二维X射线衍射

　　本书系统地介绍了二维X射线衍射的原理、实验方法、应用技术及应用领域。内容涵盖X射线光源、二维探测器、测角仪和光路，以及衍射数据处理与解析（物相定性、微观结构分析、残余应力分析、织构分析、结晶度测量、薄膜分析、小角散射等），并给出了很多先进材料和药物等的具体分析实例，如用于检查各种样品，包括金属、聚合物、陶瓷、半导体、薄膜、涂料、生物材料、复合材料等。本书可供材料、化学、物理、药学等专业研究人员，从事X射线衍射结构表征相关的研究生、检测人员、技术人员等参考阅读。

　　Bob B. He（贺保平）博士现任布鲁克公司创新及二维衍射业务发展总监，并担任印度理工学院的杰出访问教授。主要从事X射线衍射仪及应用开发，在二维衍射领域具有较高造诣。申请或授权17项美国发明专利及相应的欧盟国家专利，获两项R&D 100美国科技创新奖——美国科技界的“奥斯卡”奖，发表30篇以上相关论文，出版英文专著《二维X射线衍射》（第1、2版），合著《国际晶体学手册H集》第2章，参与制定欧洲残余应力标准。 程国峰，中国科学院上海硅酸盐研究所，课题组长、高级工程师，硕士生导师，中国科学院上海硅酸盐研究所 X射线衍射结构表征课题组组长。主要研究领域为X射线衍射与散射理论及应用，多铁性与磁电耦合物理及材料制备等。曾先后主持国家自然科学基金、上海市科委基础研究重点项目、上海市科委标准化项目、中国科学院仪器创新、上海硅酸盐所创新等项目6项，主编出版《纳米材料的X射线分析》、《同步辐射X射线应用技术基础》专著2部，发布国家标准1项、企业标准1项，获专利授权2项，在Nat. Mater.，J. Appl. Phys.，Mater. Lett.等SCI期刊上发表论文70余篇。现任中国晶体学会粉末衍射专业委员会委员，中国物理学会固体缺陷专业委员会委员、上海市物理学会X射线衍射与同步辐射专业委员会秘书长。

第1章绪论001
1.1X射线技术简史001
1.2晶体几何学002
1.2.1晶格和对称性002
1.2.2晶向和晶面003
1.2.3原子在晶体中的排列006
1.2.4晶体结构缺陷007
1.3X射线衍射原理008
1.3.1布拉格定律008
1.3.2衍射图谱009
1.4倒易空间及衍射010
1.4.1倒易点阵010
1.4.2厄瓦尔德球010
1.4.3衍射锥和衍射矢量锥012
1.5二维X射线衍射012
1.5.1由面探测器测量的衍射图012
1.5.2利用二维衍射图进行材料表征013
1.5.3二维X射线衍射系统及其部件015
1.5.4小结015
参考文献016

第2章衍射几何和基本原理020
2.1引言020
2.1.1二维衍射与传统衍射的比较020
2.2衍射空间和实验室坐标系021
2.2.1实验室坐标系下的衍射圆锥021
2.2.2实验室坐标系下的衍射矢量圆锥023
2.3探测器空间和探测器几何024
2.3.1三维空间衍射花样的理想探测器024
2.3.2衍射圆锥及其与平板二维探测器的锥截面024
2.3.3探测器位置025
2.3.4衍射空间中的像素位置——平板探测器026
2.3.5衍射空间的像素位置——不在衍射仪平面的平板探测器027
2.3.6衍射空间的像素位置——柱面探测器029
2.4样品空间和测角仪几何032
2.4.1欧拉几何中样品的旋转和平移032
2.4.2测角仪几何的变体034
2.5从衍射空间向样品空间的转换035
2.6倒易空间036
2.7小结037
参考文献039

第3章X射线光源及光学部件040
3.1X射线的产生及特征040
3.1.1X射线谱及特征谱线040
3.1.2靶面焦点与取出角041
3.1.3靶面焦点亮度与形状042
3.1.4吸收和荧光043
3.1.5同步辐射044
3.2X射线光学部件044
3.2.1刘维尔(Liouville)定理与基本原理044
3.2.2传统衍射仪中的X射线光学部件046
3.2.3二维衍射仪中的X射线光学部件048
3.2.4β滤波片051
3.2.5晶体单色器052
3.2.6多层膜反射镜054
3.2.7针孔准直器058
3.2.8毛细管光学部件060
参考文献062

第4章X射线探测器064
4.1X射线探测技术064
4.2常规衍射仪中的点探测器066
4.2.1正比计数器066
4.2.2闪烁计数器067
4.2.3固体探测器067
4.3点探测器的特点068
4.3.1计数统计068
4.3.2探测量子效率和能量范围069
4.3.3探测器线性度和计数率070
4.3.4能量分辨率072
4.3.5检测限和动态范围073
4.4线探测器074
4.4.1线探测器几何形状074
4.4.2线探测器的种类076
4.4.3线探测器的特征参数077
4.5面探测器的特征参数079
4.5.1有效面积和角度覆盖范围080
4.5.2重量和尺寸083
4.5.3像素角度覆盖范围083
4.5.4面探测器的空间分辨率085
4.5.5像素数目和角度分辨率086
4.5.6二维衍射仪的角度分辨率087
4.6面探测器的类型089
4.6.1多丝正比（MWPC）探测器089
4.6.2影像板（IP）090
4.6.3电荷耦合（CCD）探测器091
4.6.4互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器094
4.6.5像素阵列（PAD）探测器094
4.6.6电荷积分像素阵列（CPAD）探测器097
4.6.7微隙探测器098
4.6.8面探测器的比较102
参考文献104

第5章测角仪和样品台107
5.1测角仪和样品位置107
5.1.1引言107
5.1.2二圆测角仪107
5.1.3样品台108
5.1.4测角仪轴序列109
5.2测角仪精度110
5.2.1误差球110
5.2.2角度准确度和精度112
5.3样品校准和可视化系统114
5.4环境样品台115
5.4.1圆顶式高温台115
5.4.2变温样品台校准116
参考文献118

第6章数据处理120
6.1引言120
6.2非均匀响应校正120
6.2.1校正源121
6.2.2非均匀响应的校正算法122
6.3空间校正123
6.3.1基准板与探测器平面123
6.3.2空间校正算法125
6.4探测器位置精度及校正128
6.4.1探测器位置公差129
6.4.2探测器位置校准130
6.4.3利用衍射环进行探测器旋转校准131
6.4.4衍射锥的交点133
6.5帧积分136
6.5.1帧积分的定义136
6.5.2帧积分算法——平面图像138
6.5.3帧积分算法——柱面图像142
6.6多帧合并143
6.6.1合并多帧143
6.6.2平面二维帧的柱面投影145
6.6.3重叠区域合并148
6.7二维扫描图像150
6.8洛伦兹、偏振和吸收校正153
6.8.1洛伦兹校正153
6.8.2偏振校正153
6.8.3空气散射和铍窗吸收校正156
6.8.4样品吸收校正158
6.8.5强度校正组合162
参考文献163

第7章物相鉴定165
7.1引言165
7.2相对强度166
7.2.1多重性因子166
7.2.2电子和原子散射167
7.2.3结构因子168
7.2.4衰减因子168
7.3衍射几何和分辨率169
7.3.1探测器距离和分辨率169
7.3.2散焦效应169
7.3.3透射模式衍射172
7.4采样统计性173
7.4.1有效采样体积173
7.4.2角窗174
7.4.3虚拟摆动175
7.4.4样品摆动175
7.5择优取向效应177
7.5.1有织构时的相对强度177
7.5.2纤维织构的强度校正179
参考文献183

第8章织构分析184
8.1引言184
8.2极密度和极图184
8.3基本公式187
8.3.1极角187
8.3.2极密度188
8.4数据采集策略189
8.4.1单次φ扫描189
8.4.2多重φ扫描190
8.4.3φ和ω联用扫描192
8.4.4测角仪φ旋转方向192
8.4.5透射模式193
8.4.6与点探测器比较196
8.5织构数据处理196
8.5.1 2θ积分196
8.5.2吸收校正198
8.5.3极图内插200
8.5.4极图对称性200
8.5.5极图归一化200
8.6取向分布函数200
8.6.1欧拉角和欧拉空间201
8.6.2ODF计算202
8.6.3从ODF计算极图203
8.7纤维织构204
8.7.1纤维织构的极图204
8.7.2纤维织构的ODF206
8.8聚合物织构207
8.8.1聚合物数据采集策略207
8.8.2聚合物薄膜的极图207
8.9二维衍射测量织构的其他优势209
8.9.1取向关系209
8.9.2织构的直接观察210
参考文献211

第9章应力测量213
9.1引言213
9.1.1应力213
9.1.2应变216
9.1.3弹性和胡克定律217
9.1.4X射线弹性常数和各向异性因子218
9.1.5残余应力219
9.2X射线应力分析原理220
9.2.1应变和布拉格定律220
9.2.2应变测量221
9.2.3应力测量222
9.2.4不用d0的应力测量224
9.2.5ψ倾角和测角仪226
9.2.6使用面探测器的sin2ψ法228
9.3二维衍射应力分析原理229
9.3.1应力测量的二维基本方程229
9.3.2传统理论与二维理论的关系232
9.3.3不同应力状态下的二维方程233
9.3.4零应力时的真实晶面间距236
9.3.5衍射圆锥扭曲模拟237
9.3.6测角仪旋转方向240
9.4二维衍射测量应力的步骤241
9.4.1仪器要求与配置241
9.4.2数据采集策略243
9.4.3数据积分和峰位测定245
9.4.4应力测量248
9.4.5织构和大晶粒尺寸的影响249
9.4.6强度加权小二乘法250
9.4.7零应力样品和标样251
9.4.8动态样品高度调整252
9.4.9用零应力样品校正252
9.4.10应力标样校正254
9.5实例255
9.5.1二维方法与传统方法的比较255
9.5.2样品摆动和虚拟摆动256
9.5.3焊件应力的面扫描257
9.5.4薄膜的残余应力260
9.5.5用多个{hkl}衍射环测量残余应力262
9.5.6单倾角法266
9.5.7重复性和重现性研究272
附录9.1从应力张量计算主应力274
附录9.2应力测量参数275
参考文献276

第10章小角X射线散射280
10.1引言280
10.1.1小角X射线散射理论280
10.1.2小角散射通式及参数280
10.1.3X射线光源和光学部件281
10.2二维小角散射系统283
10.2.1小角散射附件283
10.2.2专用小角散射系统285
10.2.3探测器校正和系统校准285
10.2.4数据采集和积分287
10.3应用实例288
10.3.1溶液中的颗粒288
10.3.2扫描小角散射和透射测量289
10.4二维小角散射的创新289
10.4.1同时测量透射和小角散射289
10.4.2垂直小角散射系统292
参考文献294

第11章组合筛选297
11.1引言297
11.1.1组合化学297
11.1.2高通量筛选297
11.2用于高通量筛选的二维衍射系统297
11.2.1反射几何中的筛选技术298
11.2.2自动伸缩阻光刀300
11.2.3透射几何的筛选303
11.3二维衍射和拉曼的组合筛选306
参考文献308

第12章其他应用311
12.1结晶度311
12.1.1简介311
12.1.2传统衍射与二维衍射的对比312
12.1.3散射校正312
12.1.4内部法和外部法314
12.1.5完全法315
12.2晶粒尺寸316
12.2.1简介316
12.2.2晶粒尺寸引起的衍射线展宽317
12.2.3利用γ方向线形分析计算晶粒尺寸318
12.3残余奥氏体324
12.4晶体取向326
12.4.1相对样品的取向326
12.4.2晶面夹角327
12.4.3单晶片的斜切角328
12.5薄膜分析329
12.5.1掠入射X射线衍射329
12.5.2使用二维探测器的反射法333
12.5.3倒易空间面扫描334
参考文献339

第13章创新与发展342
13.1引言342
13.2用于二维衍射的扫描线探测器342
13.2.1工作原理342
13.2.2线探测器扫描的优势343
13.3三维探测器346
13.3.1探测器的第三维度346
13.3.2三维探测器几何346
13.3.3三维探测器和倒易空间348
13.4像素直接衍射分析348
13.4.1概念348
13.4.2像素衍射矢量和像素计数349
13.4.3物相鉴定、织构和应力的PDD分析349
13.5高分辨二维X射线衍射仪351
13.5.1背景351
13.5.2倒易空间的高分辨二维衍射352
13.5.3高分辨二维衍射的新配置353
参考文献357

附录A常用参数值358

附录B符号361

索引367