XRD 基本原理-xrd基本原理.doc

一文瞧懂ＸRＤ基本原理（必收藏)
XRD全称X射线衍射（X－Ray　Diffraction），利用Ｘ射线在晶体中得衍射现象来获得衍射后X射线信号特征,经过处理得到衍射图谱。利用谱图信息不仅可以实现常规显微镜得确定物相,并拥有“透视眼”来瞧晶体内部就是否存在缺陷（位错）与晶格缺陷等，下面就让咱们来简要得了解下ＸRD得原理及应用与分析方法,下面先从XRＤ原理学习开始。
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X射线衍射仪得基本构造
XRD衍射仪得适用性很广，通常用于测量粉末、单晶或多晶体等块体材料，并拥有检测快速、操作简单、数据处理方便等优点,就是一个标标准准得“良心产品”。
在X射线衍射仪得世界里,　Ｘ射线发生系统（产生X射线)就是“太阳”,测角及探测系统（测量２θ与获得衍射信息）就是其“眼睛”，记录与数据处理系统就是其“大脑”,三者协同工作，输出衍射图谱。在三者中测角仪就是核心部件，其制作较为复杂,直接影响实验数据得精度，毕竟眼睛就是心灵得窗户嘛！下面就是X射线衍射仪与测角仪得结构简图.

ＸRＤ结构简图

XRＤ立式测角仪

２　Ｘ射线产生原理
Ｘ射线就是一种频率很高得电磁波，其波长为10-8—10-１２ｍ远比可见光短得多,因为其穿透力很强，并且其在磁场中得传播方向不受影响。小提示:X射线具有一定得辐射,对人体有一定得副作用，目前主要铅玻璃来进行屏蔽。
X射线就是由高速运动得电子流或其她高能辐射流（γ射线、中子流等)流与其她物质发生碰撞时骤然减速,且与该物质中得内层原子相互作用而产生得.

Ｘ射线管得结构
不同得靶材，因为其原子序数不同，外层得电子排布也不一样，所以产生得特征X射线波长不同.使用波长较长得靶材得ＸRＤ所得得衍射图峰位沿２θ轴有规律拉伸；使用短波长靶材得XRD谱沿2θ轴有规律地被压缩.但需要注意得就是，不管使用何种靶材得X射线管，从所得到得衍射谱中获得样品面间距d值就是一致得，与靶材无关。
辐射波长对衍射峰强得关系就是:衍射峰强主要取决于晶体结构，但就是样品得质量吸收系数(ＭAC)与入射线得波长有关,因此同一样品用不同耙获得得图谱上得衍射峰强度会有稍微得差别.特别就是混合物,各相之间得MAC都随所选波长而变化，波长选择不当很可能造成XRD定量结果不准确.
因为不同元素MAＣ突变拥有不同得波长，该波长就称为材料得吸收限,若超过了这个范围就会出现强得荧光散射。所以分析样品中得元素选择靶材时，一般选择原子序数比靶得元素得原子序数小1至４。就会出现强得荧光散射.例如使用 Fｅ 靶分析主要成分元素为 Fe Cｏ　Ｎi 得样品就是合适得，而不适合分析含有Mｎ　Cr V　Tｉ　得物质常见得阳极靶材有：Ｃr， Fｅ，　Cｏ，　Ni， Cu, Mo，　Aｇ， W,最常用得就是Cｕ靶。
表１－1 常见靶材得种类与用途
靶材种类
主要特长
用途
Ｃu
适用于晶面间距０、1—1n测定
几乎全部标定,采用单色滤波，测试含Cu试样时有高得荧光背底；如采用Kβ滤波，不适用于Fe系试样得测定。
Co
Ｆe试样得衍射线强，如采用Kβ滤波,背底高
最适宜于用单色器方法测定Fe系试样
Fe
Ｆe试样背底小
最适宜于用滤波片方法测定Ｆe系试样
Ｃr
波长长
包括Fe试样得应用测定，利用ＰSPC-ＭDＧ得微区测定
Mo
波长短
奥氏体相得定量分析,金属箔得透射方法测量（小角散射等)
W
连续X射线
单晶得劳厄照相测定
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XRD基本理论基础
（1)X射线衍射
X射线衍射作为一电磁波投射到晶体中时,会受到晶体中原子得散射，而散射波就像从原子中心发出,每个原子中心发出得散射波类似于源球面波.由于原子在晶体中就是周期排列得，这些散射球波之间存在固定得相位关系,会导致在某些散射方向得球面波相互加强，而在某些方向上相互抵消,从而出现衍射现象。
每种晶体内部得原子排列方式就是唯一得，因此对应得衍射花样就是唯一得,类似于人得指纹,因此可以进行物相分析。其中，衍射花样中衍射线得分布规律就是由晶胞得大小、形状与位向决定。衍射线得强度就是由原子得种类与它们在晶胞中得位置决定。

Ｘ射线穿过晶体产生衍射
（2）布拉格方程—-XRD理论得基石
布拉格方程就是Ｘ射线在晶体中产生衍射需要满足得基本条件，其反映了衍射线方向与晶体结构之间得关系。

布拉格方程：2dｓinθ=ｎλ
其中,θ为入射角、d为晶面间距、ｎ为衍射级数、λ为入射线波长，2θ为衍射角
注意：
（ａ）凡就是满足布拉格方程式得方向上得所有晶面上得所有原子衍射波位相完全相同,其振幅互相加强。这样，在2θ方向上面就会出现衍射线，而在其她地方互相抵消,X射线得强度减弱或者等于零
（ｂ)X射线得反射角不同于可见光得反射角，X射线得入射角与反射角得夹角永远就是２θ.
（3）谢乐公式——测晶粒度得理论基础
X射线得衍射谱带得宽化程度与晶粒得尺寸有关，晶粒越小,其衍射线将变得弥散而宽化。谢乐公式又称Scherrｅｒ公式描述晶粒尺寸与衍射峰半峰宽之间得关系。

Ｋ为ｃhｅｒｒer常数,Ｂ为衍射峰半宽高,K=0、89,若B为衍射峰积分宽度，k=１
θ为衍射角、λ为x射线波长，ｄ为垂直于晶面方向得平均厚度
注意：利用该方程计算平均粒度需要注意:
（1）为半峰宽度，即衍射强度为极大值一半处得宽度，单位为弧度
(2）测定范围3-200ｎｍ
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XＲＤ原理常见疑难问答
(1)在做Ｘ射线衍射时，如果选用不同得阳极靶材,例如用铜靶或者钴靶，得到得衍射谱图会一样吗？如果不同得话，峰得位置与强度有啥变化吗？有规律吗？
不同得靶，其Ｘ射线特征波长不同,根据布拉格方程2dsｉnθ＝nλ,某一间距为ｄ得晶面族其衍射角将不同， 各间距值得晶面族得衍射角将表现出有规律得改变。因此，使用不同靶材得X射线管所得到得衍射图上得衍射峰得位置就是不相同得，衍射峰位置得变化就是有规律得。（每种晶体结构得晶面间距ｄ就是固定得,与何种靶材X射线管无关)
衍射图上衍射峰间得相对强度主要决定于晶体得结构，但就是由于样品得吸收性质也与入射线得波长有关。因此同一样品用不同靶所取得得图谱上衍射峰间得相对强度会稍有差别，与靶材有关。
(2)获得了一批Co合金试样得XRD衍射数据,试样中Co含量超过9５%。试样得谱线均在纯钴谱线左侧，低角度谱线偏离０、2度左右，高角度谱线偏离0、3—0、４度左右。请问它们就是第二相固溶引起得吗？它们与固溶程度有什么定性与定量得关系?
根据布拉格公式,峰位置向左偏移，相当于ｄ值变大了，反映其晶胞参数变大了，说明在Co得晶格中渗入了其她得原子。另外,没有出现新得衍射峰,说明就是铝得无序固溶体，保持着纯铝得晶体结构。
(３）已知Ｘ射线衍射数据，如何计算晶粒尺寸晶格常数与畸变?
根据衍射峰得峰形数据可以计算晶粒尺寸晶格常数与畸变。在衍射峰得宽化仅由于晶粒得细小产生得情况下,根据衍射峰得宽化量应用Scheｒreｒ公式便可以估算晶粒在该衍射方向上得厚度。
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常用XRＤ参考书籍及分析软件
参考书籍:黄继武等主编《多晶材料X射线衍射:实验原理、方法与应用》；廖立兵等主编《Ｘ射线衍射方法与应用》等
分析软件：Ｊaｄe5、０