:X射线衍射仪器在我国大中专院校, 工业企业、科研单位在材料研究中得到广泛应用, 很多设备存在陈旧老化问题, 在原有的基础上对设备的总体性能进行升级改造, 改进后的测角仪样品轴和探测器支架角度重复性会有很大提高, 角度重复性的测试优于0.0001°, 故障率减少, 总体性能提高, 为国家创造良好的经济效益和社会效益。

摘要：X射线衍射仪是利用X射线衍射原理对物质内部结构进行分析的分析仪器。我国市场现有数百台二十世纪前国产、进口设备, 每台衍射仪都非常昂贵, 几十万到几百万人民币。当时的设备多采用单片机和分立器件设计, 所以故障非常高。如今采用模块化设计, 利用可编程逻辑控制器 (PLC) 、驱动器来控制X射线发生器的kV、mA升降和测角仪的运动及数据系统的采集控制, 大大的简化了电子线路的设计结构, 提高了设备的可靠性。将获得的数据文件, 通过计算机配备高性能数据采集处理软件, 可以精确的测定物质的晶体结构、点阵常数、完成物质定性和定量分析、完成织构、应力的测定。

关键词：X射线衍射仪,PLC,以太网,C#

参考文献

[1]刘粤惠, 刘平安.X射线衍射分析原理与应用.北京:化工工业出版社, 2003, 10.

[2]康光华, 邹寿彬.电子技术基础.高等教育出版社出版, 2000, 7.

篇4：X射线衍射技术

关键词：X射线衍射 物相分析 应力 结晶度

中图分类号：TB302 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0020-01

自从伦琴发现了X射线，随后X射线被用于表征晶体的结构和物质的物相。当X射线通过某种物质时，会产生不同的衍射花样，该衍射花样可用于表征物质的晶体结构。随着现代科学技术的发展，X射线衍射技术的不断进步，在材料探测方面取得了重要进展，X射线衍射技术可以对晶体、非晶体、人工器件和生物有机体等材料的结构进行分析和表征，该技术为材料科学的发展提供了一种重要的结构表征手段。

1 X射线衍射基本原理

X射线是一种波长较短的电磁波，波长在10-10～10-12 m之间，X射线一般由X射线光管产生，在一根封闭的真空管中，在管子的阴极和阳极施加一个高电压，从阴极发射出的电子流在高压作用下被加速，高速电子流轰击阳极金属靶产生X射线。当一束单色的X射线照射到晶体上时，由于晶体物质是由规则排列的原子构成，规则排列的原子间的距离与X射线波长相当，经不同原子散射的X射线相互干涉，X射线在某些特殊方向上被加强，衍射线方位和强度的空间分布与晶体结构密切相关，不同晶体结构的物质具有各自独特的衍射花样，这就是X射线衍射的基本原理[1]。

1913年，英国物理学家布拉格父子提出了可以反映衍射空间方位和晶体内部结构关系的布拉格方程：

（1）

式中d为晶体的晶面间距，n为任意正整数，θ为掠射角，λ为X射线波长。

2 X射线衍射技术在材料分析中的应用

2.1 物相分析

任何一种晶体都有自己特定的点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子的位置和数目等结构参数，这些特定的结构与X射线的衍射角θ和衍射强度I存在某种对应关系。因此，当X射线在晶体中发生衍射时，不同的晶体对应不同的衍射花样，不存在衍射花样完全相同的两种物质。对于自然界中存在的结晶物质，在一定的规范的测试条件下，对所有物质进行X射线衍射测试，得到所有物质的标准X射线衍射花样（即I-2θ曲线），各种已知晶体的X射线衍射花样的收集、校订、编辑和出版工作是由“粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）”负责，每一种晶体的X射线衍射花样被制成一张卡片，称为粉末衍射卡（简称PDF卡），X射线物相分析就是利用PDF卡片进行物相检索和分析的。要对某种未知样品进行物相分析时，首先利用X射线衍射仪测试出该样品的X射线衍射花样，然后将实验测试X射线衍射花样与数据库中标准的X射线衍射花样进行对比，如果该样品是一种单相物质，通过对比可以直接确定该样品的物相；如果该样品是由多种晶体构成，则可以在所测重叠的衍射花样中将各种晶体的衍射花样逐一剥离出来，从而确定出该样品的物相构成。

2.2 应力的测定

薄膜的性能与其化学成分、微结构、表形貌及残余应力等多种因素密切相关。研究表明，残余应力对薄膜的电磁学和力学性能及其使用寿命都有重要影响。准确测量薄膜的残余应力是薄膜应用的基础，在科学和技术方面具有重要的意义。薄膜残余应力的测试方法主要包括中子衍射法、拉曼光谱法、压痕法、曲率法和X射线衍射法等。与其他方法相比，X射线衍射技术因其具有非破坏性、可测局部应力、可测表面应力、可区分应力类型、测量时无需使材料处于无应力状态等优点而成为一种比较理想的残余应力测试手段。于国建等[2]采用X射线衍射技术测试了金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术外延生长的GaN薄膜的应力情况，结果表明，GaN薄膜中存在压应力。

2.3 材料粒径的表征

纳米材料的性能与其粒径的尺寸密切相关。由于纳米材料颗粒尺寸较小，极易发生团聚，若采用粒度分析仪测试纳米材料的颗粒尺寸，得到的结果与其实际的颗粒尺寸差距较大。利用X射线衍射花样，根据谢乐公式可以测定纳米材料的平均颗粒尺寸。杨景景等[3]利用谢乐公式计算出溶胶-凝胶法制备Co掺杂ZnO薄膜的平均晶粒尺寸，并研究Co掺杂量对ZnO薄膜晶粒尺寸的影响。

2.4 结晶度的测定

结晶度是影响材料性能的重要参数。在一些情况下，物质结晶相和非晶相的衍射图谱往往会重叠。结晶度的测定主要是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积的比，在测定时必须把晶相、非晶相及背景不相干散射分离开来。范雄等[4]利用X射线衍射仪测试了不同退火时间处理的聚丙烯的X射线衍射花样，并采用函数分峰法计算出样品中非晶峰和结晶峰比例关系，计算出不同退火处理条件下聚丙烯的结晶度，找出聚丙烯结晶度随退火时间的变化规律。

3 结语

X射线衍射技术已经渗透到物理、化学和材料科学等诸多领域，成为一种重要测试和分析方法。该文主要介绍了X射线衍射的基本原理以及X射线衍射技术在材料物相分析、应力测量、晶粒尺寸分析和结晶度计算等方面的应用。

参考文献

[1]范雄.金属X射线衍射学[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2]于国建，徐明升，胡小波，等.SiC衬底上生长的GaN外延层的高分辨X射线衍射分析[J].人工晶体学报，2014，43（5）：1017-1022.

[3]杨景景，方庆清，王保明，等.Co掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响[J].物理学报，2007，56（2）：1116-1120.

篇5：X射线衍射技术

2008.11.11

1.简述X射线法精确测量晶格常数的方法原理与应用。

方法原理：X射线衍射法测量点阵常数，是利用精确测得的晶体衍射峰位2θ角数据，根据布拉格定律2dsinθ=λ和点阵常数（a，b，c）与晶面间距d的关系计算出点阵常数。应用：点阵常数是晶态材料的基本结构参数。它与晶体内质点间的键合密切相关。它的变化是晶体成分、应力分布、缺陷及空位浓度变化的反映。通过精确测量点阵常数及其变化，可以研究固溶体类型、固溶度、密度、膨胀系数、键合能、相图的相界等问题，分析其物理过程及变化规律。但是，在这些过程中，点阵常数的变化一般都是很小的（约为10-4埃数量级），因此必须对点阵常数精确测量。

2.为什么说X射线衍射线的线性与晶体材料的微晶尺寸有关？简述通过线性分析法确定微晶尺寸的方法原理与应用。

关联：（P169）干涉函数的每个主峰就是倒易空间的一个选择反射区。三维尺寸都很小的晶体对应的倒易阵点变为具有一定体积的倒易体元（选择反射区），选择反射区的中心是严格满足布拉格定律的倒易阵点。反射球与选择反射区的任何部位相交都能产生衍射。衍射峰的底宽对应于选择反射区的宽度范围。选择反射区的大小和形状是由晶块的尺寸D决定的。因为干涉函数主峰底宽与N成反比，所以，选择反射区的大小与晶块的尺寸成反比。原理：利用光学原理，可以导出描述衍射线宽与晶块尺寸的定量关系，即谢乐公式：

k

DcosDmd为反射面法向上晶块尺寸的平均值，只要从实验中侧的衍射线的加宽，便可通过上述公式得到晶块尺寸D。

应用：尺寸为10-7~10-5cm(1~100nm)的微晶，能引起可观察的衍射线的宽化。因此，可以测量合金的微晶尺寸；可以粗略判断微晶的形状；可以用通过线性分析，测量合金时效过程中析出的第二相的尺寸，从而分析第二相的长大过程。

3.为什么说X射线衍射线的线性与晶格畸变有关？简述通过线性分析法确定微观应力的原理与方法。

关联：由于塑性材料在形变、相变时会使滑栘层、形变带、孪晶、以及夹杂、晶界、亚晶界、裂纹、空位和缺陷等附近产生不均匀的塑性流动，从而使材料内部存在着微区(几十埃）应力。这种应力也会由多相物质中不同取向晶粒的各向异性收缩或合金中相邻相的收缩不一致或共格畸变所引起。试样中的这种应力即无一定的方向，又无一定的大小。因此它们使面间距产生一定的变化范围，从而衍射角有个变比范围，即使衍射线宽化。

原理：晶面间距的改变，会导致衍射角相应的变化，因此，对布拉格方程微分可得：

4tand d如果利用晶面间距的相对变化来表达微观应力（晶格畸变），那么，只要从实验中测得衍射线的加宽，便可通过上式计算微观应力（晶格畸变）。方法：

4.x射线衍射定量分析（K值法）所依据的原理是什么？简述X射线定量分析的简要步骤。

原理：（P139和P142）

IjIsjKJsWjWs

简要步骤：测定Ks值制备一个待测相（j相）和内标物质（S相）重量为1:1的两相复合试样，测量此复合试样中j及S相某选测峰的衍射强度Ij和IS。因为此复合试样中Wj/Ws1，故KsIj/Is。j(2)制备待测相的复合试样向待测试样中掺入与测Ksj时相同的内标物质（掺入量不限），混合均匀，即为待测相的复合试样。

(3)测量待测相的复合试样所选测的衍射峰及实验条件与测定Ksj时完全相同。

(4)计算待测相的含量由测量待测相的复合试样所得的Ij和Is、S相的掺入量Ws、预先测出的Ksj计算出W’j，再利用关系式W’j=Wj/(1-Ws)即可求出Wj。

5.通过本课程学习，你取的了哪些收获》？谈谈自己的硕士论文研究工作中怎样发挥X射线衍射分析技术的作用。

定性相分析，定量相分析，测织构，测强化相微晶尺寸、微观应力，测晶格常数等等。

X射线衍射分析技术——硕士生考试试卷

2005

1、X射线衍射定性、定量物相分析所依据的原理是什么？简述X射线衍射定性、定量物相分析的简要步骤？ 定性分析原理：1，任何一种结晶物质都具有特定的晶体结构，在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样。每一种晶体物质和它的衍射花样都是一一对应的，不可能有两种晶体物质给出完全相同的衍射花样。2，试样中存在两种以上不同结构物质时，每种物质所特有的衍射花样不变，多相试样的衍射花样是由它和所含物质的衍射花样机械叠加而成。

定性分析步骤：1，获得衍射花样；2，计算面间距d值和测量相对强度I/I1值（I1为最强线的强度）；3，查找PDF卡片；4，核对五强线或八强线的d-I/I1值使之相匹配；5，用同样的方法查找余下的衍射峰。

定量分析原理步骤：（同2008第4题）

2、材料中有哪几类应力？各类应力对X射线衍射线分别产生什么效应？为什么会产生这样的效应？简述第一类应力的测试原理和方法？

原理和方法见书

3、织构有哪几类表达方法？选择其中一种简述织构测试的原理和方法？

织构有三种表示方法：极图、反极图和三维取向分布函数。1 ．极图 多晶体中某{hkl}晶面族的倒易矢量（或晶面法线）在空间分布的极射赤面投影图称极图。．反极图 反极图表示某一选定的宏观坐标（如丝轴、板料的轧面法向n.d或轧向r.d等）相对于微观晶轴的取向分布，因而反极图是以单晶体的标准投影图为基础坐标的。

3．三维取向分布函数（odf）在这种方法中，多晶体中晶粒相对于宏观坐标的取向用一组欧拉角表示。

2．试述X射线衍射单物相定性基本原理及其分析步骤？

答：X射线物相分析的基本原理是每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构，即特定点阵类型、晶胞大小、原子的数目和原子在晶胞中的排列等。因此，从布拉格公式和强度公式知道，当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，衍射花样的特征可以用各个反射晶面的晶面间距值d和反射线的强度I来表征。其中晶面网间距值d与晶胞的形状和大小有关，相对强度I则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。通过与物相衍射分析标准数据比较鉴定物相。

单相物质定性分析的基本步骤是：

（1）计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值；

篇6：X射线衍射技术

姓名：班级：s1467

学号：201421801014 摘要：X射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法，在各种材料的研究和生产中被广泛应用。本文概要介绍了概要介绍了X射线衍射分析的原理及其相关理论，总结了X射线衍射的各种实验方法，对X射线衍射分析在材料分析中的应用分别进行了叙述，最后对X射线衍射分析的发展进行了展望。

关键词:X射线衍射技术；晶体结构；材料分析 1 引言

自1896年X射线被发现以来，可利用X射线分辨的物质系统越来越复杂。从简单物质系统到复杂的生物大分子，X射线已经为我们提供了很多关于物质静态结构的信息。

此外，在各种测量方法中，X射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质（晶体或非晶体）进行衍射分析时，该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此，X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法，已逐步在材料的研究和生产中广泛应用。2 X射线衍射原理

1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质。X射线同无线电波、可见光、紫外线等一样，本质上都属于电磁波，只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X射线的波长较短，大约在10-8~10-10cm之间。X射线分析仪器上通常使用的X射线源是X射线管，这是一种装有阴阳极的真空封闭管，在管子两极间加上高电压，阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶，从而产生X射线。

当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理[1]。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示。

式中d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ为X射线的波长。布拉格方程是X射线衍射分析的根本依据。X射线衍射技术在材料分析中的应用 由X射线衍射原理可知，物质的X射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数(包括晶体结构类型，晶胞大小，晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等)。因此，没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射花样。X射线衍射技术发展到今天，已经成为最基本、最重要的一种材料测试手段，其主要应用主要有以下几个方面： 3.1 物相定性分析

不同的多晶体物质的结构和组成元素各不相同，它们的衍射花样在线条数目、角度位置、强度上就呈现出差异，衍射花样与多晶体的结构和组成有关，一种特定的物相具有自己独特的一组衍射线条（即衍射谱），反之不同的衍射谱代表着不同的物相。通过分析待测试样的X射线衍射花样，将待分析物质的衍射花样与各种单质的X射线衍射花样对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。3.2 物相定量分析 鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于该组分存在的量(需要做吸收校正者除外)，就可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会(JCPDS)”负责编辑出版的“粉末衍射卡片(PDF卡片)”进行物相分析。

X射线衍射物相定量分析有内标法[2]、外标法[3]、增量法[4]、无标样法[5]和全谱拟合法[6]等常规分析方法。内标法和增量法等都需要在待测样品中加入参考标相并绘制工作曲线，如果样品含有的物相较多，谱线复杂，再加入参考标相时会进一步增加谱线的重叠机会，给定量分析带来困难。无标样法和全谱拟合法虽然不需要配制一系列内标标准物质和绘制标准工作曲线，但需要烦琐的数学计算，其实际应用也受到了一定限制。外标法虽然不需要在样品中加入参考标相，但需要用纯的待测相物质制作工作曲线，这也给实际操作带来一定的不便。3.3 点阵常数的测定

点阵常数是物质的基本结构参数，任何一种晶体物质在一定状态下都有一定的点阵参数。测定点阵参数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵参数的测定是通过X射线衍射线位置的测定而获得的，通过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。

点阵常数测定中的精确度涉及两个独立的问题[7]，即波长的精度和布拉格角的测量精度。波长的问题主要是X射线谱学家的责任，衍射工作者的任务是要在波长分布与衍射线分布之间建立一一对应的关系。知道每根反射线的密勒指数后就可以根据不同的晶系用相应的公式计算点阵常数。晶面间距测量的精度随θ角的增加而增加，θ越大得到的点阵常数值越精确，因而点阵常数测定时应选用高角度衍射线。3.4 微观应力的测定

微观应力是指由于形变、相变、多相物质的膨胀等因素引起的存在于材料内各晶粒之间或晶粒之中的微区应力。当一束X射线入射到具有微观应力的样品上时，由于微观区域应力取向不同，各晶粒的晶面间距产生了不同的应变，即在某些晶粒中晶面间距扩张，而在另一些晶粒中晶面间距压缩，结果使其衍射线并不像宏观内应力所影响的那样单一地向某一方向位移，而是在各方向上都平均地作了一些位移，总的效应是导致衍射线漫散宽化。材料的微观残余应力是引起衍射线线形宽化的主要原因，因此衍射线的半高宽即衍射线最大强度一半处的宽度是描述微观残余应力的基本参数。

X射线测定应力具有非破坏性，可测小范围局部应力，可测表层应力，可区别应力类型、测量时无需使材料处于无应力状态等优点，但其测量精确度受组织结构的影响较大，X射线也难以测定动态瞬时应力。3.5 结晶度的测定

结晶度是影响材料性能的重要参数。在一些情况下，物质结晶相和非晶相的衍射图谱往往会重叠。结晶度的测定主要是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积的比，在测定时必须把晶相、非晶相及背景不相干散射分离开来。基本公式为：

式中：Xc—结晶度；Ic—晶相散射强度；Ia—非晶相散射强度；K—单位质量样品中晶相与非晶相散射系数之比

目前主要的分峰法有几何分峰法、函数分峰法等。3.6 单晶取向和多晶织构测定

单晶取向的测定就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向，但X衍射法不仅可以精确地单晶定向，同时还能得到晶体内部微观结构的信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系。透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品；背射劳埃法就无需特别制备样品，样品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法[8]。

多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的现象称为织构，常见的织构有丝织构和板织构两种类型。为反映织构的概貌和确定织构指数，有三种方法描述织构：极图、反极图和三维取向函数，这三种方法适用于不同的情况。对于丝织构，要知道其极图形式，只要求出求其丝轴指数即可，照相法和衍射仪法是可用的方法。板织构的极点分布比较复杂，需要两个指数来表示，且多用衍射仪进行测定[9]。4 展望

综上所述，X射线衍射技术在材料分析领域有着十分广泛的应用，在无机材料、有机材料、钢铁冶金、纳米材料等研究领域中发挥越来越重要的作用。X射线衍射技术已经成为人们研究材料尤其是晶体材料最方便、最重要的手段。计算机的普遍使用让各种测量仪器的功能变得强大，测试过程变得简单快捷，双晶衍射、多重衍射也越来越完善。

但是，随之而来的软件也缺陷越来越明显，在各种分析过程中，软件分析检索的准确度都不尽人意。纵观整个X射线衍射领域，可以看出仪器设备的精密化和多用途化是一个发展趋势，然而各种设备运行的软件明显落后于设备的发展，所以今后迫切的需要是软件系统的更新和完善。文献参考