X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與工作原理

1、X射線衍射儀結(jié)構(gòu)與工作原理1、測(cè)角儀的工作原理測(cè)角儀在工作時(shí)，X射線從射線管發(fā)出，經(jīng)一系列狹縫后，照射在樣品上產(chǎn)生衍射。計(jì)數(shù)器圍繞測(cè)角儀的軸在測(cè)角儀圓上運(yùn)動(dòng)，記錄衍射線，其旋轉(zhuǎn)的角度即2，可以從刻度盤上讀出。與此同時(shí)，樣品臺(tái)也圍繞測(cè)角儀的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)速的1/2。為什么？為了能增大衍射強(qiáng)度，衍射儀法中采用的是平板式樣品，以便使試樣被X射線照射的面積較大。這里的關(guān)鍵是一方面試樣要滿足布拉格方程的反射條件。另一方面還要滿足衍射線的聚焦條件，即使整個(gè)試樣上產(chǎn)生的X衍射線均能被計(jì)數(shù)器所接收。在理想的在理想情況下，X射線源、計(jì)數(shù)器和試樣在一個(gè)聚焦圓上。且試樣是彎曲的，曲率與聚焦圓相同。對(duì)于粉末多

2、晶體試樣，在任何方位上總會(huì)有一些（hkl）晶面滿足布拉格方程產(chǎn)生反射，而且反射是向四面八方的，但是，那些平行于試樣表面的晶面滿足布拉格方程時(shí)，產(chǎn)生衍射，且滿足入射角=反射角的條件。由平面幾何可知，位于同一圓弧上的圓周角相等，所以，位于試樣不同部位M，O，N處平行于試樣表面的（hkl）晶面，可以把各自的反射線會(huì)聚到F點(diǎn)（由于S是線光源，所以廠點(diǎn)得到的也是線光源）。這樣便達(dá)到了聚焦的目的。在測(cè)角儀的實(shí)際工作中，通常X射線源是固定不動(dòng)的。計(jì)數(shù)器并不沿聚焦圓移動(dòng)，而是沿測(cè)角儀圓移動(dòng)逐個(gè)地對(duì)衍射線進(jìn)行測(cè)量。因此聚焦圓的半徑一直隨著2角的變化而變化。在這種情況下，為了滿足聚焦條件，即相對(duì)試樣的表面，滿足入

3、射角=反射角的條件，必須使試樣與計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度保持1:2的速度比。不過，在實(shí)際工作中，這種聚焦不是十分精確的。因?yàn)椋瑢?shí)際工作中所采用的樣品不是弧形的而是平面的，并讓其與聚焦圓相切，因此實(shí)際上只有一個(gè)點(diǎn)在聚焦圓上。這樣，衍射線并非嚴(yán)格地聚集在F點(diǎn)上，而是有一定的發(fā)散。但這對(duì)于一般目的而言，尤其是2角不大的情況下（2角越小，聚焦圓的曲率半徑越大，越接近于平面），是可以滿足要求的。2、X射線探測(cè)器衍射儀的X射線探測(cè)器為計(jì)數(shù)管。它是根據(jù)X射線光子的計(jì)數(shù)來探測(cè)衍射線是存在與否以及它們的強(qiáng)度。它與檢測(cè)記錄裝置一起代替了照相法中底片的作用。其主要作用是將X射線信號(hào)變成電信號(hào)。探測(cè)器的有不同的種類。有使用

4、氣體的正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器和固體的閃爍計(jì)數(shù)器和硅探測(cè)器。目前最常用的是閃爍計(jì)數(shù)器，在要求定量關(guān)系較為準(zhǔn)確的場(chǎng)合下一般使用正比計(jì)數(shù)器。蓋革計(jì)數(shù)器現(xiàn)在已經(jīng)很少用了。1）正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)管有玻璃的外殼，內(nèi)充填惰性氣體（如氬、氪、氙等）。陰極為一金屬圓筒，陽極為共軸的金屬絲。為窗口，由云母或鐵等低吸收系數(shù)材料制成。陰、陽極之間保持一個(gè)電位差，對(duì)正比計(jì)數(shù)管，這個(gè)電位差為600至900伏。X射線光子能使氣體電離，所產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)作用下向陽極加速運(yùn)動(dòng)，這些高速的電子足以再使氣體電離，而新產(chǎn)生的電子又可引起更多氣體電離，于是出現(xiàn)電離過程的連鎖反應(yīng)。在極短時(shí)間內(nèi)，所產(chǎn)生的大量電子便會(huì)涌向陽板金屬絲

5、，從而出現(xiàn)一個(gè)可以探測(cè)到的脈沖電流。這樣，一個(gè)X射線光子的照射就有可能產(chǎn)生大量離子，這就是氣體的放大作用。計(jì)數(shù)管在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)稱為計(jì)數(shù)率，它的大小與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)管的X射線光子數(shù)成正比，亦即與X射線的強(qiáng)度成正比。正比計(jì)數(shù)器所繪出的脈沖大小（脈沖的高度）和它所吸收的X射線光子能量成正比。因此，只要在正比計(jì)數(shù)器的輸出電路上加上一個(gè)脈高分析器（脈沖幅度分析器），對(duì)所接收的脈沖按其高度進(jìn)行甑別，就可獲得只由某一波長(zhǎng)X射線產(chǎn)生的脈沖。然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。從而排除其它波長(zhǎng)的幅射（如白色X射線、樣品的熒光幅射）的影響。正由于這一點(diǎn)，正比計(jì)數(shù)器測(cè)定衍射強(qiáng)度就比較可靠。正比計(jì)數(shù)器反應(yīng)極快，它對(duì)兩個(gè)連

6、續(xù)到來的脈沖的分辨時(shí)間只需10-6秒。光子計(jì)數(shù)效率很高，在理想的情況下沒有計(jì)數(shù)損失。正比計(jì)數(shù)器性能穩(wěn)定，能量分辨率高，背底脈沖極低。正比計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)在于對(duì)溫度比較敏感，計(jì)數(shù)管需要高度穩(wěn)定的電壓，又由于雪崩放電所引起電壓的瞬時(shí)脫落只有幾毫優(yōu)，故需要強(qiáng)大的放大設(shè)備。蓋革計(jì)數(shù)器與正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與原理相似。但它的氣體放大倍數(shù)很大，輸出脈沖的大小與入射X射線的能量無關(guān)。對(duì)脈沖的分辨率較低，因此具有計(jì)數(shù)的損失。2）閃爍計(jì)數(shù)管閃爍計(jì)數(shù)管是利用X射線激發(fā)某此晶體的熒光效應(yīng)來探測(cè)X射線的。它由首先將接收到的X射線光子轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夤庾?，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?，然后形成電脈沖而進(jìn)行計(jì)數(shù)的。它主要由閃爍體和光電倍增管兩部分組

7、成。閃爍體是一種在受到X射線光子轟擊時(shí)能夠發(fā)出可見光熒光的晶體，最常用的是用鉈活化的碘化鈉Nal（TI）單晶體。光電倍增管的作用則是將可見光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖。閃爍晶體位于光電倍增器的面上，其外側(cè)用鈹箔密封，以擋住外來的可見光，但可讓X射線較順利通過。當(dāng)閃爍晶體吸收了X射線光子后，即發(fā)出閃光（可見的熒光光子），后者投射到光電信增器的光敏陰極上，使之迸出光電子。然后在電場(chǎng)的驅(qū)使下，這些電子被加速并轟擊光電信增器的第一個(gè)倍增極（它相對(duì)于陰極具有高出約100V的正電位），并由于次級(jí)發(fā)射而產(chǎn)生附加電子。在光電信增器中通常有10或11個(gè)倍增級(jí)，每一個(gè)倍增極的正電位均較其前個(gè)高出約100V。于是電子依次經(jīng)過各個(gè)

8、倍增極，、最后在陽板上便可收結(jié)到數(shù)量極其巨大的電子，從而產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，其數(shù)量級(jí)可達(dá)幾伏。產(chǎn)生的脈沖的數(shù)量與入射的X射線光子的數(shù)目有關(guān)，亦即與X射線的強(qiáng)度有關(guān)。因此它可以用來測(cè)量X射線的強(qiáng)度。同時(shí)，脈沖的大小與X射線的能量有關(guān)，因此，它也可象正比計(jì)數(shù)器那樣，用一個(gè)脈高分析器，對(duì)所接收的脈沖按其高度進(jìn)行甑別。閃爍計(jì)數(shù)器的反應(yīng)很快，其分辨時(shí)間達(dá)10-8秒。因而在計(jì)數(shù)率達(dá)到10-5次/秒以下時(shí)，不會(huì)有計(jì)數(shù)的損失。閃爍計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是背底脈沖高。這是因?yàn)榧词乖跊]有X射線光電子進(jìn)入計(jì)數(shù)管時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生“無照電流”的脈沖。 其來源為光敏陰極因熱離子發(fā)射而產(chǎn)生的電子。此外，閃爍計(jì)數(shù)器的價(jià)格較貴。晶體易于受潮解而

9、失效。除了氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器外，近年來一些高性能衍射儀采用固體探測(cè)器和陣列探測(cè)器。固體探測(cè)器，也稱為半導(dǎo)體探測(cè)器，采用半導(dǎo)體原理與技術(shù)，研制的鋰漂移硅Si（Li）或鋰漂移鍺Ge（Li）固體探測(cè)器，固體探測(cè)器能量分辨率好，X光子產(chǎn)生的電子數(shù)多。固體探測(cè)器是單點(diǎn)探測(cè)器，也就是說，在某一時(shí)候，它只能測(cè)定一個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度。如果要測(cè)不止一個(gè)方向上的衍射強(qiáng)度，就要作掃描，即要一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地測(cè)，掃描法是比較費(fèi)時(shí)間?，F(xiàn)已發(fā)展出一些一維的（線型）和二維（面型）陣列探測(cè)器來滿足此類快速、同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)要求。所謂陣列探測(cè)器就是將許多小尺寸（如50m）的固體探測(cè)器規(guī)律排列在一條直線上或一個(gè)平面上，構(gòu)成線型

10、或平面型陣列式探測(cè)器。陣列探測(cè)器一般用硅二極管制作。這種一維的（線型）或二維的（面型）陣列探測(cè)器，既能同時(shí)分別記錄到達(dá)不同位置上的X射線的能量和數(shù)量，又能按位置輸出到達(dá)的X射線強(qiáng)度的探測(cè)器。陣列探測(cè)器不但能量分辨率好，靈敏度高，且大大提高探測(cè)器的掃描速度，特別適用于X射線衍射原位分析。3、X射線檢測(cè)記錄裝置這一裝置的作用是把從計(jì)數(shù)管輸送來的脈沖信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚⒔Y(jié)果加以顯示或記錄。它由一系列集成電路或晶體管電路組成。其典型的裝置如圖所示。由計(jì)數(shù)管所產(chǎn)生的低壓脈沖，首先在前置放大器中經(jīng)過放大，然后傳送到線性放大器和脈沖整形器中放大、整形，轉(zhuǎn)變成其脈高與所吸收 X射線光子的能量成正比的矩形脈

11、沖。輸出的矩形脈沖波再通過脈高甄別器和脈高分析器，把脈高不符合于指定要求的脈沖甄別開，只讓其脈高與所選用的單色X射級(jí)光子的能量相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)通過。所通過的那些脈高均一的矩形脈沖波可以同時(shí)分別輸往脈沖平均電路和計(jì)數(shù)電路。脈沖平均電路的作用是使在時(shí)間間隔上無規(guī)則地輸入的脈沖減為穩(wěn)定的脈沖平均電流，后者的起伏大小與平均脈沖速率成正比，亦即與接收到的 X射線的強(qiáng)度成正比。脈沖平均電路具有一個(gè)可調(diào)的電容來調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)RC的大小。RC大，脈沖電流的平波效應(yīng)就強(qiáng)，電流隨時(shí)間變化的細(xì)小差別相應(yīng)減小。RC小，則可以提高對(duì)這些細(xì)節(jié)的分辨能力。由脈沖平均電路輸出的平均電流，然后饋送給計(jì)數(shù)率儀和長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄儀。從計(jì)數(shù)率儀的微安計(jì)上可以直接讀得脈沖平均電流的大小。長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄儀把電流的起伏轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢徊畹淖兓?，并帶?dòng)記錄筆畫出相應(yīng)的曲線，而記錄紙的走紙速度則與計(jì)數(shù)管繞測(cè)角計(jì)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的速度（掃描速度）成正比關(guān)系。所以長(zhǎng)圖自動(dòng)記錄僅能夠以強(qiáng)度分布曲線的形式自動(dòng)記錄下X射線衍射強(qiáng)度隨衍射角2的變化，提供直觀而又可以永久保存的衍射圖譜。計(jì)數(shù)電路由定標(biāo)器和定時(shí)器組成。定標(biāo)器的作用是對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定標(biāo)器與定時(shí)器相配合，可以定時(shí)計(jì)數(shù)（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)），也可以定標(biāo)計(jì)時(shí)（計(jì)算達(dá)到預(yù)定計(jì)數(shù)數(shù)目時(shí)所需的時(shí)間。定標(biāo)一定時(shí)電路的輸出可有幾