粉末x射线衍射仪技术规范

粉末X射线衍射仪技术规范

粉末X射线衍射（PXRD）作为一种无损的材料表征技术，在材料科学、化学、制药、地质学及工业生产等领域扮演着至关重要的角色。精确可靠的PXRD数据对于物质的物相鉴定、晶体结构分析、定量分析、粒径估算、结晶度测定以及应力应变分析等方面具有决定性意义。因此，理解并遵循PXRD仪器的技术规范，是确保实验数据质量和可重复性的基础。

1. X射线源与光谱特性

X射线源的稳定性和光谱纯度直接影响衍射峰的强度和分辨率。

• 管电压与管电流:
  • 常用靶材（如Cu, Mo, Co）的工作范围：管电压通常在20-60 kV，管电流在10-50 mA。
  • 数据示例: 铜靶（Cu Kα）常用工作点为40 kV/30 mA，功率1.2 kW。
  
  
• 焦点尺寸:
  • 密封管焦点尺寸：一般为1 mm x 10 mm（线焦点）或0.4 mm x 8 mm（微聚焦）。
  • 微聚焦光源能提供更高的亮度，有利于进行小样品分析或高分辨率测量。
  
  
• 波长与单色性:
  • Cu Kα1: 1.5406 Å
  • Cu Kα2: 1.5444 Å
  • Kβ 滤波: 常用Ni滤片（厚度约15-20 μm）或使用石墨单色器来去除Kβ辐射，以避免其对衍射峰的干扰。Kβ线波长（1.3922 Å）与Kα线的差值会导致衍射峰位置的偏移，影响物相鉴定精度。
  
  

2. 探测系统与性能指标

探测器的选择与性能直接关系到数据的收集效率、灵敏度、动态范围以及计数率能力。

• 探测器类型:
  • 闪烁计数器/盖革计数器: 成本较低，但计数率有限，分辨率较低。
  • 正比计数器: 计数率较高，具有一定的能量分辨能力。
  • 半导体探测器 (Si(Li), Ge(Li)): 能量分辨能力极高，适用于多元素分析，但成本较高，对温度敏感。
  • 闪闪烁探测器 (Scintillation Detector): 具有良好的能量分辨能力和计数率，是目前常用的选择。
  • 阵列探测器 (Linear/Area Detector):
    • 线阵探测器 (如一维Si-PIN阵列): 可同时收集一定角度范围内的衍射信息，显著缩短测量时间。
    • 面阵探测器 (如CCD, CMOS, 像素探测器): 可收集二维衍射图谱，适用于研究择优取向、相变动力学等。
    
    
  
  
• 探测器性能参数:
  • 能量分辨: 对于半导体探测器，是区分不同波长X射线的能力。
  • 效率: 在特定能量范围内探测X射线的比例。
  • 计数率能力: 探测器能够准确记录的最大X射线计数率。若输入计数率过高，会导致死时间效应，数据失真。
  • 本底噪声: 仪器自身产生的信号，影响低强度衍射峰的检测。
  
  

3. 衍射角测量精度与稳定性

精确的衍射角（2θ）测量是PXRD分析的核心。

• 测角范围: 通常覆盖0° - 150° (2θ)。
• 测角精度:
  • 静态精度: ±0.01° (2θ)。
  • 重复精度: ±0.005° (2θ)。
  • 仪器误差: 主要来源于X射线源、样品台、探测器的几何不对中和机械游隙。
  
  
• 扫描速度与步长:
  • 扫描速度: 0.001°/s 至 10°/s。
  • 步长: 0.001° 至 1°。
  • 选择依据: 需根据样品衍射峰的宽度、所需分辨率以及测量时间来综合考虑。细步长和慢扫描速度有助于捕捉窄而尖锐的衍射峰。
  
  

4. 样品环境与载台

样品状态的多样性对载台设计提出了要求。

• 标准样品台: 平面样品台，适用于粉末、薄膜、块状样品。
• 特殊样品台:
  • 低温/高温样品台: 可在-150°C至1500°C甚至更高温度范围内进行原位测量，研究相变、热稳定性等。
  • 原位样品台: 结合气体环境、液体环境、拉伸/压缩等附件，实现特定条件下的衍射测量。
  • 旋转样品台: 提高粉末样品的统计平均性，减少择优取向的影响。
  
  
• 样品制备: 样品应均匀、充分研磨至细小颗粒（一般<10 μm），避免择优取向和颗粒效应。

5. 数据处理与分析软件

配套的软件系统是实现PXRD数据处理和分析的关键。

• 基本功能:
  • 数据采集与控制。
  • 衍射峰搜索与积分。
  • 背景扣除。
  • 基线校正。
  
  
• 高级功能:
  • 物相鉴定（与标准数据库如ICDD PDF-4对比）。
  • 晶体结构精修（Rietveld精修）。
  • 定量相分析（QPA）。
  • 晶粒尺寸与微应变分析（Scherrer方程、Williamson-Hall方法）。
  • 结晶度评估。
  
  

总结:

选择合适的PXRD仪器并严格遵守其技术规范，是获取高质量、高可靠性衍射数据的基本前提。从X射线源的稳定性到探测器的灵敏度，再到测角精度和样品环境控制，每一个环节都对终的分析结果产生重要影响。对于科研和工业用户而言，深入理解这些技术参数，有助于更有效地利用PXRD技术解决实际问题。