空间中心科研人员在X射线衍射仪（XRD）/X射线荧光分析仪（XRF）等行星原位分析技术方面取得系列进展

中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室李保权研究员团队在X射线衍射仪（XRD）/X射线荧光分析仪（XRF）等行星原位分析技术方面近期取得系列进展，研制了轻小型XRD/XRF一体化原型机，相关成果发表于国际宇航领域期刊Acta Astronautica（DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2026.171391）和核仪器领域期刊Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A（DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2026.04.048）。

行星表面物质的矿物组成与元素成分是揭示行星地质演化历史、评估资源利用潜力的关键科学信息。XRD可准确鉴别矿物物相与晶体结构，XRF可快速分析土壤/岩石的元素种类与丰度，二者数据融合可实现元素-物相双向定量约束、微量物相不漏检、数据自校验闭环，是单一表征手段完全无法实现的多维度定量分析能力。研制轻量化、低功耗、小型化的XRD/XRF一体化分析载荷，对我国发展自主的深空探测先进载荷具有重要意义。

团队首先在适用于XRD/XRF载荷X射线激发源方面取得突破。研制微型微焦斑X射线源采用反射式结构，并具有栅控调节能力，栅控调节电压<200V,靶材为高纯钴靶，整机尺寸仅90 mm × 49 mm × 119 mm，工作电压30 kV、管流170 μA，焦点尺寸可调至44.8 μm×71.0 μm，输出X射线通量相对标准偏差仅0.113%，最小Allan偏差达0.010%。在该微型X射线源的基础上，团队进一步研制了完整的XRD/XRF一体化的分析原型机XRDF。该原型机采用反射几何结构，以单一X射线源同时驱动XRD和XRF两种分析模式，总质量仅2.85 kg。XRD衍射图样采用高量子效率的CCD相机，具有采谱快、角分辨率高，且具有X射线光子的能量分辨能力。子系统角分辨率达0.26°（2θ），覆盖范围25°–50°（2θ）；XRF子系统采用SDD探测器，选用了具有多次飞行经历的分立元器件，X射线能量分辨率优于190 eV（@5.9 keV），能量探测范围0.9–22 keV。单次联合测量可在30分钟内完成，石英样品和玄武岩样品的分析结果与实验室标准衍射仪高度吻合。

上述成果突破了X射线激发源到系统整机集成验证的完整技术链条。微型X射线源的高稳定性与可调焦斑设计为适应多样化的分析场景提供了技术灵活性；轻量化XRD/XRF原型机则在质量、体积、功耗等关键工程指标上达到了国际同类仪器的先进水平。该成果为我国深空探测和商业化产品提供了技术储备。该研究得到国家重点研发计划及北京市自然科学基金的支持。

图1. 微型X射线管和一体化X射线源

图2. XRD/XRF一体化分析仪器基本构型

图3. XRD/XRF一体化样机及其内部结构

图4. 玄武岩粉末XRD衍射图

图5. 玄武岩粉末XRF能谱图

相关论文信息：

[1] Cao Y, Sang P, Liu Y N, Ma W B, Wang H, Liu W B, Li B Q. Development of an integrated miniature microfocus X-ray source for planetary in-situ XRD/XRF analysis. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2026, 1087: 171391. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2026.171391

[2] Cao Y, Liu Y N, Sang P, Feng P Y, Wang C, Wang H, Liu W B, Li B Q. Design and characterization of a lightweight XRD/XRF prototype for planetary exploration. Acta Astronautica, 2026, 246: 584–591. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2026.04.048

（供稿：系统室）