X射线粉晶衍射仪测定萤石晶胞参数

迟广成，肖刚，伍月

（沈阳地质矿产研究所，辽宁沈阳 110032）

X射线粉晶衍射仪测定萤石晶胞参数

迟广成，肖刚，伍月

（沈阳地质矿产研究所，辽宁沈阳 110032）

利用X射线粉晶衍射仪对纯萤石矿物进行全谱扫描，在确定萤石矿物衍射5强峰基础上，准确标出萤石5强峰相应的d值，按2θ角值由大到小的顺序排成纵行，计算出不同d值的1/d2值，用1/d2值最小一条线的值去除其余各条线的1/d2值，得出的数值D仍依次排列；据D值小数部分是0.36或0.68数值，推断实验所测萤石低角度的第一条线是{111}网面衍射产生的，其相应的h2+k2+l2值为3，以第一条线h2+k2+l2值3分别乘以其余各条线的D值，得出的数据h2+k2+l2值仍依次排列，分别为8.04，11.04，16.08和19.08，由于测量的误差，舍去小数点后数据，保留整数位，即可得到相应的h2+k2+l2值3、8、11、16和19，据h2+k2+l2值查出相应网面指数为{111}、{220}、{311}、{400}和{331}，根据晶胞参数公式：a=d(hkl)(h2+k2+l2)1/2计算出萤石晶胞参数值为0.546 nm。

X射线衍射；萤石衍射图谱；指标化；晶胞参数

自然界中萤石矿物有多种成因和多种颜色，无色者极少，常呈黄、绿、蓝、紫、红等颜色。当加热时，其色可退，受伦琴射线照射后又可恢复颜色。无色透明晶体可因金属钙蒸气的作用和放电作用而显紫色，这可能是由于晶体结构中有中性Ca和F原子出现而引起。引起萤石矿物颜色多变的原因是复杂的，晶体缺陷、包裹体、混入物（如暗紫色者含Sr量增多）均能引起不同颜色。有人认为萤石颜色与成矿温度有关，紫色者形成温度高，淡蓝色者形成温度次之，二者均与W、Sn、Mo矿床有关，而绿色者形成温度较低，与硫化矿床有关[1]。萤石矿物颜色与其晶胞参数大小是否有关？为了研究这一课题，很多地学工作者希望通过测试不同颜色的萤石晶胞参数找到答案。如何利用X射线粉晶衍射仪测得准确的萤石晶胞参数值？本次实验首先挑选不同产地和颜色变质热液成因的萤石矿物纯样，然后把不同颜色萤石纯样磨制至45μm左右，压制成待测样，在设定的测试条件下对不同颜色萤石纯样进行X射线粉晶衍射扫描，对所得到的纯萤石X射线粉晶衍射图谱进行指标化，根据指标化结果，计算出萤石矿物的晶胞参数值。实验首次利用萤石{111}、{220}、{311}、{400}和{331}面网分别计算萤石的晶胞参数值并加以比对。实验结果表明，利用X射线粉晶衍射仪可以精确测定不同颜色萤石晶胞参数，所测得的萤石晶胞参数误差均在允许范围内。

1 实验部分

1.1 仪器和测量条件

仪器：德国布鲁克公司生产的X射线粉晶衍射仪，仪器型号为Bruker-D8；测量条件：X射线管选用铜靶，管压为40 kV，管流40 mA，扫描范围为2θ角为5～65°；检测器为固体探测器（XOL-D），DS（发散狭缝）和SS（防散射狭缝）为1.0 mm，RS（接收狭缝）为0.1 mm，步长为0.02°/步，扫描速度为0.4秒/步[2]。

1.2 测试样品的制备

把要测的萤石样品进行粗碎，在实体显微镜下挑选纯净的萤石矿物，每件样品3克，在玛瑙钵中研磨至45μm左右，用制样盘制成待测样。

1.3 计算公式

萤石化学分子式为CaF2，化学组成为Ca51.1，F 48.9，等轴晶系，面心格子，C5-Fm3m；a0=0.545 nm；Z=4，钙离子分布在立方晶胞的角顶和面中心，如果将晶胞分为八个小立方体，则每一立方体之中心为F-1所占据，配位数Ca=8，F=4。据晶格常数和面

网间距的关系，可推导出萤石矿物的晶胞参数计算式（1）[3]。

d为网面间距，是指一组平行的面网中相邻面网之间的垂直距离，它决定于晶格参数（a、b、c，α、β、γ）和晶面符号｛h k l｝；h、k、l为一晶面在X、Y、Z轴上截距系数倒数比即面网指数。

2 样品测试

将纯净的萤石矿物样品在给定的测试条件下，用X射线粉晶衍射仪进行扫描测试，在确定萤石矿物物相的基础上[4]，对所测得的萤石矿物样品X射线衍射峰的5强峰的d值进行准确标定（表1）。

3 测试数据的计算与讨论

3.1 萤石矿物的面网指标化

计算萤石晶胞参数方法[5]：1）按2θ角值由大到小的顺序排成纵行，并计算出不同d值的1/d2值。2）用1/d2值最小一条线的值去除其余各条线的1/d2值，得出的数值D仍依次排列。3）等轴晶系矿物D值大致有四种情况：（a）如果D值大部分（或全部）都是整数时，低角度的第一条线是{100}网面的衍射线；（b）如果D值只有一小部分是整数，其余的D值小数部分是0.5时，低角度的第一条线是{110}网面的衍射线；（c）如果D值小数部分是0.33或0.67时，低角度的第一条线是{111}网面的衍射线；（d）如果D值小数部分是0.25、0.50或0.75时，低角度的第一条线是{220}网面的衍射线；表1中数值显示所测萤石计算的D值情况基本符合（c），即萤石低角度的第一条线是{111}网面衍射产生的，其相应的h2+k2+l2值为3。4）以第一条线h2+k2+l2值3分别乘以其余各条线的D值，得出的数据h2+k2+l2值仍依次排列，分别为8.04，11.04，16.08和19.08，由于测量的误差，舍去小数点后数据，保留整数位，即可得到相应的h2+k2+l2值为3、8、11、16和19。5）据h2+k2+l2值查出相应网面指数为{111}、{220}、{311}、{400}和{331}。6）根据式（1）计算出萤石晶胞参数值为0.546 nm（表1）。

表1 萤石粉末X射线衍射数据指标化Table 1 X-ray diffraction data index of the fluorite powder

3.2 计算的晶胞参数讨论

不同样品萤石矿物计算出的晶胞参数值略有不同（表2），本次实验所测得的17个萤石矿物样品，据所计算的晶胞参数值，可将样品划分为1～5号、6～7号、8～11号、12～15号和16～17号5类，每种类型{111}、{220}、{311}、{400}和{331}面网计算出的晶胞参数值基本相同。

所测的17个萤石矿物晶胞参数值表明，不同萤石矿物样品相同面网计算出的晶胞参数值略有不同，17个测试样品，以{111}面对应计算出萤石晶胞参数值为基准，可划分1～7号（0.545581± 0.000002）、8～15号（0.546149±0.000001）和16～17号（0.546611±0.000001）3类；以{220}面对应计算出萤石晶胞参数值为基准，可划分1～11号（0.546064±0.000002）号和12～17号（0.546393± 0.000001）两类；以{311}面对应计算出萤石晶胞参数值为基准，可划分1～5号（0.546080±0.000002）、6～15号（0.546337±0.000001）和16～17号（0.546512±0.000001）3类；以{400}面对应计算出萤石晶胞参数值为基准，可归为1类（1～17号0.546352±0.000003）；以{331}面对应计算出萤石晶胞参数值为基准，可划分1～11号（0.546229± 0.000002）和12～17号（0.546413±0.000001）两类。

实验所测试的不同萤石晶格网面衍射强度数据表明，萤石矿物{111}面网X射线衍射强度最强，{220}面网次之，{311}面网、{400}面网和{331}面网X射线衍射强度依次减弱。

萤石矿物X射线粉晶衍射法晶胞参数的测试是

用步进扫描进行的，扫描图谱衍射峰d值的标定，是采取手动完成，一律把d值标在衍射峰最高线段的中间位置，所标d值与萤石PDF卡中萤石d值误差小于0.002，不影响萤石晶胞参数的计算。萤石样品中有时含有0.5%～5%左右石英、方解石或重晶石等矿物，这几种矿物的衍射峰与所测萤石矿物衍射峰不重叠，不影响萤石衍射峰d值的测定。

实验所测的萤石矿物X射线粉晶衍射图谱，Kα1线衍射峰和Kα2线衍射峰仅在低角度28.3°±有时分峰不好，其余较高角度Kα1线衍射峰和Kα2线衍射峰分峰效果良好，所测d值的精度可达万分之二[6]。

表2 萤石矿物不同网面计算晶胞参数表Table 2 Cell parameters calculating diagram of the fluorite mineral on different network surface

4 结语

在萤石矿物X射线粉晶衍射数据指标化过程中，1/d2值和D值都只保留三位有效数据，计算出的萤石矿物晶胞参数值均保留3位有效数据[7]，晶胞参数数据可近似为0.546 nm，虽然17个样品不同网面所求的晶胞参数值有所差异，但所测的晶胞参数值范围都在0.5456～0.5466 nm之间，不同网面所求得的晶胞参数值平均差在-0.00097和+ 0.00057之间，基本上不影响所测样品的晶胞参数值的准确性，相对于X射线粉晶衍射仪扫描数据准确性[8]，该结果令人比较满意。实验结果表明，萤石矿物颜色与其晶胞参数大小没有明显对应关系。

[1]潘兆橹.结晶学与矿物学[M].北京：地质出版社,1985，257-258.

[2]刘粤惠，刘平安.X射线衍射分析原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2003，72-77.

[3]彭志忠.X射线分析简明教程[M].北京：地质出版社, 1982，1-196.

[4]辽宁省地质局.矿物X射线鉴定表[M].北京：地质出版社, 1977，307.

[5]李树堂.X射线衍射实验方法[M].北京：冶金工业出版社, 1993，50-128.

[6]Jenkins R.Adrances in X-ray Analysis[M]].Plenum Press.1980，270-279.

[7]张月明、傅平秋等.矿物X射线粉晶鉴定手册[M].北京：科学出版社,1978，59.

[8]叶大年.X射线粉末法及其在岩石学中的应用[M].北京：科学出版社,1984，76-128

Detecting of Fluorite Crystal Cell Parameters by X-ray Powder Diffraction

CHI Guang-cheng,XIAO Gang,WU Yue
(Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,Shenyang,110032,China)

The pure fluorites were full spectrum scanned by the X-ray powder diffractometer.On the basis of top 5 strong diffraction peaks of the fluorites,the values of the peaks can be accurately marked.The values of the angle 2θ were arranged in descending longitudinal,which could calculate the 1/d2values of different d values.The value of the minimum line of the 1/d2value divided by the 1/d2values of the remaining lines,with the result value D still lining;According to the decimal part of D value is 0.36 or 0.68,it’s deduced that the first line of the fluorite low angle is surface{111}diffraction,and its corresponding h2+k2+l2value is 3.The value 3 of the first line h2+k2+l2multiplied by D values of the remaining lines respectively.The results of h2+k2+l2values were still lined,such as 8.04,11.04,16.08 and 19.08.Due to the error of measuring,abandoning the data after the decimal point,keeping integer bits,it can be obtained the corresponding h2+k2+l2values,as 3、8、11、16 and 19. According to h2+k2+l2values,it could be obtained the corresponding net surface index,as{111},{220},{311}, {400}and{331}.According to the crystal cell parameters formula:a=d(hkl)(h2+k2+l2)1/2,it could be calculated the value of crystal cell parameters,0.546 nm.

X-ray diffraction;fluorite diffraction pattern;index;cell parameters

P575.7

A

1672－4135（2013）04－0077-04

2013-08-03

国土资源部“变质岩岩石矿物鉴定检测技术方法研究”项目（201011029-3）

迟广成（1964-），男，高级工程师，从事岩矿测试工作，E-mail:chiguangcheng@126.com。