衍射仪
X射线衍射仪（X-ray diffractometer，XRD）的核心构成涵盖五个关键模块：X射线发生器、测角仪、X射线探测与记录系统、计算机控制单元及数据处理装置。其基本原理为：X射线束穿过充有气体并配备双电极的电离室后，在外接电极回路中激发电流。每个X射线量子进入电离室引发电离并形成一个电流脉冲，单位时间内的脉冲数量与衍射强度呈正比关系，通过统计电流脉冲数即可获取X射线衍射图谱。
1895年，威廉·伦琴（W.C.Röntgen）在研究阴极射线激发的荧光现象时意外发现X射线。1912年，在马克斯·冯·劳厄的理论指导下，其助手弗里德里希和克尼平以CuSO₄·5H₂O晶体作为光栅进行实验，成功获得首张X射线衍射图像。现代X射线衍射仪于1945年基于米尔顿·弗里德曼的设计理念制造而成。1952年，国际结晶学会议设备委员会正式将通过电离法探测X射线、用于测定晶体结构的测角衍射设备命名为X射线衍射仪。
X射线衍射仪种类多样，涵盖薄膜衍射仪、高分辨衍射仪、反射式小角X射线衍射仪、超小角散射系统、四圆衍射仪等。其应用范围广泛，包括材料分析中的结晶物相鉴定、结晶度测算、晶格参数精密测定、应力分析等多个领域。
原理
从技术演进看，X射线衍射技术先后经历劳埃相机、德拜相机，最终发展为衍射仪。衍射仪的概念最早由布拉格（W.L. Bragg）提出，初期称为X射线分光计（X-ray spectrometer）。设想在德拜相机的光学配置下，若存在能够接收并记录X射线的设备，使其绕样品旋转并同步记录角度与强度数据，即可获得类德拜图像的效应。考虑到衍射圆锥的对称特性，实际仅需半周旋转即可完成测量。
X射线衍射仪主要由射线测角仪、辐射探测器、高压发生器及控制电路四大模块构成，其中测角仪为核心组件。现代衍射仪与电子计算机的结合实现了操作、测量与数据处理的自动化，并配备高效数据处理系统，使得衍射仪在多数应用场景中逐步取代传统照相法。
X射线衍射仪的工作原理是通过X射线束穿透含气体与双电极的电离室，在外接电路中形成电流。每个X射线量子进入电离室引发电离产生电流脉冲，单位时间脉冲数与衍射强度成正比，通过输出脉冲数即可生成X射线衍射图谱。利用已知波长的X射线对未知结构样品进行衍射，通过检测衍射峰位计算晶面间距，进而实现物相分析。
历史
1895年，威廉·伦琴（W.C.Röntgen）在研究阴极射线所致荧光现象时偶然发现X射线。尽管初期对其本质认知有限，但X射线后续为多学科发展提供了巨大推动力。1912年，在马克斯·冯·劳厄（M.von Laue）的理论框架下，助手弗里德里希（W.Friedrich）和克尼平（R.Knipping）以CuSO₄·5H₂O晶体作为光栅实验，获得首张X射线衍射图。劳厄随后推导出解释晶体衍射方向的劳厄方程。布拉格（W.H. Bragg）提出衍射强度定义与测量方法，其子W.L. Bragg于1912年利用X射线衍射法解析NaCl与KCl等首批晶体结构，同时从平面点阵出发推导出布拉格方程。此后，二人分别采用单色特征X射线测定金刚石与金属单质铜的晶体结构。
1916年，德拜（P.Debye）与谢乐（P.Scherrer）创立X射线多晶衍射法，进一步完善晶体X射线衍射实验方法，为难以获取单晶的金属及合金结构分析提供关键技术。现代X射线衍射仪于1945年基于杰尔姆·弗里德曼（H.Fridman）的设计制造。1952年，国际结晶学会议设备委员会正式将采用电离法探测X射线、用于测定晶体结构的测角衍射装置定义为X射线衍射仪，其前身可追溯至布拉格父子1913年论文中用于探测NaCl晶体衍射信息的设备。
电子计算机与现代实验技术的飞速发展极大推动了晶体化学的进步。晶体结构测定方法的发展可分为三个阶段：第一代以电离分光计为主，第二代依托各类照相技术，第三代则以多种衍射仪为核心。X射线晶体衍射仪自20世纪50年代投入使用，60年代逐步实现商品化。四圆衍射仪的出现显著改变了X射线晶体学的研究模式，将晶体结构解析周期从数年缩短至数天，并大幅提升测量精度。
20世纪70年代后，计算机技术的进步提高了数据处理效率，推动晶体结构解析在深度与广度上实现跨越。60年代起，直接法计算程序持续优化，其快速、自动化与普适性优势显著，多数晶体结构均通过直接法解析。数学家盖哈特·霍普特曼（H.A.Hauptman）与卡尔（J.Karle）因对直接法的突出贡献荣获1985年诺贝尔化学奖。
20世纪90年代，新一代探测技术大幅提升衍射数据采集速度。IP（映像板）与CCD（电荷耦合探测器）技术的应用实现了多点同步数据记录，显著缩短衍射强度收集时间。
构造X射线发生器
X射线发生器主要由高压控制系统与X光管组成，是产生X射线的关键设备。X光管发射的X射线包含连续谱与特征谱，连续谱主要用于晶体对称性判断与劳埃法定向，特征谱则用于晶体结构研究的旋转单体法及物相鉴定的粉末法。
X射线管本质为高压工作的真空二极管，含两个电极：发射电子的灯丝（阴极）和接受电子轰击的靶材（阳极），密封于高真空玻璃或陶瓷外壳内。X射线管供电部分至少包含灯丝加热低压电源与两极高压高压发生器。当钨丝通电形成电子云，且阴阳极间施加千伏级电压时，电子云被拉向阳极。高速电子撞击钨靶时部分动能转化为辐射能，以X射线形式从铍窗射出。
射线管主要分密闭式与可拆卸式。密闭式广泛使用，含阴极灯丝、阳极与聚焦罩等，功率通常为1～2kW。可拆卸式（旋转阳极靴）功率达12~60kW。常用靶材包括W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。X射线管线焦点为1×10mm²，取出角为3~6°。调节灯丝电流可改变X射线强度；调整激发电势或靶材可调制入射X射线能量与强度分布。
测角器
测角器是X射线衍射仪的核心组件，由光源臂、检测器臂、样品台与狭缝系统构成。根据取向分为垂直式与水平式。垂直式测角器样品水平放置，适用于块状样品或易脱落粉末，但对材料与重力补偿要求较高；水平式较早普及，但垂直式已成为主流商品配置。
X射线源S源自线状焦斑。线状光源经梭拉缝S1限制高度发散，再通过狭缝光栅K约束宽度发散。经调制后的X射线以特定尺寸照射样品表面，符合布拉格条件的晶面发生衍射。衍射线依次通过狭缝光栏L、S2与接受光栏F，以线形进入计数管C记录光子数，获得相对衍射强度。计数管与样品同步转动，且角速度为样品两倍，确保始终捕获表面平行晶面的衍射线。通过记录各角度光子数并转化为电信号，形成X射线衍射图谱。
X射线探测记录装置
探测器用于记录X射线衍射强度，是衍射仪的关键部件。其含换能器与脉冲形成电路，换能器将X射线光子转化为电流，脉冲电路再转为电压脉冲并被计数装置记录。早期探测器为照相底片，因吸收率低、线性范围窄而渐被替代。现代X射线探测器包括气体电离计数器（正比计数器、盖革－米勒计数器）、闪烁计数器、半导体探测器（Si、Ge探测器）、阵列探测器、位敏探测器等。衍射仪常用探测器为闪烁计数器（SC），利用X射线在磷光体中激发荧光并转化为可测电流，输出电流与吸收X光子能量成正比，适用于测量衍射线强度。
闪烁计数管的发光体常为微量活化的碘化钠（NaI）单晶体，受X射线激发发出蓝紫光。微弱光经光电倍增管放大：发光体激发光电面发射光电子（一次电子）。光电倍增管含10级左右联极，一次电子激发联极表面产生二次电子，经级联放大后电子数倍增（约10⁶倍），最终输出毫伏级脉冲。
计算机控制、处理装置
高速发展的计算机技术极大推动了X射线多晶体衍射的应用，现代衍射仪基本实现计算机自动化控制。计算机技术主要体现在三方面：仪器控制与数据采集、数据处理与分析、数据库建立与应用。对于具周期性结构的试样，X射线被相干散射且无波长变化，该过程称为衍射效应，需多角度测定。根据角度选择，X射线衍射分为小角X射线衍射（SAXD，衍射角2θ为0°~10°）和广角X射线衍射（WAXD，衍射角2θ为10°~80°)。
新型配件
X射线衍射仪的发展始于德拜（Debye）发明的粉晶X射线衍射照相机，历经照相法、衍射仪法至当前平面探测器衍射法。近年来，X射线衍射仪在辐射源、光路系统、记录方式、探测器、高低温附件、计算机自动化、网络化、多功能化及计算方法等方面均有显著进步。
辐射源
高性能、高强度、单色化X射线源的发展显著提升了粉晶衍射数据质量。实验室常见X射线源包括：①封闭式X射线管（如Philips陶瓷X射线管）；②细焦斑X射线管（光源尺寸仅数十微米，亮度高，如Bede与Oxford产品）；③转靶X射线源（大功率高强度，分超高压、低压高电流、高能、细焦点等类型，如Rigaku产品）。同步辐射光源由电子加速器提供，涵盖远红外至硬X射线波段，亮度达普通转靶的数百亿倍，具极小发散角、优异性偏振与分辨率，适用于动态过程研究。
探测器
X射线探测器是衍射仪的关键组件，近年涌现多种新型探测器。主流探测器包括闪烁计数器、位敏探测器、固体探测器、阵列探测器、影像板（IP探测器）、电荷耦合探测器（CCD探测器）等。选择时需考量量子效率、计数率、分辨率与线性范围等参数。
光学元件
X射线衍射仪中的光学元件用于增强光通量、改善光谱纯度、控制发散度，以获得特定单射X光。主要元件含狭缝、索拉光阑与晶体单色器。近年出现反射镜平行光路系统与锥状毛细管等新型光学设计。
衍射几何装置
随着X射线源、探测器与光学元件的发展，为满足多样实验需求涌现多种衍射几何配置。常见包括：①θ-θ衍射几何（样品水平，X光源与探测器转动）；②德拜衍射几何（类德拜照相，以位敏探测器、IP或CCD替代胶片）；③显微微区衍射（采用细焦斑源与平面探测器）；④掠单射衍射（X射线近平行入射，适用于薄膜与表面结构分析）；⑤时间分辨衍射（极短时获取衍射图，用于化学过程与陶瓷材料晶化研究）。
测角仪
加工精度提升（达0.0001°)催生可移动样品台（单次容纳数十样品）与旋转样品台（消除择优取向影响）。尤拉环装置实现多自由度调整，支持物相定性定量分析、极图测试、残余应力测量与薄膜分析。
高/低温附件
高/低温附件为研究相变过程的衍射附加设备，涵盖超高温（室温至2500℃)、高温（室温至1500℃)、中温（室温至300℃)、中低温（室温至-180℃)、低温（室温至-190℃)、超低温（室温至–260℃）等多类。反应室附件将样品台设计为可控气氛与温度的反应空间，支持实时物相监测。
应用软件
应用软件是衍射系统的核心组成部分，随软件技术发展趋向易用、可靠与高精度。主要含仪器控制与数据采集软件、数据处理软件、物相定性定量分析软件、晶胞参数精修软件、结构解析软件、织构应力测量软件、晶粒度与晶格畸变测定软件等。
分类薄膜射线衍射仪
薄膜射线衍射仪基于X射线全内反射原理构建。因X射线折射率n<1，全反射临界角极小。若掠射角低于临界角，X射线将全反射且强度增强。全反射时的穿透深度取决于物质与波长等因素，以半导体为例，穿透深度约3~10nm，适用于表面与薄膜结构分析。采用封闭管X射线源对10nm金薄膜低角入射，可获得优质衍射强度曲线。
高分辨衍射仪
高分辨衍射仪采用晶体准直仪（四晶体单色器），克服双晶法局限，分辨率不受试样材料或晶面间距影响，在低角至高角范围获取高分辨强度线形且背底极低，适用于衍射线形分析、沉积薄膜取向应变及超点阵结构参数解析。
反射式X射线小角衍射仪
反射式X射线小角衍射仪由Kratky U狭缝系统与带单色器的计数装置组合而成。经Kratky狭缝限制的入射线由试样表面反射后，散射线通过单色器进入计数管，闪烁计数管仅接收特征X射线以提升信噪比。反射式设计便于块状试样或衬底薄膜的长周期测定，如LB膜分析具显著优势。
超小角散射装置
超小角散射装置特点为试样前后均放置单晶体，入射线与散射线经第一、第二晶体通道高度单色化，仅严格满足布拉格条件的射线进入计数管，可测量极小角范围内的散射效应。直射束半宽约4"，几乎无仪器致宽化。
四圆衍射仪
四圆衍射仪含四大模块：X射线光源、四圆测角仪、X射线测量记录系统与计算机硬件控制软件。四圆衍射仪法是单晶衍射数据采集的主流技术，相较传统照相法具衍射强度测量精准、衍射角精确定位（提升点阵常数测量精度）、计算机控制与数据处理便捷等优势，但仅能同步收集单点数据。其对结构分析的核心价值使其在小分子晶体衍射数据收集中全面替代照相法。
工作模式
常规X射线衍射仪测量衍射强度，需持续调整θ角以测定强度与θ的关系。根据θ角变化模式分为连续扫描与步进扫描两种工作模式。
连续扫描
使探测器以恒定角速度在选定角度范围内连续扫描并记录输出，形成衍射图谱。连续扫描实为阶进式，阶宽（取样宽度）极小。该方法快捷高效，可短时获取完整连续衍射图谱，常用于物相定性分析。
连续扫描法适用于物相定性分析。将计数器连接计数率计，测角仪以θ:2θ角速度联合驱动，计数管从低角至高角（或反向）扫描至目标角度。计数率计记录各衍射角对应强度，结果实时显示于计算机屏幕并存储于磁盘，最终通过打印机或绘图仪输出衍射图。连续扫描可快速获取完整衍射图，例如以4°/min速度测量20~100°衍射花样仅需20分钟，全谱测量首选此模式。扫描速度与时间常数影响测量精度，需合理设定参数。
步进扫描
步进扫描（阶梯扫描）使探测器按固定角度间隔（步长）逐步移动，逐点测量各角衍射强度。探测器每步停留时间较长，可获得更高测量精度，但因耗时较长，通常仅用于局部图谱测定。现代粉末衍射仪因响应与记录速度提升，两种模式已趋近一致。
步进扫描法用于精确测定衍射峰积分强度、位置或提供线形分析数据。将计数器连接定标器，计数器从起始角按预设步进宽度（如0.02°）与步进时间（如5s）逐点测量各角衍射强度（总脉冲数除以计数时间)，结果实时显示并存储，后可输出衍射图。步进扫描单点测量时间较长，总脉冲计数量大，有效降低统计波动影响。无计数率计滞后效应，测量精度高，但耗时较多，通常用于小范围衍射图测定。步进宽度与时间是关键参数，需合理选择。
应用物相分析
任何结晶物质（含单质元素、固溶体与化合物）均具特定晶体结构（含结构类型、晶胞形状尺寸、晶胞内原子、离子或分子种类、数量与位置）。在特定波长X射线照射下，每种晶体物质产生独特衍射花样（衍射线位置与强度）。晶体物质与其衍射花样一一对应，多相试样衍射花样为其所含物相衍射花样的机械叠加。
物相分析是X射线衍射在金属领域最广泛应用，分定性分析与定量分析。前者通过比对材料测得的晶面间距与衍射强度标准数据，确定存在物相；后者依据衍射花样强度确定各相含量。广泛应用于性能与相含量关系研究、材料配比验证及工艺规程合理性检查。
结晶度的测定
结晶度定义为结晶部分质量与试样总质量百分比。非晶态合金（如软磁材料）应用广泛，结晶度直接影响性能，故其测定至关重要。测定方法多样，均基于结晶相衍射图谱面积与非晶相图谱面积计算。
精密测定点阵参数
点阵常数是晶体物质关键参数，随化学成分与外界条件（温度、压力）变化。金属与合金研究中的键合能、密度、热膨胀、固溶体类型、固溶度、固态相变、宏观应力等问题均与点阵常数变化密切相关，需通过精密测定揭示其物理本质。这些过程中点阵常数变化微小，故必须高精度测量。
点阵参数精密测定常用于相图固态溶解度曲线测定。溶解度变化引致点阵常数改变；当溶质增加至新相析出时点阵常数稳定，该转折点即为溶解限。点阵常数精密测定可获晶胞原子数，确定固溶体类型，并可计算密度、膨胀系数等物理常数。
应力的测量
金属材料受外力时，弹性范围内内部产生应力。外力撤除后应力消失者为内应力（如弹性拉伸）。若外力撤除后应力未完全消除，则为残余应力（仍称内应力）。内应力亦可由冷热加工或内部相变导致。按存在范围分为三类：宏观分布于大区域或整体工件时称宏观应力（第一类内应力）；
当内应力均匀分布于各晶粒内时，称微观应力或第二类内应力；当内应力在晶粒内部分布不均（存在于晶界、位错等微观区域）时，称超显微应力或第三类内应力。利用X射线衍射方法可测量全部三类内应力，该方法具显著优势。
参考资料 >
标签： 射线衍射仪数据怎么看 衍射仪射线解析原理 衍射仪射线解析方法
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