梁向暉 鐘偉強(qiáng) 毛秋平

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣州510640）

1 前言

X射線衍射儀是應(yīng)用面較廣的儀器設(shè)備，是對(duì)流體、粉末及塊狀晶體等物質(zhì)的重要無(wú)損分析工具，主要應(yīng)用于樣品的物相定性分析和定量分析、晶體結(jié)構(gòu)分析以及材料的織構(gòu)分析、晶粒大小、結(jié)晶度測(cè)定等。作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征的必不可少的手段，X射線衍射分析在化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生物等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用［1，2］。運(yùn)用X射線衍射儀可以獲得分析對(duì)象的粉末X射線衍射圖譜，只要樣品是可以制成粉末的固態(tài)樣品或者是能夠加工出小平面的塊狀樣品，都可以用它進(jìn)行分析測(cè)試，了解與掌握X射線衍射技術(shù)對(duì)化學(xué)、化工、材料方向的本科生、研究生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)將起到很大的促進(jìn)作用。

D8ADVANCE型X射線衍射儀具有優(yōu)異的性能，尤其在小角度測(cè)試過(guò)程中具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，是很多實(shí)驗(yàn)室首選的進(jìn)口實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在實(shí)際工作中，由于儀器的配件一般比較昂貴，因此，儀器的日常維護(hù)非常關(guān)鍵。必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程，盡量減少故障的發(fā)生；此外有些故障如能自己解決，則可極大地節(jié)省維修費(fèi)用。本文就作者5年來(lái)在管理和使用D8ADVANCE型X射線衍射儀過(guò)程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，介紹了儀器系統(tǒng)各個(gè)組成部件在維護(hù)和使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)，與廣大同行進(jìn)行探討。

2 衍射儀系統(tǒng)組成

D8ADVACE型X射線衍射儀是德國(guó)Bruker公司的一款經(jīng)典X射線粉末衍射儀，整個(gè)系統(tǒng)主要由X光管、高壓發(fā)生器、測(cè)角儀、探測(cè)器、控制／數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、水冷機(jī)幾大部分組成，其中X光管、高壓發(fā)生器、探測(cè)器、和計(jì)算機(jī)工作站是衍射儀系統(tǒng)的主要核心部件，水冷機(jī)、穩(wěn)壓電源、空調(diào)、抽濕機(jī)等是不可缺少的輔助設(shè)備。

3 X射線衍射儀各部件的維護(hù)與使用

3.1 防鉛玻璃門的維護(hù)與使用

X射線對(duì)人的生理有很大害處。由于鉛具有阻擋X射線的功能，因此，X射線衍射儀都有防鉛玻璃門用來(lái)防止X射線泄漏。測(cè)試者進(jìn)入X射線室，觀察儀器是否處于正常狀態(tài)（正常狀態(tài)為儀器機(jī)柜的Ready、On兩個(gè)指示燈亮）。如果紅色Alarm燈常亮，說(shuō)明儀器有報(bào)錯(cuò)，儀器不能測(cè)試，此時(shí)一般可能是防鉛門未關(guān)好，導(dǎo)致高壓關(guān)閉。由于防鉛門是每個(gè)測(cè)試者必須操作的，使用頻率高，易出問(wèn)題，因此，加強(qiáng)培訓(xùn)正確使用防鉛門是必不可少的。培訓(xùn)時(shí)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)人員每次開防鉛玻璃門必須先按“Open Door”按鈕，看到Alarm燈閃爍時(shí)，方可開門；樣品放好后把門關(guān)好，此時(shí)Alarm燈停止閃爍；放樣時(shí)小心開門、關(guān)門，輕推輕拉，避免猛力碰撞；每次關(guān)門后再將門把手上的按鈕進(jìn)一步扣緊，再次確認(rèn)關(guān)好；一定要關(guān)好門后再測(cè)試，否則高壓自動(dòng)關(guān)閉，需復(fù)位系統(tǒng)高壓發(fā)生器。測(cè)試時(shí)也需反復(fù)強(qiáng)調(diào)，應(yīng)用雙手打開防鉛門，不得手中拿有樣品架同時(shí)進(jìn)行開門操作，關(guān)門時(shí)應(yīng)將把手同時(shí)往內(nèi)推入，聽到咔的響聲為正確關(guān)門。關(guān)門后注意觀察Alarm燈是否點(diǎn)亮，如亮或者閃爍說(shuō)明防鉛門未關(guān)好，5秒鐘內(nèi)盡快返回關(guān)好門，確保防鉛玻璃門關(guān)好才能開始測(cè)試。

防鉛玻璃門的使用主要遇到如下問(wèn)題。故障一：在測(cè)試過(guò)程中，不易開關(guān)防鉛玻璃門。究其原因一、門把手開關(guān)摩擦阻力大，這時(shí)調(diào)節(jié)防鉛玻璃門把手正下方的小螺帽松緊即可消除該故障；原因二、門上方的卡位螺絲松動(dòng)造成防鉛門滑輪在導(dǎo)軌中產(chǎn)生較大阻力，進(jìn)而不能關(guān)閉防鉛門，這時(shí)將防鉛玻璃門上方卡位螺絲對(duì)準(zhǔn)上方孔口擰緊即可消除該故障。故障二：防鉛門未關(guān)好，導(dǎo)致高壓關(guān)閉，ON和Alarm指示燈點(diǎn)亮。檢查發(fā)現(xiàn)防鉛門未關(guān)好，立即嘗試關(guān)好門，如能關(guān)好門，只需高壓復(fù)位。打開D8tools軟件，進(jìn)行高壓復(fù)位，高壓復(fù)位后重新開啟高壓，再打開測(cè)試軟件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可正常使用。故障三：防鉛門未關(guān)好，導(dǎo)致高壓關(guān)閉，ON和Alarm指示燈點(diǎn)亮。檢查發(fā)現(xiàn)防鉛門仍未關(guān)好，嘗試關(guān)好門，如不能關(guān)好門，則必須關(guān)機(jī)重啟儀器，按下紅色開關(guān)進(jìn)行關(guān)機(jī)。開機(jī)前確認(rèn)防鉛門已經(jīng)關(guān)好，然后再按綠色開關(guān)。待儀器自檢完成之后，ON和Alarm指示燈點(diǎn)亮。打開D8tools軟件，進(jìn)行高壓復(fù)位，高壓復(fù)位后再初始化Theta和2Theta，再打開測(cè)試軟件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可正常使用。如重啟儀器時(shí)防鉛門無(wú)法自動(dòng)關(guān)好，此時(shí)可能是電路控制部分故障，須關(guān)機(jī)拆開門鎖蓋板檢查門鎖線圈；如仍不能解除故障，可能須更換電源控制分配板。

3.2 樣品臺(tái)的維護(hù)與使用

由于我們使用的X射線粉末衍射儀為2θ／θ偶合系統(tǒng)，即試樣轉(zhuǎn)θ角，探測(cè)器轉(zhuǎn)2θ角，測(cè)試過(guò)程中由于試樣旋轉(zhuǎn)，樣品有可能脫落，脫落粉末在樣品臺(tái)（圖1）逐漸積累，造成摩擦力增大，影響安裝樣品架。因此樣品臺(tái)的維護(hù)與樣品的制備工作息息相關(guān)，同時(shí)一張衍射圖質(zhì)量的好壞與樣品的制備工作也密切關(guān)聯(lián)。對(duì)于樣品的準(zhǔn)備工作，必須有足夠的重視。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣品臺(tái)

3.2.1 粉末樣品制樣

（1）粉末樣品應(yīng)干燥，粒度一般要求10～80 μm，且避免顆粒不均勻。顆粒太大，衍射強(qiáng)度低，峰形不好，分辨率低。如果樣品太少，可以用單晶硅零背景樣品架。

（2）用藥勺取適量樣品于樣品架中間的槽里，另取一塊載玻片，用稱量紙遮蓋并用載玻片輕輕將樣品壓緊，同時(shí)將高出樣品架的多余粉末刮去，如此重復(fù)幾次使樣品表面平整。將樣品架邊緣的樣品刮掉，擦干凈即可進(jìn)行測(cè)試。在粉末衍射中，樣品填充在樣品架上的深度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大［3］。不同材料用常規(guī)測(cè)試方法測(cè)試的深度不同，一般金屬材料只能到幾個(gè)微米級(jí)，碳有時(shí)可到毫米級(jí)，樣品深度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大；而對(duì)于原子吸收系數(shù)小的樣品，如聚合物、高分子材料、有機(jī)藥物等，如果樣品的深度太淺，X射線很容易打到基體表面，檢測(cè)不到信號(hào)。

3.2.2 塊狀樣品制樣

（1）測(cè)試面清潔平整，可裝入直徑為23mm的中空樣品架，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品臺(tái)來(lái)說(shuō)，樣品厚度一般不超過(guò)20mm；

（2）在中空樣品架放置一定量的橡皮泥，將樣品放置在橡皮泥上，用載玻片將樣品壓平，高度與樣品架表面齊平。否則會(huì)引起測(cè)量角度精確性和對(duì)應(yīng)d值偏差。

作為開放共享的X射線粉末衍射儀，必須熟練掌握制樣、放樣、取樣操作。切記測(cè)試完后回收樣品，用無(wú)水乙醇清潔樣品架，樣品臺(tái)應(yīng)定期使用吸耳球清潔干凈。

3.3 控制／數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的維護(hù)與使用

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、處理及對(duì)X射線粉末衍射儀實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的操作平臺(tái)。該X射線粉末衍射儀系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)工作站使用win7操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)工作站一般不需要關(guān)機(jī)，工作站工作時(shí)要保證良好的工作環(huán)境，散熱要良好，否則容易造成硬盤損壞。為有效防止病毒的感染，造成PDF數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的丟失，特安裝另一臺(tái)數(shù)據(jù)電腦，測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到數(shù)據(jù)電腦上，可在數(shù)據(jù)電腦上進(jìn)行譜圖分析，測(cè)試結(jié)果通過(guò)QQ群或電子郵件發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣既方便了測(cè)試，又能及時(shí)獲得測(cè)試結(jié)果；同時(shí)可防止使用U盤拷貝數(shù)據(jù)而造成病毒感染電腦，并有利于X射線室合理安排開放時(shí)間。

3.4 高壓發(fā)生器的維護(hù)

高壓發(fā)生器的維護(hù)保養(yǎng)，首先要保證儀器有一個(gè)良好的工作環(huán)境。工作環(huán)境要求無(wú)塵、恒溫、防潮、防震、防腐蝕等?；覊m會(huì)造成電路板等接觸不良或絕緣性能變差從而引起各種故障。溫度和濕度非常重要，電子元器件特別是集成電路都要求在合適的溫度和濕度范圍內(nèi)工作，溫度過(guò)高不利于電子元件散熱，會(huì)導(dǎo)致電子元件不正常工作，潮濕的環(huán)境易使儀器的絕緣性能變差，產(chǎn)生短路等不安全的因素，并極易造成器件的生銹以致?lián)p壞，發(fā)生各種故障。應(yīng)定期對(duì)高壓發(fā)生器進(jìn)行除塵，一年進(jìn)行一到兩次的徹底除塵工作，拆開下機(jī)柜外蓋，清理掉機(jī)柜內(nèi)部包括電源、電路板等各個(gè)部件的灰塵，以免因灰塵引發(fā)各種電路或信號(hào)故障，有效節(jié)省維修成本和維修時(shí)間，保證儀器的正常運(yùn)行。

X射線衍射儀高壓故障的主要現(xiàn)象是不能開啟高壓，高壓系統(tǒng)每一部分工作不正?；虬踩Ｗo(hù)電路啟動(dòng)都可導(dǎo)致不能開啟高壓。比較常見的故障因素主要有循環(huán)冷卻水流量過(guò)小、X射線光管損壞、高壓電纜損壞以及高壓電路有故障等?？捎脙x器自帶的D8tools軟件進(jìn)行檢查，根據(jù)故障信息提示可大致確定故障的范圍。具體方法為先打開儀器電源開關(guān)，啟動(dòng)D8tools軟件，再開高壓，儀器會(huì)進(jìn)行一系列自檢并啟動(dòng)高壓，如果自檢不正常會(huì)給出相應(yīng)的故障信息，根據(jù)故障信息進(jìn)行相應(yīng)的維修。

3.5 水冷機(jī)的維護(hù)

循環(huán)水系統(tǒng)主要檢查水冷機(jī)水箱是否漏水，過(guò)濾器濾芯狀況，室外風(fēng)機(jī)是否有異常聲響，因風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在室外運(yùn)行，散熱片之間容易積累灰塵形成結(jié)垢，會(huì)造成水冷機(jī)室外機(jī)過(guò)熱保護(hù)，應(yīng)根據(jù)情況及時(shí)清洗。需要注意的是X射線光管內(nèi)的冷卻水管道較細(xì)，光管使用時(shí)間較久后管道內(nèi)可能結(jié)垢，使循環(huán)冷卻水流量減小，所以循環(huán)冷卻水要求為蒸餾水。

X射線衍射儀較易出現(xiàn)故障的地方是水冷機(jī)循環(huán)系統(tǒng)，一般表現(xiàn)為漏水、水溫過(guò)高、水流速太小和水冷機(jī)輸出壓力小等。漏水一般為橡膠皮管老化、接頭松動(dòng)等所致，這些故障均較易排除。水溫過(guò)高一般為室外壓縮機(jī)故障，維修方法與空調(diào)室外機(jī)相同［4］。導(dǎo)致水流速過(guò)低可能涉及4個(gè)方面：（1）管道堵塞；（2）水冷系統(tǒng)的泵故障；（3）測(cè)流速的轉(zhuǎn)子流量計(jì)損壞；（4）電子計(jì)數(shù)故障等。如果是前面3個(gè)故障之一，可以自助排除，而電子計(jì)數(shù)因涉及到電路板排除相對(duì)困難。

4 結(jié)語(yǔ)

X射線衍射儀為大型精密貴重儀器設(shè)備，是集光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、水冷卻循環(huán)及計(jì)算機(jī)控制為一體的高精度復(fù)雜設(shè)備，我院使用的D8ADVACE型X－射線衍射儀從使用至今穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好，主要是我們對(duì)X射線粉末衍射儀實(shí)行專人管理、專人維護(hù)、開放共享，制定了符合儀器性能的操作規(guī)程。在日常使用過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)管理員業(yè)務(wù)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，及時(shí)總結(jié)使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，充分掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能；同時(shí)不斷提高操作人員的操作水平。X射線衍射儀在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障在所難免，一旦發(fā)生故障，快速判斷故障部位及正確處理故障點(diǎn)是保證儀器故障范圍不擴(kuò)大的關(guān)鍵。規(guī)范的管理使用，積極的日常維護(hù)和保養(yǎng)是延長(zhǎng)儀器使用壽命的保證，安全有效的長(zhǎng)期運(yùn)行是大型精密貴重儀器性價(jià)比的充分體現(xiàn)。

［1］馬禮敦.近代X射線多晶體衍射［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：8－10.

［2］祁景玉.現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006：75－104.

［3］程國(guó)峰，楊傳錚，張健.填樣深度對(duì)多晶粉末X射線衍射儀測(cè)試結(jié)果的影響研究［J］.分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2009，28（3）：342－344.

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