X射線衍射儀工作原理與技術核心深度剖析
2026-01-16
X射線衍射儀是物質結構分析的“原子尺”，其核心技術建立在布拉格定律（2dsinθ=nλ）的物理基礎之上。當單色X射線（通常為Cu-Kα輻射，λ=0.15418nm）照射到晶體樣品時，晶格內規則排列的原子使X射線發生相干散射，在特定角度（θ）產生干涉加強，形成衍射圖譜。
工作原理流程可分為三個核心階段：
激發與準直系統：高壓發生器（通常30-60kV）激發金屬靶材產生特征X射線，通過索拉狹縫系統消除發散輻射，獲得平行單色光束
衍射信號采集：樣品臺精確控制樣品取向（θ旋轉），閃爍計數器或半導體探測器在2θ角度同步轉動，記錄衍射強度分布
信號處理轉換：脈沖高度分析器剔除噪聲，計數率儀將光子信號轉換為電壓信號，最終數字化為強度-角度譜圖
技術核心突破點體現在四大系統集成：
高穩定性射線源：采用旋轉陽極靶（功率可達18kW）或高頻微焦斑射線管，配合多層膜單色器，使射線單色性達到Δλ/λ<0.01%
多維測角儀系統：采用齒輪傳動與光學編碼器組合，角度分辨率達0.0001°，重復精度±0.0005°
智能探測技術：一維PSD位敏探測器或二維面探測器實現快速采集，配合脈沖甄別電路，計數線性范圍達10^8cps
多重光路校準：激光輔助樣品對中系統與自動準直程序，確保光束中心誤差<5μm
現代衍射儀更集成全自動樣品交換器與高溫真空附件，能在-190℃至3000℃環境下進行相變分析。通過Rietveld全譜擬合等算法，不僅可確定晶胞參數（精度達0.0001nm），還能解析原子占位、微觀應力、晶粒尺寸（3-200nm范圍）等多維結構信息，成為材料科學、化學、地質學等領域的結構解析利器。
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