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X射线粉末衍射仪(XRD)介绍

一.衍射分析技术的发展

自1896年X射线被发现以来，可利用X射线分辨的物质系统越来越复杂。
从简单物质系统到复杂的生物大分子，X射线已经为我们提供了很多关于物质静
态结构的信息。此外，在各种测量方法中，X射线衍射方法具有不损伤样品、无
污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。由于晶体
存在的普遍性和晶体的特殊性能及其在计算机、航空航天、能源、生物工程等工

业领域的广泛应用，人们对晶体的研究日益深入，使得X射线衍射分析成为探究

晶体最方便、最重要的手段。

二.基本构造及原理

2.1基本构造

X射线衍射仪的形式多种多样,用途各异,但其基本构成很相似,主要部件包括
4部分。

（1）高稳定度X射线源提供测量所需的X射线,改变X射线管阳极靶材质可
改变X射线的波长,调节阳极电压可控制X射线源的强度。

X射线衍射仪按其X射线发生器的额定功率分为普通功率（2~3kW）和高功
率两类，前者使用密封式X射线管，后者使用旋转阳极X射线管(12kW以上)。

所以高功率X射线衍射仪又称为高功率旋转阳极X射线衍射仪。

（2）样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶
的固体块。

X射线衍射仪按其测角台扫描平面的取向有水平（或称卧式）和垂直（又称
立式）两种结构，立式结构不仅可以按q-2q方式进行扫描，而且可以实现样品

台静止不动的q-q方式扫描。

（3）射线检测器检测衍射强度或同时检测衍射方向,通过仪器测量记录系统
或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。

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X射线衍射仪使用的X射线检测器一般是NaI闪烁检测器或正比检测器，已
经有将近半个世纪的历史了。现在，还有一些高性能的X射线检测器可供选择。
如：半导体致冷的高能量分辨率硅检测器，正比位敏检测器，固体硅阵列检测器，

CCD面积检测器等等，都是高档衍射仪的可选配置。

（4）衍射图的处理分析系统现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理
分析软件的计算机系统,它们的特点是自动化和智能化。

计算机系统是现代X射线衍射仪的不可缺少的部分，系统里装备的专用软件
成为了仪器的灵魂，使仪器智能化。它的基本功能是按照指令完成规定的控制操
作、数据采集，并成为操作者的得力的数据处理、分析的辅导员或助手。但是，
现在还没有一种仪器所带的软件能够包解决一切衍射分析问题的。优秀的第三方

的（免费的、共享的或需要付费的）X射线衍射分析的数据处理、分析软件不断

涌现，各有千秋。使用者要根据自己的实际需要去选择，及时更新。

2.2X射线衍射原理
1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发
生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程
碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，
这些规则排列的原子距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的
X射线相互干涉，间在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的
方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。
衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：
布拉格方程是给出晶体X射线衍射方向的方程。
2dsinθ=nλ
d为晶面间距，θ为入射束与反射面的夹角，λ为X射线的波长，n为衍
射级数，其含义是：只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才
产生衍射。
该方程是晶体衍射的理论基础

三.X射线衍射分析的应用
3.1物相分析
晶体的Ｘ射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，

每种晶体的结构与其Ｘ射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍
射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是Ｘ射线衍射物相分析方

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法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍
射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴
定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者
除外），就可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉

末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”
进行物相分析。
目前，物相分析存在的问题主要有：

⑴待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强线，而是两个或两个以上
相的某些次强或三强线叠加的结果。这时若以该线作为某相的最强线将找不到任
何对应的卡片。

⑵在众多卡片中找出满足条件的卡片，十分复杂而繁锁。虽然可以利用计算机
辅助检索，但仍难以令人满意。

⑶定量分析过程中，配制试样、绘制定标曲线或者Ｋ值测定及计算，都是复杂
而艰巨的工作。为此，有人提出了可能的解决办法，认为从相反的角