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中國科學院國家空間科學中心復雜航天系統電子信息技術重點實驗室李保權研究員團隊在X射線衍射儀（XRD）/X射線熒光分析儀（XRF）等行星原位分析技術方面近期取得系列進展，研制了輕小型XRD/XRF一體化原型機，相關成果發表于國際宇航領域期刊Acta Astronautica（DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2026.171391）和核儀器領域期刊Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A（DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2026.04.048）。

行星表面物質的礦物組成與元素成分是揭示行星地質演化歷史、評估資源利用潛力的關鍵科學信息。XRD可準確鑒別礦物物相與晶體結構，XRF可快速分析土壤/巖石的元素種類與豐度，二者數據融合可實現元素-物相雙向定量約束、微量物相不漏檢、數據自校驗閉環，是單一表征手段完全無法實現的多維度定量分析能力。研制輕量化、低功耗、小型化的XRD/XRF一體化分析載荷，對我國發展自主的深空探測先進載荷具有重要意義。

團隊首先在適用于XRD/XRF載荷X射線激發源方面取得突破。研制微型微焦斑X射線源采用反射式結構，并具有柵控調節能力，柵控調節電壓<200V,靶材為高純鈷靶，整機尺寸僅90 mm × 49 mm × 119 mm，工作電壓30 kV、管流170 μA，焦點尺寸可調至44.8 μm×71.0 μm，輸出X射線通量相對標準偏差僅0.113%，最小Allan偏差達0.010%。在該微型X射線源的基礎上，團隊進一步研制了完整的XRD/XRF一體化的分析原型機XRDF。該原型機采用反射幾何結構，以單一X射線源同時驅動XRD和XRF兩種分析模式，總質量僅2.85 kg。XRD衍射圖樣采用高量子效率的CCD相機，具有采譜快、角分辨率高，且具有X射線光子的能量分辨能力。子系統角分辨率達0.26°（2θ），覆蓋范圍25°–50°（2θ）；XRF子系統采用SDD探測器，選用了具有多次飛行經歷的分立元器件，X射線能量分辨率優于190 eV（@5.9 keV），能量探測范圍0.9–22 keV。單次聯合測量可在30分鐘內完成，石英樣品和玄武巖樣品的分析結果與實驗室標準衍射儀高度吻合。

圖1. 微型X射線管和一體化X射線源

圖2. XRD/XRF一體化分析儀器基本構型

圖3. XRD/XRF一體化樣機及其內部結構

圖4. 玄武巖粉末XRD衍射圖

圖5. 玄武巖粉末XRF能譜圖

上述成果突破了X射線激發源到系統整機集成驗證的完整技術鏈條。微型X射線源的高穩定性與可調焦斑設計為適應多樣化的分析場景提供了技術靈活性；輕量化XRD/XRF原型機則在質量、體積、功耗等關鍵工程指標上達到了國際同類儀器的先進水平。該成果為我國深空探測和商業化產品提供了技術儲備。該研究得到國家重點研發計劃及北京市自然科學基金的支持。

論文信息：

[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

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