X射线衍射仪在“材料分析方法”课程教学中的应用

李晓伟 杨吉春 李涛

【摘要】X射线衍射是一种应用广泛的无损分析测试技术，把该技术应用于实验教学中，使学生了解X射线衍射仪的工作原理，熟悉D8 ADVANCE 型X射线衍射仪的使用方法。利用X射线衍射仪对氧化镨粉末试样进行物相分析，使学生掌握基本的物相结构确定方法。帮助激发学生对科研的兴趣和培养他们的科学思维能力。

【关键词】X射线衍射仪  测试分析  物相分析

【中图分类号】G642.423;TH83【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0202-02

X射线衍射仪（X-Ray-Diffraction简称XRD）是对流体、粉末及块状晶体等物质的重要无损检测工具，作为物质结构表征的必须手段[1-3]。X射线衍射技术具有操作简便、迅速、信息全面、样品用量少、无污染、衍射强度准确等优点[1-3]。大多数固态物质（以及一些流体）都是晶态或者准晶态物质，它们常以细粒或者微细粒的晶粒聚集体形式存在，即使是大颗粒的晶体，也可容易得到其粉末态[4]。故而通过粉末衍射可以确定物质是否为晶体，可以研究介孔材料，可以研究矿物组成以及丰度，可以研究晶粒尺寸、残余应力以及晶粒的择优取向等。还可以利用Rietveld全谱拟合技术对衍射所得数据进行拟合进而解结构。

在实验教学中，根据实验学时的具体情况和面向本科生教学的现状，我们将用从白云鄂博稀土矿萃取提纯出的氧化镨粉末向同学们演示物相分析的基本方法，同时介绍X射线衍射仪的基本构造和原理。

1.仪器设备

X射线衍射仪的形式多种多样，用途各异，但基本构成相似，本实验所用的是德国Bruker 所产的D8 ADVANCE型X射线衍射仪，该仪器设计精密，测角仪角度重现性高达0.0001度。采用Si（Li）固體探测器具有超低的荧光背地以及性噪比。能精确度运用于物质微观结构、残余应力、织构极图等得各种测试、分析和研究。该设备主要有六部分组成：X射线发生器、冷却水系统、测角仪、探测和记录系统、控制和数据处理系统、附属装置。

1.1 X射线发生器：提供高稳定的x射线，改变x射线阳极靶材质可改变x射线的波长，本实验室配备有铜靶和钴靶，以及各种型号的点焦源和线焦源。

1.2冷却水系统：X射线辐射出来，最多也仅仅为1%左右，而大部分功率转化为热能，使靶面焦斑处的温度升高，如果不及时冷却，将会使靶材熔化，使管损毁。同时高压发生器也需要冷却。当高精度X射线强度测定时，X射线管的冷却水温差要求控制在±1℃以内。

1.3测角仪：上面装有索拉光栏、发散光栏、防散射光栏和接收光栏以及探测器。可以绕测角仪轴转动，样品台上放置样品。其是X射线衍射仪核心部件。

1.4探测和记录系统：主要包括探测器、脉冲高度分析器、定标器、计数率计等部分。可以将光信号转换成电脉冲信号并放大，并除去信号中的干扰和噪声。

1.5附属装置：主要包括单色器、高低温附件（本实验室配有最高温度可达1100℃的高温附件）、残余应力测试附件、小角衍射附件和织构测试附件等，通过增加这些特殊附件，扩展了测试功能。

2.X射线衍射的基本原理

X射线本质是一种波长很短的电磁波，其磁场矢量在于物质相互作用中效应很弱，故可以测试磁性物质，其波长大约在0.01-10nm范围内，用于衍射分析的X射线波长范围在0.05-0.25nm。1912年劳埃（M.VonLaue）发现X射线的波长和许多晶体的原子间距离同一数量级和X射线通过晶体的衍射现象。随后布拉格父子导出了布拉格发射定律，奠定了X射线衍射学在物理、化学和材料等科学中得以广泛应用的基础。

当X射线入射到晶体时，基于晶体结构的周期性，晶体中各个电子中一部分散射波会发生相干散射，电子散射线相互干涉的总结果被称为衍射。晶体的x射线衍射图是对晶体微观结构的反映，每种晶体物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子（离子或分子）的数目及其位置等，而这些参数在x射线衍射花样中均有所反映。某种物质的多晶衍射谱的衍射线峰形、数目、位置以及强度是该种物质的特征，因而可为鉴别物相的标志。

由布拉格方程可知，花样线条位置由衍射角2θ决定，而θ取决于波长和晶面间距d，其中d是由晶体结构决定的基本量。即： 2d·sinθ=nλ

晶体中每一条衍射线的强度I和结构因子都有关：

I=I0·K·F2·V

I0为入射线束强度，K为比例常数，V为被照射晶体的体积，F为结构因子。每种晶体结构中可能出现的d值是由晶胞参数a、b、c、α、β、γ所决定。它们实际上决定了衍射线的峰位。F是结构因子F的模量称为结构振幅，是单胞中所有原子散射波振幅的总和，与每个原子的散射因子f和原子的相位有关。满足布拉格衍射方程式，只是产生衍射的必要条件，是否出现可观察的具有一定强度的衍射线，还取决于原子在晶胞内的分布，结构因子不为零值才可能出现衍射线。多晶衍射法测定晶体结构，就是利用结构因子与原子位置的关系，来确定原子在晶胞中的位置。

3.PDF卡片比对

粉末衍射标准联合委员会JCPDS（Joint Committee on Ponder Diffraction Stands）编纂的《粉末衍射卡片集》是内容最丰富、规模最庞大的粉末衍射数据库。测试试样所得衍射花样通过与PDF卡片比对，即可确定试样为何种物质。

3.1仪器与试样

所用仪器为德国Bruker公司生产的D8 ADVANCE X-ray Diffraction，待测试样为萃取制得的氧化镨。

3.2实验步骤

3.2.1开机：

①开启循环水，使之保证x射线源不会温度过高而被烧毁;②仪器启动，预热30分钟后，初始化5个驱动轴;③加载高压，钴靶电压35千伏，电流40毫安;铜靶电压40千伏，电流40毫安。本实验教学中采用铜靶，kα1=1.540598A。

3.2.2试样要求：

①粉末晶体颗粒细小，块状试样表面平整;②制备：取适量试样放于玛瑙研钵中，充分研磨后，用筛子过滤，将过滤下的氧化镨粉末装入样品台，用载玻片压平，切忌使劲挤压，否则会有择优取向，然后固定于样品室的样平台上。

3.2.3测试：

在commander软件中设置起始角、终了角、扫描速度和扫描方式等完毕后，开始测试，得到衍射谱图。如图一：

图一 原始衍射谱线

3.2.4数据分析：

双击氧化镨的raw格式文件，用Eva软件打开数据，扣除掉Kα2峰;如图二：

图二 扣除掉Kα2峰后的谱线

从PDF卡片中查出一系列氧化镨的标准花样，经过比对，确定物相并指标化。如图三：

图三 比对且指标化后的谱线

3.3分析结果

经过比对，分析得出该谱图是由Pr6O11和PrO2构成。

4.结论

X射线衍射仪是物相分析的重要仪器，衍射分析技术在“材料分析与测试技术”课程实验教学中占有重要地位。本实验课程的目的是使学生了解X射线衍射仪的基本构造和原理。掌握物相分析的方法。在实验教学中，激发学生的科研兴趣，培养理论联系实际。

参考文献：

[1]马礼敦.近代 X射线多晶体衍射 [M ].北京： 化学工业出版社：

[2]梁敬魁. 粉末衍射法测定晶体结构 [M ]. 北京： 科学出版

[3]刘粤惠， 刘平安. X射线衍射分析原理与应用 [M ].北京： 化学工业出版社， 2003.

[4]毛宏志，印志磊，许效红.X射线粉末衍射仪在实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2006，23（11）：30-32.