D8 VENTURE SC-XRD | 錢幣篇

 

  今天我們再用D8 VENTURE單晶衍射儀不務正業一次。很遺憾這次我解不出結構了。隨著移動支付的發展，包里的現金就幾乎沒動過，更別說硬幣了。對我而言，現在硬幣大的用途就是變成了在超市門口獲取購物車?？稍趦簳r，5分錢的硬幣可都是一筆可觀的財富。如果有特別古老年份的硬幣，還得像寶貝一樣保存著，然而終還是沒有留下。童年時有個夢想，就是收集各個國家的硬幣。而如今，人生遠大的理想還遙遙無期，這個小夢想倒是實現了。這幾年偶爾的出差，倒是攢下了不少硬幣，然而要么放在那里，要么被孩子拿去當玩具，也沒有發揮什么作用。

 

  近在考慮用單晶衍射儀做一些XRD的實驗，望著書桌上散落的幾個硬幣，腦海中冒出一個問題，單晶衍射儀能不能分析下這些硬幣的材料組成，鑒定下真偽？但是很快，這個想法就破滅了，常規衍射儀的X射線壓根無法穿透表面的鍍層。于是這個問題就切換為，單晶衍射儀能否分析這些鍍層的組成？這個問題應該不大，只是實驗設計的問題。

 

 

  很明顯，在普通單晶透射測樣的模式下，每個硬幣都會像beamstop一樣，擋住所有的直射光，即便是打到邊緣，也會導致圖譜缺失一半。所以首先我們要解決的問題是，如何把單晶衍射儀從透射模式切換為反射模式。很多硬幣都是鋼芯，所以很容易使用磁底座，平放固定在測角頭上。一般粉末XRD的BB幾何是立式測角儀，而單晶衍射儀是臥式測角儀。所以同樣水平放置樣品，單晶衍射儀沒有辦法進行實驗。

 

 ▲圖1 XRD BB幾何

 

  當然這*難不倒D8 VENTURE強大的Kappa測角儀。通過設置參數，我們很容易將測角儀轉到Chi=90°的位置。此時樣品平面和光源、探測器的相對關系就和粉末XRD無異了。然而這帶來另外一個問題，硬幣比較大，狹小的樣品臺空間會碰到beamstop。當然這個問題可以用準直管和beamstop來解決。不過略加分析就會發現，在反射模式下，beamstop并不會起到任何作用，樣品本身就已經是beamstop了。D8 VENTURE beamstop和準直管都采用的是*的磁吸和芯片識別設計，所以可以非常方便的切換。在這里我們去掉beamstop使用dummy來代替，這樣就有了足夠大的空間。此時的反射模式幾何，就一目了然了。

 

 ▲圖2：單晶衍射儀的反射模式設置

 

  與大多數XRD的配置不同，我們的光源是固定不動的。我們能進行的只有樣品的ω角的轉動和探測器2θ角的轉動。這些對我們這個簡單的實驗目的已經*足夠。我們可以設置幾個不同的角度來模擬BB幾何，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，在設計好實驗之后，我們就可以開始真正的樣品測量了。

 

實驗1: 5分歐元 VS 5角荷花人民幣

 

 ▲圖3  實驗一材料

 

  宣傳材料中兩者均為鋼芯鍍銅。然而外觀看起來卻是顏色不同。這種顏色肯定不是涂上去的，而是鍍層本身的顏色。在設計好實驗參數之后，很快我們就得到了兩種不同的XRD圖譜，如圖4所示。

 

 ▲圖4：5分歐元和5角人民幣表面鍍層的XRD圖譜

 

  從圖4可以看出，這兩種硬幣的XRD圖譜很類似，但在2theta角度方向上出現一定的平移，即鍍層的衍射峰在不同的角度出現，這說明兩種硬幣表面鍍層的物相組成是不一樣的。利用DIFFRAC.EVA軟件對上述圖譜進行物相定性分析后可知，5分歐元表面鍍的是銅，而5角人民幣鍍的是銅鋅合金。

 

實驗2：10分新加坡元 VS 10美分 VS 1角人民幣

 

  ▲圖5  實驗2材料

 

  圖6給出了這3種硬幣表面鍍層的XRD圖譜，可以看出，即便是外表看起來類似的鍍層，其XRD測試結果也不一樣，即鍍層物相組成也大不相同。至于這3種硬幣鍍層的成分就賣個關子，大家自己去驗證吧（其它硬幣也均有若干數據，如有需要可聯系作者）。

 

 ▲圖6：10分新加坡元、10美分和1角人民幣表面鍍層的XRD圖 

 

  以上利用D8 VENTURE單晶衍射儀對幾種常見的中外硬幣進行了簡單的XRD表面鍍層組成分析，很容易看出來，哪怕外表顏色很接近的硬幣，其表面鍍層的組成也是不一樣的。當然鑄幣牽涉到的晶體學遠不如此，比如從圖7所示的二維的衍射圖中就可以看到不同硬幣的鍍層衍射線強度出現不連續，即存在不同程度的織構。關于織構的問題，這里就不深入討論了，感興趣的朋友們，可以聯系我們進行進一步的交流。

 

▲圖7：不同硬幣表面鍍層的二維XRD圖