台式x射线衍射仪主要原理

台式X射线衍射仪（Benchtop XRD）主要原理

X射线衍射（XRD）技术作为一种强大的无损分析手段，在材料科学、化学、地质学、制药以及质量控制等众多领域扮演着核心角色。台式X射线衍射仪，凭借其紧凑的体积、便捷的操作和相对较低的成本，正日益成为实验室和小型研发机构的理想选择。理解其核心工作原理，对于充分发挥其分析能力至关重要。

X射线与晶体物质的相互作用

台式X射线衍射仪的原理根植于X射线与晶体物质的相互作用。晶体物质的原子并非随机分布，而是以周期性的三维结构排列，形成晶格。当一束具有特定波长的X射线照射到这些晶体上时，晶格中的电子会散射X射线。由于晶体结构的周期性，这种散射并非杂乱无章，而是会发生相干叠加，形成衍射现象。

布拉格定律：衍射的数学表达

决定X射线衍射方向和强度的关键依据是布拉格定律（Bragg's Law）。该定律描述了当X射线以特定角度入射到晶体表面时，会发生相长干涉（Constructive Interference）的条件：

$n\lambda = 2d\sin\theta$

其中：

• $n$：衍射级数（通常取整数，如1, 2, 3…），表示同一组晶面衍射的整数倍。
• $\lambda$：入射X射线的波长（Å 或 nm）。
• $d$：晶面间距（Å 或 nm），即晶体结构中特定晶面的原子层之间的距离。
• $\theta$：入射X射线束与晶面的布拉格角（度），或者更准确地说，是入射X射线束与衍射X射线束的夹角的一半。

根据布拉格定律，只有当入射X射线的波长、晶面间距和衍射角度满足特定关系时，才会出现强烈的衍射峰。不同的晶体材料，由于其原子排列方式和晶格常数不同，会形成独特的晶面间距集合。因此，它们产生的X射线衍射图谱（即不同角度下的衍射强度分布）也是独一无二的，如同“指纹”一样，可以用来识别物质成分和结构。

台式X射线衍射仪的基本组成与工作流程

一台典型的台式X射线衍射仪主要包含以下几个核心部件：

1. X射线源 (X-ray Source)：通常采用小焦点X射线管，如Cu靶（铜靶）是最常用的X射线源，其特征X射线波长（如Cu Kα）是固定的。例如，Cu Kα1的波长约为1.5406 Å。
2. 样品台 (Sample Stage)：用于放置待测样品，通常可以进行旋转或摆动，以确保X射线能够覆盖到样品表面的多个晶粒。
3. 探测器 (Detector)：用于接收并测量从样品散射出来的X射线强度。现代台式XRD多采用闪烁探测器、比例计数器或线阵/面阵探测器，能够快速、准确地记录不同衍射角（2θ）下的强度信息。
4. 测角仪 (Goniometer)：精确控制X射线管、样品和探测器之间的角度关系，以扫描一系列的2θ角度。

工作流程示意：

• X射线管发出连续的X射线束。
• X射线束聚焦照射到样品表面。
• 样品中的晶体物质根据布拉格定律产生衍射。
• 探测器沿着预设的2θ扫描路径移动，记录在每个角度下的X射线强度。
• 软件将采集到的数据处理成衍射图谱（通常是强度 vs. 2θ 曲线）。

数据分析与应用

台式X射线衍射仪生成的衍射图谱包含了丰富的晶体信息。通过与标准数据库（如JCPDS/ICDD数据库）进行比对，可以准确识别样品中的晶体物相。衍射峰的宽度、形状和位置还可以提供关于晶粒尺寸、微晶应变、择优取向以及固溶度等信息。

例如，对于一个多晶体粉末样品，如果其晶粒尺寸小于约50 nm，衍射峰的半高宽（FWHM）会随着晶粒尺寸的减小而增大。这可以通过Scherrer方程进行估算。

台式XRD在不同领域的应用举例：

• 材料研发：快速鉴定新合成材料的晶体相。
• 质量控制：检测产品中的杂质相、相纯度或晶型。
• 地质学：分析矿物成分和含量。
• 制药：研究药物晶型及其对生物利用度的影响。

总而言之，台式X射线衍射仪通过精确控制X射线与晶体物质的相互作用，并依据布拉格定律将衍射信息转化为可识别的图谱，为材料科学和相关领域的深入研究与精确分析提供了高效便捷的解决方案。