软边光阑消衍射

（完整版）X射线衍射试验指导书实验指导书实验⼀“衍射仪的结构、原理及物相分析”⼀.实验⽬的及要求学习了解X射线衍射仪的结构和⼯作原理；掌握X射线衍射物相定性分析的⽅法和步骤。

⼆.实验原理根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的⽅法，就是X射线物相分析法。

每⼀种结晶物质都有各⾃独特的化学组成和晶体结构。

没有任何两种物质，它们的晶胞⼤⼩、质点种类及其在晶胞中的排列⽅式是完全⼀致的。

因此，当X射线被晶体衍射时，每⼀种结晶物质都有⾃⼰独特的衍射花样，它们的特征可以⽤各个衍射晶⾯间距d和衍射线的相对强度I／I1来表征。

其中晶⾯间距d与晶胞的形状和⼤⼩有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。

所以任何⼀种结晶物质的衍射数据d和I／I1是其晶体结构的必然反映，因⽽可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。

三.实验仪器本实验使⽤的仪器是D/max 2500 X射线衍射仪(⽇本理学)。

X射线衍射仪主要由X射线发⽣器（X射线管）、测⾓仪、X射线探测器、计算机控制处理系统等组成。

图1是D/max 2500 X射线衍射仪。

图1 Rigaku D/max25001.X射线管衍射⽤X射线管实际都属于热电⼦⼆极管，有密闭式和转靶式两种。

⼴泛使⽤的是密闭式，由阴极灯丝、阳极、聚焦罩等组成，功率⼤部分在1～2.5千⽡，转靶式⼀般在10千⽡以上，其特点是阳极以极快的速度转动，使电⼦轰击⾯不断改变，即不断改变发热点，从⽽达到提⾼功率的⽬的。

本实验中使⽤的⽇本理学D/max 2500X射线衍射仪采⽤旋转靶，最⾼功率⾼达18kw。

图2是X射线管结构⽰意图。

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，转靶X射线管采⽤机械泵+分⼦泵⼆级真空泵系统保持管内真空度。

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。

贝塞尔光束传播性质的研究Study of the propagation properties ofthe Bessel beams一级学科学科专业作者姓名马秀波指导教师所在学院年月关键词：Key words:独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。

特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。

同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日第一章 绪论1.1 贝塞尔光束的研究现状Durnin 在1987年提出的所谓无衍射光束的概念，实际上就是（第一类）零阶贝塞尔光束。

Durnin 指出，在垂直于贝塞尔光束光轴的任一截面上，光强分布具有第一类零阶贝塞尔函数的形式[1]。

无衍射光束的提出迅速在光学界掀起了研究的热潮，然而后来发现，贝塞尔光束只不过是无衍射光束中一个种类，常见的无衍射光束还有Mathieu 光束[2]、airy 光束等[3]。

迄今为止，已经有大量的文献对贝塞尔光束的传输、产生及应用进行了研究。

1.1.1理想贝塞尔光束的光强分布及性质理想的零阶贝塞尔光束的光强分布在垂直于传播方向的横截面上表现为一个中心光斑和许多同心的圆环,光强由内及外递减，并且光强分布在传播方向上不发生变化。

Durnin 指出，贝塞尔光束是自由空间标量波动方程()22221,0E r t c t ⎛⎫∂∇-= ⎪∂⎝⎭ （1.1）沿z 轴传播的一组特殊解，在可以表示为： ()2001(r,t)exp[()][(cos sin )]2exp[()]E i z t i x y d i z t J πβωαϕϕϕπβωαρ=-+=-⎰ （1.2）其中，222x y ρ=+，222(/)c αβω+=，0J 表示第一类零阶贝塞尔函数，α是横向波数，β为轴向波数，ω为光的角速度。

软X射线谱学相干衍射成像技术在当前科技发展日新月异的时代，软X射线谱学相干衍射成像技术成为了一个备受关注的热门话题。

这项技术的问世，为我们提供了一种全新的观测和研究材料内部结构的手段，为材料科学和生物医学领域的研究工作带来了巨大的便利和突破。

让我们来简单了解一下软X射线谱学相干衍射成像技术的基本原理。

这项技术使用软X射线作为探测手段，通过对样品进行照射并记录其衍射图样，再通过计算和分析，可以重建出样品的内部结构和成分分布情况。

相较于传统的电子显微镜技术，软X射线谱学相干衍射成像技术具有分辨率更高、对非晶态和生物材料更适用等优势，因此备受研究者的关注。

在实际应用中，软X射线谱学相干衍射成像技术已经得到了广泛的应用。

无论是在材料科学领域，还是在生物医学领域，都能看到其身影。

在材料科学中，研究者们利用软X射线谱学相干衍射成像技术，可以更加准确地分析材料中的微观缺陷、晶体结构等信息，为新材料的开发和性能提升提供了有力支持。

而在生物医学领域，这项技术的应用则可以帮助科研人员更加全面地了解细胞结构、病毒颗粒等微观结构，为疾病的诊断和治疗研究提供了重要的数据支持。

软X射线谱学相干衍射成像技术的问世，为我们打开了一个全新的科学研究领域。

其高分辨率、全息成像的特点，使得我们能够更加全面、深入地了解材料和生物体内部的微观结构。

在未来，相信这项技术将会在更多领域发挥重要作用，并为人类的科学探索和技术创新带来更多的惊喜。

软X射线谱学相干衍射成像技术作为一种先进的成像技术，正在逐渐走向成熟并在各个领域得到广泛应用。

它的原理是利用软X射线的衍射现象来还原材料或生物体内部的微观结构和成分分布情况，具有高分辨率、对非晶态和生物材料更适用等优势。

这使得它在材料科学、生物医学等领域大放异彩。

在材料科学领域，软X射线谱学相干衍射成像技术为研究员们提供了更强大的分析工具。

通过该技术，可以更加准确地分析材料中的微观缺陷、晶体结构等信息，为新材料的开发和性能提升提供了有力的支持。

贝塞尔-高斯光束通过圆孔与圆环光阑的衍射屈军;孟凯;汪六三;丁培宏;崔执凤【摘要】为了研究贝塞尔-高斯光束通过圆孔硬边光阑和圆环光阑的衍射特性,从Collins公式出发,采用数值模拟的方法模拟出光强分布.模拟结果表明,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后轴上光强随菲涅耳数F呈周期振荡;贝塞尔-高斯光束经圆环光阑后轴上光强随F呈振动衰减.在F相同时,贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑衍射后横向光强分布比经圆环光阑衍射后横向光强分布平滑,孔径越小,光强调制越明显;当孔径与束腰相等时候,横向光强分布与菲涅耳数没有关系.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)004【总页数】3页(P393-395)【关键词】激光光学;贝塞尔高斯光束;衍射;圆孔光阑;圆环光阑【作者】屈军;孟凯;汪六三;丁培宏;崔执凤【作者单位】安徽师范大学,物理与电子信息学院,芜湖,241008;安徽师范大学,物理与电子信息学院,芜湖,241008;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,合肥,230031;安徽师范大学,物理与电子信息学院,芜湖,241008;安徽师范大学,物理与电子信息学院,芜湖,241008【正文语种】中文【中图分类】O435引言贝塞尔-高斯光束是一种有应用前景的光束，它在一定条件下呈现“无衍射”特性，对这种光束的研究引起人们的极大关注[1-10]。

LIU等人对贝塞尔光束及贝塞尔-高斯光束的传输和聚焦特性已做了详细的计算分析和实验研究进行了比较[5]；PAMELA,OVERFELT等人对贝塞尔-高斯光束经不同几何构形光阑的衍射作了比较研究[6-7]；JIANG等人计算了加光阑贝塞尔光束的空间频谱[8]。

作者就贝塞尔-高斯光束经圆孔光阑和圆环光阑衍射后光强分布随菲涅耳数F的变化作了研究，并对F相同时的横向光强分布，以及当孔径与束腰相等时的横向光强分布与菲涅耳数的关系作了比较，对进一步研究贝塞尔-高斯光束有理论和现实意义。

材料分析方法X 射线的本质是一种横电磁波,具有波粒二象性，伦琴首先发现了X 射线，劳厄揭示了X 射线的本质。

X射线的波长范围在0.001—10nm,用于衍射分析的X射线波长范围0.05—0。

25nm。

X 射线的产生通常获得X射线的方法是利用一种类似热阴极二极管的装置，用一定材料制作的板状阳极板和阴极密封在一个玻璃—金属管内，阴极通电加热，在阳极和阴极间加一直流高压U,则阴极产生的大量热电子e将在高压场作用下飞向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产生X射线。

连续X射线谱：由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长,形成连续X射线谱。

特征X射线谱：当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值时，在连续谱的某些特定的波长位置，会出现一系列强度很高，波长范围很窄的线状光谱,这就是特征X射线谱.光电效应：入射光子被原子吸收后,获得能量的电子从内层溢出,成为自由电子，这种原子被入射辐射点离的现象即光电效应.俄歇效应：一个k层空位被两个L层空位代替的过程的现象就是俄歇效应。

靶材和滤波片的选择原则分别从吸收限波长和原子序数两个方面表达滤波片和靶材的选择规程（表达式）滤波片的选择：λKβ（光源)〈λK(滤波片) 〈λKα(光源)αZ靶〈= 40时，Z滤= Z靶–1Z靶> 40时，Z滤= Z靶–2阳极靶材的选择：λKα(光源）〉λK(样品)Z靶〈= Z样品Z靶<= Z样品+ 1相干散射：X射线穿过物质发生散射时，散射波长与原波长相同，有可能相互干涉，这是。

非相干散射：X射线穿过物质发生散射时,能量发生损失，波长发生变化,散射波长与原波长不相同，这就是非相干散射。

等效干涉面:晶面（hkl）的n级反射面（nh nk nl），用符号（HKL）表示，成为反射面或干涉面。

空间点阵：倒易点阵：单晶、多晶、非晶的X射线仪衍射花样及形成原理答：（1）单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征因电子衍射的衍射角很小,故只有O*附近落在厄瓦尔德球面上的那些倒易结点所代表的晶面组满足布拉格条件而产生衍射束，产生衍射的厄瓦尔德球面可近似看成一平面.电子衍射花样即为零层倒易面中满足衍射条件的那些倒易阵点的放大像。

第一章1、电子波有何特征？与可见光有何异同？答：·电子波特征：电子波属于物质波。

电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，=h mv若电子速度较低，则它的质量和静止质量相似；若电子速度具有极高，则必须经过相对论校正。

·电子波和光波异同：不同：不能通过玻璃透镜会聚成像。

但是轴对称的非均匀电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的。

电子波的波长较短，其波长取决于电子运动的速度和质量，电子波的波长要比可见光小5个数量级。

另外，可见光为电磁波。

相同：电子波与可见光都具有波粒二象性。

补充：光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长。

2、分析电磁透镜对电子波的聚焦原理，说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。

聚焦原理：电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。

在一个电磁线圈中，当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，最后会聚在轴线上的一点。

电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。

右图短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理：结构的影响：1）增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内；2）电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的壳子里，此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。

狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射能力越大。

3）改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距3、电磁透镜的像差是怎样产生的，如何消除和减少像差？像差有几何像差（球差、像散等）和色差球差是由于电磁透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的；为了减少由于球差的存在而引起的散焦斑，可以通过减小球差系数和缩小成像时的孔径半角来实现像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起的；透镜磁场不对称，可能是由于极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的材料材质不均匀以及极靴孔周围局部污染等原因导致的。

X射线衍射仪(XRD)相关参数·步进扫描试样每转动一步（固定的）就停下来，测量记录系统开始测量该位置上的衍射强度。

强度的测量Δθ也有两种方式：定时计数方式和定数计时方式。

然后试样再转过一步，再进行强度测量。

如此一步步进行下去，完成指定角度范围内衍射图的扫描。

用记录仪记录衍射图时，采用步进扫描方式的优点是不受计数率表RC的影响，没有滞后及RC的平滑效应，分辨率不受RC影响；尤其它在衍射线强度极弱或背底很高时特别有用，在两者共存时更是如此。

因为采用步进扫描时，可以在每个角θ处作较长时间的计数测量，以得到较大的每步总计数，从而可减小计数统计起伏的影响。

步进扫描一般耗费时间较多，因而须认真考虑其参数。

选择步进宽度时需考虑两个因素：一是所用接收狭缝宽度，步进宽度至少不应大于狭缝宽度所对应的角度；二是所测衍射线线形的尖锐程度，步进宽度过大则会降低分辨率甚至掩盖衍射线剖面的细节。

为此，步进宽度不应大于最尖锐峰的半高度宽的1/2。

但是，也不宜使步进宽度过小。

步进时间即每步停留的测量时间，若长一些，可减小计数统计误差，提高准确度与灵敏度，但将损失工作效率。

·定速连续扫描试样和接收狭缝以角速度比1:2的关系匀速转动。

在转动过程中，检测器连续地测量X射线的散射强度，各晶面的衍射线依次被接收。

计算机控制的衍射仪多数采用步进电机来驱动测角仪转动，因此实际上转动并不是严格连续的，而是一步一步地（每步0.0025°）跳跃式转动，在转动速度较慢时尤为明显。

但是检测器及测量系统是连续工作的。

连续扫描的优点是工作效率较高。

例如以2每θ分钟转动4°的速度扫描，扫描范围从20～80°的衍射图15分钟即可完成，而且也有不错的分辨率、灵敏度和精确度，因而对大量的日常工作（一般是物相鉴定工作）是非常合适的。

但在使用长图记录仪记录时，记录图会受到计数率表RC的影响，须适当地选择时间常数。

·脉冲计数率在衍射仪方法中，X射线的强度用脉冲计数率表示，单位为每秒脉冲数（cps）。