第5章X射线粉末衍射实验技术课件.ppt

1、材料科学与工程学院关于增设材料科学与工程学院关于增设2016年度大创项年度大创项目的通知目的通知2013和和2014年级学生可组队申报，一般以每年级学生可组队申报，一般以每4人一组为宜人一组为宜本期大创项目执行期：本期大创项目执行期：2016年年6月月1日日2017年年5月月31日日欢迎同学们联系材料科学系的各位老师申报欢迎同学们联系材料科学系的各位老师申报大创项目！大创项目！特别欢迎同学们报名跟我一起做钙钛矿结构特别欢迎同学们报名跟我一起做钙钛矿结构的压电陶瓷，与公司合作做电声器件（发声的压电陶瓷，与公司合作做电声器件（发声器件及倒车雷达探头）器件及倒车雷达探头）5-1衍射仪简介衍射仪简介5

2、-2X射线源射线源5-3衍射仪的构造衍射仪的构造5-4样品制备样品制备5-5测角仪定位读数校正测角仪定位读数校正5-6衍射仪的测量方法衍射仪的测量方法5-7衍射仪测量参数的选择衍射仪测量参数的选择5-8衍射仪设备的新进展衍射仪设备的新进展 研究晶体的常用实验方法，如按成分相研究晶体的常用实验方法，如按成分相原理分，有单晶劳厄法、多晶粉末法和原理分，有单晶劳厄法、多晶粉末法和周转晶体法等；如按记录方式分，有照周转晶体法等；如按记录方式分，有照相法和衍射仪法，前者用照相底片记录相法和衍射仪法，前者用照相底片记录衍射花样，后者用各种辐射探测器和电衍射花样，后者用各种辐射探测器和电子仪表记录衍射花样。

3、子仪表记录衍射花样。衍射仪的种类较多，有衍射仪的种类较多，有:研究多晶体的研究多晶体的X射线多晶衍射仪，射线多晶衍射仪，研究单晶体的四圆衍射仪，研究单晶体的四圆衍射仪，研究微区结构的微衍射仪，研究微区结构的微衍射仪，还有能同时探测多条衍射线的能量色散还有能同时探测多条衍射线的能量色散衍射仪和时间分析衍射仪。衍射仪和时间分析衍射仪。这些衍射仪中使用最广的是这些衍射仪中使用最广的是X射线多晶射线多晶衍射仪。衍射仪。X射线衍射仪与照相法不同射线衍射仪与照相法不同,它是用对它是用对X射线辐射敏感的探测器，记射线辐射敏感的探测器，记录试样衍射线的位置、强度和峰形，录试样衍射线的位置、强度和峰形，用以测定

4、晶胞的点阵常数，原子位置和用以测定晶胞的点阵常数，原子位置和晶粒度以及应力、畸变等晶体的不完整晶粒度以及应力、畸变等晶体的不完整性。性。由于衍射仪法没有底片显影、定影、冲由于衍射仪法没有底片显影、定影、冲洗等暗室操作和底片测量等手续，缩短洗等暗室操作和底片测量等手续，缩短了实验时间，提高了测量精度。了实验时间，提高了测量精度。尤其是近年来利用电子计算机控制仪器尤其是近年来利用电子计算机控制仪器和进行自动检索，全部实验工作、数据和进行自动检索，全部实验工作、数据分析、最终输出实验结果在几十分钟内分析、最终输出实验结果在几十分钟内即可完成。即可完成。X射线衍射仪射线衍射仪1.X射线发生器射线发生器

5、(高压发生器高压发生器,X射线管射线管)2.测角仪测角仪(入射光路入射光路,样品台样品台,衍射光束衍射光束)3.探测器探测器(正比正比,闪烁闪烁,固体固体,超能超能)4.控制及计算系统控制及计算系统(包括软件包括软件)X射线管射线管X射线发生器射线发生器样品台样品台石墨单色器石墨单色器探探测测器器控制及计算系统控制及计算系统组成原理组成原理由由X X射线管发射出的射线管发射出的X X射线照射到试样上产生衍射现射线照射到试样上产生衍射现象，用辐射探测器接收衍射线的象，用辐射探测器接收衍射线的X X线光子，经测量电线光子，经测量电路放大处理后在显示或记录装置上给出精确的衍射路放大处理后在显示或记录

6、装置上给出精确的衍射线位置、强度和线形等衍射数据。这些衍射数据作线位置、强度和线形等衍射数据。这些衍射数据作为各种实际应用问题的原始数据为各种实际应用问题的原始数据发展历史发展历史19121912年年BraggBragg最先使用了电离室探测最先使用了电离室探测X X射线衍射信息射线衍射信息的装置，此即最原始的的装置，此即最原始的X X射线衍射仪射线衍射仪近代近代X X射线衍射仪是射线衍射仪是19431943年在弗里德曼（年在弗里德曼（H.H.Fridman)Fridman)的设计基础上制造的的设计基础上制造的5050年代年代X X射线衍射仪得到了普及应用射线衍射仪得到了普及应用随着技术科学的迅

7、速发展，促使现代电子学、集成随着技术科学的迅速发展，促使现代电子学、集成电路、电子计算机和工业电视等先进技术进一步与电路、电子计算机和工业电视等先进技术进一步与X X射线衍射技术结合，使射线衍射技术结合，使X X射线衍射仪向强光源、高射线衍射仪向强光源、高稳定、高分辨率、多功能、全自动的联合组机方向稳定、高分辨率、多功能、全自动的联合组机方向发展，可以自动地给出大多数衍射实验工作的结果发展，可以自动地给出大多数衍射实验工作的结果X射线衍射仪按聚焦原理可分为：射线衍射仪按聚焦原理可分为：布拉格布拉格布伦塔布伦塔诺诺(Bragg-Brentano)(Bragg-Brentano)型衍型衍射仪；射仪

8、；德拜德拜谢乐谢乐(Debye-Scherrer)型衍射仪型衍射仪西曼西曼包林（包林（Seemann-Bohlin）型衍射仪。）型衍射仪。当前用得最多的是布拉格当前用得最多的是布拉格布伦塔布伦塔诺型衍诺型衍射仪射仪X射线衍射仪按其射线衍射仪按其X射线发生器的额定功射线发生器的额定功率分为普通功率率分为普通功率(2-3KW)和高功率两类。和高功率两类。前者使用密封式前者使用密封式X射线管，后者使用旋射线管，后者使用旋转阳极转阳极X射线管。射线管。X射线衍射仪按其测角台扫描平面的取射线衍射仪按其测角台扫描平面的取向有水平（或称卧式）和垂直（又称立向有水平（或称卧式）和垂直（又称立式）两种。式）两种

9、。5-2-1 X射线发生器射线发生器=minmin=12.4/V=12.4/VX X射线发生器是由射线发生器是由X X射线射线管、高压发生器、管、高压发生器、X X射射线管靶的冷却装置、控线管靶的冷却装置、控制和稳定制和稳定X X射线管电流射线管电流和电压的系统及各种安和电压的系统及各种安全保护电路所组成。全保护电路所组成。X X射线管是产生射线管是产生X X射线的装置。射线的装置。在在X X射线管中发生高速电子与物质射线管中发生高速电子与物质的相互作用，常用的的相互作用，常用的X X射线管靠加射线管靠加至灼热的阴极钨丝得到热电子，阴至灼热的阴极钨丝得到热电子，阴极和阳极靶之间加一高电压，使热

10、极和阳极靶之间加一高电压，使热电子流过管子轰击靶面，发出电子流过管子轰击靶面，发出X X射射线。线。阳极靶材用导热性好、熔点高的纯金属制成，阳极靶材用导热性好、熔点高的纯金属制成，其特征波长在一个范围内均匀分布，用于衍其特征波长在一个范围内均匀分布，用于衍射分析的射分析的X射线管的靶材有射线管的靶材有Ag、Mo、Cu、Co、Fe、Cr、W等，连续辐射用等，连续辐射用W靶，其余靶，其余则用特征波长。常用的则用特征波长。常用的X射线管的有关参数射线管的有关参数见书见书P6表表1-1-1。靶面上被电子轰击的面积称为焦斑，靶面上被电子轰击的面积称为焦斑，X射线射线的强度由单位面积焦斑的功率来决定。常用

11、的强度由单位面积焦斑的功率来决定。常用的的X射线管的焦斑呈线状。射线管的焦斑呈线状。焦斑尺寸：常规焦斑尺寸：常规焦斑：焦斑：1.012（mm）X射线管只有很小一部分功率转化为射线管只有很小一部分功率转化为X射线辐射线辐射出来，而大部分的功率却转化为热能，射出来，而大部分的功率却转化为热能，X射线产生效率射线产生效率的经验关系式：的经验关系式：=1.1=1.110-9ZV 由上式可见，产生由上式可见，产生X射线的效率很低，电子束射线的效率很低，电子束的绝大部分能量都转化为热能，使靶面焦斑的绝大部分能量都转化为热能，使靶面焦斑处的温度升高，如果不及时将热量带走，焦处的温度升高，如果不及时将热量带走

12、，焦斑处靶材将会熔化，使斑处靶材将会熔化，使X射线管损坏。因此，射线管损坏。因此，冷却系统就成为提高冷却系统就成为提高X射线管功率的重要问射线管功率的重要问题。题。除了靶焦斑处需要冷却外，高压发生器也需除了靶焦斑处需要冷却外，高压发生器也需要冷却。冷却系统通常用冷水。封闭式要冷却。冷却系统通常用冷水。封闭式X射射线管通常要求水压线管通常要求水压1.3-3kg/cm2，水流量，水流量3L/minin以上。以上。此外，当高精度的此外，当高精度的X X射线强度测定时，射线强度测定时，X X射线射线管的冷却水温需要恒定，实验表明，冷却水管的冷却水温需要恒定，实验表明，冷却水温度变化温度变化3 3时，其

13、线焦斑可漂移时，其线焦斑可漂移1m左右，左右，从而使射线强度改变从而使射线强度改变10%以上，因此，对于以上，因此，对于高精度强度测量，冷却系统的水温差应控制高精度强度测量，冷却系统的水温差应控制在在1以内。以内。高压发生器是提供高压发生器是提供X射线管直流高压装置，射线管直流高压装置，通常包括通常包括高压发生器高压发生器、灯丝变压器灯丝变压器、可控硅可控硅整流器整流器等，并将其装等，并将其装在同一油箱中（见右在同一油箱中（见右图）。图）。安全保护装置主要有：安装在冷却系统水通安全保护装置主要有：安装在冷却系统水通道上的道上的停水继电器停水继电器；安装在总电路上的；安装在总电路上的过负过负荷继

14、电器荷继电器、高压检测电路上的、高压检测电路上的高压继电器高压继电器和和灯丝电流检测电路上的灯丝电流检测电路上的灯丝电源继电器灯丝电源继电器等。等。此外，为了人身安全还应安装有各种标志和此外，为了人身安全还应安装有各种标志和采取必要的措施，例如采取必要的措施，例如高压指示灯高压指示灯、X射线射线窗口开闭指示灯窗口开闭指示灯、高压门触点开关高压门触点开关、X射线射线防护罩防护罩以及操作人员容易接触部位的安全标以及操作人员容易接触部位的安全标志，并确保其接地电阻小于志，并确保其接地电阻小于10。X射线衍射仪关键要解决的技术问题射线衍射仪关键要解决的技术问题是：是：X射线接收装置射线接收装置记数管；

15、记数管；衍射强度必须适当加大，为此可以使用衍射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样；板状试样；相同的相同的(hkl)晶面也是全方向散射的，所晶面也是全方向散射的，所以要聚焦；以要聚焦；记数管的移动要满足布拉格方程。记数管的移动要满足布拉格方程。这些问题的解决关键是由几个机构来实这些问题的解决关键是由几个机构来实现的：现的：X射线测角仪射线测角仪解决聚焦和测量角度解决聚焦和测量角度的问题；的问题；辐射探测器辐射探测器解决记录和分析衍射线解决记录和分析衍射线能量问题。下面着重介绍能量问题。下面着重介绍X射线测角仪射线测角仪、辐射探测器辐射探测器和和测量系统测量系统。测角仪是衍射测角仪是衍射仪的关

16、键部件，仪的关键部件，呈圆盘状，试呈圆盘状，试样放在中心，样放在中心，边缘装置计数边缘装置计数器，用以接收器，用以接收衍射线。衍射线。试样台与试样试样台与试样台转动控制部件台转动控制部件辐射探测器与辐射探测器与探测器转动部件探测器转动部件控制电机部件控制电机部件控制软件控制软件试样台位于测角仪的中试样台位于测角仪的中心，试样台的中心轴心，试样台的中心轴ON与测角仪的中心轴（垂与测角仪的中心轴（垂直向上）直向上）O垂直垂直试样台既可以绕测角仪试样台既可以绕测角仪中心轴转动，又可以绕中心轴转动，又可以绕自身的中心轴转动自身的中心轴转动试样台上的试样表面与试样台上的试样表面与测角仪中心轴严格地重测角

17、仪中心轴严格地重合合 测角仪示意图测角仪的工作原理测角仪的工作原理测角仪的工作原理测角仪的工作原理入射线从入射线从X射线管焦点射线管焦点F发出，经入射光阑系统发出，经入射光阑系统S1和和H投射到试样表面生产投射到试样表面生产衍射，衍射线经接收光阑衍射，衍射线经接收光阑系统系统M、S2、G进入计数进入计数器器DX射线管焦点射线管焦点F与接收光与接收光阑阑G位于同一圆周上，把位于同一圆周上，把这个圆周称为测角仪（或这个圆周称为测角仪（或衍射仪）圆衍射仪）圆测角仪圆所在平面称为测测角仪圆所在平面称为测角仪平面角仪平面 测角仪示意图测角仪的工作原理测角仪的工作原理试样台和计数器分别固试样台和计数器分别

18、固定在两个同轴的圆盘上，定在两个同轴的圆盘上，由两个步进电机驱动由两个步进电机驱动在衍射测量时，试样绕在衍射测量时，试样绕测角仪中心轴转动，不测角仪中心轴转动，不断地改变入射线与试样断地改变入射线与试样表面的夹角表面的夹角2，计数器，计数器沿测角仪圆转动，接收沿测角仪圆转动，接收各衍射角各衍射角2 所对应的衍所对应的衍射强度射强度测角仪示意图测角仪的工作原理测角仪的工作原理和和2角可以根据需要单角可以根据需要单独驱动或自动匹配连动独驱动或自动匹配连动和和 2角一般以角一般以1：2的角的角速度联合驱动速度联合驱动测角仪的扫描范围：正向测角仪的扫描范围：正向2可达可达165，负向可达，负向可达-1

19、00，2角测量的绝对角测量的绝对精度为精度为0.02，重复精度，重复精度为为0.001测角仪示意图测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何是按测角仪的衍射几何是按Bragg-Brentano聚焦原聚焦原理设计的。理设计的。X射线管的焦点射线管的焦点F，计数，计数器的接收狭缝器的接收狭缝G和试样和试样表面位于同一个聚焦圆表面位于同一个聚焦圆上，因此，可以使由上，因此，可以使由F点射出的发散束经试样点射出的发散束经试样表面衍射后的衍射速在表面衍射后的衍射速在G点聚焦。点聚焦。测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何除除X射线管焦点射线管焦点F之之外，聚焦圆与测角仪外

20、，聚焦圆与测角仪只能有一点相交。只能有一点相交。无论衍射条件如何无论衍射条件如何改变，在一定条件下，改变，在一定条件下，只能有一条衍射线在只能有一条衍射线在测角仪圆上聚焦。测角仪圆上聚焦。沿测角仪圆移动的沿测角仪圆移动的计数器计数器G只能逐个地只能逐个地对衍射线进行测量。对衍射线进行测量。测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何当计数器在测角仪圆扫测当计数器在测角仪圆扫测衍射花样时，聚焦圆半径衍射花样时，聚焦圆半径将随之而改变将随之而改变聚焦圆半径聚焦圆半径L与与角的关系角的关系为为R/（2L）=cos(/2-)=sin 所以所以L=R/（2sin)(6-1)式中，式中

21、，R测角仪圆半径测角仪圆半径测角仪的衍射几何 试样表面试样表面按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与聚焦圆有相同的曲面聚焦圆有相同的曲面，但是，由于聚焦圆曲率，但是，由于聚焦圆曲率半径在测量过程中不断变化，而试样表面却无半径在测量过程中不断变化，而试样表面却无法实现这一点。因此，只能作近似处理，采用法实现这一点。因此，只能作近似处理，采用平板试样平板试样，使，使试样表面始终与聚焦圆相切试样表面始终与聚焦圆相切，即，即聚焦圆圆心永远位于试样表面的法线上聚焦圆圆心永远位于试样表面的法线上为了使计数器永远处于试样表面（即与试样为了使计数器永远处于试样表面（即与试

22、样表面平等的表面平等的HKL衍射面）的衍射方向，必须衍射面）的衍射方向，必须让试样表面与计数器同时绕测角仪中心轴同一让试样表面与计数器同时绕测角仪中心轴同一方向转动，并保持方向转动，并保持1：2的角速度关系。的角速度关系。试样表面试样表面即当试样表面与入射线即当试样表面与入射线成成角时，计数器正好角时，计数器正好处于处于2角的方位角的方位粉末多晶体衍射仪所探粉末多晶体衍射仪所探测的始终是与试样表面测的始终是与试样表面平行的那些衍射面平行的那些衍射面样品架和样品表面样品架和样品表面下图是布拉格下图是布拉格布伦塔布伦塔诺诺(Bragg-Brentano)(Bragg-Brentano)测角仪结构与

23、光学布局原理图测角仪结构与光学布局原理图.DS.DS发散狭缝发散狭缝;SS防散射狭缝防散射狭缝;RS接收狭缝接收狭缝;S1和和S2为为梭拉梭拉(Soller)狭缝狭缝测角仪光路测角仪光路测角仪要求与测角仪要求与X射线管的线焦斑联接使用，射线管的线焦斑联接使用，线焦斑的长边与测角仪中心轴平行线焦斑的长边与测角仪中心轴平行使用线焦斑可使较多的入射线能量投射到试使用线焦斑可使较多的入射线能量投射到试样上，但是，如果只采用通常的狭缝光阑便样上，但是，如果只采用通常的狭缝光阑便无法控制沿狭缝长边方向的发散度，从而造无法控制沿狭缝长边方向的发散度，从而造成衍射环宽度的不均匀性成衍射环宽度的不均匀性为了排除

24、这种现象，在测角仪光路中采用由为了排除这种现象，在测角仪光路中采用由狭缝光阑和梭拉（狭缝光阑和梭拉（Soller)光阑光阑组成的联合光组成的联合光阑系统阑系统光阑光阑梭拉光阑梭拉光阑S1，S2由一组互相平行、间隔很密由一组互相平行、间隔很密(0.5mm)(0.5mm)的的重金属（重金属（TaTa、Mo)Mo)薄片薄片(厚度约为厚度约为0.05mm,0.05mm,长约长约30mm)30mm)组成组成安装时要使薄片与测角仪平面平行，安装时要使薄片与测角仪平面平行，可将垂直测角仪平面方向的可将垂直测角仪平面方向的X X射线发散射线发散度控制有度控制有2 2左右左右发散狭缝（发散狭缝（DSDS）作用是

25、控制入射线的能量和发散度，限作用是控制入射线的能量和发散度，限定入射线在试样上的照射面积定入射线在试样上的照射面积光阑光阑发散狭缝（发散狭缝（DSDS）的宽度（）的宽度（r):r):A-A-样品受照宽度，样品受照宽度，R-R-测角仪半径。测角仪半径。例如，对线例如，对线焦斑尺寸为焦斑尺寸为110mm2（有效投射焦（有效投射焦斑为斑为0.110mm2）的）的X射线管，当采用射线管，当采用1的发的发散狭缝，散狭缝，2为为18时，试样被照射的宽度为时，试样被照射的宽度为20mm，被照射的面积为，被照射的面积为2010mm2。随着随着2角角增大，被照射的宽度减小增大，被照射的宽度减小如果只测量高衍射角

26、的衍射线时，可选用较大的如果只测量高衍射角的衍射线时，可选用较大的发散狭缝，以便得到较大的入射线发散狭缝，以便得到较大的入射线能量。能量。sinsinrRA光阑防散射狭缝（防散射狭缝（SSSS）挡住衍射线以外的寄生散射，它的挡住衍射线以外的寄生散射，它的宽度应稍大于衍射线束的宽度。宽度应稍大于衍射线束的宽度。接收狭缝（接收狭缝（RSRS）控制衍射线进入计数器的能量，它控制衍射线进入计数器的能量，它的大小可根据实验测量的具有要求的大小可根据实验测量的具有要求选定选定为提高为提高X射线衍射线的质量，射线衍射线的质量，消除试样荧光辐射的影响，同时尽量减少衍消除试样荧光辐射的影响，同时尽量减少衍射强度

27、的损失，改善信号射强度的损失，改善信号/噪音比，噪音比，对于布拉格对于布拉格布伦塔布伦塔诺型衍射仪，通常在接诺型衍射仪，通常在接收反射线位置采用热解定向石墨弯晶聚焦单收反射线位置采用热解定向石墨弯晶聚焦单色器，使衍射线单色化。色器，使衍射线单色化。单色器按放置位置可分为前置和后置两种。单色器按放置位置可分为前置和后置两种。见下图。见下图。晶体单色器的原理晶体单色器的原理在衍射线光路上安装在衍射线光路上安装弯曲晶体单色器弯曲晶体单色器由试样衍射产生的衍射线（由试样衍射产生的衍射线（一次衍射线一次衍射线）经）经光阑系统投射到单色器中的单晶体上，调整单光阑系统投射到单色器中的单晶体上，调整单晶体的方

28、位使它的某个高反射本领晶体的方位使它的某个高反射本领晶面（高原晶面（高原子密度晶面）与一次衍射线的夹角刚好等于单子密度晶面）与一次衍射线的夹角刚好等于单色器晶体的该晶面对色器晶体的该晶面对K K辐射的布拉格角辐射的布拉格角由单晶体衍射后发出的由单晶体衍射后发出的二次衍射二次衍射线就是线就是纯净纯净的与试样衍射线对应的的与试样衍射线对应的K K衍射线衍射线晶体单色器的作用晶体单色器的作用由于可以选择单晶的晶面正好由于可以选择单晶的晶面正好对准对准K K的衍射，因此，可以消的衍射，因此，可以消除除K K的辐射，也能消除由连续的辐射，也能消除由连续X X射线和荧光射线和荧光X X射线产生的背底射线产

29、生的背底使用石墨弯曲晶体单色器不能使用石墨弯曲晶体单色器不能消除的消除的K K22辐射，所以经弯曲晶辐射，所以经弯曲晶体单色器聚焦的二次衍射线，体单色器聚焦的二次衍射线，由计数器检测后给出的是的由计数器检测后给出的是的K K双线衍射峰双线衍射峰晶体单色器的安装位置石墨晶体单色器选用石墨单晶体的选用石墨单晶体的002002作为反射面。作为反射面。使用石墨弯曲晶体单色器，对使用石墨弯曲晶体单色器，对Cu KCu K辐射辐射而言，其衍射强度与不用单色器时相比大而言，其衍射强度与不用单色器时相比大约降低约降低36%36%。相当于用滤波片降低的强度。相当于用滤波片降低的强度。在在Cu KCu K辐射上使

30、用石墨单色器测铁试样，辐射上使用石墨单色器测铁试样，可使背底降到可使背底降到10cps10cps（每秒计数），得到满（每秒计数），得到满意的效果。意的效果。石墨晶体单色器石墨晶体单色器测量与靶元素相同的样品时，石墨晶体单色器降低测量与靶元素相同的样品时，石墨晶体单色器降低背底的效果不大背底的效果不大。这是因为连续。这是因为连续X X射线激发试样而产射线激发试样而产生的荧光生的荧光X X射线与射线与X X射线管发射的标识射线管发射的标识X X射线具有同样射线具有同样的波长。的波长。由于试样和晶体单色器使衍射线偏振，因此在衍射由于试样和晶体单色器使衍射线偏振，因此在衍射束上加入晶体单色器时，衍射强

31、度的束上加入晶体单色器时，衍射强度的偏振因子偏振因子由由（1+cos1+cos2 22)/22)/2改为改为(1+cos(1+cos2 222coscos2 22)/22)/2。其中的。其中的22为晶体单色器的衍射角为晶体单色器的衍射角。探测器也称计数器，辐射探测器是核仪器的探测器也称计数器，辐射探测器是核仪器的探测元件，在衍射仪上用它来探测探测元件，在衍射仪上用它来探测X射线的射线的强弱和有无。强弱和有无。衍射仪上常用的辐射探测器有衍射仪上常用的辐射探测器有盖革计数器盖革计数器、正比记数管正比记数管和和闪烁记数管闪烁记数管，其中盖革计数器，其中盖革计数器处于逐渐被淘汰的地位，目前已经开始在一

32、处于逐渐被淘汰的地位，目前已经开始在一些问题的研究中应用锂漂移硅半导体探测器些问题的研究中应用锂漂移硅半导体探测器和位敏探测器。在扫描电镜、电子探针、荧和位敏探测器。在扫描电镜、电子探针、荧光分析等研究方法中也应用这些探测器。光分析等研究方法中也应用这些探测器。在介绍具体的探测器之前，先介绍在介绍具体的探测器之前，先介绍探测探测器的三个主要参数器的三个主要参数：记数速率记数速率、记数效记数效率率和和能量分辨率能量分辨率。记数速率：单位时间的脉冲数，也就记数速率：单位时间的脉冲数，也就是单位时间进入计数器的光子数，称为是单位时间进入计数器的光子数，称为记数速率，它代表记数速率，它代表X射线的强度

33、。射线的强度。从计数器接收一个光子到能够产生从计数器接收一个光子到能够产生下一个脉冲的时间间隔称为计数器下一个脉冲的时间间隔称为计数器的的“死时间死时间”。如果。如果X射线光子在射线光子在死时间进入计数器，计数器不会输死时间进入计数器，计数器不会输出一个独立的脉冲，即不给予记数，出一个独立的脉冲，即不给予记数，这叫做这叫做“记数损失记数损失”。常用计数器的死时间不大于常用计数器的死时间不大于1s，记，记数速率在数速率在105（脉冲数（脉冲数/秒）以上。秒）以上。记数效率：计数器的记数效率定义为一定时间记数效率：计数器的记数效率定义为一定时间内，内，X射线光子在计数器内产生可记录的脉冲数射线光子

34、在计数器内产生可记录的脉冲数与入射光子总数的比值。与入射光子总数的比值。能量分辨率：计数器产生的电脉冲值与被吸收能量分辨率：计数器产生的电脉冲值与被吸收的的X射线的能量成正比。射线的能量成正比。但是，即使入射但是，即使入射X射线是单色波，脉冲也并不是射线是单色波，脉冲也并不是尖锐的，它有一个如下图所示分布曲线。尖锐的，它有一个如下图所示分布曲线。若曲线的半高宽为若曲线的半高宽为W，脉冲幅，脉冲幅度的平均值为度的平均值为V，则能量分辨，则能量分辨率为：率为：%100VWR正比记数管和盖革计数器都是充气记数管，其正比记数管和盖革计数器都是充气记数管，其结构原理如下图所示，它与早期使用的电离室结构原

35、理如下图所示，它与早期使用的电离室基本相同，只是阴、阳极的电压有所差异。基本相同，只是阴、阳极的电压有所差异。正比计数器正比计数器组成组成正比计数器以辐射光子对气体电离为基础正比计数器以辐射光子对气体电离为基础在计数器中，由一个直径在计数器中，由一个直径2525毫米的金属圆毫米的金属圆筒作阴极，用一根细钨丝安置在阴极圆筒的筒作阴极，用一根细钨丝安置在阴极圆筒的轴心上，作用阳极，两极间加轴心上，作用阳极，两极间加1 12KV2KV的直流的直流电压。电压。计数器内注入一个大气压的氩气（计数器内注入一个大气压的氩气（90%90%）和）和甲烷的混合气体。计数器窗口由对甲烷的混合气体。计数器窗口由对X

36、X射线透射线透明度很高的铍箔封住。明度很高的铍箔封住。正比计数器正比计数器原理原理当一个当一个X X射线光子进入计数器时，使计射线光子进入计数器时，使计数器内气体电离。数器内气体电离。在电场作用下，电离后的电子和正离子在电场作用下，电离后的电子和正离子分别向两极运动，在电子向阳极的运动分别向两极运动，在电子向阳极的运动过程中逐渐被加速而获得更高的动能。过程中逐渐被加速而获得更高的动能。这些被加速的电子与气体分子碰撞时，这些被加速的电子与气体分子碰撞时，将引起进一步的电离，产生大量的电子将引起进一步的电离，产生大量的电子涌到阳极，即发生一次所谓的涌到阳极，即发生一次所谓的“雪崩效雪崩效应应”。把

37、这种现象称为。把这种现象称为气体放大气体放大作用。作用。正比计数器正比计数器性能与检测性能与检测正比计数器是一种高速计数器，它能分正比计数器是一种高速计数器，它能分辨输入率高达辨输入率高达10106 6/S/S的分离脉冲。的分离脉冲。如果让正比计数器接收恒定强度的单色如果让正比计数器接收恒定强度的单色X X射线，同时测量电压对计数率的影响，射线，同时测量电压对计数率的影响，便可得到计数器的响应曲线。便可得到计数器的响应曲线。正比计数器的工作电压应处于坪台中心正比计数器的工作电压应处于坪台中心或自坪台起点或自坪台起点1/31/3处。要定期检查坪台电处。要定期检查坪台电压特性，使用适当的工作电压。

38、压特性，使用适当的工作电压。X X射线强度越高，输出电流越大，射线强度越高，输出电流越大，脉冲峰值与脉冲峰值与X X射线光子能量成正比，射线光子能量成正比，所以正比计数器可以可靠地测定所以正比计数器可以可靠地测定X X射线强度。射线强度。前面的讨论中已经提到气体的放大作用问题。前面的讨论中已经提到气体的放大作用问题。下图中给出了几种记数管的管电压与电荷放下图中给出了几种记数管的管电压与电荷放大倍数之间的关系。大倍数之间的关系。如果在正比记数管工作电压的基础上，再增如果在正比记数管工作电压的基础上，再增加几百伏的管电压，电荷放大倍数将进一步加几百伏的管电压，电荷放大倍数将进一步提高到提高到108

39、-109倍。此时管子工作在电晕放电倍。此时管子工作在电晕放电区，在此区域工作的记数管称盖革记数管。区，在此区域工作的记数管称盖革记数管。盖革记数管与正比记数管虽然同属充气记盖革记数管与正比记数管虽然同属充气记数管，但因工作在不同放电状态而有以下数管，但因工作在不同放电状态而有以下差别：差别：盖革记数管中无论何处吸收一个盖革记数管中无论何处吸收一个X光光子，光光子，便会立即导至蔓延整个记数管的雪崩，而便会立即导至蔓延整个记数管的雪崩，而正比记数管吸收一个光子，只在管内局部正比记数管吸收一个光子，只在管内局部区域引起径向雪崩；区域引起径向雪崩；因盖革记数管吸收一个光子会使整个放电因盖革记数管吸收一

40、个光子会使整个放电空间雪崩，故放大倍数空间雪崩，故放大倍数(108-109)比正比记数比正比记数管管(103-105)大得多，输出脉冲可达大得多，输出脉冲可达1-10V，而，而正比记数管输出脉冲仅毫伏数量级；正比记数管输出脉冲仅毫伏数量级；.因盖革记数管是整个管内部发生雪崩，因盖革记数管是整个管内部发生雪崩，而正比记数管仅局部径向雪崩，故前者恢复而正比记数管仅局部径向雪崩，故前者恢复正常记数的时间长正常记数的时间长(约约200s)，后者时间短，后者时间短(1s)；前者漏记数大，后者漏记数小。；前者漏记数大，后者漏记数小。闪烁记数管是利用闪烁记数管是利用X射线作用在某物质上射线作用在某物质上会产

41、生可见荧光，其会产生可见荧光，其强度与强度与X射线的强度射线的强度成正比之一物理现象成正比之一物理现象来探测来探测X射线的。射线的。闪烁记数管产生的脉闪烁记数管产生的脉冲，与吸收的冲，与吸收的X光光光光子能量大小成正比，子能量大小成正比，但比例关系没有正比但比例关系没有正比记数管严格。记数管严格。NaI闪烁检测器 闪烁记数管的主要缺点为闪烁记数管的主要缺点为背底脉冲过高，即使在没背底脉冲过高，即使在没有有X光光子入射记数管的光光子入射记数管的情况下，仍会产生情况下，仍会产生“无照无照电流电流”的脉冲。的脉冲。闪烁记数管记数率最高，闪烁记数管记数率最高，对每种波长的效率都达对每种波长的效率都达1

42、00%，故既可用于衍射仪，故既可用于衍射仪，也可用于也可用于X射线光谱分析，射线光谱分析，但荧光晶体易吸潮而失效。但荧光晶体易吸潮而失效。闪烁计数器闪烁计数器组成原理组成原理发光体一般是用少量（发光体一般是用少量（0.5%0.5%左右）铊活左右）铊活化的化的碘化钠（碘化钠（NaINaI）单晶体。这种晶体经单晶体。这种晶体经X X射线照射后能发射可见的蓝光射线照射后能发射可见的蓝光碘化钠晶体紧贴在光电倍增管的光敏阴碘化钠晶体紧贴在光电倍增管的光敏阴极上，除铍窗口外，其它部分均与可见极上，除铍窗口外，其它部分均与可见光隔绝光隔绝光敏阴极由光敏物质（铯锑的金属间化光敏阴极由光敏物质（铯锑的金属间化合

43、物）制成。当晶体吸收一个合物）制成。当晶体吸收一个X X射线光子射线光子时，便产生一个闪光，这个闪光射到光时，便产生一个闪光，这个闪光射到光电倍增管的光敏阴极上激发出许多电子电倍增管的光敏阴极上激发出许多电子闪烁计数器闪烁计数器组成原理组成原理光电倍增管内一般装有光电倍增管内一般装有1010个联极，每个个联极，每个联极递增联极递增100V100V正电压，最后一个联极与正电压，最后一个联极与测量电路连接。测量电路连接。每个电子通过光电倍增管在最后一个联每个电子通过光电倍增管在最后一个联极上可倍增到极上可倍增到10106 610107 7个电子。个电子。当晶体吸收一个当晶体吸收一个X X射线光子时

44、，便可在射线光子时，便可在光电倍增管的输出端收集到巨大数目的光电倍增管的输出端收集到巨大数目的电子，从而产生一个几毫伏的电脉冲。电子，从而产生一个几毫伏的电脉冲。闪烁计数器闪烁计数器性能性能产生一个倍增作用的整个过程所需要的时间产生一个倍增作用的整个过程所需要的时间不到不到1 1微秒。因此，闪烁计数器可在高达微秒。因此，闪烁计数器可在高达10105 5脉脉冲冲/秒的计数速率下使用，不会有漏计损失。秒的计数速率下使用，不会有漏计损失。由于闪烁晶体能吸收所有的入射光子，在整由于闪烁晶体能吸收所有的入射光子，在整个个X X射线波长范围其吸收效率都接近射线波长范围其吸收效率都接近100%100%，所，

45、所以闪烁计数器的主要缺点是本底脉冲过高。以闪烁计数器的主要缺点是本底脉冲过高。即使没有光子，由于光敏阴极因受热离子影即使没有光子，由于光敏阴极因受热离子影响也会产生热噪声。因此，应保持在低温下使响也会产生热噪声。因此，应保持在低温下使用。用。锂飘移硅半导体探测器，也称固体探测器或锂飘移硅半导体探测器，也称固体探测器或Si（Li）探测器。）探测器。它和充气记数管一样，是利用它和充气记数管一样，是利用X射线对物质射线对物质的电离效果来探测的电离效果来探测X射线，但这种电离效应射线，但这种电离效应是发生在固体介质中。是发生在固体介质中。当当X射线光子射到半导体硅上时，由于电离射线光子射到半导体硅上时

46、，由于电离效应，将产生电子效应，将产生电子-空穴对，而电子空穴对，而电子-空穴对空穴对的对数正比于入射的对数正比于入射X射线光子的能量。射线光子的能量。Si（Li）探测器实际上是一只）探测器实际上是一只P-I-N型二极管，型二极管，其中其中I区就是上述锂飘移硅半导体。无区就是上述锂飘移硅半导体。无X射线射线光子入射时，光子入射时，I区不存在截流子；区不存在截流子；X射线光子射线光子入射后，就在入射后，就在I区产生电子区产生电子-空穴对。低温时空穴对。低温时每产生一对电子每产生一对电子-空穴，消耗空穴，消耗X射线光子的能射线光子的能量为量为3.8eV，故产生的电子，故产生的电子-空穴数为：空穴数

47、为：n=E/3.8eVn=E/3.8eV 式中式中E为入射为入射X射线光子的能量射线光子的能量,其单位为其单位为eV。要将要将Si（Li）探测器输出的微弱信号检测出）探测器输出的微弱信号检测出来，要求后面的电路具有最小的噪声，具有来，要求后面的电路具有最小的噪声，具有极好的灵敏度和线形。极好的灵敏度和线形。为了降低噪声，放大器的第一级采用场效应为了降低噪声，放大器的第一级采用场效应管，并将它紧靠管，并将它紧靠Si（Li）探测器，置于低温）探测器，置于低温环境中。环境中。Si（Li）探测器分辨能力高）探测器分辨能力高(可达可达150eV,而正比记述管为而正比记述管为900eV)，分析速度快，分析

48、速度快，检出率为检出率为100%，但在室温由于热噪声和电子，但在室温由于热噪声和电子噪声的影响，分辨能力降低。噪声的影响，分辨能力降低。为了减低噪声和防止锂扩散而破坏为了减低噪声和防止锂扩散而破坏I区的本征区的本征半导体特性，应将探测器和前置放大器用液半导体特性，应将探测器和前置放大器用液氮冷却，探测器表面对污染十分敏感，应将氮冷却，探测器表面对污染十分敏感，应将其保持在其保持在1.3X10-4Pa以上的真空。以上的真空。5、位敏探测器位敏探测器原理原理正比计数器的使用问题正比计数器的使用问题正比计数器在接收正比计数器在接收X X光子时，只在其接光子时，只在其接收位置产生局部电子雪崩效应，所形

49、成收位置产生局部电子雪崩效应，所形成的电脉冲向计数器的两端输出，不同位的电脉冲向计数器的两端输出，不同位置产生的脉冲与两端距离不等，因此不置产生的脉冲与两端距离不等，因此不同脉冲之间产生一定的时间差。这个时同脉冲之间产生一定的时间差。这个时间差使正比计数器在芯线方向具有位置间差使正比计数器在芯线方向具有位置分辨能力分辨能力.位敏正比计数器位敏正比计数器原理原理正比计数器不同脉冲之间产生的时间差使正比计数器不同脉冲之间产生的时间差使在芯线方向具有位置分辨能力，因此，在一在芯线方向具有位置分辨能力，因此，在一般正比计数器的中心轴上安装一根细长的高般正比计数器的中心轴上安装一根细长的高电阻丝，利用一

50、套相应的电子测量系统可以电阻丝，利用一套相应的电子测量系统可以同时记录下输入的同时记录下输入的X X射线光子数目和能量以射线光子数目和能量以及它们在计数器被吸收的位置。及它们在计数器被吸收的位置。位敏正比计数器位敏正比计数器性能性能位敏计数器的接收窗口与芯丝平行，窗口的长度位敏计数器的接收窗口与芯丝平行，窗口的长度随着要探测的角范围而各异。随着要探测的角范围而各异。例如，利用例如，利用50mm50mm长芯丝，在计数器不动的情况下，长芯丝，在计数器不动的情况下，可以测量可以测量1212的衍射花样。的衍射花样。位敏计数器适用于高速记录衍射花样，测量瞬时位敏计数器适用于高速记录衍射花样，测量瞬时变化