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X射线衍射仪是研究物质物相的主要仪器，能够定性和定量分析样品的物相，晶体结构分析以及晶粒大小、结晶度测定等，在化学、材料学、物理学、地质、环境、纳米材...
X射线衍射仪是研究物质物相的主要仪器，能够定性和定量分析样品的物相，晶体结构分析以及晶粒大小、结晶度测定等，在化学、材料学、物理学、地质、环境、纳米材料和生物等领域均具有重要的应用，随着水泥行业的发展，X射线衍射技术的应用也越来越广泛，各大水泥企业均配置X射线衍射仪对水泥及原材料进行物相分析，广泛应用于水泥生产质量控制及解决质量重难点问题。本文结合使用D8 ADVANCE型X射线衍射仪过程中的实际经验，介绍了X射线衍射仪在水泥基材料检测的参数选择及操作注意事项进行简要探讨。
1 X射线衍射仪检测原理
X射线则是作为一电磁波投射到晶体中，受到晶体中原子（电子）的散射，散射波以每一个原子中心发出的散射波（球面波）。由于晶体中原子周期排列，这些散射球面波之间存在着固定的位相关系，在空间产生干涉，导致在某些散射方向的球面波相互加强，某些方向上相互抵消，从而出现衍射现象，即在偏离原入射线方向上，只有在特定的方向上出现散射线加强而存在衍射斑点或Debye环，其余方向则无。并且晶体中原子的间距和X射线波长具有相同的数量级（1埃～10埃），晶格作为光栅产生衍射花样，衍射花样反映晶体结构的特征，可由此推断晶体中质点的排列规律。其中衍射花样的特征由两方面来定义：空间的分布规律（衍射方向）由晶胞的大小、形状、和位向所决定，衍射线的强度取决于原子的种类和它在晶胞中的位置[1]。
2 X射线衍射仪样片制备
X射线衍射仪样片制备分为两个部分，首先将测试样品粉磨至规定的细度，然后把样品粉末制备成一个十分平整的样片。
2.1 制样
为减少制样环节带来的系统误差，抑制晶体带来的择优取向，消除消光和微吸收效应对衍射强度的影响，建议统一粉磨参数，结合试验样品种类可按照表1粉磨至一定的细度。
表1 样品制样参数表
2.2 压片
将磨细后的试样用药勺取适量置于XRD样品架凹槽中，样品高度略高出边缘平面，再用小抹刀刀口轻轻剁紧，然后用毛玻璃将多余粉末削去铺平，样品面需与边缘面同一高度，在粉末衍射中，样品填充在样品架上的深度对实验结果影响情况见图1，一般厚度偏高，波峰会右移，厚度偏薄，波峰会左移。
图1 压片高度对检测结果影响图
3 X射线衍射仪设备参数的选择
3.1 阳极靶的选择
选择阳极靶的基本要求，尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射[3]，以降低衍射花样的背景，使图样清晰。不同靶材的使用范围见表2，水泥及原材料属于一般无机物或有机物通常选用Cu靶。
表2 不同靶材的使用范围
3.2 管电压和管电流
工作电压设定一般为靶材临界激发电压的3～5倍，选择管电流时功率不得超过X射线管额定功率，较低的管电流可以延长X射线光管的寿命。再选择管电压和管电流时，优先选择管电压，Cu靶激发电压为8k V，日常测试一般选择管电压40k V，管电流40m A，见表3。
3.3 发散狭缝的选择
发散狭缝决定了X射线水平方向的发散角，限制试样被X射线照射的面积。如果选择较宽的发散狭缝，X射线强度增加，但在低角处入射X射线超出试样范围，照射到边上的试样架，出现试样架物质的衍射峰或漫散峰，对检测结果产生误差。因此有必要按测定目的选择合适的发散狭缝宽度，发散狭缝宽度通常有0.2°、0.6°、1°、2°和4°，对于常规定性定量分析通常选用1°发散狭缝，对于低角度衍射非常重要时，可以选用0.6°（或0.2°）发散狭缝[2]。
表3 管电压和管电流选择
3.4 索拉狭缝的选择
索拉狭缝主要控制轴向（垂直方向）发散度，索拉狭缝越大，衍射强度越大，但峰型的展宽和不对称越明显[3]。索拉狭缝宽度通常有2.5°、1.5°、4°和5.1°常规定性定量分析通常选用4°索拉狭缝，晶体结构精修要求高时选用2.5°索拉。
3.5 数据采集参数选择
(1）扫描范围：2theta角度范围选择8～75。
(2）测量步长：设置值为最小的半峰宽FWHM/6。
尖锐的峰（结晶性好）：步长=0.01°～0.015°；中等宽度：步长=0.02°～0.04°；很宽的峰（纳米晶粒）：步长≥0.06°。
(3）每步测量时间
定性相分析：5min～30min（微量相）；定量相分析：5min～120min，最高峰10 000计数左右；粉末衍射解结构：小时计。
4 X射线衍射仪数据处理
4.1 未知物相定性定量分析
非常规水泥及原材料主要EVA、search等软件，通过三强法原理，对比可能的标准卡片，通过K值法（参比强度法）实现定性半定量分析[4]。
4.2 已知物相定性定量分析
常规的已知的水泥及原材料直接采用To PA S、JADE5等专用解结构软件[5]，对图谱进行全谱拟合，得到定性定量分析结果。拟合结果评判需要结合残次因子Rwp值及拟合度指标GOF一起判定拟合终点和拟合结果的可靠性。
(1）加权图形剩余方差因子Rwp
Rwp能够反映拟合进程的实际情况，修正过程中，Rwp在减小时，应继续修正。Rwp应越小越好，Rwp<15%时表示精修结果可信，原子参数可靠。
(2）拟合度指标GOF
GOF越接近1越好，GOF在1～2之间，精修结果可信，原子参数可靠。
5 结语
(1）为了获得准确的分析结果，必须根据样品种类和特性，选择合适的制样方式，严格压片操作手法，获得符合要求的测试样品；在此基础上，选择合适的X射线管功率，并根据检测目的选择适合的狭缝宽度和扫描步长，均有利于提高物相定量分析的准确度。
(2）当前XRD在水泥行业中的应用范围较为广泛。可对原材料、熟料和水泥品质的判断，在水泥产品使用方面，还可通过XRD检测迅速查找出产品使用过程中出现问题的原因，从而对症下药，为水泥的生产与使用带来了诸多便利和理论指导，随着技术手段的不断创新和设备的不断完善升级，X射线衍射技术在水泥生产应用分析领域必将拥有更广阔的应用前景。
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