基于XRD的晶體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

魯浩楠，吳瀚波，王小瓊，李 敏，陸顯揚(yáng)，張?jiān)雒?/p>

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥230026）

1 引 言

現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的變溫XRD裝置的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，成本較高，且原位性差．在一些極端的真空環(huán)境下測量時(shí)，由于熱傳導(dǎo)不良，導(dǎo)致溫差電偶等溫度傳感器的測溫精度很差，一般都是在測得溫度后再進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)修正，這給研究人員帶來了不便［1－3］．

晶體的晶格常量會隨溫度的升高而發(fā)生改變，一般來說，在發(fā)生溫度誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相變前，晶格常量隨溫度的變化呈線性關(guān)系．如果測出晶格常量隨溫度變化的關(guān)系，在合適的溫度范圍內(nèi)，可以通過晶格常量值測出樣品的溫度［4－11］．

本文利用NaCl晶體的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了基于其晶格常量的晶體溫度計(jì)．該溫度計(jì)可有效彌補(bǔ)變溫XRD測溫中的缺陷，具有低成本、原位性強(qiáng)、裝置簡單、測溫精度高等優(yōu)點(diǎn)．

2 實(shí) 驗(yàn)

適合的晶體溫度計(jì)的樣品應(yīng)該滿足以下3點(diǎn)要求：

1）性質(zhì)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，相變溫度高，晶格常量隨溫度的變化呈線性關(guān)系；

2）不易與待測樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

3）自身膨脹系數(shù)較大以使測溫準(zhǔn)確，測溫效果明顯．

通過實(shí)驗(yàn)，選擇NaCl晶體作為測溫物質(zhì)．在實(shí)驗(yàn)中，選定NaCl的（200）和（400）晶面的衍射峰作為測溫物質(zhì)的定標(biāo)峰．圖1是自制的控溫測溫實(shí)驗(yàn)裝置示意圖．

圖1 XRD控溫測溫裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)電路主要由3部分組成：第一部分為測溫裝置，由經(jīng)過精確定標(biāo)的測溫溫差電偶與毫伏電壓表相連接；第二部分為控溫溫差電偶，通過反饋電路與加熱裝置相連；第三部分為加熱裝置，其中加熱片下均勻布電阻絲并填充導(dǎo)熱膠使加熱均勻．通過變壓器調(diào)節(jié)加熱功率，加熱足夠長的時(shí)間之后可到達(dá)熱平衡狀態(tài)，而后對樣品進(jìn)行XRD掃描．不斷升高溫度，重復(fù)以上步驟即可得到衍射峰位隨溫度的變化曲線．

職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在職業(yè)概況中對職業(yè)培訓(xùn)和職業(yè)鑒定做了詳細(xì)的規(guī)定。職業(yè)院校應(yīng)實(shí)施“雙證融通”教育，將考證內(nèi)容融入到人才培養(yǎng)之中，使各專業(yè)的教學(xué)條件、教學(xué)內(nèi)容盡量與相關(guān)職業(yè)資格證書考證內(nèi)容保持對接，開展職業(yè)技能培訓(xùn)和技能鑒定，鼓勵(lì)學(xué)生參加職業(yè)資格證書考試，取得相應(yīng)職業(yè)資格證書。

實(shí)驗(yàn)使用的X射線衍射儀是由丹東方圓儀器有限公司生產(chǎn)的DX－2000型X射線衍射儀，X射線源是Cu Kα線，波長為0．154 184 nm．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同溫度下NaCl晶體（200）面衍射峰對應(yīng)的d值如表1所示．圖2是NaCl（200）面對應(yīng)的d值隨溫度的變化關(guān)系．式（1）是對應(yīng)的線性擬合關(guān)系：

d（T）＝0．282 26＋1．054 13×10－5T ，（1）式中，T的單位為℃，d的單位為nm．

表1 不同溫度下NaCl晶體（200）面衍射峰對應(yīng)的d值

圖2 NaCl（200）面對應(yīng)的d值隨溫度的變化關(guān)系

NaCl（400）面的d值與溫度的關(guān)系見表2．圖3是NaCl（400）面對應(yīng)的d值與溫度的變化關(guān)系．式（2）給出了線性擬合關(guān)系：

d（T）＝0．141 29＋5．234 31×10－6T， （2）式中，T的單位為℃，d的單位為nm．

表2 不同溫度下NaCl晶體（400）面衍射峰對應(yīng)的d值

圖3 NaCl（400）面對應(yīng)的d值隨溫度的變化關(guān)系

4 討 論

一般來說，NaCl晶體的線膨脹系數(shù)在一定的溫度變化范圍內(nèi)近似為常量．當(dāng)溫度的變化相同時(shí)，高角度衍射峰對溫度變化的敏感度比低角度的要高．這點(diǎn)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出來，在升高相同溫度時(shí)，（400）峰衍射角的變化量約為（200）峰衍射角變化量的2．3倍．另外，高角度衍射由儀器本身引入的誤差較?。试趯?shí)際操作中，在兼顧衍射峰強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡可能地使用高角度衍射峰．

2）晶體溫度計(jì)的測溫精度取決于XRD的掃描步長．由式（3）可知，對于NaCl（400）峰，其衍射角θ位于33°附近，在本實(shí)驗(yàn)中所采取的掃描步長為Δθ＝0．002 5°，可知溫度的測量精度約為1．81℃．若要獲取更高精度的溫度，則需使用更加精確的掃描步長．

3）在實(shí)驗(yàn)中假定d值隨溫度的變化是線性的，這實(shí)際上是假定了晶體的膨脹系數(shù)為常量．但實(shí)際上晶體的膨脹系數(shù)是隨溫度改變的，只是其膨脹系數(shù)隨溫度的變化很小，故在比較小的測溫范圍內(nèi)，可以假定其為常量．在比較大的測溫范圍內(nèi)則必須考慮膨脹系數(shù)隨溫度的變化，并且給出適當(dāng)?shù)男拚?/p>

1）高角度衍射峰隨溫度變化敏感．式（3）給出了NaCl晶體的線膨脹系數(shù)αl隨溫度T、衍射角θ的變化關(guān)系：

5 應(yīng)用實(shí)例

5．1 實(shí)例1

1）將MgO與NaCl粉末按照2∶1均勻混合后制成壓片；

2）在常溫狀態(tài)下得到NaCl和Mg O混合壓片的常溫XRD譜圖，進(jìn)行室溫修正，取室溫為22℃；

3）在高溫狀態(tài)下得到NaCl和Mg O混合壓片的升溫XRD譜圖．

圖4是不同溫度下的Mg O與NaCl混合樣品的XRD譜，其中曲線a為常溫狀態(tài)，曲線b為高溫狀態(tài)，知此時(shí)的溫度變化較室溫升高為141℃．根據(jù)圖4，可計(jì)算出MgO晶體的膨脹系數(shù)為（7．83±0．03）×10－6K－1，與文獻(xiàn)［12］中的8．0×10－6K－1值吻合較好，由此也可以說明設(shè)計(jì)的晶體溫度計(jì)的準(zhǔn)確性．

圖4 不同溫度下的MgO與NaCl混合樣品的XRD譜

5．2 實(shí)例2

1）將M相VO2與NaCl粉末按照2∶1均勻混合制成壓片；

2）在常溫下得到NaCl和M相VO2混合壓片的常溫XRD譜圖［圖5中曲線a］，進(jìn)行室溫修正，取室溫為20℃；

3）在較高溫度下得到NaCl與VO2混合壓片的升溫XRD譜圖［圖5中曲線b］，可知此時(shí)溫度為68．57℃；

4）此時(shí)稍稍增高加熱電壓，使溫度稍稍增加，得到NaCl與VO2混合壓片的升溫XRD譜圖［圖5中曲線c］，由峰位移動(dòng)計(jì)算可知此時(shí)的溫度同樣為68．57℃．

由圖5可知M相VO2的相變溫度為68．57℃．實(shí)驗(yàn)中，在得到常溫下NaCl和 M相VO2混合壓片的常溫XRD圖后，逐漸加熱，同時(shí)掃描XRD衍射譜圖．當(dāng)加熱到68．57℃時(shí)觀察到M相VO2位于27．84°的特征峰突然減弱，預(yù)示VO2將要發(fā)生相轉(zhuǎn)變，保持溫度不變，可以觀察到在27．65°出現(xiàn)R相的特征峰，確定VO2的相變溫度約為（68．57±1．81）℃．

圖5 不同溫度下的VO2與NaCl混合樣品的XRD譜

6 結(jié)束語

利用NaCl晶體作為測溫物質(zhì)，設(shè)計(jì)了基于其晶格常量的晶體溫度計(jì)，應(yīng)用該溫度計(jì)獲得了VO2的相轉(zhuǎn)變溫度．提供了基于XRD的晶體溫度計(jì)的一種設(shè)計(jì)方法．

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