XpertXRD12实验操作步骤.docx

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XpertXRD12实验操作步骤

X’pertPROX射线衍射仪

实验操作

固体表面物理化学国家重点实验室

2004.12

X’pertPROX射线衍射仪实验操作

1.开启仪器

1）合上配电箱冷却水系统空气开关，将冷却水主机电源开关打到“ON”。

2）合上配电箱内仪器电源空气开关。

3）关好仪器门，将仪器上的高压锁开关顺时针向转动90º。

4）按下仪器面板上的“Poweron”按钮启动仪器（高压显示15KV，5mA，顶灯亮）。

5）按下仪器面板上的“Light”按钮可以开启仪器内照明灯。

2.启动测试程序与登录

1）启动计算机，以xrd/xrd登录Windows。

2）双击桌面上“X'pertDataCollector”图标，启动测试程序。

3）在登录框中填入用户名“xrd”，密码“xrd”，点“OK”。

3.联接仪器

选菜单“Instrument”中的“Connect”。

在弹出的窗口中选择相应的测试平台：

一般测试选择“flatsamplestage”，选择后点“OK”，并对弹出的提示框点“OK”。

对如下提示点“Yes”。

联接成功，显示如下界面。

4.设置电压和电流

在软件左侧窗口的“InstrumentsSettings”选项卡中，双击“X-ray”或其下的任意一项（行），在弹出的对话框的相应栏中[Tension（KV）和Current（mA）]，按规定顺序分步直接输入数据后点“Apply”按钮。

设置顺序如下：

（1）先升电压：

15KV--→20KV--→30KV--→40KV

（2）后升电流：

5mA--→10mA--→20mA--→30mA

注意：

每一步操作完毕，须等待5–10分钟后才能进行下一步操作！

5.设置实验参数

选菜单“Files”中的“OpenProgram”（或工具栏第2个按钮）。

在弹出的窗口中选择相应的测试程序后点“OK”。

可以选择的测试程序如下：

（1）Phase_XRK-p

高温分析测试程序（须更换高温原位反应室）

（2）PW_small_angle

低角度衍射分析测试程序（2不得小于0.4º）

（3）X’celerator_grazing_angle

膜、薄层等的分析测试程序（2不得小于3º）

（4）X’celerator_normal

一般定性分析测试程序（2不得小于3º）

（1）一般定性分析测试程序：

X’celerator_normal（2不得小于3º）

在菜单“OpenProgram”——选择程序后点“OK”，在如下页面中可以设置实验参数（直接输入数据）：

可以设置的实验参数有：

Startangle（º）

起始角

Endangle（º）

结束角

Stepsize（º/步）

扫描步长（0.016或0.008）

Timeperstep（s/步）

每步时间

Scanspeed（º/s）

扫描速度（一般不设置，由上面的设置自动确定）

Totaltime（h:

m:

s）

每样品总测试时间（由上面的设置自动确定）

Ø每个参数输入数据后，应点一下其它栏或按TAB键。

⏹注意：

未经许可不得修改上述参数之外的其它参数！

！

！

Ø小数点用“，”（逗号）输入。

Ø实验时间计算：

使用超能探测器（X'celerator）时,每样品测试时间计算公式:

[（结束角-起始角）÷步长（º/步）]×每步测试时间（s/步）÷120÷60（分）

设置完毕，关闭设置窗口（右上角的“×”），选“Yes”保存。

（或选“Files”菜单中的“Save”，或工具栏第3个按钮）

（2）膜、薄层等的分析测试程序：

X’celerator_grazing_angle（2不得小于3º）

在“OpenProgram”——选择程序后点“OK”，在如下页面中可以设置实验参数（直接输入数据）：

Ø除

（1）中的参数外，还可以设置“Omega”角度，为X射线入射角。

Ø实验时间计算：

与“一般性分析测试程序：

X’celerator_normal”相同。

（3）低角度衍射分析测试程序：

PW_small_angle（2不得小于0.4º）

在“OpenProgram”——选择程序后点“OK”，在如下页面中可以设置实验参数（直接输入数据）：

Ø允许设置的实验参数与“一般性分析测试程序：

X’celerator_normal”相同。

Ø实验前应更换平行光探测器。

Ø实验时间计算：

使用平行光探测器时,每样品测试时间计算公式:

[（结束角-起始角）÷步长（º/步）]×每步测试时间（s/步）÷60（分）

6.开始测试

1）放置被测样品:

有效测试区域为距样品台垂直面5–12mm范围内。

同时保证试样表面落在测角仪轴心上（即保证试样表面与测角仪试样架下表面处于同一水平面上）。

2）关好仪器门:

可听到门开关的嘀嗒声，门关好的标志为仪器面板上“ShutterOpen”下三个小亮点熄灭。

3）选“Measure”菜单中“Program”。

在弹出的窗口中选择设置实验参数时选择的程序后点“OK”。

4）在下一个弹出窗口中，点目录按钮（图形按钮）建立或选择自己的目录，并设置（保存在磁盘上的）文件名后，点“Save”。

5）可以在“SampleID”栏中填写样品名。

♦样品数较多时，可以采用如下两种方式之一来简化操作：

（a）“复制—粘贴”文件夹路径

设置第一个样品的目录、文件名并回到上图对话框后，可以复制“Folder”栏文件夹路径。

在设置下一个样品时，直接将复制的内容粘贴到上图的“Folder”栏后，点右侧的目录按钮就直接位于自己的目录下。

（b）设置自己的缺省目录

在测试前进入菜单“Customize”→“MeasurementType&DataFolder”

选“SingleScan”选项卡→“Absolutescandefaultfolder”栏中输入自己的目录名或按目录按钮选择→“OK”。

（缺省目录为D:

\Common）

●实验完毕请恢复原设置。

6）点“OK”开始测试

（若测试前更换过测试程序或探测器，此时还会弹出提示，点“OK”即可）。

可以听到仪器门加锁的声音；

仪器内两动臂开始动作；

仪器面板上“ShutterOpen”下显示“1”；

仪器内左侧动臂X光管管座上黄灯亮；

仪器面板上2θ、θ数值随测试的进行而变化。

⏹测试完成

仪器面板上“ShutterOpen”下显示的“1”熄灭；

仪器内左侧动臂X光管管座上黄灯熄灭；

可以听到仪器门开锁的声音；

仪器内两动臂下落至起始位置；

仪器面板上2θ、θ数值回到12.000和6.000。

这时，可以打开仪器门取出被测样品，或更换样品重复“开始测试”的步骤进行下一个测试。

⏹中止测试

测试过程中如需中止，可以点工具栏的“STOP”按钮。

并对弹出的提示点“OK”

7.待机设置

1）每日实验完毕，应将仪器设置在待机状态。

A.降低仪器的工作电流和电压

a）在软件左侧窗口的“InstrumentsSettings”选项卡中，双击“X-ray”或其下的任意一项（行）；

b）按如下步骤，分别在弹出的对话框的“Tension（KV）”和“Current（mA）”栏中，直接输入数据后点“Apply”按钮（最后一步点“OK”）。

Ø先降电流：

30mA--→20mA--→10mA--→5mA

Ø后降电压：

40KV--→30KV

B.关闭仪器内照明灯

按仪器面板（倾斜的）左侧上部第3个按钮，关闭“Light”灯。

2）每周末停止试验时间较长时，应将仪器设置在更低一级的待机状态。

A.降低仪器的工作电流和电压

a）在软件左侧窗口的“InstrumentsSettings”选项卡中，双击“X-ray”或其下的任意一项（行）；

b）按如下步骤，分别在弹出的对话框的“Tension（KV）”和“Current（mA）”栏中，直接输入数据后点“Apply”按钮（最后一步点“OK”）。

Ø先降电流：

30mA--→20mA--→10mA--→5mA

Ø后降电压：

40KV--→30KV--→20KV--→15KV

B.关闭仪器内照明灯

按仪器面板（倾斜的）左侧上部第3个按钮，关闭“Light”灯。

8.关闭仪器

仪器较长时间不使用时，应关闭仪器。

1）按“待机设置”步骤将仪器的电流、电压分别降至5mA、15KV，并关闭“Light”照明灯。

2）将仪器面板上的高压锁开关按逆时针向转动90º，关闭仪器高压。

3）等待30秒，按“Standby”按钮关闭仪器。

4）关冷却循环水系统（在关闭高压锁开关后2分钟内必须关闭冷却水）。

5）关配电箱内空气开关。

X射线衍射分析的实验方法及其应用,

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，在各种丈量方法中，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、丈量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。

由于晶体存在的普遍性和晶体的特殊性能及其在计算机、航空航天、能源、生物工程等产业领域的广泛应用，人们对晶体的研究日益深进，使得X射线衍射分析成为研究晶体最方便、最重要的手段。

本文主要先容X射线衍射的原理和应用。

1、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，证实了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。

当一束单色X射线进射到晶体时，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间隔与进射X射线波长有相同数目级，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。

衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：

1.1运动学衍射理论

　　Darwin的理论称为X射线衍射运动学理论。

该理论把衍射现象作为三维Frannhofer衍射题目来处理，以为晶体的每个体积元的散射与其它体积元的散射无关，而且散射线通过晶体时不会再被散射。

固然这样处理可以得出足够精确的衍射方向，也能得出衍射强度，但运动学理论的根本性假设并不完全公道。

由于散射线在晶体内一定会被再次散射，除了与原射线相结合外，散射线之间也能相互结合。

Darwin不久以后就熟悉到这点，并在他的理论中作出了多重散射修正。

1.2动力学衍射理论

Ewald的理论称为动力学理论。

该理论考虑到了晶体内所有波的相互作用，以为进射线与衍射线在晶体内相干地结合，而且能往返地交换能量。

两种理论对细小的晶体粉末得到的强度公式相同，而对大块完整的晶体，则必须采用动力学理论才能得出正确的结果。

动力学理论在参考文献里有具体先容。

2X射线衍射方法：

研究晶体材料，X射线衍射方法非常理想非常有效，而对于液体和非晶态物固体，这种方法也能提供很多基本的重要数据。

所以X射线衍射法被以为是研究固体最有效的工具。

在各种衍射实验方法中，基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。

2.1单晶衍射法

单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法。

2.1.1劳埃法

劳埃法以光源发出连续X射线照射置于样品台上静止的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线。

根据底片位置的不同，劳埃法可以分为透射劳埃法和背射劳埃法。

背射劳埃法不受样品厚度和吸收的限制，是常用的方法。

劳埃法的衍射花样由若干劳埃斑组成，每一个劳埃斑相应于晶面的1～n级反射，各劳埃斑的分布构成一条晶带曲线。

2.1.2周转晶体法

周转晶体法以单色X射线照射转动的单晶样品，用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线，在底片上形成分立的衍射斑。

这样的衍射花样轻易正确测定晶体的衍射方向和衍射强度，适用于未知晶体的结构分析。

周转晶体法很轻易分析对称性较低的晶体（如正交、单斜、三斜等晶系晶体）结构，但应用较少。

2.2多晶衍射法

多晶X射线衍射方法包括照相法与衍射仪法。

2.2.1照相法

照相法以光源发出的特征X射线照射多晶样品，并用底片记录衍射花样。

根据样品与底片的相对位置，照相法可以分为德拜法、聚焦法和针孔法，其中德拜法应用最为普遍。

德拜法以一束准直的特征X射线照射到小块粉末样品上，用卷成圆柱状并与样品同轴安装的窄条底片记录衍射信息，获得的衍射花样是一些衍射弧。

此方法的优点为：

⑴所用试样量少（0.1毫克即可）；⑵包含了试样产生的全部反射线；⑶装置和技术比较简单。

聚焦法的底片与样品处于同一圆周上，以具有较大发散度的单色X射线照射样品上较大区域。

由于同一圆周上的同弧圆周角相等，使得多晶样品中的等同晶面的衍射线在底片上聚焦成一点或一条线。

聚焦法曝光时间短，分辨率是德拜法的两倍，但在小θ范围衍射线条较少且宽，不适于分析未知样品。

针孔法用三个针孔准直的单色X射线为光源，照射到平板样品上。

根据底片不同的位置针孔法又分为穿透针孔法和背射针孔法。

针孔法得到的衍射花样是衍射线的整个圆环，适于研究晶粒大小、晶体完整性、宏观残余应力及多晶试样中的择优取向等。

但这种方法只能记录很少的几个衍射环，不适于其它应用。

2.2.2衍射仪法

X射线衍射仪以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术等多方面的成果。

衍射仪由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍射信息的衍射实验装置。

现代X射线衍射仪还配有控制操纵和运行软件的计算机系统。

X射线衍射仪的成像原理与聚集法相同，但记录方式及相应获得的衍射花样不同。

衍射仪采用具有一定发散度的进射线，也用“同一圆周上的同弧圆周角相等”的原理聚焦，不同的是其聚焦圆半径随2θ的变化而变化。

衍射仪法以其方便、快捷、正确和可以自动进行数据处理等特点在很多领域中取代了照相法，现在已成为晶体结构分析等工作的主要方法。

2.3双晶衍射法

双晶衍射仪用一束Ｘ射线（通常用Ka1作为射线源）照射一个参考晶体的表面，使符合布拉格条件的某一波长的Ｘ射线在很小角度范围内被反射，这样便得到接近单色并受到偏振化的窄反射线，再用适当的光阑作为限制，就得到近乎准值的Ｘ射线束。

把此Ｘ射线作为第二晶体的进射线，第二晶体和计数管在衍射位置四周分别以Δθ及Δ（2θ）角度摆动，就形成通常的双晶衍射仪。

在近完整晶体中，缺陷、畸变等体现在Ｘ射线谱中只有几十弧秒，而半导体材料进行外延生长要求晶格失配要达到10-4或更小。

这样精细的要求使双晶Ｘ射线衍射技术成为近代光电子材料及器件研制的必备丈量仪器，以双晶衍射技术为基础而发展起来的四晶及五晶衍射技术（亦称为双晶衍射），已成为近代Ｘ射线衍射技术取得突出成就的标志。

但双晶衍射仪的第二晶体最好与第一晶体是同种晶体，否则会发生色散。

所以在丈量时，双晶衍射仪的参考晶体要与被测晶体相同，这个要求使双晶衍射仪的使用受到限制。

3X射线衍射分析的应用

3.1物相分析

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逐一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会由于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。

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。

鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（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。

目前，物相分析存在的题目主要有：

⑴待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强线，而是两个或两个以上相的某些次强或三强线叠加的结果。

这时若以该线作为某相的最强线将找不到任何对应的卡片。

⑵在众多卡片中找出满足条件的卡片，十分复杂而繁锁。

固然可以利用计算机辅助检索，但仍难以令人满足。

⑶定量分析过程中，配制试样、绘制定标曲线或者Ｋ值测定及计算，都是复杂而艰巨的工作。

为此，有人提出了可能的解决办法，以为从相反的角度出发，根据标准数据（PDF卡片）利用计算机对定性分析的初步结果进行多相拟合显示，绘出衍射角与衍射强度的模拟衍射曲线。

通过调整每一物相所占的比例，与衍射仪扫描所得的衍射图谱相比较，就可以更正确地得到定性和定量分析的结果，从而免往了一些定性分析和整个定量分析的实验和计算过程。

3.2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。

点阵常数测定中的精确度涉及两个独立的题目，即波长的精度和布拉格角的丈量精度。

波长的题目主要是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逐一对应的关系。

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。

晶面间距丈量的精度随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。

误差一般采用图解外推法和最小二乘法来消除，点阵常数测定的精确度极限处在1×10-5四周。

3.3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射线丈量宏观应力的基础；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射线丈量微观应力的基础。

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。

测定应力一般用衍射仪法。

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、丈量时无需使材料处于无应力状态等优点，但其丈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。

3.4晶粒尺寸和点阵畸变的测定

若多晶材料的晶粒无畸变、足够大，理论上其粉末衍射花样的谱线应特别锋利，但在实际实验中，这种谱线无法看到。

这是由于仪器因素和物理因素等的综合影响，使纯衍射谱线增宽了。

纯谱线的外形和宽度由试样的均匀晶粒尺寸、尺寸分布以及晶体点阵中的主要缺陷决定，故对线形作适当分析，原则上可以得到上述影响因素的性质和标准等方面的信息。

在晶粒尺寸和点阵畸变测定过程中，需要做的工作有两个：

⑴从实验线形中得出纯衍射线形，最普遍的方法是傅里叶变换法和重复连续卷积法。

⑵从衍射花样适当的谱线中得出晶粒尺寸和缺陷的信息。

这个步骤主要是找出各种使谱线变宽的因素，并且分离这些因素对宽度的影响，从而计算出所需要的结果。

主要方法有傅里叶法、线形方差法和积分宽度法。

3.5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。

固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。

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。

4展看

随着X射线衍射技术越来越先进，X射线衍射法的用途也越来越广泛，除了在无机晶体材料中的应用，已经在有机材料、钢铁冶金、以及纳米材料的研究领域中发挥出巨大作用，并且还应用于瞬间动态过程的丈量。

计算机的普遍使用让各种丈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，软件分析检索的正确度都不尽人意。

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。