X射线粉末衍射技术——测量与分析基础

本书内容主要分为五部分：X射线粉末衍射技术的发展历程和功能应用；X射线衍射仪器、光路配置、样品制备和测量过程；物相分析的基本原理、分析过程、注意事项、结果评价和部分实例；X射线衍射仪器的维护保养和辐射安全；X射线衍射技术的学习方法论。
本书着重介绍衍射图谱的产生过程和各类影响因素，以及与物相分析功能的相关性。在测量技术方面，详细介绍了衍射仪中各类光路元器件的工作原理和参数设置，并对测量过程的每个环节进行了详细论述。在物相分析方面，针对最常用的物相鉴定功能开展了鉴定原理、鉴定方法、鉴定技巧、数据库应用等方面的详细论述，并为鉴定结果的可信度提出评估方法和依据；针对物相定量分析、微结构分析等深层次功能，由浅入深地介绍了数学原理的推导、功能发展的历程，以及部分案例的应用，并且论证了分析方法的简化过程等内容。最后对衍射仪的维护保养、X射线辐射安全等方面进行了详细介绍，并对X射线衍射技术的学习方法和技巧进行了深入讨论，总结性指出了技术能力晋升的途径。
本书可作为相关专业本科生、研究生的教学用书，也可作为从事X射线衍射测量和物相分析工作的技术人员的参考书。

王春建，1982年出生，山东庆云人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事材料表征与分析-X射线多晶衍射技术方向的科学研究和教学工作，现就职于昆明理工大学分析测试研究中心（云南省分析测试中心）。
主持参与国家级、省部级等自然科学基金项目15项，发表学术论文26篇，申报发明专利5项，参与修订X射线衍射领域行业标准1项，参与修订地方标准1项，开展线上/线下X射线衍射技术讲座/培训近50次。
现任英国Malvern Panalytical（马尔文帕纳科）公司X射线联合实验室XRD特邀应用专家、Honarary Scientist，马尔文帕纳科X射线分析仪器用户会常设组织委员会委员，日本RIGAKU（理学）公司中国X射线衍射仪用户协会委员，中国丹东浩元仪器公司特邀培训讲师，《冶金分析》青年编委，《分析仪器》编委，"中国材料与试验标准化委员会-科学试验领域/科学试验创新方法技术/结构形貌创新方法标准化分技术委员会"委员。

X射线粉末衍射技术是利用X射线的衍射现象开展物相鉴定、物相定量、微结构分析等工作的材料表征技术，由于样品制备简单、测量过程准确、分析内容丰富，已被广泛应用于材料、冶金、地质、化工等学科专业的科学研究和工业生产中，并已逐渐成为相关学科的通用表征手段之一。
X射线粉末衍射技术不仅仅是一种测量表征技术，更是一种从原子层面认识材料本质的手段。以一块金属为例，在正空间可以观察到金属块的尺寸、形态、质地等特征，甚至可以使用电子显微镜等手段将这些特征放大，进行极其细微的观察和分析，但这种观察分析在处理原子层面的信息时显得吃力；X射线粉末衍射技术将金属块(表面层)原子层面的特征信息投影到倒易空间中，只需观察和测量倒易空间中的衍射信息，即可对金属块原子层面的特征进行观察和分析。X射线粉末衍射技术所构建的倒易空间分析与正空间分析是开展材料表征的两个方面，这两个方面互为补充，并且缺一不可。
在材料学科蓬勃发展的新时代，有必要重申X射线粉末衍射技术的重要作用和意义，为此，本书设置了第1章、第2章内容，详细介绍X射线粉末衍射技术的来源、历程、发展，以及各类常用功能。同时，为了使初学者尽快入手，本书设置了第3章、第4章、第5章、第11章内容，对衍射仪的光路原理、性能参数、样品制备、测量过程以及仪器维护和辐射安全等方面都进行了详细介绍。在物相分析方面，为了强化物相鉴定的重要性并提高鉴定的准确性，本书在第6章详细介绍物相鉴定的基础上，特意增加了第7章对鉴定结果开展可信度评估的内容。为了扩展应用，本书设置了第8章、第9章、第10章对物相定量分析、衍射线形分析和晶胞参数分析进行了详细介绍。为了增强初学者的学习效率，本书设置了第12章，对学习方法进行了详细讨论。
本书是在作者多年从事测量分析工作和教学工作的基础上编写的，有感于自身的学习经历，本书着重从实践角度力求由浅入深、通俗易懂地进行介绍和论证，将初学者可能遇到的问题和困难都尽力去诠释、去解决。期望通过本书的学习，广大师生和技术工程人员能够提高学习效率和信心。
本书由王春建独立编著。编著过程中，受到了查锡金、董正荣、高峰、赵刚等工程师的鼓励，以及许艳松、龚媛媛等实验师和单位领导的支持，在此一并表示感谢。此外，本书引用的部分资料来自已经发表的专著和文献，列于参考文献中，在此向原作者表示感谢。
限于作者水平，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。

王春建
2023年11月

第1章晶体与X射线衍射现象 001
1.1晶体与非晶体 002
1.2晶体的X射线衍射现象 004
1.3X射线衍射现象的发现 006
1.4X射线衍射现象的意义 008
1.5X射线物相分析依据 011
1.6X射线粉末衍射仪 012
小结 013

第2章X射线粉末衍射功能与应用 015
2.1物相鉴定 016
2.2物相定量 017
2.3结晶度分析 020
2.4晶胞参数分析 021
2.5固溶度分析 022
2.6纳米晶粒尺寸与微观应变分析 023
2.7残余应力分析 024
2.8择优取向与织构分析 024
小结 026

第3章X射线衍射仪与测量光路 029
3.1衍射仪基本组成 030
3.2衍射光路组成 032
3.3X射线管 033
3.4几何测角仪 037
3.5探测器 039
3.6光学元器件 040
3.6.1索拉狭缝 040
3.6.2发散狭缝、防散射狭缝、接收狭缝 041
3.6.3滤光装置 042
3.6.4其他光学元器件 044
3.7常用样品台 045
3.7.1平板样品台 045
3.7.2自动进样器 046
3.7.3微区样品台 046
3.7.4多轴样品台 047
3.7.5高温样品台 047

第4章测量与参数 049
4.1测量程序与参数 050
4.2仪器参数 051
4.3狭缝参数 052
4.4样品制备参数 054
4.5测量范围 055
4.6测量速率 056
4.7测量步长 057
4.8测量模式 058
4.9测量时间 059
4.10薄膜掠入射参数 060
4.11高温衍射参数 062

第5章样品制备技术 065
5.1样品制备影响因素 066
5.2样品制备方法 067
5.3粉末样品的粒度控制 068
5.4自制标样 070
5.5实例分析 072

第6章物相定性分析 083
6.1物相定义 084
6.2PDF卡片与数据库 085
6.3检索软件 088
6.3.1软件定性检索原理 090
6.3.2软件定性检索步骤 090
6.3.3软件定性检索方法 090
6.4物相定性分析判断依据 092
6.5注意事项与常用技巧 094

第7章物相定性结果评估 097
7.1测量质量评估 098
7.2数据平滑处理 099
7.3本底与Kα2扣除 101
7.4伪峰识别 104
7.5定性分析影响因素 105
7.6定性分析学习方法 109
7.7常见问题实例 113
小结 114

第8章物相定量分析 117
8.1物相定量方法概述 118
8.2参比强度法 118
8.3公式类比与准确度 121
8.3.1公式类比 121
8.3.2定量准确度 122
8.4参比强度法的限制与扩展 123
8.5全谱拟合结构精修法 124
8.5.1历史发展 124
8.5.2Rietveld精修原理 125
8.5.3Rietveld物相定量原理 126
8.6Rietveld精修法定量实例 127
8.6.1测量图谱和晶体文件输入 128
8.6.2晶体基本参数编辑 129
8.6.3拟合参数编辑 132
8.6.4计算图谱与深度编辑 132
8.6.5全谱拟合与定量 135
8.6.6结果输出 136

第9章衍射线形分析 139
9.1衍射线形 140
9.2纳米晶粒引起的半高宽 141
9.3微观应变引起的半高宽 144
9.4两种效应引起的综合半高宽 144
9.5衍射线形与结晶度 146
9.6拟合分峰处理 147
9.6.1背景标定 147
9.6.2拟合分峰 148
9.7结晶度的计算方法 149

第10章晶胞参数精密分析 151
10.1晶胞参数简介 152
10.2晶胞参数的计算方法 152
10.3计算偏差的来源 154
10.4计算偏差的控制 155
10.4.1机械校正 155
10.4.2测量方法校正 155
10.4.3外推函数法校正 156
10.5寻峰偏差 158
10.6“线对法”计算晶胞参数 159

第11章仪器维护与辐射安全 161
11.1硬件维护 162
11.1.1X射线管的日常维护 162
11.1.2水冷系统的日常维护 163
11.1.3测角仪的日常维护 164
11.1.4样品台的日常维护 164
11.2光路校准 165
11.2.1单色器 165
11.2.2测角仪零点 166
11.2.3“切光法”光路校准 167
11.3其他维护 169
11.4X射线的电离辐射 169
11.5电离辐射安全防护 170

第12章学习方法论 173
12.1常见概念与分类 174
12.1.1散射与衍射 174
12.1.2布拉格角与衍射角 174
12.1.3物相分析与结构解析 175
12.1.4理论学习与实践分析 175
12.2衍射测量经验谈 176
12.2.1关于X射线衍射仪 176
12.2.2关于应用光路 177
12.2.3关于数据分析软件 177
12.3学习历程分享 178
12.4六级阶梯 181

参考文献 183