X射线产生机理及其衍射技术在材料分析中的应用（摘要修改版）.doc

X射线产生机理及其衍射技术在材料分析中的应用摘要X射线的发现在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学开辟了一条崭新的道路。本文通过详细说明X射线产生机理，以及解释X射线的衍射产生的条件，重点研究X射线在材料分析中的应用，特别是在物相分析、薄膜材料中的应用。最后对X射线的防护作了简要的分析，形成安全防护意识。关键词：X射线衍射技术；晶体结构；材料分析Generating Mechanism of the X-Ray and Application of Its Diffraction Technology in Material Analyses ABSTRACTThe discovery of X-ray is very significant in human history, because it has opened up a new path for natural science.The paper focuses on the research of the application of X-Ray in the material's analysis by elaborating on Generating Mechanism of the X-Ray,especially the application in the area of phase analysis and membrane material. Finally, to form a protective consciousness，there is a brief analysis of protection from X-Ray.Key words：X-ray diffraction; Crystal structure; Material analysis目 录1引言12 X射线的发现及其性质22.1 X射线的发现22.2 X射线的性质22.2.1物理效应32.2.2化学效应42.2.3生物效应43产生X射线的条件和机理53.1 产生X射线的条件53.2 产生X射线的机理64 X射线衍射的基本原理94.1X射线衍射理论94.2晶体衍射基本原理分析115 X射线衍射技术在材料分析中的应用135.1 物相分析135.1.1物相定量分析135.1.2物相定性分析145.2 X射线衍射法定性分析一种未知催化剂中晶体化合物145.3 X射线衍射在薄膜材料中的应用166 X射线的防护186.1 辐射损伤机理186.2 X射线防护原则186.2.1时间防护186.2.2距离防护186.2.3屏蔽防护197小结20参考文献21致谢语221 引言科学总是在不断发展的，经伦琴及各国科学家的反复实践和研究，揭示了X射线的本质，证实它是一种波长极短，能量很大的电磁波。它的波长比可见光的波长更短（约在0.001-100nm，医学上应用的X射线波长约在0.001-0.1nm之间），它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。在物质结构的分析中尽管可以采用中子衍射、电子衍射、红外光谱、穆斯堡尔谱等方法，但是X射线衍射是最有效的、应用最广泛的手段，而且X射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法。X射线衍射的应用范围非常广泛，现已渗透到物理、化学、地球科学、材料科学以及各种工程技术科学中，成为一种重要的实验方法和结构分析手段。2 X射线的发现及其性质2.1 X射线的发现1895年德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen）在研究阴极射线管中气体放电现象时，用一只嵌有两个金属电极（一个叫做阳极，一个叫做阴极）的密封玻璃管，在电极两端加上几万伏的高压电，用抽气机从玻璃管内抽出空气。为了遮挡高压放电时的光线（一种弧光）外汇，在玻璃管外面套上一层黑色纸板。他在暗室中进行这项实验时，偶然发现距离玻璃管两米远的地方，一块用铂氰化钡溶液浸洗过的纸板发出明亮的荧光。再进一步试验，用纸板、木板、衣服以及厚约两千页的书，都遮挡不住这种荧光。更令人惊奇的是，当用手去拿这块荧光的纸板时，竟在纸板上看到了手骨的影像。当时伦琴认定：这是一种人眼看不见、但能穿透物体的射线。因无法解释它的原理，不明它的性质，故借用了数学中代表未知数的“X”作为代号，称为“X”射线（简称X线）。这就是X射线的发现与名称的由来。此名一直延用至今。后人为纪念伦琴的这一伟大发现，又把它命名为伦琴射线。X射线的发现在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路，为此，1901年伦琴荣获物理学第一个诺贝尔奖。科学总是在不断发展的，经伦琴及各国科学家的反复实践和研究，逐渐提示了X射线的本质，证实它是一种波长极短，能量很大的电磁波。它的波长比可见光的波长更短（约在0.001nm-100nm，医学上应用的X射线波长约在0.001-0.1nm之间），它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。因此，X射线除具有可见光的一般性质外，还具有自身的特性。2.2 X射线的性质X射线的本质与可见光红外线紫外线以及宇宙射线完全相同均属于电磁辐射，具有波动性和粒子性特征。它的波长范围在l0-3nm-10nm之间，两边界分别与紫外线及射线相重叠一般称波长在0.1nm10nm之间的为软X射线，波长在0.00lnm-0.1nm之间的为硬X射线。2.2.1物理效应1、穿透作用 穿透作用是指X射线通过物质时不被吸收的能力。X射线能穿透一般可见光所不能透过的物质。可见光因其波长较长，光子具有的能量很小，当射到物体上时，一部分被反射，大部分为物质所吸收，不能透过物体；而X射线则不然，因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透能力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质，对X射线的吸收多，透过少；密度小者，吸收少，透过多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等软组织区分开来。这正是X射线透视和摄影的物理基础。2、电离作用 物质受到X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道，这种作用叫电离作用。在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，X射线测量仪器正是根据这个原理制成的。由于电离作用，使气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。电离作用是X射线损伤和治疗的基础。3、荧光作用 由于X射线波长很短，因此是不可见的。但它照射到某些化合物，如磷、铂氰化钡、钨酸钙等时，由于电离或激发使原子处于激发状态，原子回到基态过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是荧光。X射线使物质发生荧光的作用叫荧光作用。荧光强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础。在X射线诊断工作中利用这种荧光作用可制成荧光屏，增感屏，影像增强器5中的输入屏等。荧光屏用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，增感屏用作摄影时增强胶片的感光量。4、热作用 物质所吸收的X射线大部分被转变成热能，使物体温度升高，这就是热作用。5干涉、衍射、反射、折射作用 这些作用与可见光一样。在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。2.2.2化学效应1、感光作用 同可见光一样，X射线能使胶片感光。当X射线照射到胶片上的溴化银时，能使银粒子沉淀而使胶片产生“感光作用”。胶片感光的强弱与X射线量成正比。当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，致使胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。2、着色作用 某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X射线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色，这就叫做着色作用。2.2.3生物效应当X射线照射到生物机体时，生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变，称为X射线的生物效应。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度。利用X射线可以治疗人体的某些疾病，如肿瘤等。另一方面，它对正常机体也有伤害，因此要注意对人体的防护。X射线的生物效应归根结底是由X射线的电离作用造成的。由于X射线具有如上种种特性，因而在工业、农业、科学研究等各个领域，获得了广泛的应用。3产生X射线的条件和机理3.1 产生X射线的条件X射线是在研究稀薄气体放电和阴极射线的实验中发现的。实验表明，电子被加速后，当它被轰击到物体上时就能产生出X射线。其后，在研制X射线设备时发现了产生X射线的规律，即高速带电粒子在轰击物质而突然受阻减速时，就能产生X射线。由此可见，产生X射线必须具备三个基本条件：1、电子源 能根据需要随时提供足够数量的电子。2、高速电子流 在强电场作用下，电子作高速、定向运动。3、靶 是能经受高速电子轰击而产生X射线的障碍物。图3-1X射线管结构图X射线管是用人工方法获取X射线的最常用的器件。它是由阴极、阳极、靶面、玻璃壳等部分组成（如图3-1）。用钨丝烧制成的阴极，在高温下可发射足够数量的电子，作为电子源；在阴极、阳极间加上由几十千伏至几百千伏的高压形成的强电场作用下，加速电子并形成高速电子流；钨制靶面镶嵌在阳极铜上，在经受电子轰击后产生X射线。整个X射线管的靶、电极系统封装在高真空的玻璃壳内，玻璃壳用以固定电极并提供高速电子飞行和高温灯丝正常工作所必须的真空环境。3.2 产生X射线的机理X射线是在能量转换中产生的。它是根据靶原子的三个性质（核电场、轨道电子的结合能、原子处于最低能态）的需要来产生的。在轰击电子并与靶原子的轨道电子或核相互作用下，其结果要把动能转化为热能和X射线形式能（图3-2）。图3-3 靶原子电离与激发图3-2钨原子能级图一、 电离与激发在轰击电子并与靶原子的外层轨道电子相互作用后，受到偏转并丢失部分能量。轰击电子损失的这部分能量不足以使靶原子电离，只是使其外层电子上升到能级差仅有几个电子伏特的轨道上而受到激发。由于原子总要保持最低能态的特性，相互作用过后，受激发的电子迅速回到它们的正常状态，即产生跃迁，并辐射出红外线（热能）。因X射线管阳极升温产生的热能，就是由这些外层电子的激发和跃迁过程中转化而来的。一般来说，在轰击电子时产生的动能中有99%以上的能量都转化为热能，只有不到1%的能量产生X射线。可见，X射线机是一种效率非常低的能量转换装置。（图3-3）表示在轰击电子并与靶原子的外围电子相互作用后把大部分动能都变成热能，这些相互作用主要是激发而不是电离，”e”表示被激发的电子。二、 特性辐射电子分布在不同能级的电子壳层（轨道）上，距核最近的第一层电子的能量最低，称K层；第二层称L层，具有较高的能量；其外侧为M、N、O、P等层。相邻两层能级之差依K、L、M的次序急剧地减小，K层与L层之间的能量差最大。每个壳层的最大电子数目为：K层为2，L层为8，M层为18，N层为32。当高速电子流轰击阳极靶时，可以将阳极靶原子内层的某些电子从其所在的电子壳层击出，转移到能量较高的外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离。这样，高速电子就将自身的能量级给予了阳级靶原子，并使其从基态跃迁到激发态。如果是由最内层即K层电子转移到未饱和的更外面的某X层时，则高速轰击电子的能量eV应大于或等于X-K。此处，X与K分别为未饱和的X层与K层电子的能量。处于激发态的原子，因其能量高于基态处于不稳态，必然要向稳定的基态转化，即由较外层的电子跃入内层以填补空位，使原子系统的总能量重新降低而趋于稳定。假设K层电子被激发后由L层电子跃迁来补充，其降低的能量L K 将以一个X射线光子的形式辐射出来，辐射的频率由原子的能级差决定，即 h vL-K =L KvL-K =L K /h这就是波长=c/vL-K =的特性辐射。同样，电子也可以由M、N等层跃入缺位的K层，由于各层电子能量不同，故辐射出来的特征X射线的波长也各不相同（图3-4）。图3-4特征X射线谱产生的示意图1-原子核 2-电子 3-K系激发 4-L系激发三、 轫致辐射它是由轰击电子并与靶原子的原子核相互作用的结果。轰击电子时产生的动能转化为电磁能并以X射线光子的形式被放射出来，这种X射线称为阻止X射线（亦称轫致X射线）。阻止或轫致的意思是减速或制动。可以认为，这种射线是由原子核对轰击电子的阻止或制动所产生的。一个被轰击电子在与靶原子核相互作用时，可以损失任意量的动能，所以这种射线有一个相应的能量范围。当轰击电子受原子核的影响很小时，产生低能量X射线光子；每当轰击电子一次若把全部能量都失去时，则会产生一个最大能量的X射线光子。在这两个极端情况之间，所有不同能量的X射线光子都有可能发生，所以又称这种辐射为连续辐射（图3-5）。图3-5 X射线的产生4 X射线衍射的基本原理4.1X射线衍射理论由于X射线是波长很短的一种电磁辐射，常用的X射线波长约0.05nm-0.25nm之间，与晶体中的原子间距数量级相同，因此可以用晶体作为X射线的天然衍射光栅，这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。当X射线沿某方向入射某一晶体的时候，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉。当每两个相邻波源在某一方向的光程差()等于波长的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波。=0的衍射叫零级衍射，=的衍射叫一级衍射，=n的衍射叫n级衍射。n不同，衍射方向也不同。在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互干涉的结果，决定了X射线在晶体中衍射的方向，所以通过对衍射方向的测定，可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。晶体结构=点阵+结构基元，点阵又包括直线点阵，平面点阵和空间点阵空间点阵可以看成是互不平行的三组直线点阵的组合，也可以看作是由互相平行且间距相等的一系列平面点阵所组成。劳厄和布拉格就是分别从这两个角度出发，研究衍射方向与晶胞参数之间的关系，从而提出了著名的劳厄方程和布拉格方程。伦琴发现X射线之后，1912年德国物理学家劳厄首先根据X射线的波长和晶体空间点阵的各共振体间距的量级，理论预见到X射线与晶体相遇会产生衍射现象，并且他成功地验证了这一预见，并由此推出了著名的劳厄定律(式1)，其中h、k、l=0、±1、±2等，h、k、l是发生衍射的晶面因子（图4-1）。 a(cos-cos0 )=h b(cos-cos0)=k (1)c(cos-cos0)=l其中晶胞参数0、0、0、决定了衍射的方向。劳厄等的重大发现引起了英国物理学家布拉格父子的关注，此后不久布拉格父子在劳厄试验的基础上，导出了著名的布拉格定律(式2)，其中，称为布拉格角或半衍射角，这一定律表明了X射线在晶体中产生衍射的条件。 2dsin=n (2)为X射线的波长，n为任何正整数。 当X射线以掠角(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时，在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。h,k,l见列表4-1。为布拉格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当X射线波长已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一角符合布拉格条件的反射面得到反射,测出后，利用布拉格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型；根据衍射线的强度(公式3),还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(DebyeScherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即不变），以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格条件，故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向后，便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术，可用于分析金属和合金的成分。已知一个晶胞的衍射强度（HKL晶面）为：若亚晶块的体积为VC，晶胞体积为V胞，则： 这N个晶胞的HKL晶面衍射的叠加强度为：考虑到实际晶体结构与之的差别，乘以一个因子：最后得到 (3)晶体X射线衍射实验的成功，一方面揭示了X射线的本质，说明它和普通光波一样，都是一种电磁波，只是它的波长较短而已。另一方面证实了晶体构造的点阵理论，解决了自然科学中的两个重大课题，更重要的是劳厄、布拉格等人的发现打开了进人物质微观世界的大门，提供了直接分析晶体微观结构的锐利武器，开辟了晶体结构X射线分析的新领域，奠定了X射线衍射学的基础1。列表4-1多晶面族的多重因子列表图4.2晶体衍射基本原理分析X射线衍射技术是利用X射线在晶体、非晶体中衍射和散射效应，进行物相定性和定量分析、结构类型和不完整性分析的技术。物相是元素按照一定的连接方式组成具有一定结构的物质。X射线衍射物相分析方法在材料科学领域及其它领域得到广泛的应用。当然，对于混合物相中含量较少的物相而言，X射线物相分析方法的灵敏度不高，这一点与其它物相鉴定方法相似。在X射线衍射分析中，分析晶体可以作为X射线衍射光栅。晶体的衍射基本原理如图4-2。图4-2晶体对X 射线的衍射从图4-2可以看出，平行晶面2与1之间，入射和反射X 射线的光程差为DB +BF = 2dsin，根据衍射条件，只有当光程差为波长的整数倍时，衍射光才能相互加强，即2dsin=n，其中d为晶面间距(也称为晶格常数) ，为衍射角，n为衍射级数，这就是布拉格方程。当X射线通过晶体时，产生特定的衍射图形，对应一系列特定的晶面间距d和相对强度I/I1值。其中d和I/ I1值与物相特定的化学组成和结构参数有关。通过这些特定的d和I/I1值就可以进行定性分析，确定物相。不同物相混合在一起时，它们各自的衍射数据将同时出现，互不干扰地叠加在一起，因此，可根据各自的衍射数据来鉴定各种不同的物相。把测定样品的衍射数据或图谱与已知物相的衍射数据或图谱进行对比，就可以确定测定样品中的不同物相。大部分X 射线衍射分析软件都具备自动检索功能，可快速准确地进行物相匹配，大大降低了检索的难度，缩短了检索的时间。目前，XRD已经在未知粉末的检验得到应用。5 X射线衍射技术在材料分析中的应用由X射线衍射原理可知，物质的X射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数(包括晶体结构类型，晶胞大小，晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等)。因此，没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射花样。通过分析待测试样的X射线衍射花样，不仅可以知道物质的化学成分，还能知道它们的存在状态，即能知道某元素是以单质存在或者以化合物、混合物及同素异构体存在。同时，根据X射线衍射试验还可以进行结晶物质的定量定性分析、晶粒大小的测量和晶粒的取向分析。目前，X射线衍射技术已经广泛应用于各个领域的材料分析与研究工作中。5.1 物相分析物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。5.1.1物相定量分析物相定量分析的任务是用X射线衍射技术，准确测定混合物中各相的衍射强度，从而求出多相物质中各相的含量。其理论基础是物质参与衍射的体积或者重量与其所产生的衍射强度成正比，因而可通过衍射强度的大小求出混合物中某相参与衍射的体积分数或者重量分数，从而确定混合物中某相的含量。X射线衍射物相定量分析方法有：内标法、外标法、绝热法、增量法 、无标样法、基体冲洗法和全谱拟合法等常规分析方法。内标法、绝热法和增量法等都需要在待测样品中加人参考标相并绘制工作曲线，如果样品含有的物相较多、谱线复杂，再加入参考标相时会进一步增加谱线的重叠机会，从而给定量分析带来困难。外标法2虽然不需要在样品中加人参考标相，但需要用纯的待测相物质制作工作曲线；基体冲洗法、无标样法和全谱拟合法等分析方法不需要配制一系列内标标准物质和绘制标准工作曲线，但需要复杂的数学计算，如联立方程法和最小二乘法等。总之，X射线衍射方法进行物相定量分析方法很多，但是有些方法需要有纯的物质作为标样，而有时候纯的物质难以得到，从而使得定量分析难以进行，从这个意义上说，无标样定量相分析法具有较大的使用价值和推广价值。物相定量分析就是确定物质样品中各组成相的相含量。根据衍射强度理论，物质中某相的衍射强度与其质量百分数成如下关系6其中，为由实验条件和待测相而共同决定的常数；为质量百分数；为待测样品的平均质量吸收系数，与有关。5.1.2物相定性分析不同的多晶体物质的结构和组成元素各不相同，它们的衍射花样在线条数目、角度位置、强度上就呈现出差异，衍射花样与多晶体的结构和组成有关，一种特定的物相具有自己独特的一组衍射线条(即衍射谱)，反之不同的衍射谱代表着不同的物相。若多种物相混合成一个试样，则其衍射谱就是其中各个物相衍射谱叠加而成的复合衍射谱。因而，我们可以通过测定试样的复合衍射谱，并对复合衍射谱进行分析分解，从而确定试样由哪几种物质构成。5.2 X射线衍射法定性分析一种未知催化剂中晶体化合物当X射线波长与晶体晶面间距d值大致相当时就可以产生衍射。用铜转靶的特征X射线以不同掠射角度连续扫描未知催化剂样品粉末平面，衍射符合Bragg公式：2dsin=的晶体，某些特定晶面反射的X射线信号增强。收集并记录相同角度采样间隔内不同掠射角度连续扫描获得的一级衍射脉冲信号强度I值(反射线与入射线延长线之间的夹角为2，X射线探测器接收反射线脉冲信号) 。所获得的样品衍射花样可揭示晶体中原子排列的晶格结构特征。单质或化合物结晶态物相可依据衍射花样鉴定。晶体的系列d值是晶体的定性依据；而其系列I值或某特定衍射峰(包括经化学计量学分峰处理所得的晶体衍射峰) 的I值是晶体的相定量依据。化学家已将大量的无机及有机晶体化合物的粉末衍射数据制成了粉末衍射标准数据库。实际分析应用时，一般只需将未知催化剂样品粉末衍射数据与ICDD粉末衍射数据库中的标准数据进行核对，就可以准确鉴定其中的晶体7。测定了未知催化剂样品，其粉末衍射花样见图5-1。图5-1催化剂样品衍射花样及晶体鉴定结果采用MDIJ ade6.5末衍射数据系统处理催在未消除背底信号的情况下，首先采用Savitz2ky-Golay滤波(抛物滤波)对衍射花样进行9点平滑，后对所有衍射峰进行计算机Search/ Match标准粉末衍射数据处理。计算机通常给出数十个晶体检索粉末衍射结果，因此须人工对未知催化剂衍射花样中晶体衍射峰位置和强度与计算机检索结果中相似组分的粉末衍射标准数值进行比较，准确得出晶体鉴定结果。未知催化剂样品粉末在2值分别为14.485°、28.181°、8.336°、48.929°等角度有较强的4个宽化衍射峰。检索ICDD 粉末衍射数据库，发现这4个峰与勃姆石-AlO(O H) 相似，其他晶体衍射强峰与ZSM - 23粉末衍射标准数据摸拟中的衍射峰相匹配。已知Al2O3有几十种晶型。分析图5-1中2值约46°及67°局部衍射花样两个较弱衍射峰，与Al2O3所有晶体的粉末衍射标准数据进行核对，并与催化剂制备中常用的-Al2O3载体的样品粉末衍射花样比较发现其为-Al2O3 载体2个宽化特征衍射峰，但含量较少。-AlO(O H) 也有多种晶型。将未知催化剂衍射花样与标准粉末衍射花样进行对比，催化剂衍射花样与-AlO(OH) 峰位置及峰强度数值完全相同，表明鉴定结果是准确的。中孔沸石ZSM-23孔口属十元环体系，其X 射线粉末衍射8强线数据与ZSM-23标4。准粉末衍射数据一致，证明ZSM - 23 鉴定结果也是准确的。Al2O3 相变过程已广泛应用于催化剂载体制备，已知相变过程为：-AlO(OH)-Al2O3或- Al2O3 (立方密堆积尖晶石)-Al2O3或-Al2O3-Al2O3 (六方密堆积)。XRF 元素分析结果表明，未知催化剂还含有铂族金属，其总含量小于0. 5 %；但在其样品衍射花样中并无金属晶体衍射峰，这表明铂族金属呈高分散状态。5.3 X射线衍射在薄膜材料中的应用人工低维材料的出现是20世纪材料科学发展的重要标志，它所表现出的生命力不仅是因为它不断揭示出深刻的物理内涵，而且更重要的是所发现的新效应不断地被用来开发新的固态器件，对高技术产业产生深远的影响。薄膜就是一种典型的低维材料。薄膜的成分、厚度、应力分布以及表面和界面状态等都会直接影响材料和器件的性能，需要在原子尺度上对材料微结构品质进行评估。除了上述六种X射线衍射的应用适用于薄膜材料分析之外，X射线衍射还可以对薄膜材料作如下分析：厚度是膜层的基本参数。厚度的测量和控制始终是气相沉积薄膜研究和生产中的主要问题之一。由于厚度会产生三种效应：衍射强度随厚度而变，膜愈薄散射体积愈小；散射将显示干涉条纹，条纹的周期与层厚度有关；衍射线随着膜厚度降低而宽化，因此可从衍射强度、线形分析和干涉条纹来实现薄膜厚度的测定。用X射线仪测量单层膜的小角X衍射线，之后用公式(4)便可以计算单层膜的厚度 。在式(4)中，d表示膜厚，表示射线的波长，表示掠射角。 d= (4)由两种材料交替沉积形成的纳米多层膜具有成分周期性变化的调制结构，入射X射线满足布拉格条件时就可能像晶体材料一样发生相干衍射。由于纳米多层膜的成分调制周期远大于晶体材料的晶面间距，其衍射峰产生于小角度区间。小角度X射线衍射被广泛用来测量纳米多层膜的周期数。因此，不论是薄膜厚度还是多层膜的周期数都可以通过X射线衍射测得。X射线掠入射衍射或散射方法的最大优点在于对表面和界面内原子位移十分敏感，可以通过调节X射线的掠入射角来调整X射线的穿透深度，从而用来研究表面或表层不同深度处的结构分布，如表面单原子的吸附层、表面粗糙度、密度、膜层次序，表面下约1000A深度的界面结构以及表面非晶层的结构等。.6 X射线的防护人类的经验证明，X射线的应用可以给人类带来巨大的利益，但如果使用不当或不注意防护也可以造成一定的危害。从辐射防护的需要出发，介绍有关辐射损伤的有关基本知识，以便深入理解和做好辐射防护的必要性。6.1 辐射损伤机理当X射线照射到生物体时，与机体细胞、组织、体液等物质产生相互作用，引起物质的原子或分子电离，因而可以直接破坏机体内某些大分子结构，如蛋白分子链断裂、核糖核酸或脱氧核糖核酸的断裂，破坏一些对物质代谢有重要意义的酶等，甚至可以直接损伤细胞结构。另外，射线可以通过电离机体中广泛存在的水分子，形成一些自由基，通过这些自由基的间接作用来损伤机体。辐射损伤的发病机理和其他疾病一样，致病因子作用于机体之后，除引起分子水平、细胞水平的变化以外，还可产生一系列的继发作用，最终导致器官水平的障碍甚至整体水平的变化，在临床上便可出现辐射损伤的体征和症状。对人体细胞的损伤，只限于个体本身，引起躯体效应。而对生殖细胞的损伤，则会影响到受照个体的后代，产生遗传效应。单个或少量细胞受到辐射损伤（主要是染色体畸变，基因突变等）可出现随机性效应。辐射能使大量细胞或组织受到破坏即可导致非随机性效应。在辐射损伤的发展过程中，机体的应答反应则进一步起着主要作用。6.2 X射线防护原则6.2.1时间防护个人累积的吸收剂量与受照时间有关，所受照射的时间越长，个人累积的剂量就越大，在某些情况下，常常通过缩短受照的时间来限制个人所接受的剂量。因此，一切人员应尽可能减少在有X射线场内停留的时间。X射线工作者在进行X射线检查时，要做好暗适应，尽量缩短照射时间，拍片时要优选投照条件，不出废片，在进行X射线治疗时，操作要熟练、迅速、准确等。6.2.2距离防护当人员与X射线管焦点之间的距离远远大于焦点大小时，可将X射线管焦点视为点光源。若忽略空气对X射线的吸收，则可认为照射量与距离平方成反比。因此，若距离增加一倍，则照射量减少到原来的1/4。所以，当X射线机在工作时，应使一切人员（除被检者外）尽量远离X射线源。6.2.3屏蔽防护在利用X射线进行诊断和治疗时，欲减少X射线工作者及被检者的受照剂量，单靠时间和距离两个因素的调节是有一定限度的，例如，只能在不影响诊断和治疗目的的前提下，尽可能减少照射时间。离X射线源的距离又受到产生X射线的设备和使用目的的限制。因此要进一步取得较好的防护效果，需利用屏蔽防护。屏蔽就是在X射线源与人员之间放置一种能有效吸收X射线的屏蔽物，从而减弱或消除X射线对人体的危害，如X射线机荧光屏内的铅玻璃、X射线机房墙壁、辐射科医生使用的铅橡皮手套、铅橡皮围裙、铅玻璃眼镜、铅防护椅等防护用品，以及隔离透视、隔室照像等防护措施。一般在X射线防护的实际工作中，时间、距离、屏蔽这三个因素必须根据具体情况灵活运用，合理调节。7小结X 射线衍射分析的最大优势在于可以直接提供样品分子的结构信息,准确确定样品的具体组成。其衍射技术在材料分析领域有着十分广泛的应用，在无机材料、有机材料等研究领域中发挥越来越重要的作用。X射线衍射技术已经成为人们研究材料尤其是晶体材料最方便、最重要的手段。随着技术手段的不断创新和设备的不断完善升级，X射线衍射技术在材料分析领域必将拥有更广阔的应用前景。参考文献1吴曼X射线衍射及应用J沈阳大学学报(自然科学版).1995(4)：7一l22储刚含非晶样品的X射线衍射增量定量相分析方法EJ物理学报.1998，47(7)：114311453源可珊高聚物结晶度的X射线衍射测定 J理化检验一物理分册.1998，34(12)：17194 范雄金属X射线衍射学M北京：机械工业出版社.19985石梅生，张慧等.几种数字化X线成像技术及其性能探讨.中国医学装备2007 .36吴万国，阮玉忠X射线衍射无标定量分析法的研讨J福州大学学报.1997，25(3)：3740.7 吴建鹏，杨长安，贺海燕X射线衍射物相定性分析J陕西科技大学学报.2005.23(5)：5558致 谢 语在完成论文的写作过程中，我遇到了许多困难和不懂的地方，但通过查找资料，与老师、同学交流、探讨，把所学的理论知识加以巩固和运用，使自己的知识更加丰富，增强了自己的实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。通过这次毕业论文，培养了我实事求是、严肃认真的科学态度，领会了自己独立钻研的精神和精益求精的工作作风，同时增强了自己与老师、与同学的沟通与协作，在这里我感谢所以给予我支持和帮助的老师、同学，谢谢你们！尤其要感谢仇云利老师给我的帮助，每次遇到难题时，她都会耐心地帮我分析，从论文的选题、资料收集到撰写的整个过程中，给我提供了很多的建议及宝贵的资料，其严谨的治学态度和诲人不倦的精神令我敬佩至深。