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X射线衍射技术在聚合物结构检测中的应用

摘要：X射线衍射法是研究聚合物结构的主要手段之一。本文首先介绍了X射

线衍射仪和X射线的产生过程。当在真空管中的两极之间加上高电压时，阳极

靶材中的内层电子发生跃迁从而产生X射线。介绍了X射线衍射产生的基本原

理和X射线衍射的实验方法，论述了X射线衍射技术在聚合物定性检测方面的

应用。

关键词：X射线；衍射；聚合物；结晶性

1.引言

X射线的衍射现象起因于相干散射线的干涉作用。当一束X射线照射到晶

体上时，出于晶体是由原子有规则排列成的晶胞所组成，而这些有规则排列的原

子间距离与入射X射线波长具有相同数量级，故由不同原子散射的X射线会相

互干涉叠加，在某些特殊方向上产生强的X射线衍射。衍射方向与晶胞形状及

大小有关，衍射强度则与晶胞方式有关。由此可以通过衍射现象来分析晶体内部

结构的诸多问题。另外，X射线衍射对于液体和非晶态固体也能提供许多重要数

据。可以说X射线衍射是探索物质微观结构及结构缺陷等问题的有力工具。

自1912年德国物理学家劳厄从理论上预测并用实验证实了X射线射到晶

上能发生衍射现象，并推导出劳厄衍射方程以来，X射线衍射技术发展很快。1923

年赫维西提出了应用X射线荧光光谱进行元素的定量分析，但由于受到当时检

测技术水平的限制，该法并末得到实际应用，直到20世纪40年代后期，随着X

射线管和分光技术的改进，X射线荧光分析才开始进入蓬勃发展的时期，成为一

种极为重要的分析手段。目前X射线衍射、X射线荧光技术已广泛应用于化学、

材料科学、矿物学、生物学等各个领域，也可以作为当前高分子材料剖析中基本

和重要的测试技术。

2.X射线衍射原理

2.1X射线衍射仪器结构

传统的衍射仪由X射线发生器、测角仪、检测器、记录仪等几部分组成。图

1是目前常用的热电子密封式X射线管的示意图。阴极由钨丝绕成螺线形，工作

时通电至白热状态。由于阴阳极间有几十千伏的电压，故热电子以高速撞击阳极

靶面。为防止灯丝氧化并保证电子流稳定，管内抽成高真空。为使电子束集中，

在灯丝外设有聚焦罩。阳极靶由熔点高、导热性好的铜制成，靶面上镀一层纯金

属。当高速运动的电子与阳极靶面撞击时，发生能量转换，电子的运动受阻失去

动能，其中约有99%将转变为热。一小部分（1%左右）能量转变为X射线的能

量，也就是说有部分动能转化为X射线。因此要求阳极靶材料导热良好，同时

必须通入足够量的冷却水及时将阳极靶的热量带走。为增加X射线的能量，近

年来出现了旋转靶X射线衍射仪，通过阳极靶面的旋转来释放热能，提高靶的X

射线发射功率。为了操作者的安全，应使X射线管的阳极接地，而阴极则由高

压电缆加上负高压。

X射线管有相当厚的金属管套，使X射线只能从窗口射出。窗口由吸收系数

较低的Be片制成。结构分析用X射线管通常有四个对称的窗口，靶面上被电子

撞击的范围称为焦点，它是发射X射线的源泉。用螺线形灯丝时，焦点的形状

为长方形(面积常为1mm×10mm)，此称为实际焦点。窗口位置的设计使得射出

的X射线与靶面成6°角（图2），从长方形的短边上的窗口所看到的焦点为1mm2

正方形，称点焦点，在长边方向看则得到线焦点。一般的照相多采用点焦点，而

线焦点则多用在衍射仪上。X射线管效率可表示为

E1.1109ZV（1）

式中：E为X射线产生的效率，Z为阳极物质的原子序数，V为X射线管操作

电压。

图1热电子密封式X射线管的示意图图2在与靶面成6°角的方向上接收X

射线束的示意图

2.2X射线衍射产生的基本原理

X射线是一种电磁辐射，其波长介于紫外线和γ射线之间。它的波长没有一

个严格的界限，一般来说是指波长为0.001~50nm范围的电磁辐射。在聚合物X

射线衍射方法中所使用的X射线波长范围通常是0.05~0.25nm，因为这个波长

与高聚物微晶单胞长度0.22nm大致相当。

X射线的产生可以有多种方式。常规X射线仪器所配备的X射线发生器，

都是通过高速电子流轰击阳极靶的方式获得X射线。X射线可分为两种：一种

是具有连续变化波长的X