第一篇：x射線衍射的原理及可以解決的問題

x射線衍射的原理及可以解決的問題

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要寫讀書報(bào)告，想知道X射線衍射的原理以及可以解決的問題。要詳細(xì)點(diǎn)的，別太籠統(tǒng)。謝謝！

X射線衍射原理及應(yīng)用介紹

特征X射線及其衍射 X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為20～0.06 nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的X射線中,包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線。考慮到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離(10^(-8)cm)相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束 X射線通過晶體時(shí)將會(huì)發(fā)生衍射；衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上增強(qiáng)、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨后為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式——布拉格定律：

2d sinθ=nλ，式中，λ為X射線的波長(zhǎng)，衍射的級(jí)數(shù)n為任何正整數(shù)。

當(dāng)X射線以掠角θ(入射角的余角，又稱為布拉格角)入射到某一具有d點(diǎn)陣平面間距的原子面上時(shí),在滿足布拉格方程時(shí)，會(huì)在反射方向上獲得一組因疊加而加強(qiáng)的衍射線。

應(yīng)用：

1、當(dāng)X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布拉格條件的反射面得到反射。測(cè)出θ后，利用布拉格公式即可確定點(diǎn)陣平面間距d、晶胞大小和晶胞類型;

2、利用X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎(chǔ)，測(cè)定衍射線的強(qiáng)度,就可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。

3、而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變）,以輻射線束的波長(zhǎng)λ作為變量來保證晶體中一切晶面都滿足布拉格條件,故選用連續(xù)X射線束。再把結(jié)構(gòu)已知晶體（稱為分析晶體）用來作測(cè)定，則在獲得其衍射線方向θ后,便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)λ，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。這便是X射線譜術(shù),可用于分析金屬和合金的成分。

4、X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用

X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多具有重大意義的結(jié)果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是體心立方結(jié)構(gòu)，β-Fe并不是一種新相;而鐵中的α—→γ相轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨后,在用X射線測(cè)定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對(duì)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)合金中有序無序轉(zhuǎn)變的研究；對(duì)馬氏體相變晶體學(xué)的測(cè)定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對(duì)鋁銅合金脫溶的研究等等。目前 X射線衍射(包括X射線散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。

在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面：

（1）物相分析 是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，又分為定性分析和定量分析。定性分析是把對(duì)待測(cè)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定材料中存在的物相；定量分析則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定待測(cè)材料中各相的比例含量。

（2）精密測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù) 常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的繪制。溶解度的變化往往引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化；當(dāng)達(dá)到溶解限后，溶質(zhì)的繼續(xù)增加引起新相的析出，不再引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為溶解限。另外點(diǎn)陣常數(shù)的精密測(cè)定可獲得單位晶胞原子數(shù)，從而可確定固溶體類型；還可以計(jì)算出密度、膨脹系數(shù)等有用的物理常數(shù)。

（3）取向分析 包括測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（如擇優(yōu)取向）。測(cè)定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也與取向的測(cè)定有關(guān)。

（4）晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。

（5）宏觀應(yīng)力的測(cè)定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機(jī)器零件的使用壽命。利用測(cè)定點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的改變，可計(jì)算出殘留應(yīng)力的大小和方向。

（6）對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究 包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。

（7）合金相變 包括脫溶、有序無序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。

（8）結(jié)構(gòu)分析 對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。

（9）液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測(cè)定近程序參量、配位數(shù)等。

（10）特殊狀態(tài)下的分析 在高溫、低溫和瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。

此外，小角度散射用于研究電子濃度不均勻區(qū)的形狀和大小,X射線形貌術(shù)用于研究近完整晶體中的缺陷如位錯(cuò)線等，也得到了重視。

X射線分析的新發(fā)展

金屬X射線分析由于設(shè)備和技術(shù)的普及已逐步變成金屬研究和材料測(cè)試的常規(guī)方法。早期多用照相法，這種方法費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。50年代初問世的計(jì)數(shù)器衍射儀法具有快速、強(qiáng)度測(cè)量準(zhǔn)確，并可配備計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強(qiáng)度X射線源（包括超高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線發(fā)生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測(cè)器的出現(xiàn)以及電子計(jì)算機(jī)分析的應(yīng)用，使金屬 X射線學(xué)獲得新的推動(dòng)力。這些新技術(shù)的結(jié)合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進(jìn)行瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察以及對(duì)更為微弱或精細(xì)效應(yīng)的研究。

5、X射線物相分析

X射線照射晶體物相產(chǎn)生一套特定的粉未衍射圖譜或數(shù)據(jù)D-I值。其中D-I與晶胞形狀和大小有關(guān)，相對(duì)強(qiáng)度I/I0，與質(zhì)點(diǎn)的種類和位置有關(guān)。

與人的手指紋相似，每種晶體物相都有自己獨(dú)特的XPD譜。不同物相物質(zhì)即使混在一起，它們各自的特征衍射信息也會(huì)獨(dú)立出現(xiàn)，互不干擾。據(jù)此可以把任意純凈的或混合的晶體樣品進(jìn)行定性或定量分析。

（1）

X射線物相定性分析

粉未X射線物相定性分析無須知曉物質(zhì)晶格常數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)，只須把實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與（粉未衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會(huì)）發(fā)行的PDF卡片上的標(biāo)準(zhǔn)值核對(duì)，就可進(jìn)行鑒定。

當(dāng)然這是對(duì)那些被測(cè)試研究收集到卡片集中的晶相物質(zhì)而言的，卡片記載的解析結(jié)果都可引用。

《粉末衍射卡片集》是目前收集最豐富的多晶體衍射數(shù)據(jù)集，包括無機(jī)化合物，有機(jī)化合物，礦物質(zhì)，金屬和合金等。1969年美國(guó)材料測(cè)試協(xié)會(huì)與英、法、加等多國(guó)相關(guān)協(xié)會(huì)聯(lián)合組成粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合會(huì)，收集整理、編輯出版PDF卡片,每年達(dá)到無機(jī)相各一組,每組1500-2000張不等.1967年前后,多晶粉未衍射譜的電子計(jì)示示機(jī)檢索程序和數(shù)據(jù)庫(kù)相繼推出.日本理學(xué)公司衍射射儀即安裝6個(gè)檢索程序(1)含947個(gè)相的程序;(2)含2716個(gè)相的常用相程序;(3)含3549個(gè)相的礦物程序;(4)含6000個(gè)相的金屬和合金程序;(5)含31799個(gè)相的無機(jī)相程序(6)含11378個(gè)相的有機(jī)相程序.每張片尾記錄一個(gè)物相。

（2）多相物質(zhì)定性分析

測(cè)XRD譜，得d值及相對(duì)強(qiáng)度后查索引，得卡片號(hào)碼后查到卡片，在±1%誤差范圍內(nèi)若解全部數(shù)據(jù)符合，則可判斷該物質(zhì)就是卡片所載物相，其晶體結(jié)構(gòu)及有關(guān)性能也由卡片而知。這是單一物相定性分析。

多相混合物質(zhì)的XRD譜是各物相XRD譜的迭加，某一相的譜線位置和強(qiáng)度不因其它物相的存在而改變，除非兩相間物質(zhì)吸收系數(shù)差異較大會(huì)互相影響到衍射強(qiáng)度。固熔體的XRD譜則以主晶相的XRD為主。

已知物相組分的多相混合物，或者先嘗試假設(shè)各物相組分，它們的XRD譜解析相對(duì)要容易得多。分別查出這些單一物相的已知標(biāo)準(zhǔn)衍射數(shù)據(jù)，d值和強(qiáng)度，將它們綜合到一起，就可以得到核實(shí)其有無。如鋼鐵中的δ相（馬氏體或鐵素體）γ相（奧氏體）和碳化物多相。

完全未知的多相混合物，應(yīng)設(shè)法從復(fù)相數(shù)據(jù)中先查核確定一相，再對(duì)余下的數(shù)據(jù)進(jìn)行查對(duì)。每查出一相就減少一定難度，直至全部解決。當(dāng)然對(duì)于完全未知多相樣品可以了解其來源、用途、物性等推測(cè)其組分；通過測(cè)試其原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜，IR、化學(xué)分析、X射線熒光分析等測(cè)定其物相的化學(xué)成分，推測(cè)可能存在的物相。查索到時(shí)，知道組分名稱的用字順?biāo)饕?，使用d值索引前，要先將全部衍射強(qiáng)度歸一化，然后分別用一強(qiáng)線、二強(qiáng)線各種組合、三強(qiáng)線各種組合…聯(lián)合查找直至查出第一主相。標(biāo)記其d值，I/I1值。把多余的d值，I/I1值再重新歸一化，包括與第一主相d值相同的多余強(qiáng)度值。繼續(xù)查找確定第二主相，直至全部物相逐一被查找出來并核對(duì)正確無誤。遇到?jīng)]被PDF卡收錄的物相時(shí)，需按未知物相程序解析指認(rèn)。

物相定性分析中追求數(shù)據(jù)吻合程度時(shí)，（1）d值比I/I1值更重要，更優(yōu)先。因?yàn)閐測(cè)試精度高，重現(xiàn)性好；而強(qiáng)度受純度（影響分辨率）、結(jié)晶度（影響峰形）樣品細(xì)微度（同Q值時(shí)吸收不同），輻射源波長(zhǎng)（同d值，角因子不同）、樣品制備方法（有無擇優(yōu)取向等）、測(cè)試方法（照相法或衍射儀法）等因素影響，不易固定。（2）低角度衍射線比高角度線重要。對(duì)不同晶體而言低角度線不易重迭，而高角度線易重迭或被干擾。（3）強(qiáng)線比弱線重要。尤其要重視強(qiáng)度較大的大d值線。

（3）X射線物相定量分析

基本原理和分析

在X射線物相定性分析基礎(chǔ)上的定量分析是根據(jù)樣品中某一物相的衍射線積分強(qiáng)度正變化于其含量。不能嚴(yán)格正比例的原因是樣品也產(chǎn)生吸收。對(duì)經(jīng)過吸收校正后的的衍射線強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算可確定物相的含量。這種物相定量分析是其它方法，如元素分析、成分組分分析等所不能替代的。

6、結(jié)晶度的XRD測(cè)定

7、高分子結(jié)晶體的X射線衍射研究

第二篇：X射線衍射分析原理及其應(yīng)用

X射線衍射分析

摘要：

X射線衍射分析是一種重要的晶體結(jié)構(gòu)和物相分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。本文簡(jiǎn)要介紹X射線衍射原理，X射線衍射儀器的結(jié)構(gòu)、原理，及其在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

前言：

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，又稱倫琴射線。德國(guó)科學(xué)家勞厄于1912年發(fā)現(xiàn) 0 了X射線衍射現(xiàn)象，并推導(dǎo)出勞厄晶體衍射公式。隨后，英國(guó)布拉格父子又將此衍射關(guān)系用簡(jiǎn)單的布拉格方程表示出來。到上世紀(jì)四、五十年代，X射線衍射的原理、方法及在其他各方面的應(yīng)用逐漸建立。在各種測(cè)量方法中，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測(cè)量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。X射線衍射技術(shù)可以探究晶體存在的普遍性和特殊性能，使得其在冶金、石油、巖石礦物、科研、航空航天、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域的被廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：方法，衍射，原理，應(yīng)用

X射線衍射儀的原理

1.X射線衍射原理

當(dāng)X射線沿某方向入射某一晶體的時(shí)候，晶體中每個(gè)原子的核外電子產(chǎn)生的相干波彼此發(fā)生干涉。當(dāng)每?jī)蓚€(gè)相鄰波源在某一方向的光程差等于波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍時(shí)，它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強(qiáng)，這種波的加強(qiáng)叫做衍射，相應(yīng)的方向叫做衍射方向，在衍射方向前進(jìn)的波叫做衍射波。光程差為0的衍射叫零級(jí)衍射，光程差為λ的衍射叫一級(jí)衍射，光程差為nλ的衍射叫n級(jí)衍射。n不同，衍射方向的也不同。

由于常用的X射線波長(zhǎng)約在2.5A～0.5A之間，與晶體中的原子間距(1A)數(shù)量級(jí)相同，因此可以用晶體作為X射線的衍射光柵，這就使得用X射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析成為可能。

在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，具有周期性排列的原子或電子散射的次生X射線間相互干涉的結(jié)果，決定了X射線在晶體中衍射的方向，所以通過對(duì)衍射方向的測(cè)定，可以得到晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、晶胞大小和形狀等信息。

晶體結(jié)構(gòu)=點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)基元，點(diǎn)陣又包括直線點(diǎn)陣，平面點(diǎn)陣和空間點(diǎn)陣。在x射線作用下晶體的散射線來自若干層原子面，除同一層原子面的散射線互相干涉外，各原子面的散射線之間還要互相干涉。光柵衍射

當(dāng)光程差(BD+BF)=2dsinθ等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍nλ時(shí)，相鄰原子面散射波干涉加強(qiáng)，即干涉加強(qiáng)條件為：

2dsinθ=nλ

一、X射線衍射法

1.多晶粉末法

a.物相分析

X射線物相分析是以晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過比較晶體衍射花樣來進(jìn)行分析的。

對(duì)于晶體物質(zhì)中來說，各種物質(zhì)都有自己特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)（點(diǎn)陣類型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的數(shù)目、位置等），結(jié)構(gòu)參數(shù)不同則X射線衍射花樣也就各不相同，所以通過比較X射線衍射花樣可區(qū)分出不同的物質(zhì)。

2單晶衍射法

若將一束單色X射線射到一粒靜止的單晶體上，入射線與晶粒內(nèi)的各晶面族都有一定的交角，只有很少數(shù)的晶面能符合布拉格公式而發(fā)生衍射。目前常用的收集單晶體衍射數(shù)據(jù)的方法，一為回?cái)[法，二為四圓衍射儀法。

X射線衍射法的應(yīng)用

由于，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測(cè)量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)，所以X射線衍射技術(shù)在冶金、石油、巖石礦物、科研、航空航天、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹其在藥物鑒定和巖石礦物學(xué)中的重要作用。

1.X射線衍射分析方法在中藥鑒定中的應(yīng)用

X射線衍射分析方法具有簡(jiǎn)便易行、直觀、圖譜信息量大、指紋性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、所需樣品量少、結(jié)果可靠的特點(diǎn)，用于中藥鑒定是一種比較理想而有效的方法，它不僅可用于植物類、動(dòng)物類、礦物類中藥的鑒定，還可用于菌類中藥和中藥復(fù)方的鑒定，為中藥的鑒定提供了準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、可靠的鑒定方法，并為臨床安全用藥提供了保證[23]。

[24] 呂揚(yáng)，鄭啟泰，吳楠等探究了x射線衍射Fourier圖譜分析方法在茜草類、貝母類、山藥類植物類中藥中的應(yīng)用，揭示了中藥材道地性的客觀規(guī)律，并建立了相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。

張麗等將馬鹿茸的對(duì)照X射線衍射圖譜與花鹿茸對(duì)照X射線衍射圖譜進(jìn)行拓?fù)浞治霰容^,得出兩種來源的鹿茸具有共同的組分性質(zhì)，二者可作為同一種中藥材[26]使用的結(jié)論。王媚等對(duì)磁石XRD的圖譜特征峰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地不同批次的磁石礦物組成及其含量有一定的差異，同時(shí)得出磁石藥材中主要物相為Fe2O3,SiO2。翁立明[27]等通過對(duì)全國(guó)10個(gè)不同省份的全蝎樣品進(jìn)行分析研究，獲取相應(yīng)的X射線衍射圖譜，得出X射線衍射指紋圖譜可以用于動(dòng)物中藥材全蝎樣品的分析鑒定和質(zhì)量控制。

總之，,應(yīng)用X射線衍射Fourier指紋圖譜可以實(shí)現(xiàn)某些植物或動(dòng)物中藥材的鑒[25] 2 定，而且在分析鑒別同種中藥材的不同來源方面有著廣闊的發(fā)展前景。綜上所述，X射線衍射分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國(guó)藥學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著不可替代的作用.相信通過藥學(xué)與晶體學(xué)科研究人員的共同努力，利用X射線衍射技術(shù)，不斷建立新的分析方法，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，將使X射線衍射技術(shù)在我國(guó)和世界的不同交義學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)揮更為重要的作用，為我國(guó)的創(chuàng)新中、西藥學(xué)的研究與開發(fā)提供有效的質(zhì)量控制方法。

2.X射線衍射分析法在巖石礦物學(xué)中的應(yīng)用

地殼由礦物、巖石組成，對(duì)其成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等的分析是礦物學(xué)、巖石學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。X射線衍射技術(shù)特別是粉晶X射線衍射技術(shù)自發(fā)明以來就被應(yīng)用于礦物、巖石研究，廣泛應(yīng)用于礦物的定性、定量分析。在石油地質(zhì)和鉆采工程等領(lǐng)域，對(duì)粘土礦物的研究成果應(yīng)用較廣。盡管方法還存在不足，但基本能滿足目前的地質(zhì)應(yīng)用要求。因?yàn)樵诘刭|(zhì)研究中主要關(guān)心粘土礦物的種類和相對(duì)含量的高低，對(duì)粘土礦物的準(zhǔn)確含量并不特別要求。

總之，X射線衍射方法進(jìn)行物相定量分析方法很多，但是有些方法需要有純的物質(zhì)作為標(biāo)樣，而有時(shí)候純的物質(zhì)難以得到，從而使得定量分析難以進(jìn)行，從這個(gè)

[29]意義上說，無標(biāo)樣定量相分析法具有較大的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

X射線是研究粘土礦物尤其是研究泥巖和碳酸巖鹽中粘土礦物的重要手段。馮澤[30]

31[28]則列舉了實(shí)例，說明了X衍射技術(shù)在石油勘探開發(fā)中的重要應(yīng)用。范光、葛祥坤[]，利用微區(qū)X射線儀對(duì)新疆某地區(qū)鈹?shù)V床的礦石進(jìn)行鈹選礦試驗(yàn)，探究了鈹?shù)拇嬖谛问?確定該區(qū)域的主要礦物為羥硅鈹石。

廖立兵等，介紹了粉晶X射線衍射在巖石礦物學(xué)研究中的應(yīng)用。龐小麗等綜述了粉晶X射線衍射法在造巖礦物、拈土礦物、巖組學(xué)、類質(zhì)同象和結(jié)晶度的測(cè)定等領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用。綜述他們的觀點(diǎn)，粉晶X射線衍射不僅在礦物的定性/定量分析、晶胞參數(shù)測(cè)定、類質(zhì)同像研究、多型研究、有序/無序結(jié)構(gòu)研究、巖組學(xué)研究等傳統(tǒng)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮著重要作用，在礦物結(jié)晶過程和相轉(zhuǎn)變研究、礦物表面物相研究、礦物缺陷研究和礦物晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定等新領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

-6由于原子吸收系統(tǒng)分析特點(diǎn)是靈敏度高（10級(jí)）、準(zhǔn)確度和精確度高、分析速度塊、分析范圍廣，可測(cè)定70多種元素，該方法在地球化學(xué)找礦分析中常用在Cu，[34]Pb,Zn,Ni,等元素的測(cè)定。

李國(guó)武[35][32]

[33]等通過實(shí)驗(yàn)探究西藏羅布莎鉻鐵礦中硅鐵合金礦物發(fā)現(xiàn)樣品的x射線衍射中以FeSi為主的單顆粒中含有FeSi2的衍射峰，而在另一些FeSi2單顆粒樣品中含有自然硅的衍射峰。說明可能存在FeSi-FeSi2-Si的晶出順序推測(cè)其環(huán)境中的還原程度依次增高。因此認(rèn)為羅布莎鉻鐵礦重砂中的硅鐵合金礦物可能是地球旱期演化分異作用的結(jié)果。

此外，X射線衍射分析粘土礦物在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用

[36]

也十分廣泛。許多油 3 氣田存在于沉積巖中，沉積巖中的粘土礦物與非粘土礦物的種類、性質(zhì)與油氣田的勘探、開采有大的關(guān)系。X射線衍射儀主要用來分析這些礦物，總結(jié)出礦物的種類和性質(zhì)，為勘探和開發(fā)提供依據(jù)。

六、總結(jié)

我認(rèn)為X射線衍射分析方法是一種有用的工具，在許多科研項(xiàng)目中有重要且有效的作用。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如不損傷樣品、快捷、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等，該方法雖然不是在任何領(lǐng)域都比別的分析方法優(yōu)，但在鑒定物質(zhì)及測(cè)定物質(zhì)結(jié)中應(yīng)用十分廣泛。作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析不可替代的分析手段，X射線衍射儀在航空、鋼鐵、化工、建材、石油、煤炭、地礦幾乎所有產(chǎn)業(yè)以及超導(dǎo)、生命科學(xué)等新興研究領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，常被稱作分析儀器中的多面手。

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第三篇：X射線衍射（范文）

X射線衍射

（大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程系 10級(jí)物理學(xué)一班 周瑞勇 201001071465）

摘 要：X射線受到原子核外電子的散射而發(fā)生的衍射現(xiàn)象。由于晶體中規(guī)則的原子排列就會(huì)產(chǎn)生規(guī)則的衍射圖像，可據(jù)此計(jì)算分子中各種原子間的距離和空間排列，是分析大分子空間結(jié)構(gòu)有用的方法。

關(guān)鍵詞：核外電子 散射 衍射 空間排列

一

前言

1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有X射線衍射分析相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理。

X射線及其衍射X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為20～0.06埃)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用高能電子束轟擊金屬“靶”材產(chǎn)生X射線，它具有與靶中元素相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線。如通常使用的靶材對(duì)應(yīng)的X射線的波長(zhǎng)大約

為1.5406埃?？紤]到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子面間的距離相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束 X射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。

二 發(fā)展

X射線是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。

自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，許多物理學(xué)家都在積極地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后發(fā)現(xiàn)X射線的偏振現(xiàn)象，但對(duì)X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。

勞厄的文章發(fā)表不久，就引起英國(guó)布拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時(shí)老布拉格（WH．Bragg）已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格（WL．Bragg）則剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。由于都是X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。年輕的小布拉格經(jīng)過反復(fù)研究，成功地解釋了勞厄的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。他以更簡(jiǎn)潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino這一結(jié)果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。

1912年11月，年僅22歲的小布位格以《晶體對(duì)短波長(zhǎng)電磁波衍射》為題向劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)報(bào)告了上述研究結(jié)果。老布拉格則于1913年元月設(shè)計(jì)出第一臺(tái)X射線分光計(jì)，并利用這臺(tái)儀器，發(fā)現(xiàn)了特征X射線。小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)之后，與其父親合作，成功地測(cè)定出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并用勞厄法進(jìn)行了驗(yàn)證。金剛石結(jié)構(gòu)的測(cè)定完美地說明了化學(xué)家長(zhǎng)期以來認(rèn)為的碳原子的四個(gè)鍵按正四面體形狀排列的結(jié)論。這對(duì)尚處于新生階段的X射線晶體學(xué)來說是一個(gè)非常重要的事件，它充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結(jié)構(gòu)的有效性，使其開始為物理學(xué)家和化學(xué)家普遍接受。

三 原理與應(yīng)用

1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格方程：

2d sinθ=nλ

式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。

當(dāng)X射線以掠角θ(入射角的余角)入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面上時(shí),在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。布拉格方程簡(jiǎn)潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件。當(dāng) X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布拉格方程條件的反射面得到反射,測(cè)出θ后，利用布拉格方程即可確定點(diǎn)陣晶面間距、晶胞大小和類型;根據(jù)衍射線的強(qiáng)度,還可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。這便是X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎(chǔ)。而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變）,以輻射束的波長(zhǎng)作為變量來保證晶體中一切晶面都滿足布拉格方程的條件,故選用連續(xù)X射線束。如果利用結(jié)構(gòu)已知的晶體，則在測(cè)定出衍射線的方向θ后,便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。這便是X射線譜術(shù),可用于分析金屬和合金的成分。

X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用 X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多具有重大意義的結(jié)果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是立方結(jié)構(gòu)，β-Fe并不是一種新相;而鐵中的α─→γ

轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨后,在用X射線測(cè)定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對(duì)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)合金中有序無序轉(zhuǎn)變的研究，對(duì)馬氏體相變晶體學(xué)的測(cè)定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對(duì)鋁銅合金脫溶的研究等等。目前 X射線衍射(包括散射)已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面。

四 物相分析與取向分析

物相分析 是 X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對(duì)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相；后者則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關(guān)系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規(guī)程是否合理等方面都得到廣泛應(yīng)用。

取向分析 包括測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（見擇優(yōu)取向）。測(cè)定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也與取向的測(cè)定有關(guān)。

晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。

宏觀應(yīng)力的測(cè)定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機(jī)器零件的使用壽命。利用測(cè)量點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的變化，可計(jì)算出殘留應(yīng)力的大小和方向。

對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究 包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。

合金相變 包括脫溶、有序無序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。

結(jié)構(gòu)分析 對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。

液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測(cè)定近程序參量、配位數(shù)等。

特殊狀態(tài)下的分析 在高溫、低溫和瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。

此外，小角度散射用于研究電子濃度不均勻區(qū)的形狀和大小,X射線形貌術(shù)用于研究近完整晶體中的缺陷如位錯(cuò)線等，也得到了重視。

五 最新進(jìn)展

X射線分析的新發(fā)展 金屬X射線分析由于設(shè)備和技術(shù)的普及已逐步變成金屬研究和材料測(cè)試的常規(guī)方法。早期多用照相法，這種方法費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。50年代初問世的計(jì)數(shù)器衍射儀法具有快速、強(qiáng)度測(cè)量準(zhǔn)確，并可配備計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強(qiáng)度X射線源（包括超高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線發(fā)生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測(cè)器的出現(xiàn)以及電子計(jì)算機(jī)分析的應(yīng)用，使金屬 X射線學(xué)獲得新的推動(dòng)力。這些新技術(shù)的結(jié)合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進(jìn)行瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察以及對(duì)更為微弱或精細(xì)效應(yīng)的研究。

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第四篇：X射線衍射儀工作原理

一 X射線衍射儀工作原理 X射線是利用衍射原理，精確測(cè)定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力。對(duì)物質(zhì)進(jìn)行物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。

特征X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為20～0.06nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的X射線中，包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線。考慮到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光，即當(dāng)一束X射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg, W..L Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格定律：

2dsin??n?，式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角，又稱為布拉格角）入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面面上時(shí)，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。

二，X射線衍射的應(yīng)用

1、當(dāng)X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)(選用固定波長(zhǎng)的特征X射線)，采用細(xì)粉末或細(xì)粒多晶體的線狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布拉格條件的反射面得到反射。測(cè)出θ后，利用布拉格公式即可確定點(diǎn)陣平面間距d、晶胞大小和晶胞類型;

2、利用X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎(chǔ)，測(cè)定衍射線的強(qiáng)度,就可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。

3、而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變）,以輻射線束的波長(zhǎng)λ作為變量來保證晶體中一切晶面都滿足布拉格條件,故選用連續(xù)X射線束。再把結(jié)構(gòu)已知晶體（稱為分析晶體）用來作測(cè)定，則在獲得其衍射線方向θ后,便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)λ，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。這便是X射線譜術(shù),可用于分析金屬和合金的成分

4、X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用： X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。

（1）物相分析 是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，又分為定性分析和定量分析。定性分析是把對(duì)待測(cè)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定材料中存在的物相；定量分析則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定待測(cè)材料中各相的比例含量。

（2）精密測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù) 常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的繪制。溶解度的變化往往引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化；當(dāng)達(dá)到溶解限后，溶質(zhì)的繼續(xù)增加引起新相的析出，不再引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為溶解限。另外點(diǎn)陣常數(shù)的精密測(cè)定可獲得單位晶胞原子數(shù)，從而可確定固溶體類型；還可以計(jì)算出密度、膨脹系數(shù)等有用的物理常數(shù)。

（3）取向分析 包括測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（如擇優(yōu)取向）。測(cè)定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也與取向的測(cè)定有關(guān)。

（4）晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。

（5）宏觀應(yīng)力的測(cè)定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機(jī)器零件的使用壽命。利用測(cè)定點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的改變，可計(jì)算出殘留應(yīng)力的大小和方向。

（6）對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究 包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。

（7）合金相變 包括脫溶、有序無序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。

（8）結(jié)構(gòu)分析 對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。

（9）液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測(cè)定近程序參量、配位數(shù)等。

（10）特殊狀態(tài)下的分析 在高溫、低溫和瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。

第五篇：X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與工作原理

X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與工作原理

1、測(cè)角儀的工作原理

測(cè)角儀在工作時(shí)，X射線從射線管發(fā)出，經(jīng)一系列狹縫后，照射在樣品上產(chǎn)生衍射。計(jì)數(shù)器圍繞測(cè)角儀的軸在測(cè)角儀圓上運(yùn)動(dòng)，記錄衍射線，其旋轉(zhuǎn)的角度即2θ，可以從刻度盤上讀出。與此同時(shí)，樣品臺(tái)也圍繞測(cè)角儀的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)速的1/2。為什么？

為了能增大衍射強(qiáng)度，衍射儀法中采用的是平板式樣品，以便使試樣被X射線照射的面積較大。這里的關(guān)鍵是一方面試樣要滿足布拉格方程的反射條件。另一方面還要滿足衍射線的聚焦條件，即使整個(gè)試樣上產(chǎn)生的X衍射線均能被計(jì)數(shù)器所接收。

在理想的在理想情況下，X射線源、計(jì)數(shù)器和試樣在一個(gè)聚焦圓上。且試樣是彎曲的，曲率與聚焦圓相同。對(duì)于粉末多晶體試樣，在任何方位上總會(huì)有一些（hkl）晶面滿足布拉格方程產(chǎn)生反射，而且反射是向四面八方的，但是，那些平行于試樣表面的晶面滿足布拉格方程時(shí)，產(chǎn)生衍射，且滿足入射角=反射角的條件。由平面幾何可知，位于同一圓弧上的圓周角相等，所以，位于試樣不同部位M，O，N處平行于試樣表面的（hkl）晶面，可以把各自的反射線會(huì)聚到F點(diǎn)（由于S是線光源，所以廠點(diǎn)得到的也是線光源）。這樣便達(dá)到了聚焦的目的。在測(cè)角儀的實(shí)際工作中，通常X射線源是固定不動(dòng)的。計(jì)數(shù)器并不沿聚焦圓移動(dòng)，而是沿測(cè)角儀圓移動(dòng)逐個(gè)地對(duì)衍射線進(jìn)行測(cè)量。因此聚焦圓的半徑一直隨著2θ角的變化而變化。在這種情況下，為了滿足聚焦條件，即相對(duì)試樣的表面，滿足入射角=反射角的條件，必須使試樣與計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度保持1:2的速度比。不過，在實(shí)際工作中，這種聚焦不是十分精確的。因?yàn)?，?shí)際工作中所采用的樣品不是弧形的而是平面的，并讓其與聚焦圓相切，因此實(shí)際上只有一個(gè)點(diǎn)在聚焦圓上。這樣，衍射線并非嚴(yán)格地聚集在F點(diǎn)上，而是有一定的發(fā)散。但這對(duì)于一般目的而言，尤其是2θ角不大的情況下（2θ角越小，聚焦圓的曲率半徑越大，越接近于平面），是可以滿足要求的。

2、X射線探測(cè)器

衍射儀的X射線探測(cè)器為計(jì)數(shù)管。它是根據(jù)X射線光子的計(jì)數(shù)來探測(cè)衍射線是存在與否以及它們的強(qiáng)度。它與檢測(cè)記錄裝置一起代替了照相法中底片的作用。其主要作用是將X射線信號(hào)變成電信號(hào)。探測(cè)器的有不同的種類。有使用氣體的正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器和固體的閃爍計(jì)數(shù)器和硅探測(cè)器。目前最常用的是閃爍計(jì)數(shù)器，在要求定量關(guān)系較為準(zhǔn)確的場(chǎng)合下一般使用正比計(jì)數(shù)器。蓋革計(jì)數(shù)器現(xiàn)在已經(jīng)很少用了。

1）正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)管有玻璃的外殼，內(nèi)充填惰性氣體（如氬、氪、氙等）。陰極為一金屬圓筒，陽(yáng)極為共軸的金屬絲。為窗口，由云母或鐵等低吸收系數(shù)材料制成。陰、陽(yáng)極之間保持一個(gè)電位差，對(duì)正比計(jì)數(shù)管，這個(gè)電位差為600至900伏。

X射線光子能使氣體電離，所產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)，這些高速的電子足以再使氣體電離，而新產(chǎn)生的電子又可引起更多氣體電離，于是出現(xiàn)電離過程的連鎖反應(yīng)。在極短時(shí)間內(nèi)，所產(chǎn)生的大量電子便會(huì)涌向陽(yáng)板金屬絲，從而出現(xiàn)一個(gè)可以探測(cè)到的脈沖電流。這樣，一個(gè)X射線光子的照射就有可能產(chǎn)生大量離子，這就是氣體的放大作用。計(jì)數(shù)管在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)稱為計(jì)數(shù)率，它的大小與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)管的X射線光子數(shù)成正比，亦即與X射線的強(qiáng)度成正比。

正比計(jì)數(shù)器所繪出的脈沖大小（脈沖的高度）和它所吸收的X射線光子能量成正比。因此，只要在正比計(jì)數(shù)器的輸出電路上加上一個(gè)脈高分析器（脈沖幅度分析器），對(duì)所接收的脈沖按其高度進(jìn)行甑別，就可獲得只由某一波長(zhǎng)X射線產(chǎn)生的脈沖。然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。從而排除其它波長(zhǎng)的幅射（如白色X射線、樣品的熒光幅射）的影響。正由于這一點(diǎn)，正比計(jì)數(shù)器測(cè)定衍射強(qiáng)度就比較可靠。

正比計(jì)數(shù)器反應(yīng)極快，它對(duì)兩個(gè)連續(xù)到來的脈沖的分辨時(shí)間只需10-6秒。光子計(jì)數(shù)效率很高，在理想的情況下沒有計(jì)數(shù)損失。正比計(jì)數(shù)器性能穩(wěn)定，能量分辨率高，背底脈沖極低。

正比計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)在于對(duì)溫度比較敏感，計(jì)數(shù)管需要高度穩(wěn)定的電壓，又由于雪崩放電所引起電壓的瞬時(shí)脫落只有幾毫優(yōu)，故需要強(qiáng)大的放大設(shè)備。

蓋革計(jì)數(shù)器與正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與原理相似。但它的氣體放大倍數(shù)很大，輸出脈沖的大小與入射X射線的能量無關(guān)。對(duì)脈沖的分辨率較低，因此具有計(jì)數(shù)的損失。2）閃爍計(jì)數(shù)管

閃爍計(jì)數(shù)管是利用X射線激發(fā)某此晶體的熒光效應(yīng)來探測(cè)X射線的。它由首先將接收到的X射線光子轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夤庾?，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?，然后形成電脈沖而進(jìn)行計(jì)數(shù)的。

它主要由閃爍體和光電倍增管兩部分組成。閃爍體是一種在受到X射線光子轟擊時(shí)能夠發(fā)出可見光熒光的晶體，最常用的是用鉈活化的碘化鈉Nal（TI）單晶體。光電倍增管的作用則是將可見光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖。閃爍晶體位于光電倍增器的面上，其外側(cè)用鈹箔密封，以擋住外來的可見光，但可讓X射線較順利通過。當(dāng)閃爍晶體吸收了X射線光子后，即發(fā)出閃光（可見的熒光光子），后者投射到光電信增器的光敏陰極上，使之迸出光電子。然后在電場(chǎng)的驅(qū)使下，這些電子被加速并轟擊光電信增器的第一個(gè)倍增極（它相對(duì)于陰極具有高出約100V的正電位），并由于次級(jí)發(fā)射而產(chǎn)生附加電子。在光電信增器中通常有10或11個(gè)倍增級(jí)，每一個(gè)倍增極的正電位均較其前～個(gè)高出約100V。于是電子依次經(jīng)過各個(gè)倍增極，、最后在陽(yáng)板上便可收結(jié)到數(shù)量極其巨大的電子，從而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，其數(shù)量級(jí)可達(dá)幾伏。產(chǎn)生的脈沖的數(shù)量與入射的X射線光子的數(shù)目有關(guān)，亦即與X射線的強(qiáng)度有關(guān)。因此它可以用來測(cè)量X射線的強(qiáng)度。同時(shí)，脈沖的大小與X射線的能量有關(guān)，因此，它也可象正比計(jì)數(shù)器那樣，用一個(gè)脈高分析器，對(duì)所接收的脈沖按其高度進(jìn)行甑別。

閃爍計(jì)數(shù)器的反應(yīng)很快，其分辨時(shí)間達(dá)10-8秒。因而在計(jì)數(shù)率達(dá)到10-5次/秒以下時(shí)，不會(huì)有計(jì)數(shù)的損失。閃爍計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是背底脈沖高。這是因?yàn)榧词乖跊]有X射線光電子進(jìn)入計(jì)數(shù)管時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生“無照電流”的脈沖。其來源為光敏陰極因熱離子發(fā)射而產(chǎn)生的電子。此外，閃爍計(jì)數(shù)器的價(jià)格較貴。晶體易于受潮解而失效。除了氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器外，近年來一些高性能衍射儀采用固體探測(cè)器和陣列探測(cè)器。固體探測(cè)器，也稱為半導(dǎo)體探測(cè)器，采用半導(dǎo)體原理與技術(shù)，研制的鋰漂移硅Si（Li）或鋰漂移鍺Ge（Li）固體探測(cè)器，固體探測(cè)器能量分辨率好，X光子產(chǎn)生的電子數(shù)多。固體探測(cè)器是單點(diǎn)探測(cè)器，也就是說，在某一時(shí)候，它只能測(cè)定一個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度。如果要測(cè)不止一個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度，就要作掃描，即要一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地測(cè)，掃描法是比較費(fèi)時(shí)間?，F(xiàn)已發(fā)展出一些一維的（線型）和二維（面型）陣列探測(cè)器來滿足此類快速、同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)要求。所謂陣列探測(cè)器就是將許多小尺寸（如50μm）的固體探測(cè)器規(guī)律排列在一條直線上或一個(gè)平面上，構(gòu)成線型或平面型陣列式探測(cè)器。陣列探測(cè)器一般用硅二極管制作。這種一維的（線型）或二維的（面型）陣列探測(cè)器，既能同時(shí)分別記錄到達(dá)不同位置上的X射線的能量和數(shù)量，又能按位置輸出到達(dá)的X射線強(qiáng)度的探測(cè)器。陣列探測(cè)器不但能量分辨率好，靈敏度高，且大大提高探測(cè)器的掃描速度，特別適用于X射線衍射原位分析。

3、X射線檢測(cè)記錄裝置

這一裝置的作用是把從計(jì)數(shù)管輸送來的脈沖信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，并將結(jié)果加以顯示或記錄。它由一系列集成電路或晶體管電路組成。其典型的裝置如圖所示。

由計(jì)數(shù)管所產(chǎn)生的低壓脈沖，首先在前置放大器中經(jīng)過放大，然后傳送到線性放大器和脈沖整形器中放大、整形，轉(zhuǎn)變成其脈高與所吸收 X射線光子的能量成正比的矩形脈沖。輸出的矩形脈沖波再通過脈高甄別器和脈高分析器，把脈高不符合于指定要求的脈沖甄別開，只讓其脈高與所選用的單色X射級(jí)光子的能量相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)通過。所通過的那些脈高均一的矩形脈沖波可以同時(shí)分別輸往脈沖平均電路和計(jì)數(shù)電路。

脈沖平均電路的作用是使在時(shí)間間隔上無規(guī)則地輸入的脈沖減為穩(wěn)定的脈沖平均電流，后者的起伏大小與平均脈沖速率成正比，亦即與接收到的 X射線的強(qiáng)度成正比。脈沖平均電路具有一個(gè)可調(diào)的電容來調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)RC的大小。RC大，脈沖電流的平波效應(yīng)就強(qiáng)，電流隨時(shí)間變化的細(xì)小差別相應(yīng)減小。RC小，則可以提高對(duì)這些細(xì)節(jié)的分辨能力。由脈沖平均電路輸出的平均電流，然后饋送給計(jì)數(shù)率儀和長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄儀。從計(jì)數(shù)率儀的微安計(jì)上可以直接讀得脈沖平均電流的大小。長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄儀把電流的起伏轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢徊畹淖兓?，并帶?dòng)記錄筆畫出相應(yīng)的曲線，而記錄紙的走紙速度則與計(jì)數(shù)管繞測(cè)角計(jì)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的速度（掃描速度）成正比關(guān)系。所以長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄僅能夠以強(qiáng)度分布曲線的形式自動(dòng)記錄下X射線衍射強(qiáng)度隨衍射角2θ的變化，提供直觀而又可以永久保存的衍射圖譜。

計(jì)數(shù)電路由定標(biāo)器和定時(shí)器組成。定標(biāo)器的作用是對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定標(biāo)器與定時(shí)器相配合，可以定時(shí)計(jì)數(shù)（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)），也可以定標(biāo)計(jì)時(shí)（計(jì)算達(dá)到預(yù)定計(jì)數(shù)數(shù)目時(shí)所需的時(shí)間。定標(biāo)一定時(shí)電路的輸出可有幾種不同的方式來顯示或記錄。一是由數(shù)碼管直接顯示出數(shù)字，它允許顯示一定位數(shù)以內(nèi)的任何累計(jì)計(jì)數(shù)，二是由數(shù)字打印器把結(jié)果打印出來。目前的衍射儀都用計(jì)算機(jī)將這些信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)處理。如福州大學(xué)材料學(xué)院的日本島津XD-5A型X射線粉末衍射儀經(jīng)過改造，可由計(jì)算機(jī)控制和設(shè)定參數(shù)，以及圖譜記錄、處理。下圖是計(jì)算機(jī)記錄的圖譜，橫坐標(biāo)為衍射峰位置2θ角，縱坐標(biāo)為衍射峰強(qiáng)度的光子數(shù)量，以cps表示。