X射線衍射儀在理論教學(xué)中的應(yīng)用與維護(hù)

董澤剛

摘 要 本文以貴州民族大學(xué)購買的XRD為例，淺析了XRD在《儀器分析》、《材料分析方法》、《薄膜科學(xué)與技術(shù)》等理論課程的運(yùn)用與探索，同時(shí)簡要探討了XRD的日常維護(hù)；思考了這種將貴重進(jìn)口科研設(shè)備融入理論教學(xué)的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞 XRD 理論教學(xué) 應(yīng)用 維護(hù)

中圖分類號(hào)：TH878 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

倫琴在1895年偶然發(fā)現(xiàn)了X-射線，隨后勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線衍射現(xiàn)象，從此開啟了人們對(duì)它不斷開發(fā)與應(yīng)用。X-射線衍射儀，英文名X- ray diffraction，簡稱XRD。在超過100多年的發(fā)展歷史中，X射線衍射儀大致經(jīng)歷了照相技術(shù)探測、計(jì)數(shù)器探測，電子計(jì)算機(jī)融合自動(dòng)探測三個(gè)發(fā)展階段。由于計(jì)算機(jī)、電子、半導(dǎo)體等領(lǐng)域地不斷進(jìn)步，XRD的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，幾乎每幾年就有體積更小、功能更全面且智能化、安全化的新型號(hào)XRD出現(xiàn)。帕納科、布魯克、日本理學(xué)等生產(chǎn)的XRD是目前最為廣泛使用的，也正因此XRD的價(jià)格不斷下降，使得包括貴州民族大學(xué)在內(nèi)的西部及地方院校也能夠獨(dú)立購買和使用XRD。

1 XRD應(yīng)用范圍

目前，XRD被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等科研領(lǐng)域；行業(yè)應(yīng)用主要集中在粉末冶金、生物制藥、珠寶鑒定等。XRD運(yùn)用主要功能包括物相判定、晶體結(jié)構(gòu)分析、晶粒大小測定、織構(gòu)、取向測試分析等。主流的分析軟件主要有Jade和highscore/highscore plus。我校采購了荷蘭帕納科公司的銳影系列XRD，可用于粉末、薄膜的物相測定、晶體結(jié)構(gòu)分析等日常使用，能滿足基本科研和專業(yè)課教學(xué)使用。本文將就XRD在我校專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用與維護(hù)作詳細(xì)探討。

2 XRD理論教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 XRD在《儀器分析》教學(xué)中的應(yīng)用

XRD是材料科學(xué)與工程專業(yè)最為經(jīng)典和重要的表征儀器，在《儀器分析》教學(xué)中，我們主要通過現(xiàn)場觀摩演示為學(xué)生講解X射線、X射線產(chǎn)生、X射線衍射測量原理及XRD的結(jié)構(gòu)。通過在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場講解，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生好奇心與興趣，將空洞乏味的理論講解實(shí)體化，方便學(xué)生理解，從而能收到良好的教學(xué)反饋，進(jìn)一步有利于教學(xué)相長。

2.2 XRD在《材料分析方法》教學(xué)中的應(yīng)用

不同于《儀器分析》中突出儀器原理而輕應(yīng)用，《材料分析方法》則側(cè)重借助材料分析的儀器設(shè)備來表征材料性能。例如涉及X射線物相分析的章節(jié)，主要突出闡述方法的使用，包括晶體與非晶的鑒別、晶型判定、軟件解譜分析等。在教學(xué)中，我們往往通過現(xiàn)場測試不同種類的材料，再輔以軟件分析，讓學(xué)生們通過具體案例學(xué)會(huì)對(duì)具體材料的表征分析。相比傳統(tǒng)教學(xué)純以數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論講解的方式，這種邊講解邊實(shí)踐的方式，學(xué)生理解更為透徹，體會(huì)也更深；不過分組講解工作量偏大。

2.3 XRD在《薄膜科學(xué)與技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用

《薄膜科學(xué)與技術(shù)》是我校為材料類專業(yè)開設(shè)的特色專業(yè)課程。其內(nèi)容核心涉及真空技術(shù)、薄膜沉積及表征；除理論講解外，還有實(shí)踐課程涉及，具體實(shí)踐項(xiàng)目又包括薄膜的制備，如以磁控濺射法、蒸鍍法等在基體上制備不同材料、不同工藝的薄膜，第二部分則是薄膜的表征分析，首當(dāng)其沖的便是薄膜XRD測試。由于前兩門課程良好的基礎(chǔ)，絕大多數(shù)學(xué)生能夠很好的對(duì)自己制備的材料進(jìn)行測試分析，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)作出科學(xué)合理的分析?？梢?，科學(xué)的專業(yè)課程設(shè)置對(duì)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的培育是收效良好的。

3 XRD日常維護(hù)

目前，國內(nèi)各高校、企業(yè)使用的XRD主要還是依賴進(jìn)口，雖然其價(jià)格不斷呈下滑趨勢(shì)，但相對(duì)國產(chǎn)設(shè)備任然比較昂貴，并且儀器使用率較高，許多東部知名高校排隊(duì)測試現(xiàn)象突出。因此，做好儀器的日常保養(yǎng)維護(hù)，保障日?？蒲薪虒W(xué)顯得尤為重要。

仍然以我校為例。貴陽陰雨潮濕天氣居多，XRD必須配備24小時(shí)除濕機(jī)，避免儀器受潮及光管損壞；微堿性的二次蒸餾水有利于保護(hù)儀器免受腐蝕。XRD的防護(hù)門很多都是電磁閥門，很多老師、學(xué)生在使用過程中將其當(dāng)成普通閥門，關(guān)閉閥門時(shí)比較隨意，這是很多XRD損壞或不能測試的重要原因。XRD經(jīng)過多年的發(fā)展演變，其安全等級(jí)已經(jīng)比較高，因X射線輻射而影響使用者的事件幾乎未見報(bào)道，因此諸如閥門不能完全關(guān)閉的 “小瑕疵”很容易被系統(tǒng)感知而不會(huì)通過X光管產(chǎn)生X射線。因此在日常管理中要培養(yǎng)使用者的使用習(xí)慣，避免因小失大。

4結(jié)語

良好的硬件平臺(tái)對(duì)于高校的發(fā)展尤為重要，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)也很有裨益。類似XRD、SEM、GC-MS等專業(yè)科研設(shè)備能夠融入日常實(shí)踐教學(xué)中，對(duì)激發(fā)學(xué)生科研興趣，提升學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力都很有意義。另外，通過教學(xué)觀摩加實(shí)踐操作的授課方式，有利于學(xué)生增長見識(shí)，使一些“高大上”的應(yīng)用型專業(yè)落地，切實(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)培養(yǎng)的認(rèn)同與理解，有利于未來的深造與擇業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬禮敦.X射線晶體學(xué)的百年輝煌[J].物理學(xué)進(jìn)展，2014（02）： 47-117.

[2] 馬禮敦.多功能X射線衍射儀的由來與發(fā)展（上）[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2010（08）： 500-506.

[3] 楊新萍.X射線衍射技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（01）：72-76.