应用案列丨XRD 中光学元件的重要性

安东帕

2023/11/17 15:46

阅读：51

X 射线衍射仪

正确选择 X 射线光学元件可以显著提高 XRD 数据质量，使定量和定性物相分析更容易，并避免忽视衍射图中的重要细节。

X 射线衍射 (XRD) 是对多晶样品（如粉末或块体材料）进行定量和定性分析的标准方法。很难识别材料中包含的所有物相，并量化每个物相的正确相对含量。这在多相体系中尤其如此，其中某些物相只占整个体系的百分之几。高数据质量、高分辨率和低背景噪音在这方面有很大帮助。Anton Paar 全自动多功能粉末 X 射线衍射仪 XRDynamic 500 是此类测量的完美选择，因为其专利的TruBeam^TM 概念将无与伦比的数据质量和测量效率相结合。

TruBeam^TM

TruBeam™ 是包括在数据质量和测量效率方面提供优势的硬件和技术的概念。360 或 400 mm 的测角仪半径大于粉末 XRD 仪器中的典型值，使得其拥有极高的测量分辨率。大半径的一个可能缺点是光束必须穿过大量空气，从而导致更高的背景，并由于空气散射和光束在空气中的吸收而降低强度。XRDynamic 500 独特的全真空光学单元解决了这个问题。

TruBeam^TM 还具有所有光学元件的完全自动化功能，允许在同一实验中对具有不同发散狭缝尺寸、光束掩模和索拉狭缝的复杂测量进行设置。

动机

本报告中所述的测量目的是研究和可视化不同光学元件对 XRD 测量数据质量的影响有多大，以及如何影响检测痕量相的可能性。测试包含两种样品：

碳酸钙 (CaCO₃) 与金红石 (TiO₂) 混合物
碳酸钙与葡萄糖 (C₆H₁₂O₆) 混合物

实验准备

XRDynamic 500

样本制备：

通过将碳酸钙 (CaCO₃) 与葡萄糖混合或碳酸钙与金红石 (TiO₂) 混合来制备 10 种不同的样品。制备了两种组合的五种混合物，其中二氧化钛或葡萄糖的重量百分比分别为 50、10、5、0.5 或 0.2 wt.-%，碳酸钙构成剩余部分。在进行测量之前，将样品在玛瑙研钵中均化。

X 射线衍射测量:

10 个样品放置在 XRDynamic 500 衍射仪的 XY 样品台上，使用可旋转并可承载 12 个样品的样品架（图 1）。此样品更换器允许自动测量多达 12 个反射或透射几何的样品，并可选择在测量期间旋转样品。

图1：12位样品架

所有样品的测量均在三种不同条件下进行。对于第一组样本，在光学单元中移除真空，并在 Bragg-Brentano 几何中使用 Kβ 滤光片进行测量。对于接下来的两个测量组，真空被应用到光学单元，它是 XRDynamic 500 中的标准配置。第二组测量再次使用 Kβ 滤光片在 Bragg-Brentano 几何中进行，而第三组测量使用初级发散光束单色器进行。

所有样品均使用来自 X 射线源 (Primux 3000) 的 Cu-Kα 辐射在反射几何中测量，每次扫描的扫描时间为 15 分钟。

实验分析

信噪比

第一步，研究了三种不同仪器设置的信噪比差异。使用CaCO₃ 与 TiO₂ 的 1:1 混合物的三个衍射图（图 2）进行比较。当使用初级发散光束单色器时，在低角度区仍保持较低背景，但在使用 Kβ 滤光片的两次测量中都出现了低角度区的强背景信号，因此可以确定背景信号与真空环境无关，其可能是由轫致辐射引起的，并不会被 Kβ 滤光片去除。此外，与在空气环境中的测试相比，使用真空单元测试整体强度明显提升，并拥有更佳的信噪比。这些结果说明了真空单元和单色器的使用在很大程度上提高了数据质量。

图2：1:1 混合物的三个衍射图

适当的单色化对于在低角度有明显反射信号的样品（例如葡萄糖）特别重要，其中较低的背景强度允许观察到较弱的反射峰（图 3）。

图 3：CaCO₃ 和葡萄糖 1:1 混合物的衍射图

相识别

数据质量对于相的识别的重要性可以通过观察其中一个痕量相来证明。这种情况是日常 XRD 测量中最常见的挑战之一。图 4 显示了不同葡萄糖浓度下葡萄糖的 (001) 峰。 (001) 峰是葡萄糖在最小角度的可观察到的峰，与 X 射线成大约 9.2° 2θ 的角度。图 4a 显示了在真空下使用初级发散光束单色器进行的测量结果，图 4b 显示了在没有真空的情况下使用 Kβ 滤光片测量的同一样品。可以看到，图 4b 中的测量背景较高，并且在浓度为 0.5 wt.-% 及以下时，(001)峰与背景无法区分。相比之下，在使用单色器和真空单元的测量中，峰在低至 0.2 wt.-% 的浓度下仍然清晰可见。突出了 XRDynamic 500 的 TruBeam™ 概念可以提高对痕量相检测的灵敏度。

图 4：CaCO3 中含有不同浓度葡萄糖的葡萄糖 (001) 峰的比较。 a：带有单色器和真空光学单元。 b：没有单色器，光学单元中没有真空

实验结论

实验提供的数据展示了安东帕的 TruBeam^TM 概念如何显着提高 XRD 测量中的数据质量。这对于混合物或多相样品中的痕量相至关重要。XRDynamic 500 的真空光学单元使样品的强度显著提高，同时降低了测量背景，从而缩短测量时间，同时使用单色器进一步降低了背景。这两种特性的结合带来了无与伦比的数据质量，允许进一步对痕量相进行识别。