X射线衍射实验指导书33254.doc

X射线衍射实验指导书一.【实验目的及要求】 学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理；掌握X射线衍射物相定性分析的方法和步骤；给定实验样品，设计实验方案，做出正确分析鉴定结果三.【实验原理】 根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是X射线物相分析法每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线的相对强度I／I1来表征其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关所以任何一种结晶物质的衍射数据d和I／I1是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相四.【实验仪器】本实验使用的仪器是D/max-RB X射线衍射仪(日本理学制造)X射线衍射仪主要由X射线发生器（X射线管）、测角仪、X射线探测器、计算机控制处理系统等组成衍射仪的结构如下图所示1.X射线管 X射线管主要分密闭式和可拆卸式两种广泛使用的是密闭式, 由阴极灯丝、阳极、聚焦罩等组成, 功率大部分在 1～2千瓦。

可拆卸式X射线管又称旋转阳极靶,其功率比密闭式大许多倍, 一般为 12～60千瓦常用的X射线靶材有 W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等X射线管线焦点为 1×10平方毫米, 取出角为3～6度选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰2. 测角仪测角仪是粉末X射线衍射仪的核心部件，主要由索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝、样品座及闪烁探测器等组成 (1）衍射仪一般利用线焦点作为X射线源S如果采用焦斑尺寸为1×10平方毫米的常规X射线管，出射角6°时，实际有效焦宽为0.1毫米，成为0.1×10平方毫米的线状X射线源 (2）从S发射的X射线，其水平方向的发散角被第一个狭缝限制之后，照射试样这个狭缝称为发散狭缝(DS)，生产厂供给1/6°、1/2°、1°、2°、4°的发散狭缝和测角仪调整用0．05毫米宽的狭缝 (3）从试样上衍射的X射线束，在F处聚焦，放在这个位置的第二个狭缝，称为接收狭缝(RS)．生产厂供给0.15毫米、0.3毫米、0.6毫米宽的接收狭缝 (4）第三个狭缝是防止空气散射等非试样散射X射线进入计数管，称为防散射狭缝(SS)。

SS和DS配对，生产厂供给与发散狭缝的发射角相同的防散射狭缝 (5）S1、S2称为索拉狭缝，是由一组等间距相互平行的薄金属片组成，它限制入射X射线和衍射线的垂直方向发散索拉狭缝装在叫做索拉狭缝盒的框架里这个框架兼作其他狭缝插座用，即插入DS，RS和SS．RS DS SS  滤波片3.X射线探测记录装置衍射仪中常用的探测器是闪烁计数器(SC)，它是利用X射线能在某些固体物质(磷光体)中产生的波长在可见光范围内的荧光，这种荧光再转换为能够测量的电流由于输出的电流和计数器吸收的X光子能量成正比，因此可以用来测量衍射线的强度闪烁计数管的发光体一般是用微量铊活化的碘化钠(NaI)单晶体这种晶体经X射线激发后发出蓝紫色的光将这种微弱的光用光电倍增管来放大，发光体的蓝紫色光激发光电倍增管的光电面(光阴极)而发出光电子(一次电子)，光电倍增管电极由10个左右的联极构成，由于一次电子在联极表面上激发二次电子，经联极放大后电子数目按几何级数剧增(约106倍)，最后输出几个毫伏的脉冲4.计算机控制、处理装置D/max-RB衍射仪主要操作都由计算机控制自动完成，扫描操作完成后，衍射原始数据自动存入计算机硬盘中供数据分析处理。

数据分析处理包括平滑点的选择、背底扣除、自动寻峰、d值计算，衍射峰强度计算等五.【实验参数选择】1. 阳极靶的选择：选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰 必须根据试样所含元素的种类来选择最适宜的特征X射线波长(靶)当X射线的波长稍短于试样成分元素的吸收限时，试样强烈地吸收X射线，并激发产生成分元素的荧光X射线，背底增高其结果是峰背比(信噪比)P／B低(P为峰强度，B为背底强度)，衍射图谱难以分清X射线衍射所能测定的d值范围，取决于所使用的特征X射线的波长X射线衍射所需测定的d值范围大都在1nm至0.1nm之间为了使这一范围内的衍射峰易于分离而被检测，需要选择合适波长的特征X射线一般测试使用铜靶，但因X射线的波长与试样的吸收有关，可根据试样物质的种类分别选用Co、Fe，或Cr靶此外还可选用钼靶，这是由于钼靶的特征X射线波长较短，穿透能力强，如果希望在低角处得到高指数晶面衍射峰，或为了减少吸收的影响等，均可选用钼靶2.测角仪2. 管电压和管电流的选择工作电压设定为3 ～ 5倍的靶材临界激发电压选择管电流时功率不能超过X射线管额定功率，较低的管电流可以延长X射线管的寿命。

X射线管经常使用的负荷(管压和管流的乘积)选为最大允许负荷的80％左右但是，当管压超过激发电压5倍以上时，强度的增加率将下降所以，在相同负荷下产生X射线时，在管压约为激发电压5倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节靶元素的原子序数越大，激发电压就越高由于连续X射线的强度与管压的平方呈正比，特征X射线与连续X射线的强度之比，随着管压的增加接近一个常数，当管压超过激发电压的4～5倍时反而变小，所以，管压过高，信噪比P/B将降低，这是不可取得的3. 发散狭缝的选择（DS）：发散狭缝（DS）决定了X射线水平方向的发散角，限制试样被X射线照射的面积如果使用较宽的发射狭缝，X射线强度增加，但在低角处入射X射线超出试样范围，照射到边上的试样架，出现试样架物质的衍射峰或漫散峰，对定量相分析带来不利的影响因此有必要按测定目的选择合适的发散狭缝宽度 生产厂家提供1/6°、1/2°、1°、2°、4°的发散狭缝，通常定性物相分析选用1°发散狭缝，当低角度衍射特别重要时，可以选用1/2°（或1/6°）发散狭缝4. 防散射狭缝的选择（SS）： 防散射狭缝用来防止空气等物资引起的散射X射线进入探测器，选用SS与DS角度相同。

5. 接收狭缝的选择（RS）： 生产厂家提供0.15mm、0.3mm、0.6mm的接收狭缝，接收狭缝的大小影响衍射线的分辨率接收狭缝越小，分辨率越高，衍射强度越低通常物相定性分析时使用0.3mm的接收狭缝，精确测定可使用0.15mm的接收狭缝6.滤波片的选择： Z滤 < Z靶－(1～2): Z靶 < 40, Z滤= Z靶－1 Z靶 > 40, Z滤= Z靶－27. 扫描范围的确定 不同的测定目的，其扫描范围也不同当选用Cu靶进行无机化合物的相分析时，扫描范围一般为90°～2°（2θ）；对于高分子，有机化合物的相分析，其扫描范围一般为60 ～2°；在定量分析、点阵参数测定时，一般只对欲测衍射峰扫描几度8. 扫描速度的确定常规物相定性分析常采用每分钟2°或4°的扫描速度，在进行点阵参数测定，微量分析或物相定量分析时，常采用每分钟1/2°或1/4°的扫描速度六.【样品制备和测试】X射线衍射分析的样品主要有粉末样品、块状样品、薄膜样品、纤维样品等样品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），则样品制备方法也不同1.粉末样品：粉末样品应有一定的粒度要求，所以，通常将试样研细后使用，可用玛瑙研钵研细。

定性分析时粒度应小于44微米(350目)，定量分析时应将试样研细至10微米左右较方便地确定10微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾动，两手指间没有颗粒感觉的粒度大致为10微米根据粉末的数量可压在玻璃制的通框或浅框中压制时一般不加粘结剂，所加压力以使粉末样品粘牢为限，压力过大可能导致颗粒的择优取向当粉末数量很少时，可在乎玻璃片上抹上一层凡士林，再将粉末均匀撒上常用的粉末样品架为玻璃试样架，在玻璃板上蚀刻出试样填充区为20×18平方毫米玻璃样品架主要用于粉末试样较少时(约少于500立方毫米)使用充填时，将试样粉末-点一点地放进试样填充区，重复这种操作，使粉末试样在试样架里均匀分布并用玻璃板压平实，要求试样面与玻璃表面齐平如果试样的量少到不能充分填满试样填充区，可在玻璃试样架凹槽里先滴一薄层用醋酸戊酯稀释的火棉胶溶液，然后将粉末试样撒在上面，待干燥后测试2. 块状样品：先将块状样品表面研磨抛光，大小不超过20×18平方毫米, 然后用橡皮泥将样品粘在铝样品支架上，要求样品表面与铝样品支架表面平齐3. 微量样品：取微量样品放入玛瑙研钵中将其研细，然后将研细的样品放在单晶硅样品支架上（切割单晶硅样品支架时使其表面不满足衍射条件），滴数滴无水乙醇使微量样品在单晶硅片上分散均匀，待乙醇完全挥发后即可测试。

4. 薄膜样品： 将薄膜样品剪成合适大小，用胶带纸粘在玻璃样品支架上即可样品测试 (1)开机前的准备和检查 将制备好的试样插入衍射仪样品台，盖上顶盖关闭防护罩；开启水龙头，使冷却水流通；X光管窗口应关闭，管电流管电压表指示应在最小位置；接通总电源，接通稳压电源 (2)开机操作 开启衍射仪总电源，启动循环水泵；待数分钟后，接通X光管电源缓慢升高管电压、管电流至需要值打开计算机X射线衍射仪应用软件，设置合适的衍射条件及参数，开始样品测试3)停机操作 测量完毕，缓慢降低管电流、管电压至最小值，关闭X光管电源；取出试样；15分钟后关闭循环水泵,关闭水源；关闭衍射仪总电源、稳压电源及线路总电源七.【数据处理】 测试完毕后，可将样品测试数据存入磁盘供随时调出处理原始数据需经过曲线平滑，Ka2扣除，谱峰寻找等数据处理步骤，最后打印出待分析试样衍射曲线和d值、2θ、强度、衍射峰宽等数据供分析鉴定八.【物相定性分析方法】X射线衍射物相定性分析方法有以下几种：1.三强线法：（1）从前反射区（2θ＜900中选取强度最大的三根线，并使其d值按强度递减的次序排列2）在数字索引中找到对应的d1(最强线的面间距）组。

3）按次强线的面间距d2找到接近的几列4）检查这几列数据中的第三个d值是否与待测样的数据对应，再查看第四至第八强线数据并进行对照，最后从中找出最可能的物相及其卡片号5）找出可能的标准卡片，将实验所得d及I/I1跟卡片上的数据详细对照，如果完全符合，物相鉴定即告完成 如果待测样的数据与标准数据不符，则须重新排列组合并重复（2）～（5）的检索手续如为多相物质，当找出第一物相之后，可将其线条剔出，并将留下线条的强度重新归一化，再按过程（1）～（5）进行检索，直到得出正确答案2.特征峰法：对于经常使用的样品，其衍射谱图应该充分了解掌握，可根据其谱图特征进行初步判断例如在26.5度左右有一强峰，在68度左右有五指峰出现，则可初步判定样品含SiO2九.【实验报告及要求】 1.实验课前必须预习实验讲义和教材，掌握实验原理等必需知识 2.根据教师给定实验样品，设计实验方案，选择样品制备方法、仪器条件参数等 3.要求实验报告用纸写出：实验原理，实验方案步骤(包括样品制备、实验参数选择、测试、数据处理等)，选择定性分析方法，物相鉴定结果分析等 4.鉴定结果要求写出样品名称（中英文）、卡片号，实验数据和标准数据。