X射线衍射仪 基本概念与原理 X射线衍射仪是一种利用X射线与晶体材料相互作用产生衍射现象，从而分析材料微观结构的仪器。其核心物理原理是布拉格定律：nλ = 2d sinθ。其中，λ是入射X射线的波长，d是晶体晶面间距，θ是入射X射线与晶面之间的夹角（布拉格角），n是衍射级数。当一束单色X射线照射到规则排列的原子（晶体）上时，原子中的电子使X射线发生散射。来自不同原子、不同晶面的散射波在某些特定方向（满足布拉格定律的方向）会发生相长干涉，形成衍射束。检测这些衍射束的方向和强度，就能反推出晶体的原子排列结构、晶格常数、物相组成、结晶度、应力等信息。 核心组成部分 一台典型的X射线衍射仪主要由以下几个核心系统构成： X射线发生器： 产生高稳定度、单色化的X射线。通常采用封闭式或旋转阳极靶X射线管，通过高速电子轰击金属靶（常用铜靶，产生特征X射线Cu Kα）产生X射线。利用滤光片或单色器（如石墨单色器）来获得近乎单色的Kα辐射。 测角仪： 这是衍射仪最精密的机械部分。它精确控制并测量样品与探测器之间的相对位置。在常见的“布拉格-布伦塔诺”几何中，样品台位于测角仪圆心，X射线管和探测器分别位于样品两侧，并围绕圆心轴（θ轴）联动旋转。通常样品以角速度ω旋转，探测器以角速度2ω旋转，始终保持入射角等于反射角，这种扫描模式称为θ-2θ联动扫描。 样品台： 用于固定和定位被测样品。根据不同测试需求，样品台可以是平板状（用于块体、粉末压片）、旋转式（提高统计性）、高温/低温、拉伸等附件。 探测器： 用于接收和测量衍射X射线的强度。早期使用盖革计数器或正比计数器，现代仪器多采用闪烁计数器、位敏探测器或面探测器（如CCD、平板探测器），后者能大幅提高数据采集速度。 数据采集与处理系统： 计算机控制整个测量过程，记录探测器在不同2θ角度下的计数率（强度），形成原始的“强度-2θ角度”图谱，即衍射谱图，并提供后续数据分析软件。 主要工作模式与分析应用 根据不同的实验目的，XRD有不同的工作模式和分析方法： 物相分析（相鉴定）： 这是最基础和最广泛的应用。将未知样品的衍射谱图（峰位2θ、相对强度）与已知晶体结构的标准粉末衍射数据库（如JCPDS/ICDD的PDF卡片）进行比对，实现“指纹式”的物相识别。 晶体结构解析与精修： 通过测量大量衍射峰的精确位置和强度，利用Rietveld精修等全谱拟合方法，可以确定晶体中原子在晶胞内的具体坐标、占位率、热振动参数等精细结构信息。 织构（择优取向）分析： 当材料中晶粒的取向非随机分布时，使用极图或反极图测量，通过测量特定衍射峰在不同样品倾转角度下的强度变化，来确定材料中晶粒的取向分布。 残余应力分析： 基于晶面间距随应力状态的变化（即衍射峰的位移）。通过精确测量特定衍射峰位的偏移量，结合弹性力学理论，可以计算出材料表面或亚表面的宏观残余应力。 晶粒尺寸与微应变分析： 当晶粒尺寸细小（通常小于100纳米）或存在微观应变时，衍射峰会发生宽化。通过测量衍射峰的半高宽，并利用Scherrer公式或 Williamson-Hall 作图法，可以估算平均晶粒尺寸和微观应变。 技术变体与前沿发展 为了适应更复杂的样品和获取更丰富的信息，发展出了多种XRD技术变体： 高分辨X射线衍射： 使用高亮度光源（如旋转阳极）和多重晶单色器/分析器，获得极高角分辨率的衍射曲线，专门用于完美晶体、外延薄膜的厚度、成分、应变和缺陷的精确表征。 掠入射X射线衍射： 以极小的角度（通常 <5°）使X射线掠入射样品表面，大大降低穿透深度，使信号主要来自表面或薄膜层，是分析薄膜、表面结构的强有力工具。 微区X射线衍射： 利用毛细管透镜或反射镜将X射线聚焦到微米甚至亚微米尺度，实现对样品微小区域的物相和结构分析。 同步辐射X射线衍射： 利用同步辐射光源的高亮度、高准直性、波长连续可调等优异特性，可以进行超快时间分辨、超高压力、极微小样品等极端条件下的衍射实验。 X射线衍射显微镜： 结合断层扫描技术，能够在三维空间上无损地解析多晶材料内部单个晶粒的形貌、取向和应力状态。