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、測角儀的工作原理測角儀在工作時，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)器圍繞測角儀的軸在測角儀圓上運(yùn)動，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，樣品臺也圍繞測角儀的軸旋轉(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)器和試樣在一個聚焦圓上。且試樣是彎曲的，曲率與聚焦圓相同。對于粉末多

2、晶體試樣，在任何方位上總會有一些（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，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。在測角儀的實(shí)際工作中，通常X射線源是固定不動的。計(jì)數(shù)器并不沿聚焦圓移動，而是沿測角儀圓移動逐個地對衍射線進(jìn)行測量。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)?，?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射線探測器衍射儀的X射線探測器為計(jì)數(shù)管。它是根據(jù)X射線光子的計(jì)數(shù)來探測衍射線是存在與否以及它們的強(qiáng)度。它與檢測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射線信號變成電信號。探測器的有不同的種類。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、陽極之間保持一個電位差，對正比計(jì)數(shù)管，這個電位差為600至900伏。X射線光子能使氣體電離，所產(chǎn)生的電子在電場作用下向陽極加速運(yùn)動，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)。在極短時間內(nèi)，所產(chǎn)生的大量電子便會涌向陽板金屬絲

5、，從而出現(xiàn)一個可以探測到的脈沖電流。這樣，一個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脈高分析器（脈沖幅度分析器），對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X射線產(chǎn)生的脈沖。然后對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。從而排除其它波長的幅射（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，它對兩個連

6、續(xù)到來的脈沖的分辨時間只需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。然后在電場的驅(qū)使下，這些電子被加速并轟擊光電信增器的第一個倍增極（它相對于陰極具有高出約100V的正電位），并由于次級發(fā)射而產(chǎn)生附加電子。在光電信增器中通常有10或11個倍增級，每一個倍增極的正電位均較其前個高出約100V。于是電子依次經(jīng)過各個

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)生一個電脈沖，其數(shù)量級可達(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)。因此它可以用來測量X射線的強(qiáng)度。同時，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，用一個脈高分析器，對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，其分辨時間達(dá)10-8秒。因而在計(jì)數(shù)率達(dá)到10-5次/秒以下時，不會有計(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，仍會產(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)器的價格較貴。晶體易于受潮解而

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

10、或平面型陣列式探測器。陣列探測器一般用硅二極管制作。這種一維的（線型）或二維的（面型）陣列探測器，既能同時分別記錄到達(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)度的探測器。陣列探測器不但能量分辨率好，靈敏度高，且大大提高探測器的掃描速度，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進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，并將結(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射級光子的能量相對應(yīng)的脈沖信號通過。所通過的那些脈高均一的矩形脈沖波可以同時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可調(diào)的電容來調(diào)節(jié)時間常數(shù)RC的大小。RC大，脈沖電流的平波效應(yīng)就強(qiáng)，電流隨時間變化的細(xì)小差別相應(yīng)減小。RC小，則可以提高對這些細(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)率儀和長圖自動記錄儀。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。長圖自動記錄儀把電流的起伏轉(zhuǎn)變?yōu)殡娢徊畹淖兓?，并帶動記錄筆畫出相應(yīng)的曲線，而記錄紙的走紙速度則與計(jì)數(shù)管繞測角計(jì)軸線轉(zhuǎn)動的速度（掃描速度）成正比關(guān)系。所以長圖自動記錄僅能夠以強(qiáng)度分布曲線的形式自動記錄下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)器和定時器組成。定標(biāo)器的作用是對輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。定標(biāo)器與定時器相配合，可以定時計(jì)數(shù)（在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)），也可以定標(biāo)計(jì)時（計(jì)算達(dá)到預(yù)定計(jì)數(shù)數(shù)目時所需的時間。定標(biāo)一定時電路的輸出可有幾