X射線粉末衍射儀的聚焦原理

1、X 射線粉末衍射儀的聚焦原理引言粉末衍射儀是以特征X 射線照射粉末樣品，并以輻射探測器記錄衍射信息的衍射實驗裝置，具有操作方便、處理快速、測量準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)自動處理等諸多優(yōu)點，目前已經(jīng)基本取代了照相法，成為材料晶體結(jié)構(gòu)分析中最基本的分析方法之一。在闡述 X 射線粉末衍射儀的工作原理時，最大的難點是如何理解當(dāng)具有一定發(fā)散度的線狀X 光束照射平板狀多晶樣品時，樣品中的中同名衍射線在衍射儀赤道平面出現(xiàn)衍射線強(qiáng)峰的現(xiàn)象，即聚焦幾何問題。1問題的提出：在晶體材料中，凡具有相同晶面間距的晶面組稱之為等同晶面，所有等同晶面參與X 射線衍射時，具有完全相同的衍射結(jié)果。圖 1 為X 射線粉末衍射儀的結(jié)構(gòu)示意圖。由狹

2、縫S 發(fā)出的線狀X 光束具有一定的發(fā)散度，照射到平板狀多晶樣品上時，在接收光欄F 處將檢測到由滿足衍射矢量方程的同名晶面及其等同晶面組所產(chǎn)生的衍射線因聚焦而形成的衍射線強(qiáng)峰。對此現(xiàn)象的合理解釋是：X 射線粉末衍射儀采用具有一定發(fā)散度的線狀X入射光束，多晶樣品中產(chǎn)生同名衍射的各小晶粒的同名衍射晶面及其等同晶面與S 和 F 處于同一個聚焦圓周上 ，由于 “同一圓周上的同弧圓周角相等 ”的幾何規(guī)律 ，在組成多晶樣品的各小晶粒中，凡處于與聚焦圓吻合的弧面上的、滿足衍射矢量方程的同名衍射晶面極其等同晶面所產(chǎn)生的衍射線都將在 F 處聚焦，從而形成衍射線強(qiáng)峰。要滿足上述解釋的合理性 ，必須保證多晶樣品中的各

3、衍射晶粒的同名晶面極其等同晶面處于與S 和 F 共同決定的聚焦圓的圓周上，這就要求樣品的衍射面呈一弧面，該弧面應(yīng)與聚焦圓吻合（圖2）；隨著與記數(shù)管一體的接收光欄F 的掃描移動，狹縫S、樣品臺軸心O 和接收狹縫 F 的相對位置將不斷改變，由三者決定的聚焦圓也隨之改變 。這將要求樣品的衍射弧面隨聚焦圓的改變而同步變化，以滿足各衍射晶粒產(chǎn)生的同名衍射線在F 處聚焦而形成衍射強(qiáng)峰。顯然，在實際操作中樣品表面是不可能實現(xiàn)這一要求的。那么，不變的平板狀多晶樣品是怎樣滿足各衍射晶粒的同名衍射線在 F 處聚焦而形成衍射強(qiáng)峰的條件的？2原理闡述：我們知道，X 射線具有一定的材料穿透性，不同波長的 X 射線在相同

4、的材料中具有不同的輻射深度；相同波長的X 射線在不同材料中也具有不同的輻射深度。在通常的衍射分析條件下，其輻射深度大約在幾微米至幾十微米以內(nèi)。在不存在系統(tǒng)消光的前提下 ，多晶樣品的輻射范圍內(nèi)凡是滿足衍射矢量方程的晶粒都會產(chǎn)生衍射。在衍射儀連動掃描的過程中，不管衍射聚焦圓如何變化，只要樣品放置得當(dāng)，在樣品的輻射深度內(nèi)總有與聚焦圓吻合的弧面存在（見圖3）。由于多晶樣品中的小晶粒數(shù)量眾多且取向隨機(jī)，因此在與聚焦圓吻合的弧面上總會存在許多滿足衍射矢量方程的同名晶面及其等同晶面，它們產(chǎn)生的衍射線必然在F 處聚焦，因此而在 F 點形成衍射線強(qiáng)峰。在理解 X 射線粉末衍射儀的衍射聚焦原理時，要注意以下幾點：

5、第一，在衍射弧面以外的其他晶粒中也可能產(chǎn)生同名衍射線，但是因為不滿足聚焦幾何而出現(xiàn)在F 點以外的地方，因強(qiáng)度較弱和方位隨機(jī)而形成衍射背底。第二，采用具有一定發(fā)散度的線狀光源，是為了將樣品中與聚焦圓吻合的衍射弧面上的同名衍射線都聚焦在F 處，從而得到衍射線強(qiáng)峰，提高衍射譜圖的峰背比。第三，多晶樣品的放置位置直接影響衍射花樣的峰背比。被照射面靠前或靠后都將降低衍射線條強(qiáng)度的峰背比，甚至得不到衍射峰，只有當(dāng)樣品中的衍射弧面在 X 射線的輻射深度范圍內(nèi)具有較大面積時，才有較好的測量效果。第四，作以上討論時只考慮了入射X 射線的運動學(xué)理論，但對于實際現(xiàn)象已能夠做出足夠清晰的解釋?；谏鲜隼碛?，在實際操作

6、時應(yīng)注意以下兩點：第一，線狀光束的發(fā)散度要適當(dāng)，以盡可能全面輻照樣品表面為好，偏窄會減少樣品中的同名衍射晶粒數(shù)，使衍射峰強(qiáng)度減弱。過寬會造成入射線泄漏使背底輻射增加。第二，樣品放置位置應(yīng)使其衍射弧面處于入射X 射線的輻射深度范圍內(nèi)，以獲得盡可能大的衍射弧面，提高衍射峰強(qiáng)度。具體地說，就是要將樣品臺的軸心位置盡量接近入射X 射線的輻射深度線L（見圖 3）。3結(jié)論：X 射線粉末衍射儀用具有一定發(fā)散度的特征X 光束照射多晶平板樣品 ，多晶樣品中一部分被照射的小晶粒的同名衍射晶面及其等同晶面所產(chǎn)生的衍射線將在適當(dāng)?shù)姆轿痪劢苟纬裳苌鋸?qiáng)峰，被聚焦的那一部分衍射線所對應(yīng)的同名晶面或等同晶面與光源S 和接收狹縫 F 處于同一個聚焦圓周上。在測角儀掃描過程中，由光源狹縫S、樣品臺軸心O 和接收狹縫 F 確定的聚焦圓半徑不斷改變。但在樣品一定深度范圍內(nèi)總是存在與聚焦圓吻合