X射线衍射入门：XRD（X射线衍射）的工作原理是什么？

作者 Lauren Dos Santos - 2020年 7月 29日

X射线衍射，简称XRD，是一种分析技术，可提供有关晶体材料的结构和晶相ID的信息。

XRD技术可用于识别单晶，并揭示其结构。地质学家发现XRD特别有用，因为这种技术可用于识别混合物中存在的晶体，例如岩石中的矿物。对于具有可变分子式和结构的矿物来说，如：粘土，XRD可以说是识别它们并确定它们在样品中所占比例的适合方法。

但是，XRD（X射线衍射）的工作原理是什么呢？这篇博文为大家讲述了XRD（X射线衍射）背后的科学，并说明了这种技术在野外便携式XRD分析仪中的工作原理。

在XRD分析过程中，一束X射线直射到样品上，其散射强度是其出射方向的函数，即会随着出射方向而变化。一般，我们将入射和出射光束方向之间的角度称为2θ。

入射和出射光束方向之间的夹角被称为2θ。

对于由间隔距离为d的晶面组成的可能是最简单的样品来说，当布拉格定律得到满足时，即n λ = 2 d sin θ时，我们会观察到相长干涉（较大的散射强度）。

XRD（X射线衍射）仪器，如：奥林巴斯的新一代TERRA II和BTX III XRD分析仪，可以直接在分析仪上快速、实时地提供被测样品主要成分和次要成分的可靠的矿物学和矿物相分析结果。

奥林巴斯XRD衍射仪还采用一种独特的方式快速、方便地采集和处理XRD数据，突显了其紧凑便携的特性。请继续阅读，了解有关XRD技术的更详细的信息。

BTX III台式XRD分析仪（左图）和TERRA II便携式XRD分析仪（右图）虽然机型设计紧凑、轻便，但是却可以提供大型复杂实验室系统的一些强大性能。

传统的基于测角仪的XRD仪器使用反射几何技术处理XRD数据。因此，传统仪器体积很大，有许多活动部件，而且经常需要从外部进行冷却。另一个缺点是它们需要大量的样品进行分析。在过去，这些限制意味着始终要在实验室内进行XRD分析。

我们的工程师采用独特的透射几何方法使X射线束穿过样品，推动了XRD技术的发展。

上图显示了采用透射几何学的奥林巴斯独特的XRD方法。

这种方法不需要移动部件，并使我们设计出世界上第一台由电池供电的便携式商用XRD仪器（其后继产品是奥林巴斯的新款TERRA II仪器）。今天，我们的XRD仪器继续保持了便携性和易用性，仅需15毫克样品即可进行分析。

封闭了装有样品的样品舱后，我们的XRD分析仪就会使用一种被称为粉末液化的颗粒随机化方法处理样品。通过这种方法，我们的分析仪对样品施加恒定的压电感应频率，使粉末从上到下对流，并围绕其轴心旋转。

在30秒内，样品窗口中的每个颗粒都将以各种可能的方向穿过X射线束。因此，奥林巴斯XRD仪器可以实现样品检测100%的随机化，这也是进行精确和准确的X射线衍射分析的非常关键的一个因素。

我们努力简化XRD分析过程，以便我们的客户可以快速、轻松地获得定量矿物学结果。这个过程可以分为几个步骤完成：

SwiftMin软件借助其直观的功能避免了一些重复进行的任务，这些功能包括显示多种数据的单屏控制面板、预置校准、自动数据传输和轻松的数据导出。

XRD分析结果有着广泛的用途。常见的XRD应用如下：

除了省时的软件和简单的样品制备方式，奥林巴斯还采用了独特的硬件组件，打造出异常可靠和精确的XRD仪器：

2D X射线衍射仪：许多XRD仪器使用X射线探测器，仅能捕获样品在一个平面中脱落的光子，即完成一维实验。奥林巴斯装配有电荷耦合装置（CCD）探测器的XRD分析仪，可以采集衍射环的切片，以帮助用户了解是否正确制备了样品（粒子统计和/或晶粒的择优取向）。这些信息有助于用户确认所获得定量性数据的准确性和代表性。
能量辨别X射线探测器：较大的常规XRD仪器一般不能使用对能量敏感的探测器。因此，探测器会受到在XRD实验中未使用的光子的影响。相比之下，奥林巴斯的XRD分析仪可以去除那些未直接参与到X射线衍射实验中的光子，如：X射线荧光光子，从而可以提供更好的信噪比模式。
钴射线管和铜射线管选项：奥林巴斯XRD分析仪的标准配置装配有一个坚固耐用的钴（Co）靶材X射线管。这种阳极射线管广受地质学家和矿物学家的青睐，因为在分析铁（Fe）含量较高的样品时，这种射线管可以发挥出色的性能。不过，要注意在某些应用中需要使用铜（Cu）靶材X射线管，如：在分析锰含量很高的样品时。我们提供两种阳极靶材，用户可以根据自己的应用需求选购适当的阳极靶材。