X射线衍射仪的工作原理及在材料分析中的应用

1. X射线衍射仪的构造与工作原理
   XRD，即X射线衍射，是一种通过X射线在晶体中的衍射现象来获取衍射后射线信号特征的技术。这些特征经过处理后，可以转化为衍射图谱，为材料分析提供重要信息。
   
   图1. X射线衍射仪的结构简图

X射线衍射仪主要由X射线源、样品台、衍射仪本体和接收器等部分组成。其中，X射线源负责产生X射线，样品台用于放置待测样品，衍射仪本体则负责将X射线照射到样品上并收集衍射后的射线信号，最后通过接收器将这些信号转化为可分析的衍射图谱。
1.1 X射线发生器

X射线多晶衍射仪的核心部件之一是X射线发生器，它涵盖了X射线管、高压发生器、稳定的管压和管流电路，以及周全的保护电路等多个组件。

图2展示了X射线管的原理图。当给阴极施加电流并加热时，会放出热辐射电子。这些电子在数万伏特高压电场的作用下被加速，并轰击阳极，也就是靶。靶是电子突然减速并发射X射线的地方。目前，铜靶是最常用的靶材，其适用于晶面间距在0.1-1n范围内的测定。此外，还有许多其他常用的靶材，如表1所示。每种靶材都有其独特的主要特长和用途。例如，钴靶适用于测定铁系试样，铁靶则适用于用滤波片方法测定铁系试样。此外，铬靶、钼靶和钨靶也在各自的领域内发挥着重要作用。
1.2 测角仪

测角仪是X射线衍射实验中的关键设备之一。其作用是精确测量衍射角，从而确定晶体的结构。测角仪的精度直接影响着实验结果的准确性。在实验过程中，测角仪的校准和调整是必不可少的步骤。
图3. 测角仪原理图

在X射线衍射实验中，入射线由X射线管焦点F发出，随后经过入射光阑系统S的精确控制，确保了入射角的准确性和稳定性。这一原理图清晰地展示了测角仪在实验中的核心作用。
1、衍射发生
当X射线投射到试样表面时，会产生衍射现象，衍射后的射线经过接收光阑系统M和S的精细调节。

2、计数器记录
经过调节的衍射线最终进入计数器D，由计数器进行数据的记录与分析。
1.3 狭缝系统设计
为了解决仅使用常规狭缝光阑导致的衍射环宽度不均匀性问题，我们在测角仪光路中创新地引入了由狭缝光阑与梭拉（Soller）光阑共同构成的联合光阑系统，如图4所示。

图4展示了测角仪中的光阑狭缝设计。这一设计创新地将常规狭缝光阑与梭拉（Soller）光阑相结合，旨在解决衍射环宽度的不均匀性问题，进而提升测量精度。
1.4 滤波系统
由于X射线管发出的光线是包含多种波长的复杂光源，其中主要成分有连续谱、Kα特征谱以及Kβ特征谱。为了能够获取单一波长的衍射数据，通常会在光路中加入滤波片或单色器，以消除Kβ辐射和荧光辐射的干扰。
2. X射线的产生原理
X射线是在高速运动的电子流或其他高能辐射流（如γ射线、中子流等）与物质发生碰撞时，由于电子流骤然减速并与物质内层原子相互作用，从而产生的。

图5展示了X射线管的结构。它主要由阴极灯丝、阳极靶和真空玻璃管组成。在X射线管中，高速运动的电子流从阴极灯丝发射，并撞击到阳极靶上，从而产生X射线。这种结构使得X射线管成为产生X射线的关键设备。
3. XRD的基本理论基础
（1）X射线衍射的原理
当X射线这一电磁波投射到晶体中时，会受到晶体内部原子的散射。这些散射波仿佛从原子中心发出，每个原子都像一个源球面波。由于晶体中的原子是周期性排列的，这些散射球波之间形成了固定的相位关系。这使得在某些特定散射方向上，球面波相互增强，而在其他方向上则相互抵消，进而产生了衍射现象。

图6展示了X射线穿过晶体时产生的衍射现象。而要理解这一现象，我们不得不提及布拉格方程，这一方程堪称XRD理论的基石。它阐述了衍射线方向与晶体结构之间的紧密联系，为X射线衍射提供了不可或缺的理论支撑。

布拉格方程揭示了衍射线方向与晶体结构之间的内在联系。在这个方程中，θ代表入射角，d表示晶面间距，n是衍射级数，而λ则是入射线波长。通过这个方程，我们可以更好地理解X射线衍射现象，并为相关研究提供有力的理论支持。同时，方程中的2θ代表衍射角，它描述了衍射线的偏转程度。