台式x射线衍射仪使用原理

台式X射线衍射仪（Benchtop XRD）使用原理

台式X射线衍射仪（Benchtop X-ray Diffractometer, Benchtop XRD）作为一种紧凑型、高性能的物相分析工具，正日益成为实验室、科研机构、质量检测以及工业生产控制领域的得力助手。其核心在于利用X射线的衍射现象，揭示物质的晶体结构信息，从而实现定性、定量物相分析，甚至进行晶粒尺寸、内应力等微观结构参数的表征。

核心工作原理：布拉格定律的实践

台式X射线衍射仪的工作原理，根植于X射线与晶体物质相互作用时产生的衍射现象，并以布拉格定律（Bragg's Law）为核心理论基础。

当一束单色X射线照射到晶体样品表面时，由于晶体内部原子排列具有周期性，X射线会与晶体中的原子层发生弹性散射。这些散射的X射线会以特定方向干涉叠加。当满足特定条件时，衍射波会发生相长干涉，形成衍射峰。

布拉格定律精确地描述了这一条件：

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

其中：

• $n$：衍射级数，通常为整数（1, 2, 3…），表示X射线与晶面族之间的衍射次数。
• $\lambda$：入射X射线的波长（Å或nm）。
• $d$：晶体样品中特定晶面族（晶面）之间的垂直距离（Å或nm）。
• $\theta$：入射X射线束与晶面法线之间的夹角，即布拉格角（°）。

从公式可以看出，对于特定波长的X射线（$\lambda$固定），只有当入射角（$\theta$）满足一定条件，使得$2d\sin\theta$等于X射线波长的整数倍时，才会产生强烈的衍射。每个晶体物质都拥有一套独特的晶面间距($d$)集合，这意味着它们会对特定角度的X射线产生衍射。因此，通过测量不同衍射角($2\theta$)处的衍射强度，就可以获得该物质的“X射线衍射图谱”（XRD pattern）。

台式X射线衍射仪的关键组件与功能

一台典型的台式X射线衍射仪通常包含以下几个关键部分，协同工作以实现高效的衍射分析：

• X射线源 (X-ray Source)：

  
  
  • 类型：通常采用密封管或微焦点X射线发生器。
  • 功能：产生特定波长（如Cu Kα, Mo Kα等）的X射线束。Cu Kα是最常用的，其波长约为1.54 Å。
  • 技术特点：台式仪器的X射线源功率通常在30W至150W之间，足以满足大多数常规分析需求，同时兼顾了安全性和能耗。
  
  

• 样品台 (Sample Stage)：

  
  
  • 功能：用于放置和固定待测样品。
  • 运动模式：精密设计的样品台能够实现精确的角度控制，包括$\theta$（样品旋转）和$2\theta$（探测器旋转）的联动扫描。高性能的仪器还会配备$\phi$（样品旋转）和$\chi$（样品倾斜）轴，以进行多角度或表面扫描，提升数据采集的全面性。
  • 精度：角度定位精度通常在±0.01°以内。
  
  

• X射线探测器 (X-ray Detector)：

  
  
  • 类型：包括正比计数器（PC）、闪烁探测器（SC）、硅漂移探测器（SDD）以及更先进的线阵或面阵探测器。
  • 功能：接收样品衍射产生的X射线，并将其转换为电信号，记录不同角度($2\theta$)下的衍射强度。
  • 性能指标：探测器的能量分辨率、计数率、探测效率直接影响数据采集的速度和准确性。高性能探测器（如SDD）能够有效区分Kα和Kβ辐射，以及背景噪声，提高谱图质量。
  
  

• 控制与数据处理系统 (Control and Data Processing System)：

  
  
  • 功能：集成化的软件系统，负责控制X射线源的输出、扫描参数的设定、数据采集过程的监控，以及对原始衍射数据进行分析处理。
  • 分析软件：内置或兼容专业的XRD数据处理软件，可进行峰识别、强度测量、背景扣除、定性物相分析（通过与标准卡片数据库JCPDS/ICDD比对）、定量物相分析（如Rietveld精修）、晶粒尺寸估算（Scherrer方程）、内应力分析等。
  
  

数据采集与分析流程

1. 样品制备：根据样品形态（粉末、块状、薄膜等）选择合适的制备方法，确保样品表面平整、均匀，减少制备过程引入的杂质或应力。粉末样品通常需要研磨至细小颗粒（如<10μm）。
2. 参数设定：在软件界面设定X射线管电压、管流、扫描范围（如5°- 90° $2\theta$）、扫描步长（如0.01°）、扫描速度（如几分钟到几十分钟不等）等。
3. 数据采集：启动扫描程序，仪器按照设定参数自动进行$2\theta$扫描，探测器记录下每个角度的衍射强度，生成原始XRD谱图。
4. 数据处理与分析：
   • 定性分析：通过峰位比对标准数据库，识别样品中的晶体物相。例如，对于常见的氧化物，可以比对Fe₂O₃、TiO₂等标准卡片。
   • 定量分析：利用Rietveld精修方法，根据晶体结构模型拟合实验谱图，计算各相的质量分数。
   • 晶粒尺寸：通过分析衍射峰的展宽，应用Scherrer方程估算微晶尺寸。例如，当峰宽$\beta$（单位弧度）和衍射角$\theta$已知时，晶粒尺寸D可由$D = K\lambda / (\beta \cos\theta)$估算，其中K为常数（通常取0.9）。
   • 其他分析：根据需求进行内应力、结晶度等分析。
   
   

台式X射线衍射仪以其便捷性、高性价比和稳定的性能，正不断推动着各行业在材料研发、过程控制和质量保证方面的进步。