1. X射线衍射仪工作原理

X射线衍射仪是按晶体对X射线衍射的几何原理设计制造的衍射实验仪器。在测试时，由X射线管发射出来的X射线照射到试样上产生衍射效应，用辐射探测器接收X射线光 子，经测量电路放大处理后，在显示或记录装置上给出精确的衍射峰位置、强度和线形等 衍射信息，这些衍射信息可作为分析各种应用问题的原始数据。

X射线衍射仪的基本组成包括：X射线发生器、衍射测角仪、辐射探测器、测量电路和控制操作、运行软件的电子计算机系统。图1-1给出的是X射线衍射仪基本结构的示意 图。

图1－1衍射仪的基本结构

在衍射仪上配置各种不同的功能附件，并与相应的控制和计算软件配合，便可完成各种特殊功能的衍射实验。例如，四圆单晶衍射仪、微区衍射仪、小角散射衍射仪、织构衍射仪、应力分析衍射仪、薄膜衍射仪、高温和低温衍射仪等。

多功能、高效率、全自动X射线衍射仪系统可以通过一台具有多用户、多任务操作系统的电子计算机控制运行多台不同功能的测角仪和多套自动控制系统来实现。图1－2给出 的是多功能、高效率、全自动X射线衍射仪系统的方框图。

图1－2是多功能、高效率、全自动X射线衍射仪的组成

测角仪是X射线衍射仪的核心组成部分。图1-3给出的是测角仪的结构示意图。试样 台位于测角仪中心，试样台的中心轴ON与测角仪的中心轴(垂直图面)O垂直。试样台既可 以绕测角仪中心轴转动，又可以绕自身的中心轴转动。在试样台上装好试样后，要求试样表面严格地与测角仪中心轴重合。入射线从X射线管焦点F发出，经入射束光阑系统S₁、H投射到试样表面产生衍射，衍射线经衍射束光阑系统M、S₂、G进入计数器D。X射线管焦点F和接收光阑G位于同一圆周上，把这个圆周称为测角仪圆，测角仪圆所在的平面 称为测角仪平面。试样台和计数器分别固定在两个同轴的圆盘上，由两个步进马达驱动。 在衍射测量时，试样绕测角仪中心轴转动，不断地改变入射线与试样表面的夹角θ，与此同 时计数器沿测角仪圆运动，接收各衍射角2所对应的衍射强度。根据需要，θ角和2θ角可以单独驱动，也可以自动匹配，使θ和2θ角以1:2的角速度联合驱动。测角仪的扫描范 围：正向(逆时针零度以上)2θ角可达165°；负向(顺时针零度以下)2θ角可达-100°，2θ角测量的准确性精度为0.01°，重复性精度为0.001°。

图 1－3 测角仪结构示意图

图1－4测角仪的光路

测角仪的光路布置如图1-4所示。测角仪要求与X射线管的线焦斑联接使用，线焦斑的长边与测角仪中心轴平行。使用线焦斑可使较多的入射线能量投射到试样上，但如果只采用通常的狭缝光阑便无法控制沿长边方向的发散度，从而造成衍射环宽度的不均匀性。为了排除这种现象，在测角仪光路中采用由狭缝光阑和梭拉光阑组成的联合光阑系统，梭拉光阑可将光束沿测角仪轴向的发散度控制在2°左右。发散狭缝光阑H可控制入射线的能量和发散度，由此也就限定了入射线在试样上的照射面积。例如，对热焦斑尺寸为1×10mm²(有效投射焦斑为0.1×10mm²)的X射线管，当选用1°的发散狭缝光阑，2θ＝18°时， 试样被照射宽度为20mm，被照射面积为20×10mm²。随着2θ角增大，被照射的宽度(或面 积)减小。狭缝光阑M的作用是挡住衍射线以外的寄生散射，它的宽度应稍大于衍射束的 宽度。狭缝光阑G是用来控制衍射线进入计数器的能量，它的大小可改变所能测得的衍射 线强度和角分辨率。

图1－5衍射束弯曲晶体单色器

为了消除衍射花样的背底，通常是在衍射线光路上安装弯曲晶体单色器，如图1-5所示。由试样产生的衍射线(一次衍射线)经光阑系统投射到单色器中的单晶体上，调整单晶体的方位使它的某个高反射本领晶面(高原子密度晶面)与一次衍射线的夹角刚好等于该晶面对K辐射的布拉格角。这样，由单色器衍射后发出的二次衍射线就是纯净的与试样衍射 线对应的K_α衍射线。晶体单色既能消除K_α辐射，又能消除由连续X射线和荧光X射线产生的背底。由于晶体单色器和试样一样都能使衍射线偏振，因此当在衍射束上加入晶体单 色器时，衍射强度的偏振因子(1＋cos²2θ)/2应改为(1+cos²2θcos²2α)/2。其中的2α为晶体单色器的衍射角。

2.实验方法

（1）试样衍射仪一般采用块状平板试样，它可以是整块的晶体，也可以用多晶粉末压制。金属

试样可以从大块中切割合适的尺寸，经砂轮、砂纸磨平和磨光。粉末样品有粒度要求，大

小约在1-10μm数量级（粉末要过200-325目筛子）。不过由于衍射仪的照射面积较大，允许采用稍粗的颗粒。根据粉末的数量可压在玻璃制成的通框或浅框中。压制时一般不加粘合剂，所加压力以使粉末样品粘牢为限，压力过大可能导致颗粒的择优取向。当粉末数量很少时，可在玻璃片上抹一层凡士林，再将粉末均匀覆上。

（2）测试参数选择实验参数选择的合理与否是影响实验精度、实验结果的重要因素，因此试样测试之前，

须考虑确定的实验参数很多。主要是狭缝宽度、扫描速度、时间常数、计数量程的选择。

a.测角仪狭缝光阑的选择：在测角仪光路中，有发散狭缝光阑，防散射狭缝光阑，接收狭缝光阑和在窗口与发散狭缝之间以及接收狭缝与防散射狭缝之间的两个梭拉狭缝光阑，梭拉狭缝是固定不变的，需要选择的是发散狭缝、防散射狭缝和接收狭缝。

发散狭缝是用来限制入射线在测角仪平行方向上的发散角。它决定了入射线在试样上 的照射面积和强度。对发散狭缝的选择应以入射线的照射面积不超出试样的工作表面为原 则。增大发散狭缝，虽可增加衍射线的强度，但在角较小时，过大的狭缝将使光束照射 到试样槽外的试样架上，使由试样架带来的背底强度升高，故须控制低角时射线束照射的 范围不致超出试样框之外。

接收狭缝对衍射线峰的高度、衍射峰与背景的强度比（峰一背比）及峰的积分宽度都有明显影响。增大接收狭缝，虽可增加衍射峰的强度，但也增加了背底强度，反而降低了峰一背比和角分辨率，这对探测弱衍射线不利，故接收狭缝要依据工作因素、工作目的来选择。若要提高分辨率，则应选较小的接收狭缝，若要得到较高的测衍射强度，则应加大接收狭缝。防散射狭缝只影响峰背比，其选择通常与发散狭缝一致。

b.测角仪的扫描速度：扫描速度指计数管在测角仪圆上均匀转动的角速度，以度/min表示。增大扫描速度，即可节约测试时间，但同时将导致强度和分辨率的下降，并使衍射 峰的位置向扫描方向偏移造成峰的不对称宽化，故为提高测量精度，应尽量选小扫描速度， 一般物相分析中常用的扫描速度为1°/min或2°/min。

c.计数率仪的时间常数：时间常数是对衍射强度进行记录的时间间隔的长短。增大时间常数使衍射线峰的轮廓背底变得平滑，但同时却使衍射强度和分辨率降低，并使衍射峰向扫描方向偏移，造成衍射峰的不对称宽化。故为提高测量精度，应选尽可能小的时间常数。一般物相分析中选时间常数为l-4s。

3. X射线衍射谱的获取与衍射指数的标定

使用Cu-Kα辐射照射多晶粉末试样，得到一张标准的衍射仪法X射线衍射谱。衍射谱的横轴为2θ，表示入射光束与反射光束之间的夹角。纵轴表示衍射峰的强度，单位是CPS(COUNTS PERSECOND)。总体来讲，低角处的衍射峰强度要比高角处的强度高。从衍射谱上读取各个衍射峰所对应的衍射角2θ，进而求得掠射角θ，再计算出对应于各衍射 角的sin²θ值。

对于简单立方：

对于体系立方：

 对于面心立方：

因此，根据sin2的比值规律来确定所测物相的点阵类型。立方体系的干涉指数如下：