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D8 VENTURE SC-XRD | 钱币篇

浏览次数:71发布日期:2020-07-31

 

  今天我们再用D8 VENTURE单晶衍射仪不务正业一次。很遗憾这次我解不出结构了。随着移动支付的发展,包里的现金就几乎没动过,更别说硬币了。对我而言,现在硬币最大的用途就是变成了在超市门口获取购物车。可在儿时,5分钱的硬币可都是一笔可观的财富。如果有特别古老年份的硬币,还得像宝贝一样保存着,然而最终还是没有留下。童年时有个梦想,就是收集各个国家的硬币。而如今,人生远大的理想还遥遥无期,这个小梦想倒是实现了。这几年偶尔的国际出差,倒是攒下了不少硬币,然而要么放在那里,要么被孩子拿去当玩具,也没有发挥什么作用。

 

  最近在考虑用单晶衍射仪做一些XRD的实验,望着书桌上散落的几个硬币,脑海中冒出一个问题,单晶衍射仪能不能分析下这些硬币的材料组成,鉴定下真伪?但是很快,这个想法就破灭了,常规衍射仪的X射线压根无法穿透表面的镀层。于是这个问题就切换为,单晶衍射仪能否分析这些镀层的组成?这个问题应该不大,只是实验设计的问题。

 

 

  很明显,在普通单晶透射测样的模式下,每个硬币都会像beamstop一样,挡住所有的直射光,即便是打到边缘,也会导致图谱缺失一半。所以首先我们要解决的问题是,如何把单晶衍射仪从透射模式切换为反射模式。很多硬币都是钢芯,所以很容易使用磁底座,平放固定在测角头上。一般粉末XRD的BB几何是立式测角仪,而单晶衍射仪是卧式测角仪。所以同样水平放置样品,单晶衍射仪没有办法进行实验。

 

 ▲图1 XRD BB几何

 

  当然这完全难不倒D8 VENTURE强大的Kappa测角仪。通过设置参数,我们很容易将测角仪转到Chi=90°的位置。此时样品平面和光源、探测器的相对关系就和粉末XRD无异了。然而这带来另外一个问题,硬币比较大,狭小的样品台空间会碰到beamstop。当然这个问题可以用专用准直管和beamstop来解决。不过略加分析就会发现,在反射模式下,beamstop并不会起到任何作用,样品本身就已经是beamstop了。D8 VENTURE beamstop和准直管都采用的是独特的磁吸和芯片识别设计,所以可以非常方便的切换。在这里我们去掉beamstop使用dummy来代替,这样就有了足够大的空间。此时的反射模式几何,就一目了然了。

 

 ▲图2:单晶衍射仪的反射模式设置

 

  与大多数XRD的配置不同,我们的光源是固定不动的。我们能进行的只有样品的ω角的转动和探测器2θ角的转动。这些对我们这个简单的实验目的已经完全足够。我们可以设置几个不同的角度来模拟BB几何,使得2θ=2ω。也就是XRD中的θ-2θ模式。比如omega=6,12,18,24和30度,2θ=12,24,36,48和60度。OK,在设计好实验之后,我们就可以开始真正的样品测量了。

 

实验1: 5分欧元 VS 5角荷花人民币

 

 ▲图3  实验一材料

 

  宣传材料中两者均为钢芯镀铜。然而外观看起来却是颜色不同。这种颜色肯定不是涂上去的,而是镀层本身的颜色。在设计好实验参数之后,很快我们就得到了两种不同的XRD图谱,如图4所示。

 

 ▲图4:5分欧元和5角人民币表面镀层的XRD图谱

 

  从图4可以看出,这两种硬币的XRD图谱很类似,但在2theta角度方向上出现一定的平移,即镀层的衍射峰在不同的角度出现,这说明两种硬币表面镀层的物相组成是不一样的。利用DIFFRAC.EVA软件对上述图谱进行物相定性分析后可知,5分欧元表面镀的是铜,而5角人民币镀的是铜锌合金。

 

实验2:10分新加坡元 VS 10美分 VS 1角人民币

 

  ▲图5  实验2材料

 

  图6给出了这3种硬币表面镀层的XRD图谱,可以看出,即便是外表看起来类似的镀层,其XRD测试结果也不一样,即镀层物相组成也大不相同。至于这3种硬币镀层的成分就卖个关子,大家自己去验证吧(其它硬币也均有若干数据,如有需要可联系作者)。

 

 ▲图6:10分新加坡元、10美分和1角人民币表面镀层的XRD图 

 

  以上利用D8 VENTURE单晶衍射仪对几种常见的中外硬币进行了简单的XRD表面镀层组成分析,很容易看出来,哪怕外表颜色很接近的硬币,其表面镀层的组成也是不一样的。当然铸币牵涉到的晶体学远不如此,比如从图7所示的二维的衍射图中就可以看到不同硬币的镀层衍射线强度出现不连续,即存在不同程度的织构。关于织构的问题,这里就不深入讨论了,感兴趣的朋友们,可以联系我们进行进一步的交流。

 

▲图7:不同硬币表面镀层的二维XRD图

 

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