X射線衍射測試樣品位置對譜線峰位和強(qiáng)度的影響

詹美燕， 李春明

(華南理工大學(xué) 材料學(xué)院，廣東 廣州 510641)

使用高能電子束轟擊金屬靶產(chǎn)生的X射線具有靶中元素相對應(yīng)的特定波長，稱為特征X射線[1].目前，在常用的X射線衍射儀器中，Cu和Mo是最常用的陽極靶元素.Cu靶的λ為0.154 178 nm， Mo靶的λ為0.071 073 nm[2].特征X射線能穿透一定厚度的物質(zhì)，對一般金屬材料，使用Cu靶，穿透深度大約為十幾微米.如果用2゜的小角入射，則穿透深度大約為2 nm.X 射線源發(fā)射的特征 X 射線照射待測物質(zhì)發(fā)生衍射后，由于X射線的波長和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，會在晶體中可以發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱[3].對探測器接收到的衍射 X 射線方向和強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可以對材料進(jìn)行物相的定性和定量分析、結(jié)晶學(xué)分析、結(jié)構(gòu)解析、織構(gòu)和殘余應(yīng)力分析等[4-5].

X射線衍射儀是進(jìn)行X射線分析的重要設(shè)備，主要由X射線發(fā)生器(產(chǎn)生X射線的裝置)、測角儀(X射線衍射儀測量中最核心部分，用來精確測量衍射角2θ的裝置)和檢測器 (測量X射線強(qiáng)度的計(jì)數(shù)裝置)和水冷卻系統(tǒng)組成.鑒于本實(shí)驗(yàn)中心使用的X’Pert Pro MRD多晶X射線衍射儀的樣品臺5維可移動，研究了樣品的位置對物相測試中譜線峰強(qiáng)度和峰位的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器

X’Pert Pro MRD多晶X射線衍射儀，配備超能陣列探測器(X’Celerator)，荷蘭帕納科公司生產(chǎn).

1.2 功能簡介

X’Pert Pro MRD多晶X射線衍射儀的超能陣列探測器采用RTMS實(shí)時多道技術(shù)，內(nèi)置100多個微型探測器，可以同時對信號進(jìn)行接收，接收速度比正比探測器提高100倍.此外儀器光路系統(tǒng)配備索拉狹縫、防散射狹縫、面罩和單色器等，因此X射線源發(fā)射X射線光可以得到單色光源照射樣品，同時樣品產(chǎn)生的衍射光可以平行到達(dá)檢測器.另一個突出的優(yōu)點(diǎn)是，X’Pert Pro是目前唯一采用預(yù)校準(zhǔn)全模塊化技術(shù)的衍射儀，它的入射光路、樣品臺及衍射光路均在模塊化的基礎(chǔ)上采用獨(dú)創(chuàng)的預(yù)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所有模塊均可在幾分鐘內(nèi)迅速切換成另一模塊，不用重新校準(zhǔn)光路.其陽極靶材經(jīng)過三維高精度定位，更換X光管也無需重新校準(zhǔn)光路[6].

本實(shí)驗(yàn)中心購置的X’Pert3 Pro MRD主要的測試功能分為兩大塊：物相和織構(gòu).為了同時實(shí)現(xiàn)大面積樣品物相和織構(gòu)測試兩種功能，MRD樣品臺的設(shè)計(jì)和另一款X’Pert3 Pro MPD(如圖1 a所示)有本質(zhì)區(qū)別.MPD樣品臺(圖1a)是水平安裝的，不可移動，每次只能測試一個樣品，粉末樣品表面與樣品槽表面平齊，默認(rèn)位于測試光路的中心.而本實(shí)驗(yàn)中心的MRD樣品臺(圖1b)是豎直安裝的，可以實(shí)現(xiàn)5維(X、Y、Z、ψ和χ)電動移動，以便實(shí)現(xiàn)物相和織構(gòu)的多個樣品的批處理測試，其移動示意圖如圖2所示.圖2中，樣品臺平面平行于X-Y平面，Z軸垂直樣品臺平面，通過Z軸的伸縮來移動樣品的表面，使不同厚度樣品的測試表面都能位于光路中心.Z的伸縮范圍在0～10 mm之間，即樣品的厚度最大不能超過10 mm.因?yàn)閄、Y和Z這3個方向可以電動移動，因此可以設(shè)計(jì)批處理測試程序，同時放置多個樣品，儀器按照程序設(shè)定逐一自動移位進(jìn)行測試.此外，樣品可以沿著ψ軸旋轉(zhuǎn)，沿著χ軸傾斜，這兩個維度的變化可滿足樣品織構(gòu)測試過程中對樣品位置的變化要求.

圖1 X’Pert3 Pro系列的樣品臺Fig.1 X’Pert3 Pro cradle mounted onto a horizontal goniometer (a) MPD, (b) MRD

圖2 5維移動的MRD樣品臺示意圖Fig.2 Five motorized movements of MRD cradle

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

X’Pert3 Pro MRD的樣品臺是豎直安裝的，由于不同厚度樣品的測試面與光路的對中需要通過調(diào)節(jié)Z軸來控制，所以Z軸位置的確定會影響測試結(jié)果.本試驗(yàn)中用Si片標(biāo)樣(厚度為2 mm，由儀器廠商提供)為測試樣品，通過設(shè)置不同的Z值，觀察測試結(jié)果的變化，研究Z值對測試結(jié)果的影響.此外，當(dāng)樣品臺上放置多個不同厚度的樣品進(jìn)行批處理測試時，厚度較大的樣品是否會影響其他樣品測試時X射線的入射和探測器對信號的接收.因此本文設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：樣品為純鋁，測試截面積為20×20 mm，厚度分別為2、4和6 mm，設(shè)計(jì)4組放置方式，如圖3所示，表1所列，X’Pert3 Pro MRD的X射線發(fā)生器和檢測器分別位于豎直樣品臺的右側(cè)和左側(cè)，不同厚度的3個樣品分別排列在同一水平線上.

圖3 樣品放置示意圖Fig.3 Diagram of samples position

表1 批處理樣品放置信息Table 1 Design of samples position on batch testing

3 結(jié)果與討論

3.1 不同Z軸設(shè)置對峰位的影響

不同厚度的樣品測試譜圖如圖4所示，不同晶面的峰位具體數(shù)值如表2所列.為了觀察峰強(qiáng)度的區(qū)別，對5條譜線的X軸分別進(jìn)行了平移，重新繪圖如圖5所示.

圖4 Si片放置在不同Z軸位置上測試的譜圖Fig.4 Spectra of Si on different Z positions

圖5 Si片在不同Z軸位置上譜圖的譜峰強(qiáng)度對比Fig.5 Peak intensities of Si on different Z positions

可以通過軟件校準(zhǔn)確定Z軸位置，使Si標(biāo)樣表面正好位于光路中心.本樣品通過軟件校準(zhǔn)后確定Z為7.742 mm.由表2可見，通過與Si標(biāo)準(zhǔn)峰位的對比可見，測試結(jié)果中，Z為7.74 mm的峰位與理論結(jié)果吻合很好，其他樣品表面低于或者高于光路中心，都會造成譜圖峰位的偏移.由表2可見，當(dāng)樣品表面低于光路中心位置時，峰位呈減小趨勢，當(dāng)樣品表面高于光路中心位置時，峰位呈增加趨勢.具體偏移量為，樣品表面與光路中心位置偏移0.3 mm時，峰位偏移的絕對值為0.1左右，如圖6所示.此外，由圖5可見，不同的Z軸對峰強(qiáng)度也有影響，位于光路中心的樣品峰強(qiáng)度最大，但不同Z值之間的差值不大，不影響譜線的物相分析.

表2 不同Z軸位置對晶面峰位的影響Table 2 Effect of Z position on peak position of Si crystal plane

圖6 Si片放置在不同Z軸位置時晶面峰位的偏移Fig.6 Shift of peak positions of Si crystal plane on different Z positions

3.2 批處理測試時不同厚度樣品的放置方式對譜線的影響

不同厚度樣品批處理測試結(jié)果如圖7所示.由圖7可見：

(1)厚度最高的樣品，不管放在哪個位置，峰強(qiáng)度都最高，其他樣品的譜峰強(qiáng)度會顯著下降.

(2)對于厚度不是最高的樣品，如果左右兩邊都有其他樣品，位于中間位置樣品的峰強(qiáng)度最弱，與兩側(cè)樣品的厚度無關(guān)，說明測試過程中該樣品的入射和衍射信號可能部分被左右兩側(cè)的樣品阻擋，導(dǎo)致信號減弱(圖7 a、b).另外，峰強(qiáng)度還可能受到Z軸位置的影響，與設(shè)定的Z軸位置的誤差有關(guān).

(3)由表3可見，與Al的理論晶面峰位相比較，試驗(yàn)中的4組樣品不同晶面的峰位置誤差在-0.071～0.078之間，實(shí)際分析中可以忽略.試驗(yàn)結(jié)果表明，批處理測試時可以同時進(jìn)行不同厚度樣品的測試.

4 結(jié)論

(1)當(dāng)樣品表面低于光路中心位置時，峰位呈減小趨勢，當(dāng)樣品表面高于光路中心位置時，峰位呈增加趨勢.具體偏移量為，樣品表面與光路中心位置偏移0.3 mm時，峰位偏移的絕對值為0.1左右.

(2)當(dāng)水平位置放置了不同厚度的樣品進(jìn)行批處理測試時，譜線的峰強(qiáng)度會受到樣品厚度的影響.

圖7 不同厚度的樣品批處理測試時厚度對譜線的影響(a)第一組，(b)第二組，(c)第三組，(d)第四組Fig.7 Effect of thickness on spectra during batch testing of samples with different thicknesses(a) group 1， (b) group 2, (c) group 3, (d) group 4

表3 不同厚度的樣品批處理測試時厚度對峰位的影響Table 3 Effect of thickness on peak position during batch testing of samples with different thicknesses

厚度最高的樣品，峰強(qiáng)度最高，其他樣品的譜峰強(qiáng)度會顯著下降，位于中間位置樣品的峰強(qiáng)度最弱.峰位的變化不明顯.