The Experiment
Joseph H. Reibenspies  Ph.D.
Nattamai Bhuvanesh Ph.D.
X-ray Diffraction Laboratory
Texas A & M University
All rights reserved.  Please do not copy, modify or distribute this lecturewithout the consent of the authors.
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
The Instrument
2
Source
Collimator
Specimen
Positioner
Detector
2
Bragg Angle
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Focusing
circle
Emission Spectrum of a
MolybdenumX-Ray Tube
Bremsstrahlung = continuous spectra
(near misses, bending radiation)
characteristic radiation = line spectra  (direct collisions)
50,000 Volts
0.040 amps
Vacuum
e-
2000 watts
Chilled water
M
K
L
K
K
K
K
e-
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
K
K1
K2
The Source
Anode
Cathode/filament
Monochromator/Optics
Type 1.   Filter
               Ni foil will filter Cu
 Y foil will filter Mo
 (high flux)
Type 2.    Crystal
  Graphite (cheap)
  Ge (better, expensive)
  (lower flux)
Type 3.  X-ray Mirrors
  Thin layers (~10A)
                 of Heavy Metals
   (very expensive)
   (high flux)
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
K
K1
K2
Data Collection Geometries
Transmission geometry
Parallel X-ray beam
Small amounts of sample
Lower diffraction intensities (relative to reflection)
Lower resolution (depends on x-ray beam)
Reflection geometry
Diverging X-ray beam
Large amount of sample (relative to transmission)
Higher diffraction intensities
Higher resolution (relative to transmission)
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Transmission Mode
Source
Detector
2
Capillary
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
“bent” monochromator
parallel beam
parallel beam
Reflection Mode
Source
Collimator
Detector
2
Para-focusing : Bragg Brentano Geometry
2 speed = 2X   speed
Flat specimen holder
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
“Filter”
Collimation-Slits
DS
Narrow slits will
1.reduce the intensity of the X-ray beam
2.produce sharper peaks.
For the Divergent Slit (DS) it will reduce the length of the X-ray beam hitting the sample
low angle and small samples
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Receiving slit (RS)
Anti-Scatter Slit (SS)
(on some detectors)
Divergent Slit
Anti-air scatter screen
RS
SS
Collimation-Slits
DS should be selected to match the diffraction geometry andsample size
  “rule of thumb” Select DS so that incident beam size does not exceed the sample length (low angles).
Typically a 0.1mm(0.1deg)  and a 2.0mm slit generate a 5mm and 102mm beam length at 5o respectively.
Narrow DS will drastically reduce the intensity of the incident beam, while improving the resolution.
A 1.0mm slit is a good compromise for routine data collection.
DS slits less than 1.0mm should only be used when low angle data is to collected or if highresolution is required.
There is only small gains to be made by employing slits larger the 1.0mm
RS slit (when used) will effect the resolution more than the DS slit
Narrow slit will dramatically improve the resolution at the expense of intensity.
A 0.2mm RS slit is good compromise for routine data collection.
SS slit (when used) will reduce the background noise
SS slit should be wide enough to transmit the diffracted X-ray beam, but narrow enough to block thebackground scatter.
A 1.0mm slit is a good choice for routine work.
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcSrmOam_libQ7vojY_mcESnjyFUT2ylhTRuEP1bNh2QoJ2zbVOWnw
https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcSrmOam_libQ7vojY_mcESnjyFUT2ylhTRuEP1bNh2QoJ2zbVOWnw
https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcSrmOam_libQ7vojY_mcESnjyFUT2ylhTRuEP1bNh2QoJ2zbVOWnw
https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcSrmOam_libQ7vojY_mcESnjyFUT2ylhTRuEP1bNh2QoJ2zbVOWnw
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Soller Slits (Axial Divergence)
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
Soller slits are used to parallelize the beam and thus eliminate axial divergence
Soller slits will decrease intensity, but will also lower the background.
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
View from the TOP
Detectors
Point Detectors
Only single data collection point collected at a step(time)
Step size and speed are adjusted for optimal datacollection conditions
Scintillator/photo-mutlipier employed to count the X-rays
Very versatile and robust
Can be used with a graphite monochromator (nofilter needed) to minimize fluorescence.
or
Si/Li “silly” material employed to count X-rays
direct count of x-rays.
Energy discrimination (no filters needed)
Needs to be kept very cold at all times.
Linear Detectors (positional sensitive detector PSD)
Collects 4-8 degrees of data at each detector step.
Step size and speed are adjusted to optimal datacollection conditions
Wire Detector (Micro Gap) employed to count X-rays
Direct count of X-rays
Sensitive at very low 2 angles (in some casesdestructive)
Linear Detectors (continued)
or
Silicon Strip
Individual detection “chips” on silicon substrate
Very versatile and robust
Background
Area Detectors
Collect up to 120-300 degrees of data at a time
Single scan mode, rapid data collection
“Knife” edges employed to count X-rays
Direct count of X-rays
Lower resolution
or
Image strip employed to count X-rays
Indirect X-ray detection
Photographic (like) technology employing digitalscanner
Resolution is based on grain size.
Background
Slower than Knife edge detectors
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
 
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Detectors
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
Point Detection
Linear Detection
Area Detection
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
RS
Specimen Placement Errors
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
Focusing  Circle
Flat Specimen Error: Occurs because thesurface of the specimen is flat, and does notconform to the curvature of the focusing circle.
 2 (correction: increase diffraction circle radius)
Specimen Displacement: The geometry of thesample mount causes a positional deviation onthe focusing circle.
 2  (correction: re-mount specimen,specimen level with holder?, alignment)
Specimen Transparency: Penetration of thebeam into a “thick” specimen changes thelocation in which diffraction occurs.
 2 (correction: use ZBH method)
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
X-Ray Diffraction  GUMBALL
The instrument is not ananalytical laboratory!
Know your material:Bottom UP 
Chemical Composition?
Homogeneous?
Does the specimenrepresent the bulk?
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Sample and Specimen
Sample is the bulk material
Specimen is the portion of the sample chosenfor the experiment.
Powdered Samples
Ground to 10 to 20  particle size.
Sieved to homogenous particle size.
Bulk Specimen
Flat surface (Bragg-Brentano)
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Two Commandments of SpecimenPreparation for Powder Diffraction.
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
I.Thou shalt practice goodanalytical samplingprocedures
II.Thou shalt have goodparticle statistics
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Sample/Specimen Errors
Compositional Variations between Sample and Specimen
Practice good analytical sampling techniques!
Inhomogenities in particles can significantly alter diffractionintensities and the number of peaks detected.
Grind and Sieve your sample to achieve consistentparticle sizes.
Non-random orientation of crystallites (PreferredOrientation ) in the specimen, can produce large variationsin intensity and limit the number of peaks detected.
Employ methods to randomize crystallite orientation(good particle statistics)
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Specimen Holders
Flat Plate
a.Zero background
Randomize orientation
b.Quartz disc
small sample quantity
c.Bulk Material
Poly-crystalline
d.Front Loading
vary specimen depth
e.Side loading
re-orientate specimen
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
DSC01481.JPG
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
a.
b.
c.
d.
e.
Zero Back Ground Holder (ZBH)
Single-Crystal of Silicon cut along the (510) direction (face).
The intensity of X-rays diffracted from the (510) face (surface) ofa single crystal of Silicon is not detectable (~0).
Mono-layers of a powder on the (510) face of Silicon will beessentially background free.
A ZBH is made by centering a (510) Silicon disc in a metalcup and positioning the surface of the disc at the samelevel as the surface of the metal cup.
A mono-layer of powder is then placed on the (510) Silicondisc.
Specimen Thickness: Thin specimens tend to produceaccurate peak positions; thicker specimens tend to producemore accurate peak intensities.
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Steps to “loading” a ZBH
1.Dust the powder ontothe ZBH
Coat ZBH with Vaseline and thenremove excess
a.Dust Chamber
b.“Shaker”
2.Press
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
Place dustchamber ina clearplastic bag
Face down
over hole in film
Powder
film
http://www.test-sieve.com/images/astm-ss-sieve.jpg
Wax paper
a.
b.
c.
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Back loading Specimen Holder
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Practicals : The instruments
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
E:\DCIM\104_PANA\P1040713.JPG
E:\DCIM\104_PANA\P1040714.JPG
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Mounting the Specimen Holder
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
C:\Users\jhr6675\Desktop\Projects\Lectures-pow\cam4 011.JPG
Mounting:  specimen holder
Trigger mech.
dismounting:  specimen holder
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Practicals: Data Collection
1.XRD Wizard
create a parameter file
Create a file for each strategy of datacollection you wish to use.
2.Select PSD : Lynxeye
3.Locked Coupled
3.Start  (min : 2o)
4.Stop  (max : 120o)
Good stop  = 70o
5.Step Size .01-.05
Good Size = 0.015o
Broad peaks? = 0.03
6.Time/Step
 -- smaller the value the faster thedata collection.
-- 0.4s is a good value.
7.Optional
Open/Close IRIS (anti-scattering slit)
2-5o   IRIS : 2   5o – 20o  IRIS : 6
>20o  IRIS : 13    normal :  IRIS : 10
8.Check total time and adjusttime/step to match timeallocated.
9.Save file with the File/Save pulldown menu.
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Practicals: Data Collection
1.Start Commander
2.Point to the Jobs tab
3.Goto files options inthe pulldown menu
4.In the User Path fieldbrowse […] to thecorrect folder thatcontains you *.dql files
5.Enter the Sample ID.This is a description ofyour sample
6.Browse for theappropriate DQL fileunder Parameter File[…]
7.Enter the Raw Filename under Raw Filecolumn
8.START
9.Point to adjust
10.TO ABORT SCAN POINTTO STOP
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Misc.
Output :  myproj.RAW
Binary file
Convert to ascII file with ConvX program : http://www.ccp14.ac.uk/ccp/web-mirrors/convx/#ConvX
Quick view use JPOWDER program (http://www.jpowder.org/)
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg
Record the details of your experiment inyour lab notebook; date, time, sample etc.
In particular record the value of the DSand RS (if used) or detector aperture.
Record the radiation, filter and detectorthat were employed.
The data collection rate and step sizeshould be recorded.
Finally note any usual readings or events (ifany) that happened during the experiment.
e.g. The X-rays may have crashed during your experimentor a shutter failure.  You never know when you may needthis type of information.
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
End of Lecture 3
Lecture 4- The Pattern
Lecture 5- The Signal Processing
Lecture 6- The Analysis
Lecture 7- The Reitveld Method
Lecture 8- The Results
X-ray Diffraction Laboratory 1.0.1
http://brandguide.tamu.edu/downloads/primary08.jpg