X射线物理基础：
X射线与物质的相互作用
X射线的产生
X射线管
X射线衍射用光源
滤波片的选择
各种靶材产生的X射线
靶材的选择
X射线和物质的相互作用
X射线的产生
电子束激发靶材料原子的内层电子，外层电子跃迁至内层，发射出X射线。固定波长，其波长随靶原子种类而定电子作加速度运动时，也产生X射线，产生的是连续谱。
最常用靶材为Cu 其他有Mo, Fe, Ni,Co, Cr, Ag,W等衍射用封闭式X射线管的功率约为2kW (受靶材料熔点、导热和冷却条件限制)
电子束激发靶原子的内层电子，外层电子跃迁至内层，发射出X射线
靶接地，灯丝为负高压
电子束轰击到靶上，产生X射线
X射线穿过对X射线吸收系数很小的铍窗射出
采用与靶面成3 - 12度角出射的X射线
靶材料的原子序数愈大，X射线波长愈短，能量愈大，穿透能力愈强
X射线管
(1)阴极(灯丝)一 发射电子
由钨丝制成，加热后热辐射电子。
(2)阳极(靶)一发射X射线
使电子突然减速并释放X射线。
(3)窗口一X射线出射通道。
既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。
(4)高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。
(5)焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点。
旋转阳极
●上述常用X射线管的功率为500~ 3000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。
●因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。
x射线衍射用光源
连续谱的最短波长随X光管的电压升高而减小
特征谱的波长是固定的。只有在X光管的电压高于激发大压时才产生
粉末(多晶)衍射使用特征谱常用的是Cu靶的Kα谱线
Kβ谱线一般无用，要用单色器过滤掉
Kα2谱线无用，在分辨率要求很高时需使用入射Kα1单色器把它过滤掉
Cu Kα平均波长: 1.5444A
CuKα1波长: 1.54060A
Mo Kα波长: 0.707A
X射线滤波片的选择
●在一些衍射分析工作中，我们只希望是kα。辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，除Kα。辐射外还含有Kβ辐射和连续谱它们会使衍射花样复杂化。
●获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以忽略的程度。
滤波片的选择规则
各种靶材产生的X射线
阳极靶材料的选择
●在X射线衍射晶体结构分析工作中,我们不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。
●避免出现大量荧光辐射的原则就是选择入射X射线的波长使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品的吸收限。
●根据样品成分选择靶材的原则是:
●对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。
X射线衍射仪
晶体点阵衍射示意图
晶体：原子的三维长程有序排列
对于X射线而言，晶体相当于三维光栅
当X射线照射到晶体上时，每个原子都散射X射线。
各个原子散射的X射线相互干涉，当符合一定条件时(各散射线相位相同)，产生衍射即在此方向上有衍射线产生。
如左图：产生衔射的条件是两层的光程差是波长的整数倍
X射线衍射仪分类
测角仪(衍射仪)
粉末(多晶)测角仪(材料,化学，化工，物理，地质等)
主要分析：多晶体样品(粉末，块状，薄膜)，(非晶材料)
多种功能附件
多种光学附件
多种探测器
单晶体测角仪(化学，生物，地质，材料)
分析单晶体样品，确定晶体结构
不同种类探测器
高分辨测角仪(材料，物理，微电子)
主要分析：单晶体样品(如硅片，外延单晶薄膜)，(非晶材料)
小角散射测角仪(材料，化学，化工，物理)
主要分析：颗粒(孔隙)度分布
长周期结构，取向。(高分子、 生物)
宏观残余应力专用测角仪(材料，机械)
主要分析:宏观残余应力(如焊缝、薄膜等)
其他:貌象(Topograph)专用， 近吸收边结构(EXAFS)等
技术的进步，功能部件模块化的设计，使得种类界线开始模糊
X射线衍射仪基本组成
特殊部件的作用
在基本配置的衍射仪上配备各种不同功能的测角仪等附加硬件和软件，可以完成基本功能以外的一些特殊功能，如织构、应力、高温附件等。
●四圆单晶衍射仪
●微区衍射测角仪
●小角散射测角仪
●织构测角仪
●应用分析测角仪
●薄膜衍射仪
●高低温衍射仪
测角仪的组成
XRD-7000测角仪
测角仪的工作原理：
试样台位于测角仪的中心，试样台的中心轴ON与测角
仪的中心轴(垂直向上) 0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。
试样台上的试样表面与测角仪中心轴严格地重合。
●入射线从X射线管焦点F发出经入射光阑系统S1和H投射到试样表面生产衍射，衍射线经接收光阑系统M、S2、G进入计数器D
●X射线管焦点F与接收光阑G位于同一圆周上，把这个圆周称为测角仪(或衍射仪)圆
●测角仪圆所在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，由两个步进电机驱动
●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、计数器沿测角仪圆转动，接收各衍射角2θ所对应的衍射强度。
●θ和2θ角可以根据需要单独驱动或自动匹配连动
●θ和2θ角一般以1: 2的角速度联合驱动
●测角仪的扫描范围：正向2θ可达165°，负向可达100°。
2θ角测量的绝对精度为0.02°，重复精度为0.001°。
测角仪的衍射几何
●测角仪的衍射几何是按Bragg-Brentano聚焦原理设计的。
●X射线管的焦点F，计数器的接收狭缝G和试样表面位于同一个聚焦圆上；因此可以使由F点射出的发散束经试样表面衍射后的衍射速在G点聚焦。
测角仪的衍射几何
●除X射线管焦点F之外，聚焦圆与测角仪只能有一点相交
●无论衍射条件如何改变，在一定条件下，只能有一条衍射线在测角仪圆上聚焦
●沿测角仪圆移动的计数器G只能逐个地对衍射线进行测量
●当计数器在测角仪圆扫测衍射花样时，聚焦圆半径将随之而改变聚焦圆半径L与θ角的关系为：
所以
式中，R一测角仪圆半径
测角仪衍射几何一θ~θ联动
水平测角仪与垂直测角仪
试样表面
●按聚焦条件的要求，试样表面应永远保持与聚焦圆有相同的曲面，但是，由于聚焦圆曲率半径在测量过程中不断变化，而试样表面却无法实现这一点。因此，只能作近似处理，采用平板试样，使试样表面始终与聚焦圆相切，即聚焦圆圆心永远位于试样表面的法线上。
●为了使计数器永远处于试样表面(即与试样表面平等的HKL衍射面)的衍射方向，必须让试样表面与计数：器同时绕测角仪中心轴同一方向转动，并保持1：2的角速度关系。
●即当试样表面与入射线成θ角时，计数器正好处于2θ角的方位，粉末多晶体衍射仪所探测的始终是与试样表面平行的那些衍射面。
样品架和样品表面
测角仪光路
●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，但是，如果只采用通常的狭缝光阑便无法控制沿狭缝长边方向的发散度，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(Soller)光阑 组成的联合光阑系统。
测角仪的光学布置
●测角仪光学布置要求与X射线管的线状焦点的长边方向与测角仪的中心轴平行。X射线管的线焦点S的尺寸一般为1.5 mX 10mm,但靶是倾斜放置的，靶面与接受方向夹角为3°，这样在接受方向上的有效尺寸为0.08mmX 10mm.采用线焦点可使较多的入射线照射到试样。
窄缝光阑与梭拉光阑组成的联合光阑系统
●为了保证衍射圆环宽度的均匀性，采用由窄缝光阑与梭拉光阑组成的联合光阑系统。在线焦点S与试样之间采用由一一个梭拉光阑S，和两个窄缝光阑(a)和(b)组成的入射光阑系统。
●在试样 与计数器之间采用由-一个梭拉光阑S2一个窄缝光阑组成的接收光阑系统，有时还在试样与梭拉光阑S2之间再安置一个狭缝光阑，以遮挡住除由试样产生的衍射线之外的寄生散射线。光路中心线所决定的平面称为测角仪平面，它与测角仪中心轴垂直。
光阑
梭拉光阑S1，S2
由一组互相平行、间隔很密的重金属(Ta、Mo)薄片组成
安装时要 使薄片与测角仪平面平等，可将垂直测角仪平面方向的X射线发散度控制有2°左右
狭缝光阑(a)(b)
作用是控制入射线的能量和发散度,限定入射线在试样一上的照射面积
狭缝光阑M
挡住衍射线以外的寄生散射，它的宽度应稍大于衍射线束的宽度
狭缝光阑F
控制衍射线进入计数器的能量，它的大小可根据实验测量的具有要求选定
晶体单色器
晶体单色器的作用与图示
●作用：消除衍射花样的背底和Kβ散射
晶体单色器的原理
●在衍射线光路上安装弯曲晶体单色器
●由试样衍射产生的衍射线(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单色器晶体的该晶面对Kα辐射的布拉格角
●由单晶体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Kα衍射线
晶体单色器的作用：
●由于可以选择单晶的晶面正好对准Kα的衍射，因此，可以消除Kβ的辐射，也能消除由连续X射线和荧光X射线产生的背底。
●经弯曲晶体单色器聚焦的二次衍射线，由计数器检测后给出的是的Kα双线衍射峰。
晶体单色器的安装位置
辐射探测器的工作原理
辐射探测器的作用与原理
接收试样的衍射X光子，并通过光学作用，使光信号放大，并转换为电信号，输送给信号处理电路
辐射探测器的种类
正比计数器
闪烁计数器
Li (Si)探测器
位敏计数器
NaI闪烁检测器
闪烁计数器
组成
闪烁计数器是利用固体发光(荧光)作用的计数器
闪烁计数器原理与实物图
组成原理
●发光体一般是用少量(0.5%左右)铊活化的碘化钠(Nal)单晶体。这种晶体经X射线照射后能发射可见的蓝光。
●碘化钠晶体紧贴在光电倍增管的光敏阴极上，除铍窗口外，其它部分均与可见光隔绝。
●光敏阴极由光敏物质( 铯锑的金属间化合物)制成当晶体吸收一个X射线光子时，便产生一个闪光，这个闪光射到光电倍增管的光敏阴极上激发出许多电子。
光电倍增管内一般装有10个联极，每个联极递增100V电压，最后一个联极与测量电路连接。
●每个电子通过光电倍增管在最后一个联极上可倍增到106~107个电子当晶体吸收一个X射线光子时，便可在光电倍增管的输出端收集到巨大数目的电子，从而产生一个几毫伏的电脉冲。
性能
●产生一个倍增作用的整个过程所需要的时间不到1微秒。因此，闪烁计数器可在高达105脉冲/秒的计数速率下使用，不会有漏计损失。
●由于闪烁晶体能吸收所有的入射光子，在整个X射线波长范围其吸收效率都接近100%，所以闪烁计数器的主要缺点是本底脉冲过高。
●即使没有光子，由于光敏阴极因受热离子影响也会产生热噪声。因此，应保持在低温下使用。
Si (Li)探测器
●Li补偿受主杂质形成补偿区(导电类似本征半导体)
●Li离子半径小，容易漂移;漂移形成的补偿区比扩散形成的耗尽层厚很多，可以耐高压，有极高探测灵敏度。
计数测量方法和测量参数的选择
●计数测量方法
1、粉末多晶体衍射仪的计数测量方法有连续扫描和步进扫描两种。
2、连续扫描
●将计数器与计数率计连接，让测角仪的θ/2θ角以1: 2的角速度联合驱动。
●在选定2θ角范围，以一定的扫描速度扫测各衍射角对应的衍射强度，测量结果自动地存入计算机，然后，在打印机上输出测量结果或在绘图仪上绘出衍射花样。
连续扫描衍射图谱
3、连续扫描的优点
●扫描速度快，工作效率高。当需要对衍射花样进行全扫描测量时，一般选用连续扫描测量方法。
●连续扫描的测量精度受扫描速度和时间常数的影响。因此，在测量前要合理地选定这两个参数。
4、步进扫描
●将计数器与定标器连接，首先让计数器停在要测量的起始2θ位置，按定时器设定的计数时间测量脉冲数，将所测得的脉冲数除以计数时间即为该处2θ角对应的衍射强度，然后再作下一步测量。
●步进扫描的曲线是梯度形的。
步进扫描衍射图谱
5、步进扫描的特点
●步进扫描每步停留的测量时间较长，测量的总脉冲数较大，从而可减小脉冲统计波动的影响。
●步进扫描不使用计数率计，没有滞后效应。所以，它的测量精度是很高的，能给出精确的衍射峰位、衍射线形、积分强度和积分宽度等衍射信息，适合作各种定量分析。
●步进扫描的精度取决于步进宽度和步进时间，所以在测量前要根据实际需要选定合适的步进宽度和步进时间。
6、测量参数的选择
●测量参数的选定直接影响着衍射信息的质量和测量结果。应根据需要作适当的选择
●测量参数包括：
狭缝宽度
扫描速度
时间常数
步进宽度
步进时间
衍射数据采集和数据处理的自动化
数据采集与数据处理
现代X射线衍射仪都实现了计算机控制自动化。包括测角仪转动、加降高压电流、数据采集、数据存贮、数据处理等一切操作流程。
多晶衍射数据信息
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