第一篇：2017X射線衍射及物相分析實驗報告寫法

請將以下內容手寫或打印在中原工學院實驗報告紙上。實驗報告內容：文中紅體字部分請刪除后補上自己寫的內容

班級

學號

姓名

綜合實驗 X射線衍射儀的使用及物相分析

實驗時間，地點

一、實驗目的

１．了解x射線衍射儀的構造及使用方法； ２．熟悉x射線衍射儀對樣品制備的要求；

３．學會對x射線衍射儀的衍射結果進行簡單物相分析。

二、實驗原理

（X射線衍射及物相分析原理分別見《材料現代分析方法》第一、二、三、五章。）

三、實驗設備

Ultima IV型 變溫全自動組合粉末多晶X射線衍射儀。

（以下為參考內容）

X衍射儀由X射線發生器、測角儀、記錄儀等幾部分組成。

圖1 熱電子密封式X射線管的示意圖

圖1是目前常用的熱電子密封式X射線管的示意圖。陰極由鎢絲繞成螺線形，工作時 1

通電至白熱狀態。由于陰陽極間有幾十千伏的電壓，故熱電子以高速撞擊陽極靶面。為防止燈絲氧化并保證電子流穩定，管內抽成1.33×10-9~1.33×10-11的高真空。為使電子束集中，在燈絲外設有聚焦罩。陽極靶由熔點高、導熱性好的銅制成，靶面上被一層純金屬。常用的金屬材料有Cr，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W等。當高速電子撞擊陽極靶面時，便有部分動能轉化為X射線，但其中約有99%將轉變為熱。為了保護陽極靶面，管子工作時需強制冷卻。為了使用流水冷卻和操作者的安全，應使X射線管的陽極接地，而陰極則由高壓電纜加上負高壓。x射線管有相當厚的金屬管套，使X射線只能從窗口射出。窗口由吸收系數較低的Be片制成。結構分析用X射線管通常有四個對稱的窗口，靶面上被電子襲擊的范圍稱為焦點，它是發射X射線的源泉。用螺線形燈絲時，焦點的形狀為長方形（面積常為1mm×10mm），此稱為實際焦點。窗口位置的設計，使得射出的X射線與靶面成60角（圖2），從長方形的短邊上的窗口所看到的焦點為1mm2正方形，稱點焦點，在長邊方向看則得到線焦點。一般的照相多采用點焦點，而線焦點則多用在衍射儀上。

圖2 在與靶面成6角的方向上接收X射線束的示意圖

0自動化衍射儀采用微計算機進行程序的自動控制。圖3為日本生產的Ultima IV型 變溫全自動組合粉末多晶X射線衍射儀工作原理方框圖。入射X射線經狹縫照射到多晶試樣上，衍射線的單色化可借助于濾波片或單色器。衍射線被探測器所接收，電脈沖經放大后進人脈沖高度分析器。信號脈沖可送至計數率儀，并在記錄儀上畫出衍射圖。脈沖亦可送至計數器（以往稱為定標器），經徽處理機進行尋峰、計算峰積分強度或寬度、扣除背底等處理，并在屏幕上顯示或通過打印機將所需的圖形或數據輸出。控制衍射儀的專用微機可通過帶編碼器的步進電機控制試樣(θ)及探測器(2θ)進行連續掃描、階梯掃描，連動或分別動作等等。目前，衍射儀都配備計算機數據處理系統，使衍射儀的功能進一步擴展，自動化水平更加提高。衍射儀目前已具有采集衍射資料，處理圖形數據，查找管理文件以及自動進行物相定性分析等功能。

物相定性分析是X射線衍射分析中最常用的一項測試，衍射儀可自動完成這一過程。首先，儀器按所給定的條件進行衍射數據自動采集，接著進行尋峰處理并自動啟動程序。當檢索開始時，操作者要選擇輸出級別（扼要輸出、標準輸出或詳細輸出），選擇所檢索的數據庫（在計算機硬盤上，存貯著物相數據庫，約有物相176000種，并設有無機、有機、合金、礦物等多個分庫），指出測試時所使用的靶，掃描范圍，實驗誤差范圍估計，并輸入試樣的元素信息等。此后，系統將進行自動檢索匹配，并將檢索結果打印輸出。

圖3 Ultima IV型 變溫全自動組合粉末多晶X射線衍射儀工作原理方框圖

四、試樣準備

實驗所測樣品如下：

（三種樣品的已知信息，制備方法，形態尺寸，選用樣品托的高度，放置方法等。）樣品1： 樣品2： 樣品3：

（參考資料：衍射儀一般采用塊狀平面試樣，它可以是整塊的多晶體，亦可用粉末壓制。粉末樣品應有一定的粒度要求，這與德拜相機的要求基本相同（顆粒大小約在1-10 μm）數量級。粉末過200-325目篩子即合乎要求），不過由于在衍射儀上攝照面積較大，故允許采用稍粗的顆粒。根據粉末的數量可壓在的深框或淺框中。壓制時一般不加粘結劑，所加壓力以使粉末樣品壓平為限，壓力過大可能導致顆粒的擇優取向。當粉末數量很少時，可在平玻璃片上抹上一層凡士林，再將粉末均勻撒上。）

五、實驗過程

１．教師演示X射線衍射儀的操作過程；

（選用掃描角度范圍為：

掃描速度為：

等等）２．對已備好樣品進行衍射，獲取樣品的衍射圖；

３．學生對衍射結果進行物相分析。

六、實驗結果與分析

１．處理曲線，粘貼結果（樣品的衍射圖）

２．對衍射結果進行物相分析，得出結論并說明理由。（可能存在的誤差及原因）

七、（小結，體會，收獲，實驗過程及分析中存在問題，不懂之處等）

第二篇：X射線衍射技術及物相分析

X射線衍射技術及物相分析

（一）實驗目的要求

1．學習了解X射線衍射儀的結構和工作原理； 2．掌握X射線衍射物相定性分析的方法和步驟；

二、實驗儀器

本實驗使用的儀器是Rigaku UltimaⅣX射線衍射儀。主要由冷卻循環水系統、X射線衍射儀和計算機控制處理系統三部分組成。X射線衍射儀主要由X射線發生器即X射線管、測角儀、X射線探測器等構成。3．給定實驗樣品，設計實驗方案，做出正確分析鑒定結果。

1.X射線管

X射線管主要分密閉式和可拆卸式兩種。廣泛使用的是密閉式,由陰極燈絲、陽極、聚焦罩等組成,功率大部分在1～2千瓦。可拆卸式X射線管又稱旋轉陽極靶,其功率比密閉式大許多倍,一般為12～60千瓦。常用的X射線靶材有W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。X射線管線焦點為1×10平方毫米,取出角為3～6度。此X射線管為密閉式，功率為2千瓦。X射線靶材為Cu。

選擇陽極靶的基本要求：盡可能避免靶材產生的特征X射線激發樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣的背底，使圖樣清晰。2．測角儀

測角儀是粉末X射線衍射儀的核心部件，主要由索拉光闌、發散狹縫、接收狹縫、防散射狹縫、樣品座及閃爍探測器等組成。

(1)衍射儀一般利用線焦點作為X射線源S。如果采用焦斑尺寸為1×10平方毫米的常規X射線管，出射角6°時，實際有效焦寬為0.1毫米，成為0.1×10平方毫米的線狀X射線源。

(2)從S發射的X射線，其水平方向的發散角被第一個狹縫限制之后，照射試樣。這個狹縫稱為發散狹縫(DS)，生產廠供給1/6°、1/2°、1°、2°、4°的發散狹縫和測角儀調整用0．05毫米寬的狹縫。

(3)從試樣上衍射的X射線束，在F處聚焦，放在這個位置的第二個狹縫，稱為

接收狹縫(RS)．生產廠供給0.15毫米、0.3毫米、0.6毫米寬的接收狹縫。(4)第三個狹縫是防止空氣散射等非試樣散射X射線進入計數管，稱為防散射狹縫(SS)。SS和DS配對，生產廠供給與發散狹縫的發射角相同的防散射狹縫。(5)S1、S2稱為索拉狹縫，是由一組等間距相互平行的薄金屬片組成，它限制入射X射線和衍射線的垂直方向發散。索拉狹縫裝在叫做索拉狹縫盒的框架里。這個框架兼作其他狹縫插座用，即插入DS，RS和SS．

3．X射線探測記錄裝置

衍射儀中常用的探測器是閃爍計數器(SC)，它是利用X射線能在某些固體物質(磷光體)中產生的波長在可見光范圍內的熒光，這種熒光再轉換為能夠測量的電流。由于輸出的電流和計數器吸收的X光子能量成正比，因此可以用來測量衍射線的強度。

閃爍計數管的發光體一般是用微量鉈活化的碘化鈉(NaI)單晶體。這種晶體經X射線激發后發出藍紫色的光。將這種微弱的光用光電倍增管來放大，發光體的藍紫色光激發光電倍增管的光電面(光陰極)而發出光電子(一次電子)，光電倍增管電極由10個左右的聯極構成，由于一次電子在聯極表面上激發二次電子，經聯極放大后電子數目按幾何級數劇增(約106倍)，最后輸出幾個毫伏的脈沖。

三、實驗原理

根據晶體對X射線的衍射特征－衍射線的位置、強度及數量來鑒定結晶物質之物相的方法，就是X射線物相分析法。

每一種結晶物質都有各自獨特的化學組成和晶體結構。沒有任何兩種物質，它們的晶胞大小、質點種類及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，當X 2

射線被晶體衍射時，每一種結晶物質都有自己獨特的衍射花樣，它們的特征可以用各個衍射晶面間距d和衍射線的相對強度I／I0來表征。其中晶面間距d與晶胞的形狀和大小有關，相對強度則與質點的種類及其在晶胞中的位置有關。所以任何一種結晶物質的衍射數據d和I／I0是其晶體結構的必然反映。

在材料科學工作中經常需要進行物相分析，即分析某種材料中含有哪幾種結晶物質，或是某種物質以何種結晶狀態存在。根據晶體對X射線的衍射特征－衍射線的位置、強度及數量來鑒定結晶物質方法，就是X射線物相分析。利用X射線衍射分析可確定某結晶物質屬于立方、四方、六方、單斜還是斜方晶系。

由布拉格(Bragg)方程得晶體的每一個衍射峰都和一組晶面間距為d的晶面組的關系：

式中，為入射線與晶面的夾角，λ為入射線的波長。

另一方面，晶體的每一條衍射線的強度Ｉ又與結構因子Ｆ模量的平方成正比：

式中，I0為單位截面上入射Ｘ射線的功率；Ｋ為比例因子，與實驗衍射幾何條件、試樣的形狀、吸收性質、溫度及一些物理常數有關；V為參加衍射的晶體的體積；|F|2稱為結構因子，取決于晶體的結構，它是晶胞內原子坐標的函數，由它決定了衍射的強度。可見d和|F|2都是由晶體的結構所決定的，因此每種物質都必有其特有的衍射圖譜。因而可以根據它們來鑒別結晶物質的物相。通常利用PDF衍射卡片進行物相分析。

四、參數選擇 1．陽極靶的選擇

選擇陽極靶的基本要求：盡可能避免靶材產生的特征X射線激發樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣的背底，使圖樣清晰。不同靶材的使用范圍。

必須根據試樣所含元素的種類來選擇最適宜的特征X射線波長(靶)。當X射線的波長稍短于試樣成分元素的吸收限時，試樣強烈地吸收X射線，并激發產生成分元素的熒光X射線，背底增高。其結果是峰背比(信噪比)P／B低(P為峰強度，B為背底強度)，衍射圖譜難以分清。

X射線衍射所能測定的d值范圍，取決于所使用的特征X射線的波長。X射線衍射所需測定的d值范圍大都在1nm至0.1nm之間。為了使這一范圍內的衍射峰易于分離而被檢測，需要選擇合適波長的特征X射線。一般測試使用銅靶，但因X射線的波長與試樣的吸收有關，可根據試樣物質的種類分別選用Co、Fe，或Cr靶。此外還可選用鉬靶，這是由于鉬靶的特征X射線波長較短，穿透

能力強，如果希望在低角處得到高指數晶面衍射峰，或為了減少吸收的影響等，均可選用鉬靶。2．掃描范圍的確定

不同的測定目的，其掃描范圍也不同。當選用Cu靶進行無機化合物的相分析時，掃描范圍一般為90°～2°（2θ）；對于高分子，有機化合物的相分析，其掃描范圍一般為60～2°；在定量分析、點陣參數測定時，一般只對欲測衍射峰掃描幾度。

3．管電壓和管電流的選擇

工作電壓設定為3～5倍的靶材臨界激發電壓。選擇管電流時功率不能超過X射線管額定功率，較低的管電流可以延長X射線管的壽命。

X射線管經常使用的負荷(管壓和管流的乘積)選為最大允許負荷的80％左右。但是，當管壓超過激發電壓5倍以上時，強度的增加率將下降。所以，在相同負荷下產生X射線時，在管壓約為激發電壓5倍以內時要優先考慮管壓，在更高的管壓下其負荷可用管流來調節。靶元素的原子序數越大，激發電壓就越高。由于連續X射線的強度與管壓的平方呈正比，特征X射線與連續X射線的強度之比，隨著管壓的增加接近一個常數，當管壓超過激發電壓的4～5倍時反而變小，所以，管壓過高，信噪比P/B將降低，這是不可取得的。具體數據見表三：衍射儀測試條件參數選擇。4．發散狹縫的選擇（DS）

發散狹縫（DS）決定了X射線水平方向的發散角，限制試樣被X射線照射的面積。如果使用較寬的發射狹縫，X射線強度增加，但在低角處入射X射線超出試樣范圍，照射到邊上的試樣架，出現試樣架物質的衍射峰或漫散峰，對定量相分析帶來不利的影響。因此有必要按測定目的選擇合適的發散狹縫寬度。

生產廠家提供1/6°、1/2°、1°、2°、4°的發散狹縫，通常定性物相分析選用1°發散狹縫，當低角度衍射特別重要時，可以選用1/2°（或1/6°）發散狹縫。5．接收狹縫的選擇（RS）：

生產廠家提供0.15mm、0.3mm、0.6mm的接收狹縫，接收狹縫的大小影響衍射線的分辨率。接收狹縫越小，分辨率越高，衍射強度越低。通常物相定性分析時使用0.3mm的接收狹縫，精確測定可使用0.15mm的接收狹縫。6.濾波片的選擇： Z濾40,Z濾=Z靶－2 7． 掃描速度的確定

常規物相定性分析常采用每分鐘2°或4°的掃描速度，在進行點陣參數測定，4

微量分析或物相定量分析時，常采用每分鐘1/2°或1/4°的掃描速度。

五、樣品制備

X射線衍射分析的樣品主要有粉末樣品、塊狀樣品、薄膜樣品、纖維樣品等。樣品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），則樣品制備方法也不同。1．粉末樣品

X射線衍射分析的粉末試樣必需滿足這樣兩個條件：晶粒要細小，試樣無擇優取向(取向排列混亂)。所以，通常將試樣研細后使用，可用瑪瑙研缽研細。定性分析時粒度應小于44微米(350目)，定量分析時應將試樣研細至10微米左右。較方便地確定10微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾動，兩手指間沒有顆粒感覺的粒度大致為10微米。

常用的粉末樣品架為玻璃試樣架，在玻璃板上蝕刻出試樣填充區為20×18平方毫米。玻璃樣品架主要用于粉末試樣較少時(約少于500立方毫米)使用。充填時，將試樣粉末-點一點地放進試樣填充區，重復這種操作，使粉末試樣在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，要求試樣面與玻璃表面齊平。如果試樣的量少到不能充分填滿試樣填充區，可在玻璃試樣架凹槽里先滴一薄層用醋酸戊酯稀釋的火棉膠溶液，然后將粉末試樣撒在上面，待干燥后測試。2．塊狀樣品

先將塊狀樣品表面研磨拋光，大小不超過20×18平方毫米,然后用橡皮泥將樣品粘在鋁樣品支架上，要求樣品表面與鋁樣品支架表面平齊。3．微量樣品

取微量樣品放入瑪瑙研缽中將其研細，然后將研細的樣品放在單晶硅樣品支架上（切割單晶硅樣品支架時使其表面不滿足衍射條件），滴數滴無水乙醇使微量樣品在單晶硅片上分散均勻，待乙醇完全揮發后即可測試。4．薄膜樣品制備

將薄膜樣品剪成合適大小，用膠帶紙粘在玻璃樣品支架上即可。

六、樣品測試

1.首先打開冷卻循環水系統電源；

2.15min后開啟衍射儀總電源，將制備好的試樣插入衍射儀樣品臺；

3.打開計算機，當計算機與X射線衍射儀聯機完成后，點擊XG operation，啟動X射線衍射儀。將管電壓、管電流逐步由默認值20kV、2mA升至40kV、20mA。關閉XG operation。

4.點擊Standard Measurement，設置參數；(1)設置存盤路徑、文件名；(2)掃描范圍的確定；

當選用Cu靶進行無機化合物的相分析時，掃描范圍一般為90°～2°（2θ）；對于高分子、有機化合物的相分析，其掃描范圍一般為60°～2°。本實驗為 5

10~80?；

(3)掃描速度的確定；

常規物相定性分析常采用每分鐘2°或4°的掃描速度，在進行點陣參數測定、微量分析或物相定量分析時，常采用每分鐘1/2°或1/4°的掃描速度。本實驗為4°/min；

(4)管電壓和管電流的選擇；

工作電壓設定為3～5倍的靶材臨界激發電壓。選擇管電流時功率不能超過X射線管額定功率，較低的管電流可以延長X射線管的壽命。X射線管經常使用的負荷(管壓和管流的乘積)選為最大允許負荷的80％左右。本實驗為40kV、20mA。

(5)狹縫的選擇；

DS和SS均為1°，RS為0.3mm。

(6)各項設置完成后點擊Attachment鍵開始測量。

5.測量完畢，關閉X射線衍射儀應用軟件。點擊XG operation，先將管電壓、管電流逐步由40kV、20mA降至默認值20kV、2mA，然后關閉X射線衍射儀，關閉X射線衍射儀電源；取出試樣；15分鐘后關閉冷卻循環水系統及線路總電源。

七、數據處理

采用Jade5.0分析軟件分析測試數據，步驟如下：

1.打開Jade5.0分析軟件，點擊File patterns，雙擊所選測試數據01.raw； 2.鼠標左鍵點擊S/M鍵進行自動檢索；

3.若自動檢索結果不好，可進行人工手動檢索，鼠標右鍵點擊S/M鍵； 4.物相檢索后，選擇最為匹配的PDF卡；

5.文件的添加。若分析的一系列測試數據為不同條件制備的同一物質，不必逐一分析，可進行文件的添加。點擊File patterns，單擊所選數據02.raw，然后點擊add鍵，文件添加完成。XRD圖譜自動按添加順序由下向上排列，點擊窗口右側的功能鍵來調節譜圖間距；

6.生成物相分析報告。點擊File→Print set up。通過Copy可將物相分析報告粘貼到畫圖板或Word文檔里。

八、實驗報告及要求

1．實驗課前必須預習實驗講義和教材，掌握實驗原理等必需知識。

2．根據教師給定實驗樣品，設計實驗方案，選擇樣品制備方法、儀器條件參數等。

3．要求實驗報告用紙寫出：實驗原理，實驗方案步驟(包括樣品制備、實驗參數選擇、測試、數據處理等)，選擇定性分析方法，物相鑒定結果分析等。

4．鑒定結果要求寫出樣品名稱（中英文）、卡片號，實驗數據和標準數據三強線的d值、相對強度及（HKL）。

第三篇：X射線衍射實驗報告

X射線衍射實驗報告

摘要：

本實驗通過了解到X射線的產生、特點和應用；理解X射線管產生連續X射線譜和特征X射線譜的基本原理，了解D8xX射線衍射儀的基本原理和使用方法，通過分析軟件對測量樣品進行定性的物相分析。

關鍵字：布拉格公式 晶體結構，X射線衍射儀，物相分析

引言：

X射線最早由德國科學家W.C.Roentgen在1895年在研究陰極射線發現，具有很強的穿透性，又因x射線是不帶電的粒子流，所以在電磁場中不偏轉。1912年勞厄等人發現了X射線在晶體中的衍射現象，證實了X射線本質上是一種波長很短的電磁輻射，其波長約為10nm到10–2nm之間，與晶體中原子間的距離為同一數量級，是研究晶體結構的有力工具。物相分析中的衍射方法包括X射線衍射，電子衍射和中子衍射三種，其中X射線衍射方法使用最廣，它包括德拜照相法，聚集照相法，和衍射儀法。

實驗目的：1.了解X射線衍射儀的結構及工作原理

2.熟悉X射線衍射儀的操作

3.掌握運用X射線衍射分析軟件進行物相分析的方法

實驗原理：

（1）X射線的產生和X射線的光譜

實驗中通常使用X光管來產生X射線。在抽成真空的X光管內，當由熱陰極發出的電子經高壓電場加速后，高速運動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時，靶就發射X射線。發射出的X射線分為兩類：（1）如果被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度時，發射的是連續光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射；（2）當電子的能量超過一定的限度時，可以發射一種不連續的、只有幾條特殊的譜線組成的線狀光譜，這種發射線狀光譜的輻射叫做特征輻射。對于特征X光譜分為

（1）K系譜線:外層電子填K層空穴產生的特征X射線Kα、Kβ…

（2）L系譜線:外層電子填L層空穴產生的特征X射線Lα、Lβ…如下圖1

圖1 特征X射線 X射線與物質的作用

X射線與物質相互作用產生各種復雜過程。就其能量轉換而言，一束X射線通過物質分為三部分：散射，吸收，透過物質沿原來的方向傳播，如下圖2，其中相干散射是產生衍射花樣原因。

圖2

X射線與物質的作用

晶體結構與晶體X射線衍射

晶體結構可以用三維點陣來表示。每個點陣點代表晶體中的一個基本單元，如離子、原子或分子等。

空間點陣可以從各個方向予以劃分，而成為許多組平行的平面點陣。因此，晶體可以看成是由一系列具有相同晶面指數的平面按一定的距離分布而形成的。各種晶體具有不同的基本單元、晶胞大小、對稱性，因此，每一種晶體都必然存在著一系列特定的d值，可以用于表征不同的晶體。

X射線波長與晶面間距相近，可以產生衍射。晶面間距d和X射線的波長的關系可以用布拉格方程來表示

2dsinθ＝nλ

根據布拉格方程，不同的晶面，其對X射線的衍射角也不同。因此，通過測定晶體對X射線的衍射，就可以得到它的X射線粉末衍射圖。如下圖3就是衍射儀的圖譜。

圖3 X射線衍射圖譜 物相鑒定原理

任何結晶物質均具有特定晶體結構（結構類型，晶胞大小及質點種類，數目，分布）和組成元素。一種物質有自己獨特的衍射譜與之對應，多相物質的衍射譜為各個互不相干，獨立存在物相衍射譜的簡單疊加。

衍射方向是晶胞參數的函數（取決于晶體結構）；衍射強度是結構因子函數（取決于晶胞中原子的種類、數目和排列方式）。任何一個物相都有一套d-I特征值及衍射譜圖。因此，可以對多相共存的體系進行全分析。也就是說實驗測得的圖譜與數據庫中的已知X射線粉末衍射圖對照，通過兩者的匹配性就可以確定它的物相。

實驗儀器

本實驗中使用的是德國布魯克公司D8 X射線衍射儀

其核心部件是：

1）高壓發生器與X光管

2）精度測角儀與B-B衍射幾何

3）光學系統及其參數選擇對采

集數據質量影響

4）探測器

5）控測、采集數據與數據處理

儀器設計原理：R1=R2=R ,試樣轉θ角，探測器轉2θ角（2θ/θ偶合）或試樣不動，光管轉θ，探測器轉θ（θ/ θ偶合），其基本結構原理圖如下圖4

圖4 X射線衍射儀設計原理

聚焦圓隨衍射角大小而變化，衍射角越大、聚焦圓半徑越小，當2θ=0，聚焦圓半徑r=∞；當2θ=1800時，r=R/2,且r = R/2sinθ。

實驗步驟

一，樣品制備

將待測粉末樣品在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，使試樣面與玻璃表面齊平，二，D8 X射線衍射儀使用測量衍射圖譜 1.按照D8 X射線衍射儀操作規程開機。（1）開總電源。（2）開電腦。（3）開循環水。

（4）開儀器電源（按綠色按鈕，由4燈全亮變成ON和ALARM燈亮）。

（5）開X-ray高壓（右側扳手順時針向上扳45度保持3~5秒，直到Ready燈亮）。

（6）開BIAS（在前蓋盤內）。

2，開軟件XRD Commander。在XRD Commander里升電壓和電流，每隔30秒加5kV直到40kV；然后加電流，每隔30秒加5mA直到40mA。如果停機2天以上最好做光管老化：點擊D8 Tools主界面/X-ray generator，點擊工具欄里的utilities/X-ray.../Tube condition ON/OFF，在右下角的狀態欄出現Tube condition ON，電壓和電流會逐步升到50kV-5mA。大概需要1小時，等電壓和電流回到20kV-5mA，點擊Tube condition ON/OFF老化結束。（老化過程可隨時終止：點擊Tube condition ON/OFF即可。）

打開XRD Commander，先初始化（點擊兩個軸上面的選項Requested，選定兩個軸，使Tube為20，Detector為20，點擊菜單里的初始化圖標進行初始化）。做物相分析在Scantype中選Locked Coupled，并且在Detail中將探測器改為1D。在XRD Commander中選擇各參數（起始角、終止角、步長等）開始測量。即可獲得一張衍射圖譜，將其保存為*.raw文件。對于未知的樣品：首先，掃描范圍

0.10~900，步長大些，快速掃描。然后，參照第前面的譜線，把掃描起始角放在第一個峰前一點，把終止角放在最后一個峰后一點。對于一般定性分析用連續掃描。對于定量分析（例如無標樣定量相分析等）對強度要求高，就用步進掃描。3.按照D8 X射線衍射儀操作規程關機。

（1）在軟件里降高壓。在軟件XRD Commander里將高壓調到20kV~5mA，點擊“Set”。

（2）關軟件XRD Commander。

（3）關X-ray高壓（右側扳手逆時針向上扳45度），再等5分鐘。（4）關儀器電源（按紅色按鈕）。

（5）關循環水（關儀器電源后迅速關水）。（6）關BIAS（在前蓋盤內）。（7）關電腦。（8）關總電源。

三，Eva軟件對圖譜處理進行物相分析

（1）將待處理的數據文件導入。點擊File/Import/Scan調入原始數據文件*.raw進行處

（2）在ToolBox框內進行數據處理。i)扣背景：點擊Backgnd/點擊Default/點擊Replace，顯示扣背景處理后的數據（也可以點擊Backgnd，把門檻threshold改為“0”，上下移動滑塊，調整至合適背景，點擊“Replace”，顯示扣背景處理后的數據）。

ii)刪除k：點擊Strip k/點擊Default/點擊Replace，顯示處理后的數據（也可以上下移動滑塊調整至合適，單擊Replace，顯示處理后的數據）。

iii)平滑處理：單擊Smooth/點擊Default/點擊Replace，顯示處理后的數據（也可以設定需要平滑的參數，左右或上下移動滑塊進行調整，合適后單擊Replace，顯示處理后的數據）。

iv)尋峰：點擊Peak Search，設定尋峰參數（門檻threshold與峰寬Width標定，可以上下移動滑塊進行調整）。點擊“Append to list”標定全譜衍射d值（標定漏峰只需按左鍵將“↓”拖移至峰頂點擊即可，刪除峰可點擊刪除峰與“×”即可），此時數據在peak狀態列于框內。

（2）選定所有的峰，單擊Made DIF生成DIF文件。

（4）物相的定性分析：點擊Search/Match。在Search/Match框內選擇前三個Quality Marks，選擇可能的元素，并選擇Pattern，點擊Search進行檢索/匹配。（先選Toggle All/點擊左上角的元素“H”可以將所有的元素變為紅色，即肯定沒有。/選擇肯定有的點成綠色。/選擇可能有的點成灰色。紅色肯定沒有。）。最后根據列表給出的可能物質通過比較卡片內的譜線和實際測量出譜線的吻合程度來確定組成成分，也就完成了X射線衍射的初步分析工作。

實驗數據處理：

（1）對Fe和Cu樣品，其中可能氧化有氧，實驗初步測量結果圖如下

圖5 樣品1的測量譜線

通過實驗軟件，定性分析出其中有Fe2O3,，CU2+1O，以及alpha Fe2O3,。其圖譜與測量的匹配性如下；

對于alpha Fe2O3，其譜線與測量譜線的吻合度如下圖6，藍色線為alpha Fe2O3的譜線

圖6 alpha Fe2O3譜線與測量譜線的匹配

可以看出有幾個明顯的峰吻合，可以判斷樣品中含有alpha Fe2O3

對于Fe2O3,其藍色譜線與測量譜線的吻合度如下圖7；

圖7 Fe2O3譜線與測量譜線的吻合

同樣可以看出。有幾個小峰與測量譜線重合，樣品中存在Fe2O3 對于CU2+1O的藍色譜線與測量譜線的吻合度如下圖8

圖8

CU2+1O的譜線與測量譜線的吻合

可以看出，幾個特別強的峰均與CU2+1O吻合，可以說樣品中含有CU2+1O。綜上和三者譜線之和與測量譜線的吻合度，可以看出，三種樣品的圖譜基本上把所有的峰都匹配了，如下圖9

由此基本上可以定性分析出樣品中的物質是Fe2O3,，CU2+1O，以及alpha Fe2O3

（2）Mg和Si樣品，其中可能氧化有O，其實驗測量的譜線圖如下

圖10 樣品2的測量譜線

同樣通過分析軟件，可以分析出樣品中只含Mg和Si兩種物質，其各自的匹配性如下：

Mg的藍色譜線與測量譜線的吻合度：

2.Si的藍色譜線與測量譜線的吻合度：

3.綜合Si和Mg兩者譜線和與測量譜線的吻合度如下圖，可以基本看出，測量譜線所有的峰都被匹配了。

從此圖可以基本上定性分析出該樣品中只含有Mg和Si.實驗討論

物相鑒定方法特點與注意點

不是單純的元素分析，能確定組元所處的化學狀態（式樣屬何物質，那種晶體結構，并確定其化學式）。

可區別同素異構物相，尤其是對多型、固體有序-無序轉變的鑒別。樣品由多組份構成時，可區別是固溶體或是混合相（多組份物相）。

可分析粉末狀、塊狀、線狀試樣。樣品易得，耗量少，與實體系相近，應用非常廣泛。

物相必是結晶態，可檢出非晶物。

微量相（如<1%wt）物相鑒定可利用物理化學電解分離萃取富集辦法，如無法萃取可加大輻射功率，使有可能出現3條衍射峰，即可鑒定物相，如輔之以其它方法更有利判定物相。

對分析模棱兩可的物相分析，借助試樣的歷史（如試樣來源、化學組分、處理情況等），或者借助其它分析手段如化學分析、金相、電鏡等）進行綜合判斷是絕對必要的。最終人工判斷才能得出正確結論

實驗思考

（1）X射線在晶體上產生衍射的條件是什么？

由Bragg 公式

可以知道，n最小取1，因而2d>=λ,也就是說滿足2d>=λ 時，X射線在晶體上產生衍射。

（2）為什么衍射儀記錄的始終是平行于試樣表面的衍射？

對一些（hkl）晶面滿足布拉格方程產生對于粉末多晶體試樣，在任何方位上總會反射，而且反射是向四面八方的。但是那些平行于試樣表面的（hkl）晶面滿足入射角=衍射角=θ的條件，此時衍射線夾角為（π－2θ)，(π－2θ)正好為聚焦圓的圓周角，由平面幾何可知，位于同一圓弧上的圓周角相等，所以，位于試樣不同部位平行于試樣表面的（hkl）晶面，可以把各自的衍射線會聚到F點(由于S是線光源，所以F點得到的也是線光源)，這樣便達到了聚焦的目的。由此可以看出，衍射儀的衍射花樣均來自與試樣表面相平行的那些反射面的反射。（3）不平行表面的晶面有無衍射產生？

對于不平行于表面的晶面有衍射產生，只是不被接受器接受到，因而實驗中觀測不到。

（4）實驗中使用的樣品的顆粒度有無要求？為什么

對于實驗中樣品，粉晶、塊狀樣均可,表面平整，但是小顆粒可改善強度再現性。粒的大小影響著樣品衍射的最大相對強度及其對峰位的變化，對衍射峰位影響不是很大

晶粒的粒徑越小，衍射峰的峰高強度就越低，但過小粒徑的晶粒不能再近似看成具有無限多晶面的理想晶體，因其對X射線的彌散現象嚴重，表現在峰強變弱，峰變寬。

（5）用衍射儀如何區分單晶、多晶和非晶

對于非晶體，X射線衍射儀不產生衍射光譜，而對于單晶，產生的是一些不連續光譜，多晶產生的是連續性光譜，由此可以區分出單晶，多晶和非晶。

參考文獻：

《近代物理實驗》 第二版

黃潤生

第四篇：X射線衍射實驗報告

1、前言和實驗目的

(1)了解Ｘ射線產生和Ｘ射線衍射的原理。

(2)掌握使用X射線衍射儀測定晶體晶面間隔的方法。

2、實驗原理

（1）X射線產生機理：X射線管的燈絲發射的電子在強磁場的作用下加速，以很高的速度打在金屬靶上，從而產生X射線。其中由于金屬給電子帶來的巨大的減速作用會使電子發出具有連續波譜的X射線；而若是高速電子將金屬原子的內層電子打出，則其他層的電子就會向內躍遷，從而產生具有特定波長的X射線。故由此得到的X射線是具有特征峰的連續波譜。其它層向K層躍遷產生的射線統稱為K線系（其中L層來的稱為K?線，M層來的稱為K?線），向L層躍遷的稱為L線系。

（2）晶體學基礎：晶體中的原子、分子或離子都是有規則呈周期性排布的，排布方式稱為晶格結構，在晶體學上常取與客觀晶體有同等對稱性的平行六面體作為構成晶體體積的最小單元，稱為晶胞。

（3）X射線衍射機理：由于X射線的波長很小，不可能拿一般的光柵做衍射實驗，但晶體中晶胞的線度卻跟X射線波長在同一數量級上，因此可以用晶體來做X射線的衍射實驗（如圖一）。當兩反射光同相時，產生干涉加強，此時滿足如下關系式

QA'Q'－PAP'＝SA'＋A'T＝nλ n＝0，±1，±2……

即： 2dsin??n?

滿足此式則在該處能觀察到衍射極大，試驗中通過測量不同角度在相同時間內所接收到的X射線粒子數來進行判斷，得到極大衍射角也可由上式推得晶格系數d。

圖一

3、實驗器材

采用德國萊寶教具公司所生產的X射線裝置，它是用微處理器控制的可進行多種實驗的小型X射線裝置。該裝置的高壓系統、X光管和實驗區域被完全密封起來，正面裝有兩扇鉛玻璃門，當它們其中任意一扇被打開時會自動切斷高壓，具有較大的安全性。其測量結果通過計算機進行實時采集和處理，使用極其方便。

4、注意事項

1．NaCl單晶易潮、易碎，要小心安放

2．不能用手拿NaCl晶體的正面，只能拿側面

3．調節時要細致，由于要調節兩個參數，可往復固定一個調節另一個 4．可通過修改參數使得實驗進行的更快或者更加精確，可靈活運用

5、實驗數據、實驗數據處理、計算結果和估算不確定度等

實驗所用的X射線發生器陽極材料為Mo，其K?線波長λ2=71.073pm，K?線波長為λ1=63.2288pm.實驗得到的NaCl的X射線衍射圖樣如下圖所示：

由圖得K?線一級衍射最大角為6.0 o；K?線一級衍射最大角約為6.9 o。而NaCl晶體的晶面間距d為563.9pm。而按照理論值應為7.3 o，有誤差，重新調節，但重新做的衍射圖樣沒拷貝，重新調節的結果為K?線一級衍射最大角約為7.3 o，實驗結果與理論值在誤差允許范圍內，可接受，故認為調節完成，可對LiF進行X射線衍射實驗。

實驗得到的LiF的X射線衍射圖樣如下圖所示：

由圖可得LiF的K?線一級衍射最大角為9.2 o；K?線的一級衍射最大角為10.3 o。由此可計算其晶格常數，由公式2dsin??n?，可得d????2si?n??1.99Am, ??d???1.98Am,由兩條特征線計算的結果基本一致.2sin??

6、分析實驗結果和不確定度的來源及談談心得和改進方法

本實驗采用較為先進的儀器，實驗結果較為精確，且儀器集成化易于操作。并且在實驗中先用反射極大角進行調節，而后又用NaCl的衍射圖樣進行測驗看調節是否已滿足要求，總體來說本實驗的設計和儀器都還是不錯的。

在限定實驗儀器的情況下，個人認為可以提供一條改進思路，可行性有待商榷：用標準樣品NaCl進行一次測量，得到其X射線衍射圖樣，由此我們可以得到角度的偏差值，再進行其他樣品的測量，對角度考慮此角度偏差即可。原因是角度調節不管多細致，總很難排除主觀誤差，而對兩個樣品進行衍射圖樣的獲得則可以通過一定的途徑進行改進，比如增加每一角度的停留時長以及角度分的更細等。

提供另一種可能的修改途徑，此時需要對實驗儀器進行適當改動：將樣品兩邊夾住而不是放在平板上，允許樣品朝兩個方向轉動，通過得到從負角到正角（如把0~30o改為-30o~30o），這樣得到的衍射圖樣便可消除零度角的調節帶來的誤差。

第五篇：X射線衍射實驗報告

X射線衍射實驗報告

一、實驗目的

（1）掌握X射線衍射儀的工作原理、操作方法；（2）掌握X射線衍射實驗的樣品制備方法；

（3）掌握運用X射線衍射分析軟件進行物相分析的原理和實驗方法 ；（4）熟悉PDF卡片的查找方法和物相檢索方法。

二、實驗儀器

X射線衍射儀，PDF卡。

X射線衍射儀，主要由X射線發生器、X射線測角儀、輻射探測器、輻射探測電路、計算機系統等組成。（1）X射線發生器

X射線管工作時陰極接負高壓，陽極接地。燈絲附近裝有控制柵，使燈絲發出的熱電子在電場的作用下聚焦轟擊到靶面上。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點便成為X射線源，向四周發射X射線。在陽極一端的金屬管壁上一般開有四個射線出射窗口。轉靶X射線管采用機械泵+分子泵二級真空泵系統保持管內真空度，陽極以極快的速度轉動，使電子轟擊面不斷改變，即不斷改變發熱點，從而達到提高功率的目的，如下圖1。

圖1 X射線管

（2）測角儀

測角儀圓中心是樣品臺，樣品臺可以繞中心軸轉動，平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺上，樣品臺可圍繞垂直于圖面的中心軸旋轉；測角儀圓周上安裝有X射線輻射探測器，探測器亦可以繞中心軸線轉動；工作時，一般情況下試樣臺與探測器保持固定的轉動關系（即θ-2θ連動），在特殊情況下也可分別轉動；有的儀器中樣品臺不動，而X射線發生器與探測器連動，如下圖2。

圖2 測角儀

（3）PDF卡的組成如下3圖所示

圖3 PDF卡

三、實驗原理

1、X射線的產生

實驗中通常使用X光管來產生X射線。在抽成真空的X光管內，當由熱陰極發出的電子經高壓電場加速后，高速運動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時，靶就發射X射線。發射出的X射線分為兩類：（1）如果被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度時，發射的是連續光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射；（2）當電子的能量超過一定的限度時，可以發射一種不連續的、只有幾條特殊的譜線組成的線狀光譜，這種發射線狀光譜的輻射叫做特征輻射。對于特征X光譜分為：（1）K系譜線:外層電子填K層空穴產生的特征X射線Kα、Kβ?

（2）L系譜線:外層電子填L層空穴產生的特征X射線Lα、Lβ?如下圖4。

圖4 特征X射線

2、X射線與物質的相互作用

X射線與物質相互作用產生各種復雜過程。就其能量轉換而言，一束X射線通過物質分為三部分：散射，吸收，透過物質沿原來的方向傳播，如下圖5，其中相干散射是產生衍射花樣原因。

圖5 X射線與物質的相互作用

3、晶體點陣結構

晶體結構可以用三維點陣來表示。每個點陣點代表晶體中的一個基本單元，如離子、原子或分子等。空間點陣可以從各個方向予以劃分，而成為許多組平行的平面點陣。因此，晶體可以看成是由一系列具有相同晶面指數的平面按一定的距離分布而形成的。各種晶體具有不同的基本單元、晶胞大小、對稱性，因此，每一種晶體都必然存在著一系列特定的d值，可以用于表征不同的晶體。X射線波長與晶面間距相近，可以產生衍射。晶面間距d和X射線的波長的關系可以用布拉格方程來表示 :2dsinθ＝nλ。根據布拉格方程，不同的晶面，其對X射線的衍射角也不同。因此，通過測定晶體對X射線的衍射，就可以得到它的X射線粉末衍射圖，與數據庫中的已知X射線粉末衍射圖對照就可以確定它的物相。

4、物相鑒定原理

任何結晶物質均具有特定晶體結構（結構類型，晶胞大小及質點種類，數目，分布）和組成元素。一種物質有自己獨特的衍射譜與之對應，多相物質的衍射譜為各個互不相干，獨立存在物相衍射譜的簡單疊加。

衍射方向是晶胞參數的函數（取決于晶體結構）；衍射強度是結構因子函數（取決于晶胞中原子的種類、數目和排列方式）。任何一個物相都有一套d-I特征值及衍射譜圖。因此，可以對多相共存的體系進行全分析。也就是說實驗測得的圖譜與數據庫中的已知X射線粉末衍射圖對照，通過兩者的匹配性就可以確定它的物相。

四、實驗內容

1、樣品制備

將待測粉末樣品在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，使試樣面與玻璃表面齊平

2、測試 A、開機

(1)打開墻體及主機電源，并按下主機啟動按鈕。(2)打開冷卻循環水系統開關，使冷卻水電導率在3以內，水溫在20-24度范圍內。

(3)按下控制面板上的開真空按鈕，使真空度降至150mV以下。(4)打開控制柜開關(5)打開電腦，在軟件控制程序中開啟X射線后執行預熱至需要功率，預熱時間為1-1.5小時。B、裝樣

將裝有待測粉末樣品的試樣架放置在測角儀中心的樣品架上 C、測量

在電腦軟件控制中，打開測量控制程序，設定好實驗參數。測量結束后，保存數據以待分析

3、物相鑒定

（1）打開Jade，讀入衍射數據文件；

（2）鼠標右鍵點擊S/M工具按鈕，進入“Search/Match”對話界面;（3）選擇“Chemistry filter”，進入元素限定對話框，選中樣品中的元素名稱，然后點擊OK返回對話框，再點擊OK；

（4）從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數據；

（5）如果樣品存在多個物相，在主要相鑒定完成后，選擇剩余峰(未鑒定的衍射)，做“Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。

（6）鼠標右鍵點擊“打印機”圖標，顯示打印結果，按下“Save”按鈕，輸出物相鑒定結果。

（7）以同樣的方法標定其它樣品的物相,物相鑒定實驗完成。

4、物相定量分析

（1）在Jade窗口中，打開一個多相樣品的衍射譜；

（2）完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時，選擇有RIR值的PDF卡片；（3）選擇每個物相的主要未重疊的衍射峰進行擬合，求出衍射峰面積；（4）選擇菜單“Options|Easy Quantitative”，按絕熱法計算樣品中兩相的重量百分數；

（5）按下“Save”按鈕，保存定量分析結果，定量分析數據處理完成。

五、樣品處理技術

X射線衍射分析的樣品主要有粉末樣品、塊狀樣品、薄膜樣品、纖維樣品等。樣品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），則樣品制備方法也不同。

1、粉末樣品

粉末樣品應有一定的粒度要求，所以，通常將試樣研細后使用，可用瑪瑙研缽研細。定性分析時粒度應小于44微米(350目)，定量分析時應將試樣研細至10微米左右。較方便地確定10微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾動，兩手指間沒有顆粒感覺的粒度大致為10微米。根據粉末的數量可壓在玻璃制的通框或淺框中。壓制時一般不加粘結劑，所加壓力以使粉末樣品粘牢為限，壓力過大可能導致顆粒的擇優取向。當粉末數量很少時，可在乎玻璃片上抹上一層凡士林，再將粉末均勻撒上。

常用的粉末樣品架為玻璃試樣架，在玻璃板上蝕刻出試樣填充區為20×18平方毫米。玻璃樣品架主要用于粉末試樣較少時(約少于500立方毫米)使用。充填時，將試樣粉末-點一點地放進試樣填充區，重復這種操作，使粉末試樣在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，要求試樣面與玻璃表面齊平。如果試樣的量少到不能充分填滿試樣填充區，可在玻璃試樣架凹槽里先滴一薄層用醋酸戊酯稀釋的火棉膠溶液，然后將粉末試樣撒在上面，待干燥后測試。

2、塊狀樣品

先將塊狀樣品表面研磨拋光，大小不超過20×18平方毫米, 然后用橡皮泥將樣品粘在鋁樣品支架上，要求樣品表面與鋁樣品支架表面平齊。

3、微量樣品

取微量樣品放入瑪瑙研缽中將其研細，然后將研細的樣品放在單晶硅樣品支架上（切割單晶硅樣品支架時使其表面不滿足衍射條件），滴數滴無水乙醇使微量樣品在單晶硅片上分散均勻，待乙醇完全揮發后即可測試。

4、薄膜樣品

將薄膜樣品剪成合適大小，用膠帶紙粘在玻璃樣品支架上即可。

六、注意事項

（1）理論上講，只要PDF卡片足夠全，任何未知物質都可以標定。但是實際上會出現很多困難。

（2）主要是試樣衍射花樣的誤差和卡片的誤差。例如，晶體存在擇優取向時會使某根線條的強度異常強或弱；強度異常還會來自表面氧化物、硫化物的影響等等。

（3）粉末衍射卡片確實是一部很完備的衍射數據資料，可以作為物相鑒定的依據，但由于資料來源不一，而且并不是所有資料都經過核對，因此存在不少錯誤。尤其是重校版之前的卡片更是如此。

（4）美國標準局（NBS）用衍射儀對卡片陸續進行校正，發行了更正的新卡片。所以，不同字頭的同一物質卡片應以發行較晚的大字頭卡片為準。從經驗上看，晶面間距d值比相對強度重要。

（5）待測物相的衍射數據與卡片上的衍射數據進行比較時，至少d值須相當符合，一般只能在小數點后第二位有分歧。

（6）由低角衍射線條測算的d值誤差比高角線條要大些。較早的PDF卡片的實驗數據有許多是用照相法測得的，德拜法用柱形樣品，試樣吸收所引起的低角位移要比高角線條大些；相對強度隨實驗條件而異，目測估計誤差也較大。吸收因子與2θ角有關，所以強度對低角線條的影響比高角線條大。

（7）而衍射儀法的吸收因子與2θ角無關，因此德拜法的低角衍射線條相對強度比衍射儀法要小多相混合物的衍射線條有可能有重疊現象，但低角線條與高角線條相比，其重疊機會較少。倘若一種相的某根衍射線條與另一相的某根衍射線重疊，而且重疊的線條又為衍射花樣中的三強線之一，則分析工作就更為復雜。（8）當混合物中某相的含量很少時，或某相各晶面反射能力很弱時，它的衍射線條可能難于顯現，因此，X射線衍射分析只能肯定某相的存在，而不能確定某相的不存在。

（9）任何方法都有局限性,有時X射線衍射分析時往往要與其他方法配合才能得出正確結論.例如,合金鋼中常常碰到的TiC、VC、ZrC、NbC及TiN都具有NaCl結構,點陣常數也比較接近,同時它們的點陣常數又因固溶其他合金元素而變化,在此情況下,單純用X射線分析可能得出錯誤的結論,應與化學分析、電子探針分析等相配合。