单晶X射线衍射技术介绍

第一篇：单晶X射线衍射技术介绍

单晶X射线衍射技术介绍

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

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第二篇：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?

第三篇：第五章X射线衍射仪介绍

第五章X射线衍射仪介绍

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不同温度、气氛条件下的原位相变动态研究

微量样品和微区试样分析

纳米材料

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我们的波长色散X射线光谱仪（也称：光谱仪解决方案）确保非破坏性、无环境污染、安全的多元素分析。

二维探测器：快速相分析

在常规的X射线衍射分析中，微量试样或有择优取向样品通常是装在薄的玻璃毛细管中进行测量。对此类试样，其散射信号非常弱。而在较大立体角范围内探测衍射信号时，如测量整个或部分得拜环，则可得到可靠的衍射花样。D8 DISCOVER衍射仪系列中的GADDS系统以其独特的二维面探测器技术为您提供了完美的解决方案。

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样品形态: 金属、非金属样品、粉末、液体 样品制备 简单快捷

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随着应用领域的不同，薄膜和涂层的性能也不一样。但是请注意：X射线衍射是探测它们的有力工具。对所有分析方法，通常的要求是入射角必须高度精确。通常来说薄膜的衍射信息很弱，因此需采用一些先进的X射线光学组件和探测器技术。

薄膜掠射分析：薄膜物相分析 反射率仪: 测量薄膜的密度、厚度和表面及界面粗糙度

薄膜材料分析

织构和残余应力研究

工件、矿物、陶瓷、聚合物等材料的微观结构，如择优取向（织构）或晶体点阵畸变（残余应力）等，与材料的宏观性能是密切相关的。因此，测定产品（例如：涡轮叶片、燃烧发动机阀门等）的织构和应力可反应产品的性能。X射线衍射技术广泛的应用于生产过程中的质量控制。最新的X射线光学器件和探测技术的应用大大提高了数据质量，并加快了测量速度。

高低温原位研究

通常材料的性能随温度、压力、气氛、湿度等的变化而变化。用X射线衍射仪研究这些变化时，可将样品放置于特殊样品室中，该样品室的窗口对X光具有良好的通透性，其控制参数的设定及自动检查完全由DIFFRACplus 软件完成。

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3000 K 最高压力可达60 bar 相对湿度可达90 % 可加惰性或反应气氛

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bel Mirror 可消除温度等因素引起的 Gö峰位漂移等现象。

D8 GADDS 微区/微量分析衍射仪

微量样品和试样的微小区域分析具有一个共同的特点：其X射线衍射强度极低；一般仅有少数几个晶粒对散射有贡献，而且，还会引起得拜环（Debye rings）的不连贯，即得拜环为一些不连贯的衍射斑点。二维探测器可探测到不均匀衍射斑或整个得拜环，沿得拜环对强度数据进行积分可有效地修正这些因素的影响，获得精确的衍射图象，从而为进一步的分析提供准确的数据。

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可探测小到50微米的微小区域的衍射信

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用XYZ三轴自动样品平台和激光/视频对光系统使样品对光及定位非常简单 对得拜环积分可得到准确的相对强度

D8 GADDS:大结构分析

小角散射研究大结构，需要高强度、低发散度的点光源。为了在透射光束附近观察到试样的微弱的小角散射信息，需要可调的beam stop和真空通道以防止面探测器 受直射光和空气散射的影响。交叉的双Göbel 镜 及真空光路是D8 GADDS 用于小角散射的重要工具。

交叉Göbel镜提供高强度的平行的点光源。

氦气通道消除空气散射

二维的 HI-STAR 探测器可得到最佳的信噪比

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D8 GADDS: 在同一台设备上分析纳米结构(SAXS)及原子结构(XRD)

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最后更新时间: June 1, 2001

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岛津/KRATOS高性能X射线光电子能谱仪

AXIS-HSi型

可分析30llm以下的微小区域，同时，可

进行XPS成图，观测到不同结合状态的分布

图，是高性能的XPS。

●灵敏度 Ag3ds／2 450W I．0eV时

120gm中：200kcpH

60gm中：75kcps ●成图范围 10mm x 10mm最大

●自动分析 亿10mm x 10mm视野内的任意20j气

岛津/KRATOS高性能成图X射线光电子能谱仪

AXIS-ULTRA型

采用新开发的双模式分析器，从数秒至数十

秒的时间内得到数llm以下的高分辨元素图、化学

状态图，是真正的成图XPS。并且，若在图像上以

鼠标点击指定分析位置，则无需移动样品，便

可进行最小至15llm微小区域的多点能谱分析。

●图像分辨率(边缘分辨率)21．tm左右 ●XPS灵敏度

宏 ll,800kcps／llOgm~ 735kcps

27gm~ 28kcpx ／(Ag3ds／2,450W、1．3eV)●最小分析直径(能谱分析)15Llm中

多用途X射线透视检查装置 F1-30/35系列

适用于各种产品材料的内部缺陷检测，从塑

料、橡胶、木材到铸件钢材的焊接部件。为改善

质量起到重大作用。

●x射线管电压 25－150kv

●x射线管电流 0．5－3mA最大输 225W

●5轴操纵装置(FI-30型)

●X-Y-Z工作台 400 x 300mm(FI-35型)

微焦点X射线透视装置 SMX-80/100/130型

采用微X射线源，可得到鲜明的高倍率图像。

使用与电脑一体化的强大的图像处理软件，可进

行3D表示等丰富多彩的处理。最适于

电子装置、复合材料等的内部构造评价、测定。

●X射线管电压 ～80kV、—100kY、—130kV、●X射线焦点 7gm／80kV、5gm／100kY、8gm／ 130kV、●X-Y工作台 300 x 350mm ●X射线管／Ⅱ管升降 120mm／620mm

微焦点X射线CT装置 SMX-160CT型

采用焦点尺寸1Llm的管球，可得到高倍率、高精度的透视图像及CT断层图像。适于小型电子 零部件、LSI IC器件的内部检查

●X射线管电压 一160kV ●K射线焦点 1μm

●CT数据收集时间 60秒(1800view)●CT图像再构成时叫 12秒(512 x 512)

布鲁克AXS X射线分析仪器

布鲁克AXS X射线分析仪器公司由原西门子X射线分析仪器部（以下即称AXS）独立而成。因此完全继承和延续了原西门子X射线分析仪器研制、生产、销售及维护体系。1997年10月西门子将AXS股份转让给著名的材料分析仪器制造商－德国Bruker公司，从而成为Bruker AXS。AXS生产研制X射线分析仪器已有80多年历史。

1895 伦琴发现X射线，AXS开始制造X射线管

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1920 开始研制X射线分析仪器及相应的技术问题

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1928 推出衍射系统，光谱分析仪，Deby-Scherrer&Hull相机，Laue相机，多功能相机

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1931 生产了90KV X光管，公布了世界上第一本X射线分析仪器样本

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1935 手提式X射线衍射应力测定仪

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1936 K1型便携式X射线发生器

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1947 K2型X射线发生器及薄膜相机

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1953 K3型台式X射线发生器

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1957 推出带尤拉环的织构衍射仪

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1964 7道MRS1型多道X射线荧光光谱仪

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1965 首家推出X光管、测角仪、探测器三位一体整体结构测角仪

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1966 AED X射线单晶衍射仪

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1967 推出世界上第一台全封闭SRS1顺序式X射线荧光光谱仪

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1968 MRS2型多道X射线荧光光谱仪

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1975 SRS200型单道X射线荧光光谱仪，首次用步进马达，逻辑控制，RS232接口 ·

1975 AUTEX自动织构衍射仪

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1977 AED2型X射线单晶衍射仪

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1977 28道端窗X光管，MRS400型多道X射线荧光光谱仪

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1977 推出世界上第一台全封闭式D500型衍射仪

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1983 单道端窗X光管，SRS300型X射线荧光光谱仪

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1985 首次将PC机用于X射线仪功能控制及数据处理

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1987 SRS303型单道X射线荧光光谱仪

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1988 在美国与Nicolet合资生产X射线单晶衍射仪

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1989 MRS404型多道X射线荧光光谱仪

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1989 D5000型X射线衍射仪

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1990 购买美国Nicolet股份独资生产P4型等单晶衍射仪

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1989-1993 X100Hi-STAR面探测仪, GADDS衍射仪系统，其中X100, GADDS先后获美国R&D 100 Awards奖

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1992 推出SRS3000顺序式X射线荧光光谱仪

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1994 SMART-CCD X射线单晶衍射仪系统获R&D 100 Awards奖

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1995 MRS4000多道X射线荧光光谱仪

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1996 推出Goebel镜，并获美国R&D 100 Awards奖

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1997 推出新一代衍射仪D5005以及Smart1000/2000新一代单晶衍射仪

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1998 推出新一代D8 X射线衍射仪及SRS3400 X射线荧光光谱仪；S4小巨人X射线荧光光谱仪、衍射光路Goebel镜、单管X光透镜、整体X光透镜、光束压缩及扩展器件等。

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1999 推出第三代SMART APEX CCD系统、各种类型CCD、第三代Goebel镜、小巨人X射线荧光光谱仪S4 EXPLORER。

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2000 推出Microsource高比功率光源单晶结构分析仪和PROTEUM CCD单晶结构分析仪系列

第四篇：X射线衍射分析

X射线衍射分析 实验目的

1、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍射测试的基本目的；

2、掌握晶体和非晶体、单晶和多晶的区别；

3、了解使用相关软件处理XRD测试结果的基本方法。实验原理

1、晶体化学基本概念

晶体的基本特点与概念：①质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义），并有对称性。②空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，这些“点集”称空间点阵。③晶体结构=空间点阵+结构单元。非晶部分主要为无定形态区域，其内部原子不形成排列整齐有规律的晶格。

对于大多数晶体化合物来说，其晶体在冷却结晶过程中受环境应力或晶核数目、成核方式等条件的影响，晶格易发生畸变。分子链段的排列与缠绕受结晶条件的影响易发生改变。晶体的形成过程可分为以下几步：初级成核、分子链段的 图1 14种Bravais点阵

表面延伸、链松弛、链的重吸收结晶、表面成核、分子间成核、晶体生长、晶体生长完善。Bravais提出了点阵空间这一概念，将其解释为点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单胞，并要求单胞相等棱与角数最多。满足上述条件棱间直角最多，同时体积最小。1848年Bravais证明只有14种点阵。晶体内分子的排列方式使晶体具有不同的晶型。通常在结晶完成后的晶体中，不止含有一种晶型的晶体，因此为多晶化合物。反之，若严格控制结晶条件可得单一晶型的晶体，则为单晶。

2、X衍射的测试基本目的与原理

X射线是电磁波,入射晶体时基于晶体结构的周期性，晶体中各个电子的散射波可相互干涉。散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。衍射方向取决于晶体的周期或晶胞的大小,衍射强度是由晶胞中各个原子及其位置决定的。由倒易点阵概念导入X射线衍射理论, 倒易点落在Ewald 球上是产生衍射必要条件。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，成为X射线衍射学的第一个里程碑。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。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：

2dsinn 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(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。对材料学、物理学、化学、地质、环境、纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新材料，宏观表象转移至微观认识,建立新理论和质量控制不可缺少的方法。其主要分析对象包括：物相分析(物相鉴定与定量相分析)。晶体学（晶粒大小、指标化、点参测定、解结构等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度与层序分析，高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征)。织构分析、残余应力分析。不同温度与气氛条件与压力下的结构变化的原位动态分析研究。微量样品和微区试样分析。实验室及过程自动化、组合化学。纳米材料等领域。仪器与试剂

仪器型号及生产厂家：丹东浩元仪器有限公司DX-2700型衍射仪。测试条件：管电压40KV；管电流40mA；X光管为铜靶，波长1.5417Å；步长0.05°，扫描速度0.4s；扫描范围为20°～80°。试剂：未知样品A。4 实验步骤

1、打开电脑主机电源。

2、开外围电源：先上拨墙上的两个开关，再开稳压电源（上拨右边的开关，标有稳压）。

3、打开XRD衍射仪电源开关（按下绿色按钮）。

4、开冷却水：先上拨左边电源开关，再按下RUN按钮，确认流量在20左右方可。

5、开高压（顺时针旋转45°，停留5s，高压灯亮）。

6、打开XRD控制软件XRD Commander。

7、防光管老化操作：按照20KV、5mA；25KV、5mA；30KV、5mA；35KV、5mA；40KV、5mA；40KV、40mA程式分次设置电压、电流，每次间隔3分钟。设置方法：电压、电流跳到所需值后点set。

8、设置测试条件：设置扫描角度为3°~80°，步长0.05°，扫描速度0.4s。

9、点击Start开始测试。

10、降高压：将电压、电流分别降至20KV，5mA后，点击Set确认。

11、关高压：逆时针旋转45°，高压灯灭。

12、等待5min，再关闭冷却水，先关RUN，再关左边电源。

13、关闭控制软件（XRD Commander）。

14、关XRD衍射仪电源开关（按下红色按钮）。

15、关电脑。

16、关外围电源。实验数据及结果

本实验测定了一种粉末样品的XRD图谱并对测定结果进行物相检索，判断待测样品主要成分、晶型及晶胞参数。粉末样品的XRD图谱：

图2 未编号粉末样品X-Ray衍射图谱 实验结果分析与讨论

数据处理：对图谱进行物相检索

结论：经过对样品谱图进行物相检索，发现该粉末样品中含有两种晶相，主相为Sr2CaMoO6,另外一种杂相为SrMoO4.7 思考题

1、简述X射线衍射分析的特点和应用。

答：X射线衍射仪具有易升级，操作简便和高度智能化的特点，灵活地适应地矿、生化、理化等多方面、各行业的测试分析与研究任务。X 射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。对材料学、物理学、化学、地质、环境、纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新材料，宏观表象转移至微观认识,建立新理论和质量控制不可缺少的方法。其主要分析对象包括：物相分析(物相鉴定与定量相分析)。晶体学（晶粒大小、指标化、点参测定、解结构等）。薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度与层序分析，高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征)。织构分析、残余应力分析。不同温度与气氛条件与压力下的结构变化的原位动态分析研究。微量样品和微区试样分析。实验室及过程自动化、组合化学。纳米材料等领域。

2、简述X射线衍射仪的工作原理。

答：用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合布拉格方程的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型。

第五篇：X射线衍射（范文）

X射线衍射

（大庆师范学院 物理与电气信息工程系 10级物理学一班 周瑞勇 201001071465）

摘 要：X射线受到原子核外电子的散射而发生的衍射现象。由于晶体中规则的原子排列就会产生规则的衍射图像，可据此计算分子中各种原子间的距离和空间排列，是分析大分子空间结构有用的方法。

关键词：核外电子 散射 衍射 空间排列

一

前言

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，成为X射线衍射学的第一个里程碑。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X射线衍射分析相同数量级，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。

X射线及其衍射X射线是一种波长很短(约为20～0.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，它具有与靶中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识）X射线。如通常使用的靶材对应的X射线的波长大约

为1.5406埃。考虑到X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。

二 发展

X射线是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。

自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。

劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，当时老布拉格（WH．Bragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WL．Bragg）则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。

1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。

三 原理与应用

1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格方程：

2d sinθ=nλ

式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。

当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格方程简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变）,以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格方程的条件,故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后,便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。

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铁都是立方结构，β-Fe并不是一种新相;而铁中的α─→γ

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。

四 物相分析与取向分析

物相分析 是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

取向分析 包括测定单晶取向和多晶的结构（见择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。

晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定 由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。

宏观应力的测定 宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。

对晶体结构不完整性的研究 包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。

合金相变 包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。

结构分析 对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。

液态金属和非晶态金属 研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。

特殊状态下的分析 在高温、低温和瞬时的动态分析。

此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小,X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等，也得到了重视。

五 最新进展

X射线分析的新发展 金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和材料测试的常规方法。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速、强度测量准确，并可配备计算机控制等优点，已经得到广泛的应用。但使用单色器的照相法在微量样品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属 X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究。

参考文献：

[1] 梁栋材，X射线晶体学基础，科学出版社，2006年，北京

[2] 于全芝，宋连科等.多晶材料X射线衍射定量分析的多项式拟合法.光谱学与光谱分析,2004.2.[3] 姬洪，左长明等.SrTiO3薄膜材料的高分辨率X射线衍射分析研究.功能材料,2004.z1.[4] 张俊，王苏程等.X射线衍射法测定加载条件下镍基单晶高温合金的表层应力状态.金属学报,2007.11.