衍射光谱仪

激光粒度分析中的二次衍射任中京(山东建材学院，济南，250022) 摘要本文计论了双层颗粒群产生的二次衍射，并给出了二次衍射复场分布的表达式，同时讨论了二次衍射与颗粒浓度之间的关系，找到了抑制二次衍射的最佳浓度。本文结论对于提高激光粒度仪的测量准确度具有重要意义。关键词激光：粒度分析；二次衍射引言各种激光粒度分析仅均是通过检测颗粒群的衍射谱来分析颗粒大小及其分布的。为获得正确的衍射谱。需要颗粒群散布在同一平面上。而事实上，颗粒群在检测区内很难呈二维分布。对于动态颗粒群更是如此。只要颗粒群不满足二维分布的要求，那么经颗粒衍射的光，就有可能再次发生衍射．我们把此种衍射称为二次衍射。在激光粒度分析中，二次衍射是测量误差的主要来源。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281100_441910_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281100_441911_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281100_441912_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281100_441913_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281100_441914_388_3.jpg我们注意到衍射谱归一化总能量恰好等于入射光强度I0，这是物空间与频谱空间能量守恒的结果。 (18)式定量地给出了衍射谱中各种成分之间的比例关系，为我们研究抑制二次衍射的途径提供了依据。3 抑制二次衍射的最佳浓度从(18)式可见，在衍射谱中有三种成分同时共存，它们对粒度分析的作用各不相同：透射项对粒度分析没有贡献，应尽量减少；一次衍射谱是粒度分析的依据，要尽可能增强；二次衍射谱的作为一种宽带噪声叠加在之上，应尽力抑制。此三者在谱面上的分布如图 4所示。为了找到一个抑制二次衍射的最佳比例，我们把各项强度随 K值变化的规律及典型值列于表2，取I0=I，并绘出曲线。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281101_441915_388_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281101_441916_388_3.jpg4 结论综上所述，二次衍射谱是一次衍射谱的卷积，是叠加在一次衍射谱上的宽带噪声。二次衍射强度正等于颗粒在光轴方向重叠的几率。理论分析表明：当颗粒在分散介质中的体积浓度C0=0.17时，二次衍射可以得到有效地抑。本文讨论仅限于二次衍射，对于三维分布题粒产生的高次衍射，有待进一步研究。参考文献l J.W.顾德门.付立叶光学导论。北京：科学出版社，19792 REN，Z.J.eta1.PARTICUOIAJGY，1988

用于激光颗粒测试技术的非球形颗粒的椭圆衍射模型任中京　王少清( 山东建材学院科研处　济南250022)提要：激光颗粒大小测试的结果与颗粒形状密切相关。通过对椭圆衍射谱的研究, 提出在激光粒度分析中以椭圆谱代替球形颗粒谱。计算机模拟计算与对金刚砂实测的结果表明椭圆衍射模型可以有效地抑制粒度反演结果的展宽, 更准确地获得非球形颗粒群的粒度分布。关键词　激光衍射, 椭圆模型, 颗粒大小分析, 颗粒形状, 反演1　引言　　由于颗粒大小对粉末材料的重要影响, 颗粒粒度测试在建材、化工、石油等许多领域已经成为一种不可缺少的检测技术。由于颗粒形状的多样性, 无论何种测量方法, 均需要颗粒模型。通常假定颗粒为球体, 与被测颗粒等体积的球体直径称为粒径, 或称等效粒径 。然而球体模型在激光衍射(散射) 粒度分析技术中却遇到严重困难—对非球形颗粒测试常常产生较大误差, 表现为所测得的粒度分布较真实分布有展宽且偏小。来自日本和美国的颗粒测试报告也有相同的倾向 。从光学原理上看，激光粒度分析技术是通过检测颗粒群的衍射谱来反演颗粒群的尺寸分布的。非球形颗粒的衍射谱与球体有很大不同: 前者是非圆对称的, 而后者是圆对称的。欲使二者具有可比性需要新的物理模型, 新的模型应满足: 1) 更加逼近真实颗粒；2)对一系列颗粒有普遍的适用性；3)可给出衍射谱解析式；4)在激光测粒技术中能校正颗粒形状引起的测量误差；5)能函盖球体模型。本文将证明椭圆衍射模型是满足以上条件的最佳选择。2　非球形颗粒衍射模型的椭圆屏逼近颗粒虽然是三维物体, 但是在激光测粒技术中其横截面是使光波发生衍射的主要几何因素, 因此只需研究与入射光垂直的颗粒横截面。球体衍射模型即是取颗粒的体积等效球的投影圆作为该颗粒的衍射模型。如图1 所示, 将形状任意颗粒的横截面视为一衍射屏。可分别做出其轮廓的最大内接圆和最小外接圆。设外圆直径为2b, 内圆直径为2a。分别以2a, 2b 为长短轴做椭圆。下面将证明该椭圆屏即为与图1 所示的颗粒横截面等效的非圆屏的最佳解析逼近。2. 1非圆屏与椭圆屏的几何关系由图1 可见，与非球颗粒相对应的椭圆屏的面积S e 恰好为其横截面外接圆与内接圆面积的几何中值，而与该椭圆屏面积相等的圆( 面积等效圆) 的直径Do 恰好为其长短轴2a 与2b 的几何中值。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305281105_441929_388_3.jpg此颗粒对球体的偏离可用形状系数K 表示, K 定义为:K=b/a[fon

怎样用好你的衍射仪 ---- XRD的基础知识Xiaodong (Tony) Wang, Curtin University不久前有版友问起要XRD的基础知识, 说实话这应该去踏踏实实的看一本介绍XRD的书. 版友们虽然可针对某具体问题回复, 但不太可能具有系统性. 但为了避免版上只有几个高手过招的局面, 我还是应该给新手们做点普及基础知识的工作. 虽然主要是写给XRD衍射仪使用者的, 但租仪器的用户看了也会有帮助, 因为你付了钱, 就要对实验结果有要求.要用好XRD衍射仪, 先要明确你想要从衍射实验中得到什么; 你能调整哪些变量; 怎样调整这些变量以获取你想要的结果; 此外还要定期检查衍射仪的性能.一般来说我们从粉晶XRD谱中能得到的结果包括:1.鉴定物相 — 那么你需要准确的衍射强度以及产生这些衍射的准确的晶面间距2.定量相分析 — 那么你需要可重复的衍射强度(强度的统计性要好, 磨细你的样品10微米)3.解晶体结构 — 那么你需要可重复的衍射峰形+峰越多越好(角度分辨率要好以防止峰重叠, 尽量测到高角)4.求晶粒尺寸(相干衍射畴尺寸) — 那么你需要尽量减小仪器峰宽以突显样品展宽5.求应力和应变 — 同上, 尽量测到高角6.求晶胞参数 — 那么你需要准确的峰位(晶面间距) (要分清是固溶体还是化合物)但实际上: 峰位能测到多准: IUCr曾经做过Round Robin世界上多个实验室的衍射仪测Znic Oxide和Calcite的峰位, 其误差能达到0.05 2θ°强度能测到多准: 世界上多个实验室的衍射仪测Znic Oxide和Calcite的强度误差分别能达到13%和50% (由于后者还有择优取向问题)此外还要考虑你的样品是什么样品:如果是多聚物, 小晶粒如催化剂: 它们的衍射峰可能很差, 需要入射X射线强度大, 还可能是馒头峰所以角度分辨率其实不重要, 注意馒头峰太宽可能和背景无法区分开了.如果是半导体, 蛭石, 药物: 它们的结晶一般很好(峰尖锐), 所以角度分辨率很重要. 注意因为机械或化学处理它们常常出现多形 (将改变晶体学对称性)如果是多相无机混合物: 则应该考虑各相的峰位是否重叠: 如果没有重叠则应尽量增大入射强度, 追求高信噪比以尽量获取痕量物相. 如果峰位有重叠则要追求好的角度分辨率和好的信噪比以尽量区分主相.对扫描速度是否有要求(你付得起多少个小时做一个样): 可根据其调整入射强度, 步长, 计数时间, 和狭缝宽度等你拿到一张XRD衍射谱, 它一般都包含以下的组成部分:粉晶XRD衍射谱实际上是"衍射强度"对"2倍衍射角"的散点图. 所谓的"衍射强度"其实包含X射线衍射信号, X射线散射信号, 和X射线荧光信号. X射线衍射信号中还有你不需要的衍射波长(Kα波长以外的其他波长)引起的信号, 需要剔除 (当然现在的全谱拟合是把Kβ也拟合进去).X射线散射信号中分样品相干散射和非相干散射, 这些会构成谱图的背景. 此外还可能来自样品架的散射也是需要避免的, 它会在低角处产生额外的高背景.X射线荧光信号需要避免, 它会造成均匀(随2θ不变)背景. 因为入射光子的能量是一定的, 荧光产率上去了, 衍射信号就少了, 记住你是在做XRD不是做XRF.目前的精修软件一般可拟合衍射信号, 但是背景里面的散射和荧光是不可拟合的(也很难区分开), 所以做实验(扫描)的时候就要尽量减小这些非衍射现象. 典型的例子: 不能用Cu靶XRD扫铁矿样品, 因为会产生荧光, 要换成用Co靶XRD来做.光源有哪些:实验室X射线光管(X射线的产生装置)基本上是靠高能电子束轰击阳极金属表面而产生X射线. 不同的阳极金属会给出不同能量(波长)的X射线. 常见的阳极靶材有: Cu Co Cr Fe Mo等 显然在参见的测试范围内(5-140 2θ°), 这些波长所能测试的d值范围是不同的, 如下图所示: http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/08/201408310221_512277_1986542_3.jpg这个图的作用是让你正确选择起始角度, 曾经有版友问粘土矿物的001峰怎么没有, 给出的谱图却是从10°开始扫的- -|||基本上扫XRD谱主要是扫晶面间距d值, d值能测到多准? 你对Bragg公式做全微分就能看出来: 主要是看测角仪的角度能测到多准. 如下图. (注意全微分后θ是弧度. 我看了很多书里这个图的y轴都是画错了的, 就是没注意到这个问题) http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/08/201408310225_512278_1986542_3.jpg所以峰位测得准,你的d值才会准. y轴的负号表示:高估角度将会低估d值.那么为什么角度会有偏差呢? 主要是因为你的衍射实验可能有如下的主要偏差来源:1. 样品面高度不在仪器圆中心 (这是最常见的也是唯一可简单避免的偏差, 因为下面的偏差不容易发现与矫正)2. 光路各组件没对准 (工程师调的时候就要他对准)3. 两个转臂2:1角度关系不准 4. 2θ零点误差5. 低原子序数元素样品的穿透太深, 造成平均衍射面低于仪器圆中心6. 平板样品偏差7. 光线在测角仪轴方向上有发散, 再密的sollor狭缝也是有宽度的8. 计数器记录误差9. 由Kα2带来的峰形畸变你可控制的变量:1. 光源: 选择X射线光管阳极金属材料, 在常见的靶材 Mo, Cu, Co, Fe, Cr 的Kα能量中找出对你的样品中各物相的质量吸收系数小的, 且各相间的质量吸收系数相差不大的. 用点光源还是用线光源(目前普遍用的是线光源long fine focus). Kβ滤片根据阳极靶材的不用而不同. Mo靶用Zr滤片, Cu靶用Ni滤片, Co靶用Fe滤片, Fe靶用Mn滤片, Cr靶用V滤片. 或者考虑用不用, 用什么单色器, 是放在入射束还是反射束. 光管阳极发光区域射向各个方向的强度是不同: 基本上沿被轰击的矩形区域呈圆柱状分布: Be窗口只采用低出射角的光线主要是为了让出射X射线更细, 其实强度在垂直方向上确实最强的. (现在有人用光纤把射向其他方向X射线也利用起来.) 如果要用line-fine focus, 阳极靶上受轰击面积将非常小, 尽管光管功率开低, 减少受照射面积使能量密度W/mm^2升高的. 当面积持续减小使能量密度高于350W/mm^2以上时, 普通水冷已经不够散热了, 需要改用转靶或者液态金属阳极.光管出射的X光线既包含连续谱也包含特征谱, 但你的XRD实验只需要一种波长的X射线, 这就需要滤光: 用对应的kβ滤光片可以可以去掉大部分kβ和连续谱. 探测器本身也有一定的能量分辨率, 闪烁计数器最宽(差), 正比计数器稍微好点, 反射束单色器更窄, 最窄的还是入射束单色器. 但要注意: 越窄也意味着XRD谱图的强度更低, 你需要在强度和角度分辨率中作权衡. 总的来说, 优良的单色器可以减小半高宽, 使峰之间的重叠减小.2. 样品: 虽然大多数粉晶XRD是用的Bragg-Brentano反射几何, 但你也可以把样品装进毛细管中用Debye-Scherrer透射几何的, 粒径一定要细10微米, 如果是针状或者板状的样品要防止择优取向, 要用侧装样品架.3. 狭缝: 一般是固定宽度狭缝, 也有程控狭缝随2θ逐渐张开的, 入射狭缝和接受狭缝的宽度都决定强度和角度分辨率.4. 信号检测: 扫描程序由样品的类型而定, 主要是决定扫描角度范围, 步长, 每步驻留时间. 峰尖锐的把扫描步长设密点, 峰宽的把步长减小,适当增加驻留时间.衍射仪各光路组件对最终峰形的影响:1. 光源: 光管内钨灯丝发射电子轰击到阳极靶上是基本呈矩形(长l近似于钨灯丝长度,宽w),在常用的long-fine focus 下,从光管出来的x光线宽度为w Sinα,长近似于l. 光源峰形基本上是对称的Voigt峰形. 2. 降低轴偏差的soller狭缝: 用于防止光线偏出仪器圆所在平面: 如光源左端的光线射到样品再射入接受狭缝右端将使被记录信号的2θ偏低. 注意在高角下此误差将使峰位往高角移动: 这是因为光源左端的光线射到样品右端再射入接受狭缝的左端.3. 平板样品偏差: 大家会用AutoCAD的去画个图可知, 只要不是射向仪器圆心的光线, 都会被样品反射到接受狭缝的低角处. 所以平板样品偏差将使峰形往低角偏.4. 样品穿透等效于样品平面低于仪器圆中心, 将使峰形往低角偏.5. 发散狭缝和接收狭缝再窄也有宽度, 这会使峰形增宽.6. 各组件若对得不好也将产生一个对称的发散.所以, 除了kα2和高角轴偏差会使峰位往高角移以外, 其他都使峰位往低角移.发射狭缝有固定的也有程控的. 固定

蓝宝石XRD的问题~我对表面存在其他物质的蓝宝石衬底片，进行了X光衍射（对整块片子而不是粉末），得到的图谱中，能有表面存在的这种物质的相关信息吗？另外怎么用HIGH SCORE验证出来~，大侠帮帮忙。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/10/201010172134_251987_2162613_3.jpg