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(xiàn)具有靶中元素相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)，稱(chēng)為特征X射線(xiàn)[1].目前，在常用的X射線(xiàn)衍射儀器中，Cu和Mo是最常用的陽(yáng)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(xiàn)能穿透一定厚度的物質(zhì)，對(duì)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(xiàn)源發(fā)射的特征 X 射線(xiàn)照射待測(cè)物質(zhì)發(fā)生衍射后，由于X射線(xiàn)的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，會(huì)在晶體中可以發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線(xiàn)的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱[3].對(duì)探測(cè)器接收到的衍射 X 射線(xiàn)方向和強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可以對(duì)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(xiàn)衍射儀是進(jìn)行X射線(xiàn)分析的重要設(shè)備，主要由X射線(xiàn)發(fā)生器(產(chǎn)生X射線(xiàn)的裝置)、測(cè)角儀(X射線(xiàn)衍射儀測(cè)量中最核心部分，用來(lái)精確測(cè)量衍射角2θ的裝置)和檢測(cè)器 (測(cè)量X射線(xiàn)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(xiàn)衍射儀的樣品臺(tái)5維可移動(dòng)，研究了樣品的位置對(duì)物相測(cè)試中譜線(xiàn)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(xiàn)衍射儀，配備超能陣列探測(cè)器(X’Celerator)，荷蘭帕納科公司生產(chǎn).

1.2 功能簡(jiǎn)介

X’Pert Pro MRD多晶X射線(xiàn)衍射儀的超能陣列探測(cè)器采用RTMS實(shí)時(shí)多道技術(shù)，內(nèi)置100多個(gè)微型探測(cè)器，可以同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，接收速度比正比探測(cè)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(xiàn)源發(fā)射X射線(xiàn)光可以得到單色光源照射樣品，同時(shí)樣品產(chǎn)生的衍射光可以平行到達(dá)檢測(cè)器.另一個(gè)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(tái)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(yáng)極靶材經(jīng)過(guò)三維高精度定位，更換X光管也無(wú)需重新校準(zhǔn)光路[6].

本實(shí)驗(yàn)中心購(gòu)置的X’Pert3 Pro MRD主要的測(cè)試功能分為兩大塊：物相和織構(gòu).為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)大面積樣品物相和織構(gòu)測(cè)試兩種功能，MRD樣品臺(tái)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(tái)(圖1a)是水平安裝的，不可移動(dòng)，每次只能測(cè)試一個(gè)樣品，粉末樣品表面與樣品槽表面平齊，默認(rèn)位于測(cè)試光路的中心.而本實(shí)驗(yàn)中心的MRD樣品臺(tái)(圖1b)是豎直安裝的，可以實(shí)現(xiàn)5維(X、Y、Z、ψ和χ)電動(dòng)移動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)物相和織構(gòu)的多個(gè)樣品的批處理測(cè)試，其移動(dòng)示意圖如圖2所示.圖2中，樣品臺(tái)平面平行于X-Y平面，Z軸垂直樣品臺(tái)平面，通過(guò)Z軸的伸縮來(lái)移動(dòng)樣品的表面，使不同厚度樣品的測(cè)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(guò)10 mm.因?yàn)閄、Y和Z這3個(gè)方向可以電動(dòng)移動(dòng)，因此可以設(shè)計(jì)批處理測(cè)試程序，同時(shí)放置多個(gè)樣品，儀器按照程序設(shè)定逐一自動(dòng)移位進(jìn)行測(cè)試.此外，樣品可以沿著ψ軸旋轉(zhuǎn)，沿著χ軸傾斜，這兩個(gè)維度的變化可滿(mǎn)足樣品織構(gòu)測(cè)試過(guò)程中對(duì)樣品位置的變化要求.

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

圖2 5維移動(dòng)的MRD樣品臺(tái)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(tái)是豎直安裝的，由于不同厚度樣品的測(cè)試面與光路的對(duì)中需要通過(guò)調(diào)節(jié)Z軸來(lái)控制，所以Z軸位置的確定會(huì)影響測(cè)試結(jié)果.本試驗(yàn)中用Si片標(biāo)樣(厚度為2 mm，由儀器廠(chǎng)商提供)為測(cè)試樣品，通過(guò)設(shè)置不同的Z值，觀(guān)察測(cè)試結(jié)果的變化，研究Z值對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響.此外，當(dāng)樣品臺(tái)上放置多個(gè)不同厚度的樣品進(jìn)行批處理測(cè)試時(shí)，厚度較大的樣品是否會(huì)影響其他樣品測(cè)試時(shí)X射線(xiàn)的入射和探測(cè)器對(duì)信號(hào)的接收.因此本文設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：樣品為純鋁，測(cè)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(xiàn)發(fā)生器和檢測(cè)器分別位于豎直樣品臺(tái)的右側(cè)和左側(cè)，不同厚度的3個(gè)樣品分別排列在同一水平線(xiàn)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(duì)峰位的影響

不同厚度的樣品測(cè)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(guān)察峰強(qiáng)度的區(qū)別，對(duì)5條譜線(xiàn)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(cè)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(duì)比Fig.5 Peak intensities of Si on different Z positions

可以通過(guò)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(guò)軟件校準(zhǔn)后確定Z為7.742 mm.由表2可見(jiàn)，通過(guò)與Si標(biāo)準(zhǔn)峰位的對(duì)比可見(jiàn)，測(cè)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(huì)造成譜圖峰位的偏移.由表2可見(jiàn)，當(dāng)樣品表面低于光路中心位置時(shí)，峰位呈減小趨勢(shì)，當(dāng)樣品表面高于光路中心位置時(shí)，峰位呈增加趨勢(shì).具體偏移量為，樣品表面與光路中心位置偏移0.3 mm時(shí)，峰位偏移的絕對(duì)值為0.1左右，如圖6所示.此外，由圖5可見(jiàn)，不同的Z軸對(duì)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(xiàn)的物相分析.

表2 不同Z軸位置對(duì)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(shí)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(cè)試時(shí)不同厚度樣品的放置方式對(duì)譜線(xiàn)的影響

不同厚度樣品批處理測(cè)試結(jié)果如圖7所示.由圖7可見(jiàn)：

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

(2)對(duì)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(wú)關(guān)，說(shuō)明測(cè)試過(guò)程中該樣品的入射和衍射信號(hào)可能部分被左右兩側(cè)的樣品阻擋，導(dǎo)致信號(hào)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(jiàn)，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(cè)試時(shí)可以同時(shí)進(jìn)行不同厚度樣品的測(cè)試.

4 結(jié)論

(1)當(dāng)樣品表面低于光路中心位置時(shí)，峰位呈減小趨勢(shì)，當(dāng)樣品表面高于光路中心位置時(shí)，峰位呈增加趨勢(shì).具體偏移量為，樣品表面與光路中心位置偏移0.3 mm時(shí)，峰位偏移的絕對(duì)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(cè)試時(shí)，譜線(xiàn)的峰強(qiáng)度會(huì)受到樣品厚度的影響.

圖7 不同厚度的樣品批處理測(cè)試時(shí)厚度對(duì)譜線(xiàn)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(cè)試時(shí)厚度對(duì)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(huì)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.