Ein Röntgendifferator (XRD) basiert auf dem Prager Diffraktionsprinzip und zeigt die Kristallstruktur, die Phasenzusammensetzung und den Spannungszustand einer Substanz durch die Messung der Diffraktionssignale von Röntgenstrahlen in einem Kristall. Sein Kernprinzip kann in folgende Teile aufgeteilt werden:

Röntgenerzeugung: Energieumwandlung von Hochgeschwindigkeits-Elektronenschlagszielen

XRD verwendet Röntgenröhre als Lichtquelle, deren Katode einen Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrom emittiert, der mit Zehntausenden von Volt-Hochspannungsfeldbeschleunigung auf Anodenziele (wie Cu-Ziele) trifft. Die Elektronen interagieren mit den inneren Elektronen des Zielatoms, so dass die inneren Elektronen angeregt werden und die äußeren Elektronen Röntgenstrahlen mit bestimmten Wellenlängen freisetzen, wenn sie die Leere füllen. Zum Beispiel erzeugt das Cu-Ziel eine Kα-Wellenlänge von 0,154 nm, die für die meisten Kristallstrukturanalysen geeignet ist.

Kristalldiffraktion: Interferenzeffekt der Atomzyklusordnung

Wenn einfarbige Röntgenstrahlen auf den Kristall gelangen, werden die regelmäßig angeordneten Atome im Kristall zur Streuungsquelle. Jedes Atom streut die gleiche Röntgenwellenlänge wie die Eingangswelle, aber die Phasen variieren je nach Position des Atoms. Aufgrund der Periodizität der Kristallstruktur greifen die Streuwellen in einer bestimmten Richtung (die Prager Gleichung erfüllt) in Phasenlängen ein und bilden Diffraktionsspitzen. Die Prager Gleichung 2dsinθ = nλ ist die Grundlage der Kerntheorie, wobei d für den Kristallabstand, θ für den Eintrittswinkel, n für die Diffraktionsstufe und λ für die Röntgenwellenlänge steht.

Signalerkennung und -verarbeitung: Von Diffraktionsspitzen bis hin zu Strukturinformationen

Die diffraktiven Röntgenstrahlen werden durch ein Angulometer (Kernbau) genau angepasst und vom Detektor empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das System erfasst Diffraktionswinkel (2θ) und Intensitätsdaten und erzeugt Diffraktionsdiagramme. Durch die Analyse der Lage, der Stärke und der Form der Diffraktionsspitzen im Diagramm können die Kristallstruktur (z. B. das Kristallsystem, die Parameter der Kristallzellen), die Phasenzusammensetzung (im Vergleich zu einer Standard-PDF-Karte) und die Restspannung (Spitzenverschiebsanalyse) bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Kristallität des Materials durch das Intensitätsverhältnis von Spitzen und Hintergrundgeräuschen bewertet werden.