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

瀏覽次數：1730次懸賞分：10 | 解決時間：2009-10-26 12:23 | 提問者：明天過后200811

要寫讀書報告，想知道X射線衍射的原理以及可以解決的問題。要詳細點的，別太籠統。謝謝！

X射線衍射原理及應用介紹

特征X射線及其衍射 X射線是一種波長很短(約為20～0.06 nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產生的X射線中,包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標識）X射線。考慮到X射線的波長和晶體內部原子間的距離(10^(-8)cm)相近，1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當一束 X射線通過晶體時將會發生衍射；衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上增強、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結構。這一預見隨后為實驗所驗證。1913年英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發現的基礎上,不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構,并提出了作為晶體衍射基礎的著名公式——布拉格定律：

2d sinθ=nλ，式中，λ為X射線的波長，衍射的級數n為任何正整數。

當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點陣平面間距的原子面上時,在滿足布拉格方程時，會在反射方向上獲得一組因疊加而加強的衍射線。

應用：

1、當X射線波長λ已知時(選用固定波長的特征X射線)，采用細粉末或細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。測出θ后，利用布拉格公式即可確定點陣平面間距d、晶胞大小和晶胞類型;

2、利用X射線結構分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎，測定衍射線的強度,就可進一步確定晶胞內原子的排布。

3、而在測定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動（即θ不變）,以輻射線束的波長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X射線束。再把結構已知晶體（稱為分析晶體）用來作測定，則在獲得其衍射線方向θ后,便可計算X射線的波長λ，從而判定產生特征X射線的元素。這便是X射線譜術,可用于分析金屬和合金的成分。

4、X射線衍射在金屬學中的應用

X射線衍射現象發現后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結構，出現了許多具有重大意義的結果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是體心立方結構，β-Fe并不是一種新相;而鐵中的α—→γ相轉變實質上是由體心立方晶體轉變為面心立方晶體，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨后,在用X射線測定眾多金屬和合金的晶體結構的同時，在相圖測定以及在固態相變和范性形變研究等領域中均取得了豐碩的成果。如對超點陣結構的發現，推動了對合金中有序無序轉變的研究；對馬氏體相變晶體學的測定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關系；對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)已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。

在金屬中的主要應用有以下方面：

（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。定性分析是把對待測材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據進行比較，以確定材料中存在的物相；定量分析則根據衍射花樣的強度，確定待測材料中各相的比例含量。

（2）精密測定點陣參數 常用于相圖的固態溶解度曲線的繪制。溶解度的變化往往引起點陣常數的變化；當達到溶解限后，溶質的繼續增加引起新相的析出，不再引起點陣常數的變化。這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數的精密測定可獲得單位晶胞原子數，從而可確定固溶體類型；還可以計算出密度、膨脹系數等有用的物理常數。

（3）取向分析 包括測定單晶取向和多晶的結構（如擇優取向）。測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、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。

（4）晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定 由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。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）宏觀應力的測定 宏觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測定點陣平面在不同方向上的間距的改變，可計算出殘留應力的大小和方向。

（6）對晶體結構不完整性的研究 包括對層錯、位錯、原子靜態或動態地偏離平衡位置，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、有序無序轉變、母相新相的晶體學關系，等等。

（8）結構分析 對新發現的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數、對稱性、原子位置等晶體學數據。

（9）液態金屬和非晶態金屬 研究非晶態金屬和液態金屬結構，如測定近程序參量、配位數等。

（10）特殊狀態下的分析 在高溫、低溫和瞬時的動態分析。

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

X射線分析的新發展

金屬X射線分析由于設備和技術的普及已逐步變成金屬研究和材料測試的常規方法。早期多用照相法，這種方法費時較長，強度測量的精確度低。50年代初問世的計數器衍射儀法具有快速、強度測量準確，并可配備計算機控制等優點，已經得到廣泛的應用。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，隨著高強度X射線源（包括超高強度的旋轉陽極X射線發生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測器的出現以及電子計算機分析的應用，使金屬 X射線學獲得新的推動力。這些新技術的結合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進行瞬時的動態觀察以及對更為微弱或精細效應的研究。

5、X射線物相分析

X射線照射晶體物相產生一套特定的粉未衍射圖譜或數據D-I值。其中D-I與晶胞形狀和大小有關，相對強度I/I0，與質點的種類和位置有關。

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

（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晶格常數和晶體結構，只須把實測數據與（粉未衍射標準聯合會）發行的PDF卡片上的標準值核對，就可進行鑒定。

當然這是對那些被測試研究收集到卡片集中的晶相物質而言的，卡片記載的解析結果都可引用。

《粉末衍射卡片集》是目前收集最豐富的多晶體衍射數據集，包括無機化合物，有機化合物，礦物質，金屬和合金等。1969年美國材料測試協會與英、法、加等多國相關協會聯合組成粉末衍射標準聯合會，收集整理、編輯出版PDF卡片,每年達到無機相各一組,每組1500-2000張不等.1967年前后,多晶粉未衍射譜的電子計示示機檢索程序和數據庫相繼推出.日本理學公司衍射射儀即安裝6個檢索程序(1)含947個相的程序;(2)含2716個相的常用相程序;(3)含3549個相的礦物程序;(4)含6000個相的金屬和合金程序;(5)含31799個相的無機相程序(6)含11378個相的有機相程序.每張片尾記錄一個物相。

（2）多相物質定性分析

測XRD譜，得d值及相對強度后查索引，得卡片號碼后查到卡片，在±1%誤差范圍內若解全部數據符合，則可判斷該物質就是卡片所載物相，其晶體結構及有關性能也由卡片而知。這是單一物相定性分析。

多相混合物質的XRD譜是各物相XRD譜的迭加，某一相的譜線位置和強度不因其它物相的存在而改變，除非兩相間物質吸收系數差異較大會互相影響到衍射強度。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，或者先嘗試假設各物相組分，它們的XRD譜解析相對要容易得多。分別查出這些單一物相的已知標準衍射數據，d值和強度，將它們綜合到一起，就可以得到核實其有無。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，應設法從復相數據中先查核確定一相，再對余下的數據進行查對。每查出一相就減少一定難度，直至全部解決。當然對于完全未知多相樣品可以了解其來源、用途、物性等推測其組分；通過測試其原子吸收光譜、原子發射光譜，IR、化學分析、X射線熒光分析等測定其物相的化學成分，推測可能存在的物相。查索到時，知道組分名稱的用字順索引查，使用d值索引前，要先將全部衍射強度歸一化，然后分別用一強線、二強線各種組合、三強線各種組合…聯合查找直至查出第一主相。標記其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值相同的多余強度值。繼續查找確定第二主相，直至全部物相逐一被查找出來并核對正確無誤。遇到沒被PDF卡收錄的物相時，需按未知物相程序解析指認。

物相定性分析中追求數據吻合程度時，（1）d值比I/I1值更重要，更優先。因為d測試精度高，重現性好；而強度受純度（影響分辨率）、結晶度（影響峰形）樣品細微度（同Q值時吸收不同），輻射源波長（同d值，角因子不同）、樣品制備方法（有無擇優取向等）、測試方法（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）強線比弱線重要。尤其要重視強度較大的大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上的定量分析是根據樣品中某一物相的衍射線積分強度正變化于其含量。不能嚴格正比例的原因是樣品也產生吸收。對經過吸收校正后的的衍射線強度進行計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、結晶度的XRD測定

7、高分子結晶體的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構和物相分析技術，廣泛應用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學、材料生產等領域。本文簡要介紹X射線衍射原理，X射線衍射儀器的結構、原理，及其在地質學、醫學等自然科學領域中的應用。

前言：

1895年倫琴發現X射線，又稱倫琴射線。德國科學家勞厄于1912年發現 0 了X射線衍射現象，并推導出勞厄晶體衍射公式。隨后，英國布拉格父子又將此衍射關系用簡單的布拉格方程表示出來。到上世紀四、五十年代，X射線衍射的原理、方法及在其他各方面的應用逐漸建立。在各種測量方法中，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點。X射線衍射技術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、材料生產等領域的被廣泛應用。

關鍵詞：方法，衍射，原理，應用

X射線衍射儀的原理

1.X射線衍射原理

當X射線沿某方向入射某一晶體的時候，晶體中每個原子的核外電子產生的相干波彼此發生干涉。當每兩個相鄰波源在某一方向的光程差等于波長λ的整數倍時，它們的波峰與波峰將互相疊加而得到最大限度的加強，這種波的加強叫做衍射，相應的方向叫做衍射方向，在衍射方向前進的波叫做衍射波。光程差為0的衍射叫零級衍射，光程差為λ的衍射叫一級衍射，光程差為nλ的衍射叫n級衍射。n不同，衍射方向的也不同。

由于常用的X射線波長約在2.5A～0.5A之間，與晶體中的原子間距(1A)數量級相同，因此可以用晶體作為X射線的衍射光柵，這就使得用X射線衍射進行晶體結構分析成為可能。

在晶體的點陣結構中，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果，決定了X射線在晶體中衍射的方向，所以通過對衍射方向的測定，可以得到晶體的點陣結構、晶胞大小和形狀等信息。

晶體結構=點陣+結構基元，點陣又包括直線點陣，平面點陣和空間點陣。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

當光程差(BD+BF)=2dsinθ等于波長的整數倍nλ時，相鄰原子面散射波干涉加強，即干涉加強條件為：

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構為基礎，通過比較晶體衍射花樣來進行分析的。

對于晶體物質中來說，各種物質都有自己特定的結構參數（點陣類型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的數目、位置等），結構參數不同則X射線衍射花樣也就各不相同，所以通過比較X射線衍射花樣可區分出不同的物質。

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，入射線與晶粒內的各晶面族都有一定的交角，只有很少數的晶面能符合布拉格公式而發生衍射。目前常用的收集單晶體衍射數據的方法，一為回擺法，二為四圓衍射儀法。

X射線衍射法的應用

由于，X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點，所以X射線衍射技術在冶金、石油、巖石礦物、科研、航空航天、材料生產等領域被廣泛應用。本文主要介紹其在藥物鑒定和巖石礦物學中的重要作用。

1.X射線衍射分析方法在中藥鑒定中的應用

X射線衍射分析方法具有簡便易行、直觀、圖譜信息量大、指紋性強、穩定可靠、所需樣品量少、結果可靠的特點，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、動物類、礦物類中藥的鑒定，還可用于菌類中藥和中藥復方的鑒定，為中藥的鑒定提供了準確、簡便、可靠的鑒定方法，并為臨床安全用藥提供了保證[23]。

[24] 呂揚，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用，揭示了中藥材道地性的客觀規律，并建立了相應評價指標系統。

張麗等將馬鹿茸的對照X射線衍射圖譜與花鹿茸對照X射線衍射圖譜進行拓撲分析比較,得出兩種來源的鹿茸具有共同的組分性質，二者可作為同一種中藥材[26]使用的結論。王媚等對磁石XRD的圖譜特征峰數據進行分析，發現不同產地不同批次的磁石礦物組成及其含量有一定的差異，同時得出磁石藥材中主要物相為Fe2O3,SiO2。翁立明[27]等通過對全國10個不同省份的全蝎樣品進行分析研究，獲取相應的X射線衍射圖譜，得出X射線衍射指紋圖譜可以用于動物中藥材全蝎樣品的分析鑒定和質量控制。

總之，,應用X射線衍射Fourier指紋圖譜可以實現某些植物或動物中藥材的鑒[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展前景。綜上所述，X射線衍射分析技術已廣泛應用于我國藥學研究的各個領域，并發揮著不可替代的作用.相信通過藥學與晶體學科研究人員的共同努力，利用X射線衍射技術，不斷建立新的分析方法，并擴展其應用范圍，將使X射線衍射技術在我國和世界的不同交義學科領域中發揮更為重要的作用，為我國的創新中、西藥學的研究與開發提供有效的質量控制方法。

2.X射線衍射分析法在巖石礦物學中的應用

地殼由礦物、巖石組成，對其成分、結構和性質等的分析是礦物學、巖石學的重要研究內容。X射線衍射技術特別是粉晶X射線衍射技術自發明以來就被應用于礦物、巖石研究，廣泛應用于礦物的定性、定量分析。在石油地質和鉆采工程等領域，對粘土礦物的研究成果應用較廣。盡管方法還存在不足，但基本能滿足目前的地質應用要求。因為在地質研究中主要關心粘土礦物的種類和相對含量的高低，對粘土礦物的準確含量并不特別要求。

總之，X射線衍射方法進行物相定量分析方法很多，但是有些方法需要有純的物質作為標樣，而有時候純的物質難以得到，從而使得定量分析難以進行，從這個

[29]意義上說，無標樣定量相分析法具有較大的使用價值和推廣價值。

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]則列舉了實例，說明了X衍射技術在石油勘探開發中的重要應用。范光、葛祥坤[]，利用微區X射線儀對新疆某地區鈹礦床的礦石進行鈹選礦試驗，探究了鈹的存在形式,確定該區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研究中的應用。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、類質同象和結晶度的測定等領域發揮的重要作用。綜述他們的觀點，粉晶X射線衍射不僅在礦物的定性/定量分析、晶胞參數測定、類質同像研究、多型研究、有序/無序結構研究、巖組學研究等傳統領域繼續發揮著重要作用，在礦物結晶過程和相轉變研究、礦物表面物相研究、礦物缺陷研究和礦物晶體結構測定等新領域也展現出廣闊的應用前景。

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

李國武[35][32]

[33]等通過實驗探究西藏羅布莎鉻鐵礦中硅鐵合金礦物發現樣品的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的晶出順序推測其環境中的還原程度依次增高。因此認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果。

此外，X射線衍射分析粘土礦物在油氣田開發中的應用

[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、性質與油氣田的勘探、開采有大的關系。X射線衍射儀主要用來分析這些礦物，總結出礦物的種類和性質，為勘探和開發提供依據。

六、總結

我認為X射線衍射分析方法是一種有用的工具，在許多科研項目中有重要且有效的作用。它具有許多優點，比如不損傷樣品、快捷、能得到有關晶體完整性的大量信息等，該方法雖然不是在任何領域都比別的分析方法優，但在鑒定物質及測定物質結中應用十分廣泛。作為物質結構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、地礦幾乎所有產業以及超導、生命科學等新興研究領域均有著廣泛的應用，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

（大慶師范學院 物理與電氣信息工程系 10級物理學一班 周瑞勇 201001071465）

摘 要：X射線受到原子核外電子的散射而發生的衍射現象。由于晶體中規則的原子排列就會產生規則的衍射圖像，可據此計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構有用的方法。

關鍵詞：核外電子 散射 衍射 空間排列

一

前言

1912年勞埃等人根據理論預見，并用實驗證實了X射線與晶體相遇時能發生衍射現象，證明了X射線具有電磁波的性質，成為X射線衍射學的第一個里程碑。當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有X射線衍射分析相同數量級，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生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理。

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

為1.5406埃?？紤]到X射線的波長和晶體內部原子面間的距離相近，1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當一束 X射線通過晶體時將發生衍射，衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結構。這一預見隨即為實驗所驗證。

二 發展

X射線是19世紀末20世紀初物理學的三大發現（X射線1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發現標志著現代物理學的產生。

自倫琴發現X射線后，許多物理學家都在積極地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后發現X射線的偏振現象，但對X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國物理學家勞厄發現了X射線通過晶體時產生衍射現象，證明了X射線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了《X射線的干涉現象》一文。

勞厄的文章發表不久，就引起英國布拉格父子的關注，當時老布拉格（WH．Bragg）已是利茲大學的物理學教授，而小布拉格（WL．Bragg）則剛從劍橋大學畢業，在卡文迪許實驗室。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。年輕的小布拉格經過反復研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式，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射線來獲取關于晶體結構的信息。

1912年11月，年僅22歲的小布位格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格則于1913年元月設計出第一臺X射線分光計，并利用這臺儀器，發現了特征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構之后，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結構，并用勞厄法進行了驗證。金剛石結構的測定完美地說明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四面體形狀排列的結論。這對尚處于新生階段的X射線晶體學來說是一個非常重要的事件，它充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結構的有效性，使其開始為物理學家和化學家普遍接受。

三 原理與應用

1913年英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發現的基礎上,不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構,并提出了作為晶體衍射基礎的著名公式──布拉格方程：

2d sinθ=nλ

式中λ為X射線的波長，n為任何正整數。

當X射線以掠角θ(入射角的余角)入射到某一點陣晶格間距為d的晶面上時,在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強的衍射線。布拉格方程簡潔直觀地表達了衍射所必須滿足的條件。當 X射線波長λ已知時(選用固定波長的特征X射線)，采用細粉末或細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,測出θ后，利用布拉格方程即可確定點陣晶面間距、晶胞大小和類型;根據衍射線的強度,還可進一步確定晶胞內原子的排布。這便是X射線結構分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎。而在測定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動（即θ不變）,以輻射束的波長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X射線束。如果利用結構已知的晶體，則在測定出衍射線的方向θ后,便可計算X射線的波長，從而判定產生特征X射線的元素。這便是X射線譜術,可用于分析金屬和合金的成分。

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

轉變實質上是由體心立方晶體轉變為面心立方晶體，從而最終否定了β-Fe硬化理論。隨后,在用X射線測定眾多金屬和合金的晶體結構的同時，在相圖測定以及在固態相變和范性形變研究等領域中均取得了豐碩的成果。如對超點陣結構的發現，推動了對合金中有序無序轉變的研究，對馬氏體相變晶體學的測定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關系；對鋁銅合金脫溶的研究等等。目前 X射線衍射(包括散射)已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。在金屬中的主要應用有以下方面。

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。前者把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據相比較，確定材料中存在的物相；后者則根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規程是否合理等方面都得到廣泛應用。

取向分析 包括測定單晶取向和多晶的結構（見擇優取向）。測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、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。

晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定 由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。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。

宏觀應力的測定 宏觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測量點陣平面在不同方向上的間距的變化，可計算出殘留應力的大小和方向。

對晶體結構不完整性的研究 包括對層錯、位錯、原子靜態或動態地偏離平衡位置，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、有序無序轉變、母相新相的晶體學關系，等等。

結構分析 對新發現的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數、對稱性、原子位置等晶體學數據。

液態金屬和非晶態金屬 研究非晶態金屬和液態金屬結構，如測定近程序參量、配位數等。

特殊狀態下的分析 在高溫、低溫和瞬時的動態分析。

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

五 最新進展

X射線分析的新發展 金屬X射線分析由于設備和技術的普及已逐步變成金屬研究和材料測試的常規方法。早期多用照相法，這種方法費時較長，強度測量的精確度低。50年代初問世的計數器衍射儀法具有快速、強度測量準確，并可配備計算機控制等優點，已經得到廣泛的應用。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，隨著高強度X射線源（包括超高強度的旋轉陽極X射線發生器、電子同步加速輻射,高壓脈沖X射線源）和高靈敏度探測器的出現以及電子計算機分析的應用，使金屬 X射線學獲得新的推動力。這些新技術的結合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進行瞬時的動態觀察以及對更為微弱或精細效應的研究。

參考文獻：

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[2] 于全芝，宋連科等.多晶材料X射線衍射定量分析的多項式擬合法.光譜學與光譜分析,2004.2.[3] 姬洪，左長明等.SrTiO3薄膜材料的高分辨率X射線衍射分析研究.功能材料,2004.z1.[4] 張俊，王蘇程等.X射線衍射法測定加載條件下鎳基單晶高溫合金的表層應力狀態.金屬學報,2007.11.

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，精確測定物質的晶體結構，織構及應力。對物質進行物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學、材料生產等領域。

特征X射線是一種波長很短(約為20～0.06nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產生的X射線中，包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標識）X射線?？紤]到X射線的波長和晶體內部原子間的距離相近，1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光，即當一束X射線通過晶體時將發生衍射，衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結構。這一預見隨即為實驗所驗證。1913年英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg, W..L Bragg)在勞厄發現的基礎上，不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構，并提出了作為晶體衍射基礎的著名公式──布拉格定律：

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

二，X射線衍射的應用

1、當X射線波長λ已知時(選用固定波長的特征X射線)，采用細粉末或細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。測出θ后，利用布拉格公式即可確定點陣平面間距d、晶胞大小和晶胞類型;

2、利用X射線結構分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎，測定衍射線的強度,就可進一步確定晶胞內原子的排布。

3、而在測定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動（即θ不變）,以輻射線束的波長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X射線束。再把結構已知晶體（稱為分析晶體）用來作測定，則在獲得其衍射線方向θ后,便可計算X射線的波長λ，從而判定產生特征X射線的元素。這便是X射線譜術,可用于分析金屬和合金的成分

4、X射線衍射在金屬學中的應用： X射線衍射現象發現后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結構，已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。

（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。定性分析是把對待測材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據進行比較，以確定材料中存在的物相；定量分析則根據衍射花樣的強度，確定待測材料中各相的比例含量。

（2）精密測定點陣參數 常用于相圖的固態溶解度曲線的繪制。溶解度的變化往往引起點陣常數的變化；當達到溶解限后，溶質的繼續增加引起新相的析出，不再引起點陣常數的變化。這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數的精密測定可獲得單位晶胞原子數，從而可確定固溶體類型；還可以計算出密度、膨脹系數等有用的物理常數。

（3）取向分析 包括測定單晶取向和多晶的結構（如擇優取向）。測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、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。

（4）晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定 由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。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）宏觀應力的測定 宏觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測定點陣平面在不同方向上的間距的改變，可計算出殘留應力的大小和方向。

（6）對晶體結構不完整性的研究 包括對層錯、位錯、原子靜態或動態地偏離平衡位置，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、有序無序轉變、母相新相的晶體學關系，等等。

（8）結構分析 對新發現的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數、對稱性、原子位置等晶體學數據。

（9）液態金屬和非晶態金屬 研究非晶態金屬和液態金屬結構，如測定近程序參量、配位數等。

（10）特殊狀態下的分析 在高溫、低溫和瞬時的動態分析。

第五篇：X射線衍射儀結構與工作原理

X射線衍射儀結構與工作原理

1、測角儀的工作原理

測角儀在工作時，X射線從射線管發出，經一系列狹縫后，照射在樣品上產生衍射。計數器圍繞測角儀的軸在測角儀圓上運動，記錄衍射線，其旋轉的角度即2θ，可以從刻度盤上讀出。與此同時，樣品臺也圍繞測角儀的軸旋轉，轉速為計數器轉速的1/2。為什么？

為了能增大衍射強度，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，即使整個試樣上產生的X衍射線均能被計數器所接收。

在理想的在理想情況下，X射線源、計數器和試樣在一個聚焦圓上。且試樣是彎曲的，曲率與聚焦圓相同。對于粉末多晶體試樣，在任何方位上總會有一些（hkl）晶面滿足布拉格方程產生反射，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，產生衍射，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聚到F點（由于S是線光源，所以廠點得到的也是線光源）。這樣便達到了聚焦的目的。在測角儀的實際工作中，通常X射線源是固定不動的。計數器并不沿聚焦圓移動，而是沿測角儀圓移動逐個地對衍射線進行測量。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，即相對試樣的表面，滿足入射角=反射角的條件，必須使試樣與計數器轉動的角速度保持1:2的速度比。不過，在實際工作中，這種聚焦不是十分精確的。因為，實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，因此實際上只有一個點在聚焦圓上。這樣，衍射線并非嚴格地聚集在F點上，而是有一定的發散。但這對于一般目的而言，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射線探測器

衍射儀的X射線探測器為計數管。它是根據X射線光子的計數來探測衍射線是存在與否以及它們的強度。它與檢測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射線信號變成電信號。探測器的有不同的種類。有使用氣體的正比計數器和蓋革計數器和固體的閃爍計數器和硅探測器。目前最常用的是閃爍計數器，在要求定量關系較為準確的場合下一般使用正比計數器。蓋革計數器現在已經很少用了。

1）正比計數器和蓋革計數器

計數管有玻璃的外殼，內充填惰性氣體（如氬、氪、氙等）。陰極為一金屬圓筒，陽極為共軸的金屬絲。為窗口，由云母或鐵等低吸收系數材料制成。陰、陽極之間保持一個電位差，對正比計數管，這個電位差為600至900伏。

X射線光子能使氣體電離，所產生的電子在電場作用下向陽極加速運動，這些高速的電子足以再使氣體電離，而新產生的電子又可引起更多氣體電離，于是出現電離過程的連鎖反應。在極短時間內，所產生的大量電子便會涌向陽板金屬絲，從而出現一個可以探測到的脈沖電流。這樣，一個X射線光子的照射就有可能產生大量離子，這就是氣體的放大作用。計數管在單位時間內產生的脈沖數稱為計數率，它的大小與單位時間內進入計數管的X射線光子數成正比，亦即與X射線的強度成正比。

正比計數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，只要在正比計數器的輸出電路上加上一個脈高分析器（脈沖幅度分析器），對所接收的脈沖按其高度進行甑別，就可獲得只由某一波長X射線產生的脈沖。然后對其進行計數。從而排除其它波長的幅射（如白色X射線、樣品的熒光幅射）的影響。正由于這一點，正比計數器測定衍射強度就比較可靠。

正比計數器反應極快，它對兩個連續到來的脈沖的分辨時間只需10-6秒。光子計數效率很高，在理想的情況下沒有計數損失。正比計數器性能穩定，能量分辨率高，背底脈沖極低。

正比計數器的缺點在于對溫度比較敏感，計數管需要高度穩定的電壓，又由于雪崩放電所引起電壓的瞬時脫落只有幾毫優，故需要強大的放大設備。

蓋革計數器與正比計數器的結構與原理相似。但它的氣體放大倍數很大，輸出脈沖的大小與入射X射線的能量無關。對脈沖的分辨率較低，因此具有計數的損失。2）閃爍計數管

閃爍計數管是利用X射線激發某此晶體的熒光效應來探測X射線的。它由首先將接收到的X射線光子轉變為可見光光子，再轉變為電子，然后形成電脈沖而進行計數的。

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射線光子轟擊時能夠發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變為電脈沖。閃爍晶體位于光電倍增器的面上，其外側用鈹箔密封，以擋住外來的可見光，但可讓X射線較順利通過。當閃爍晶體吸收了X射線光子后，即發出閃光（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。然后在電場的驅使下，這些電子被加速并轟擊光電信增器的第一個倍增極（它相對于陰極具有高出約100V的正電位），并由于次級發射而產生附加電子。在光電信增器中通常有10或11個倍增級，每一個倍增極的正電位均較其前～個高出約100V。于是電子依次經過各個倍增極，、最后在陽板上便可收結到數量極其巨大的電子，從而產生一個電脈沖，其數量級可達幾伏。產生的脈沖的數量與入射的X射線光子的數目有關，亦即與X射線的強度有關。因此它可以用來測量X射線的強度。同時，脈沖的大小與X射線的能量有關，因此，它也可象正比計數器那樣，用一個脈高分析器，對所接收的脈沖按其高度進行甑別。

閃爍計數器的反應很快，其分辨時間達10-8秒。因而在計數率達到10-5次/秒以下時，不會有計數的損失。閃爍計數器的缺點是背底脈沖高。這是因為即使在沒有X射線光電子進入計數管時，仍會產生“無照電流”的脈沖。其來源為光敏陰極因熱離子發射而產生的電子。此外，閃爍計數器的價格較貴。晶體易于受潮解而失效。除了氣體探測器和閃爍探測器外，近年來一些高性能衍射儀采用固體探測器和陣列探測器。固體探測器，也稱為半導體探測器，采用半導體原理與技術，研制的鋰漂移硅Si（Li）或鋰漂移鍺Ge（Li）固體探測器，固體探測器能量分辨率好，X光子產生的電子數多。固體探測器是單點探測器，也就是說，在某一時候，它只能測定一個方向上的衍射強度。如果要測不止一個方向上的衍射強度，就要作掃描，即要一個點一個點地測，掃描法是比較費時間?，F已發展出一些一維的（線型）和二維（面型）陣列探測器來滿足此類快速、同時多點測量的實驗要求。所謂陣列探測器就是將許多小尺寸（如50μm）的固體探測器規律排列在一條直線上或一個平面上，構成線型或平面型陣列式探測器。陣列探測器一般用硅二極管制作。這種一維的（線型）或二維的（面型）陣列探測器，既能同時分別記錄到達不同位置上的X射線的能量和數量，又能按位置輸出到達的X射線強度的探測器。陣列探測器不但能量分辨率好，靈敏度高，且大大提高探測器的掃描速度，特別適用于X射線衍射原位分析。

3、X射線檢測記錄裝置

這一裝置的作用是把從計數管輸送來的脈沖信號進行適當的處理，并將結果加以顯示或記錄。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。

由計數管所產生的低壓脈沖，首先在前置放大器中經過放大，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射級光子的能量相對應的脈沖信號通過。所通過的那些脈高均一的矩形脈沖波可以同時分別輸往脈沖平均電路和計數電路。

脈沖平均電路的作用是使在時間間隔上無規則地輸入的脈沖減為穩定的脈沖平均電流，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射線的強度成正比。脈沖平均電路具有一個可調的電容來調節時間常數RC的大小。RC大，脈沖電流的平波效應就強，電流隨時間變化的細小差別相應減小。RC小，則可以提高對這些細節的分辨能力。由脈沖平均電路輸出的平均電流，然后饋送給計數率儀和長圖自動記錄儀。從計數率儀的微安計上可以直接讀得脈沖平均電流的大小。長圖自動記錄儀把電流的起伏轉變為電位差的變化，并帶動記錄筆畫出相應的曲線，而記錄紙的走紙速度則與計數管繞測角計軸線轉動的速度（掃描速度）成正比關系。所以長圖自動記錄僅能夠以強度分布曲線的形式自動記錄下X射線衍射強度隨衍射角2θ的變化，提供直觀而又可以永久保存的衍射圖譜。

計數電路由定標器和定時器組成。定標器的作用是對輸入的脈沖進行計數。定標器與定時器相配合，可以定時計數（在規定的時間內進行累計計數），也可以定標計時（計算達到預定計數數目時所需的時間。定標一定時電路的輸出可有幾種不同的方式來顯示或記錄。一是由數碼管直接顯示出數字，它允許顯示一定位數以內的任何累計計數，二是由數字打印器把結果打印出來。目前的衍射儀都用計算機將這些信號進行自動處理。如福州大學材料學院的日本島津XD-5A型X射線粉末衍射儀經過改造，可由計算機控制和設定參數，以及圖譜記錄、處理。下圖是計算機記錄的圖譜，橫坐標為衍射峰位置2θ角，縱坐標為衍射峰強度的光子數量，以cps表示。