粉末衍射仪是一种基于X射线衍射原理的分析仪器，主要用于晶体物质的定性与定量分析、物相结构研究及材料表征。其核心原理遵循布拉格定律：当单色X射线以特定角度照射晶体时，若满足晶面间距与波长的几何关系，X射线会在晶面上发生衍射，形成特征性的衍射峰。通过记录不同角度下的衍射强度，可绘制出衍射图谱，进而解析晶体的晶格参数、晶胞对称性、原子排列方式等关键信息。
1、X射线发生器
这是仪器的“心脏”，负责产生高能X射线。
核心组件：
X射线管(X-ray Tube):真空玻璃管，内部有阴极(Cathode)和阳极(Anode)。
阴极：通常是钨丝，通电加热后发射热电子。
阳极(靶材)：由高熔点金属制成（常用Cu、Mo、Cr、Fe、Co等）。高速电子流轰击靶材，产生X射线（特征X射线和连续谱）。
高压电源：为X射线管提供高电压（通常20-60 kV），加速电子。
灯丝电流：控制阴极加热电流，调节电子发射量。
功能：产生高强度、稳定的X射线束。通过选择不同的靶材，可以获得不同波长的特征X射线（如Cu Kα=1.5418Å），以适应不同样品的分析需求。
2、X射线光学系统(X-ray Optics)/光路系统
负责对X射线进行准直、聚焦和单色化，形成适合衍射实验的入射光束。
关键组件：
索拉狭缝(Soller Slits):一组平行金属片，限制X射线在垂直于衍射平面方向的发散角，提高角度分辨率。
发散狭缝(Divergence Slit):控制入射X射线束在水平面内的发散度。狭缝越大，光强越高，但分辨率越低。
防散射狭缝(Anti-scatter Slit):防止样品外区域的散射光进入探测器。
单色器(Monochromator):(可选，但常见)
弯晶单色器：通常位于样品和探测器之间（分析单色器），利用晶体（如石墨）的衍射作用，只允许特定波长（如Cu Kα₁）的X射线通过，滤除Kβ线和连续谱，提高数据纯度。
原级单色器：位于X射线管和样品之间，直接产生单色X射线束。
准直器(Collimator):进一步限制光束的发散。
光学组件(现代仪器)：如**Göbel Mirror(多层膜聚焦镜)**或**聚焦镜(Focusing Mirror)**，能将X射线聚焦到样品上，显著提高光强和分辨率。
3、测角仪(Goniometer)
这是仪器的“骨架”和“运动中枢”，负责精确控制样品和探测器的相对位置。
核心结构：
样品台(Sample Stage):放置样品（通常为平板状粉末压片或填充样品槽）。可绕Θ轴（水平轴）旋转。
探测器支架(Detector Arm):安装探测器，可绕2Θ轴旋转。
运动模式：
Θ-2Θ联动扫描：这是z常用的模式。样品台以角速度ω旋转，同时探测器以角速度2ω旋转。这样能始终保持入射角=衍射角=Θ，满足布拉格方程(nλ=2d sinΘ)的测量条件。
Θ扫描/2Θ扫描：用于特定实验，如织构分析。
精度要求：测角仪的机械精度高（通常优于0.0001°），确保衍射角测量的准确性。
4、探测器(Detector)
负责接收并测量衍射X射线的强度。
常见类型：
闪烁计数器(Scintillation Counter):传统常用，利用X射线激发闪烁体发光，再由光电倍增管转换为电信号。对高能X射线灵敏。
正比计数器(Proportional Counter):气体探测器，成本较低。
半导体探测器(Semiconductor Detector):如硅PIN二极管或硅漂移探测器(SDD)，能量分辨率高，响应速度快。
一维/二维位置灵敏探测器(1D/2D PSD):(现代主流)
一维探测器(如LynxEye,D/teX)：可同时接收一定角度范围内的衍射信号，大幅提高测量速度（比点探测器快数十倍）。
二维探测器(如VÅNTEC-500,Pilatus)：能记录完整的衍射环图像，适用于快速物相分析、原位实验、织构分析等。
功能：将微弱的X射线光子信号转换为可测量的电信号，并进行计数。
5、样品架/样品台
用于承载粉末样品。
常见类型：零背景样品槽(Zero-Background Holder,ZBH)（由单晶硅片制成，本身不产生衍射峰）、普通玻璃/铝制样品槽。
样品需平整、表面与样品台共面，避免“样品高度误差”引入角度偏差。
6、控制与数据处理系统
硬件：计算机、控制电路。
软件：
控制测角仪运动、X射线管参数、探测器工作。
采集衍射强度数据，生成“强度(Intensity)vs.2Θ角度”的衍射图谱(XRD Pattern)。
提供数据处理功能：平滑、去背景、寻峰、晶面间距(d值)计算、物相检索(与PDF卡片库比对)、定量分析、晶粒尺寸/微观应变计算等。
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