主流X射线衍射仪结构与型号差异比较

引言

X射线衍射仪（XRD）是材料结构分析的核心工具，不同厂商的设备在结构设计和技术参数上各具特色。本报告将比较 Bruker、Rigaku、Malvern Panalytical（原 PANalytical）、岛津（Shimadzu）以及赛默飞世尔（Thermo Fisher Scientific）旗下主要 XRD 型号的结构组成和性能参数差异。

重点涵盖各型号的 X射线光源类型、探测器类型、光路几何、样品台结构、冷却方式，以及 角分辨率、扫描范围、光斑尺寸、功率、扫描速度 等技术指标。我们还将探讨这些结构差异对衍射数据精度、分辨率、适用样品尺寸和分析效率的影响，最后总结 XRD 仪器结构特征与衍射性能之间的物理关联，如光源稳定性和光束准直系统对谱峰清晰度的作用等。

Bruker 公司的 XRD 型号及结构特点

主要型号

典型型号包括 D8 ADVANCE 系列（实验室落地式 XRD，如 D8 Advance、D8 Discover）和桌面型的 D2 PHASER。D8 系列采用模块化设计（DAVINCI 设计），D2 PHASER 提供更紧凑的台式方案。

光源与功率

• D8 ADVANCE：通常配备封闭式陶瓷 X 射线管（长细焦斑 Cu 靶），最大功率可达 2.2 kW（典型 50 kV、40 mA），需要水冷散热 [1][2]。例如某些配置可达 3 kW，管电压 20–50 kV 可调、电流 5–60 mA [1]。
• D2 PHASER：空气冷却密封管（Cu 靶为主），功率约 300 W（例如 30 kV、10 mA）[3]；无需外接水冷与特殊电源 [4]。

探测器类型

• D8 系列：支持 0D 点探测器（NaI 闪烁计数器）、1D 线阵 PSD、2D 面阵探测器等。常见 LynxEye 线阵探测器含多达 192 个硅通道，可高速测量；还可配 Sol-X(E) Si(Li) 能量色散探测器，抑制荧光背景 [5][6]。也可选 2D 探测器（如 VÅNTEC 500 或 EIGER2 R）实现多模式检测 [7][8]。
• D2 PHASER：标配 LynxEye XE-T 一维硅条探测器，兼具能量滤波，提高数据质量 [3]。

光路设计

• D8 ADVANCE：垂直 θ-θ 对称几何（Bragg–Brentano），测角仪半径约 560 mm，角度范围约 -110°～168°（2θ） [9][10]。具备聚焦/平行光学电动切换（TWIN 光学），支持不同应用快速转换 [11][12]，并可用 DBO 动态光束优化自动调节狭缝与开窗 [13]。
• D2 PHASER：θ-θ 几何，测角仪半径约 150 mm [14]，采用 Bragg–Brentano 对称聚焦光路，配置基础狭缝与石墨单色器 [15][16]。

样品台与附件

• D8 系列：可选 15 位自动换样器、旋转样品台、毛细管透射架、高低温原位附件（室温至 1600°C 等）[2][17][18][19]；D8 Discover 可集成五轴欧拉架用于应力/纹理/薄膜等高级测量。
• D2 PHASER：以简化易用为主，标准为单样品水平样品台（可自转），可选 6 位换样器 [20][21]。

主要性能参数

• D8 ADVANCE：峰位精度 ≤ 0.01°（2θ）[22]；最小步进 0.0001°，重现性优于 ±0.0002° [10][23]；高分辨配置下 LaB_6 峰宽可达 ~0.026°（FWHM）[24][25]；配 1D/2D 探测器可大幅提升速度，最高角速度可达 15°/s（900°/min）[26][27]。
• D2 PHASER：最小步距 0.005°（2θ），测角准确度 ±0.02° [28]；高分辨模式 Si 粉末峰宽可 <0.04°（2θ）[29]；范围约 -3°～147°（2θ）[30]；最大扫描速度约 100°/min [28]。

Bruker D8 Advance vs. D2 Phaser 参数对比（表1）

小结：Bruker 的核心优势是 模块化 + 高精度。D8 通过可切换光学模块与自动准直实现“一机多用”和快速模式切换 [35][12]；D2 则强调紧凑易用，依靠 LynxEye 探测器实现接近大型机的数据质量，同时具备“即插即用”的工程优势 [4]。

Rigaku 公司的 XRD 型号及结构特点

主要型号

高端多功能 SmartLab（继任 Ultima 系列）与台式 MiniFlex（如 MiniFlex 600）。

光源与功率

• SmartLab：标配 3 kW 密封管（Cu 靶常见、水冷），20–60 kV、2–50 mA 可调 [36]；可选 PhotonMax 9 kW 旋转阳极以显著提升强度 [37][38]。
• MiniFlex 600：600 W 密封管（典型 40 kV、15 mA），风冷 [40]。

探测器

• SmartLab：标准 D/teX Ultra 250 一维硅条探测器 [37]；可选 HyPix-3000 2D 混合像素阵列探测器（HPAD）[41][38]；也兼容传统 0D 闪烁计数器用于高精度模式 [44]。
• MiniFlex 600：可选 D/teX Ultra 1D 或 NaI 闪烁计数器 [45]；新款可选 HyPix-400 MF 2D 探测器 [46][47]。

光路与几何

• SmartLab：垂直 θ/θ 闭环测角仪，支持 5 轴配置与 in-plane 等高级几何 [50][52]；采用 Cross-Beam Optics（CBO）可自动切换平行/聚焦光束 [37][51]。
• MiniFlex 600：θ/2θ 垂直测角仪，Bragg–Brentano 聚焦几何；半径约 150 mm；2θ 范围 -3°～145° [14]；提供滤波片、石墨单色器等常规配置 [15][54]。

样品台与附件

• SmartLab：自动对中 4 轴样品台，可扩展 5 轴欧拉架；可配高温/低温原位附件；支持 9 位自动换样 [58]。
• MiniFlex：以单样品为主，可选 6 位换样器 [59]。

Rigaku SmartLab vs. MiniFlex 参数对比（表2）

小结：Rigaku 的特点集中在 自动化与多功能性。SmartLab 可通过软件与光学系统实现“一键切换”不同测量模式 [65][66]；MiniFlex 则是经济型台式方案，通过 1D/2D 探测器与快扫策略获得较高效率 [67][68]。

Malvern Panalytical 公司的 XRD 型号及结构特点

主要型号

旗舰级多功能 Empyrean 与台式 Aeris（Research 等版本）。

光源与功率

• Empyrean：4 kW 级高功率发生器（最高 60 kV、100 mA）[69][70]；靶材多（Cu/Co/Cr/Fe/Mo/Ag 等）[71][72]；通常需水冷（4–6 L/min）[33]。
• Aeris：低功率密封管，常见 40 kV、15 mA（600 W）[73]；内置空气冷却 [75][76]。

探测器

• Empyrean：PIXcel 1D/3D、GaliPIX 3D、1Der 等多类型探测器 [77][81][83]。
• Aeris：常配 PIXcel 1D；可选简单 2D 成像方案 [86][89]。

光路与测角仪

• Empyrean：垂直 θ/2θ；2θ 范围 -111°～168° [24]；最小步长 0.0001°，线性误差 ≤±0.01° [24][91]；MultiCore Optics 可自动切换光学配置，PreFIX 支持预校准快速更换 [92][93]。
• Aeris：θ/θ 几何；2θ 范围约 3°～142° [101][102]；强调一体化、预校准与易操作 [98][99]。

Empyrean vs. Aeris 参数对比（表3）

小结：Empyrean 代表“模块化全能平台”，覆盖粉末、薄膜、纳米材料、大块样品等 [94][95][96]；Aeris 则强调“快检 + 易用 + 低维护”，适合教学与 QC 场景 [75][123]。

岛津（Shimadzu）公司的 XRD 型号及结构特点

主要型号

LabX 系列以 XRD-6100 与 XRD-7000 为代表。

光源与功率

• XRD-7000：支持多靶密封管，最大约 3 kW；可配置 2 kW 细焦点与 2.7 kW 宽焦点管 [140]。
• XRD-6100：通常 ≤2.2 kW 配置 [143]；两者多需外接水冷。
• 发生器稳定性：管压管流波动可控制至 ±0.01%（电源波动 ±10% 仍稳定）[144][145]。

探测器

• 标配 NaI 闪烁计数器（0D）。
• 可选 OneSight™ 1D 位置敏感探测器：1280 通道、覆盖 >10°，速度提升可达 10～25 倍 [146][147][55][56]。

光路与测角仪

• 垂直 θ/θ 对称测角仪；最小步距 0.0001°，角度重现性约 ±0.0002° [150]。
• 支持 θ-2θ 联动或独立驱动，兼顾粉末与薄膜/应力等应用 [151][152]。
• 配合 OneSight 可实现高达 1000°/min 的快速扫描 [150]。

Shimadzu XRD-6100 vs. XRD-7000 参数对比（表4）

小结：岛津 LabX 系列以“稳定性与精密度”见长 [144]，并通过细/宽焦点管与 OneSight 探测器实现强度与速度的弹性组合。

Thermo Fisher（原 Thermo ARL）公司的 XRD 型号及结构特点

代表型号

传统扫描式 ARL X’TRA 与并行采集式 ARL EQUINOX 100。

光源与功率

• ARL X’TRA：3 kW 密封管（Cu 常见，水冷）[161]。
• EQUINOX 100：低功率微焦点源（风冷，整机功耗低）[74][182]。

探测器

• X’TRA：Si(Li) 固态探测器（帕尔帖冷却），能量分辨 ~250–270 eV，可抑制荧光背景 [166][167]。
• EQUINOX 100：弯曲位置敏感探测器（CPS），覆盖约 110°（2θ）范围，同时采集全谱 [168][169]。

光路与几何

• X’TRA：水平 θ/θ 测角仪（样品垂直固定）；强调低角性能与准直光学 [158][174]。
• EQUINOX 100：固定源-固定探测器、非对称入射；无机械扫描，适合实时过程监测 [175][176][178][179]。

ARL X’TRA vs. ARL EQUINOX 100 参数对比（表5）

结构差异对 XRD 性能的影响

1）X 光管类型与强度/分辨率

• 高功率密封管（600 W～3 kW）提升强度、缩短扫描时间，但对冷却与稳压要求高 [33]。
• 旋转阳极（如 9 kW）显著提高通量，适合薄膜、弱信号与原位动态测量，但维护成本更高 [39]。
• 微焦点源以更高亮度实现台式快测，但发散角更大，需要配合光学聚焦与几何校准 [162]。

2）测角仪几何与角度精度

• 垂直 θ/θ：样品水平，利于粉末与松散样品；精密驱动可达 10^-4° 量级步进 [10][24]。
• θ/2θ 与水平测角仪：结构与装样方式不同，影响样品适配性与误差来源。
• 测角半径越大，一般几何展宽更小、分辨更高（如 D8 的大半径设计）[9][10]。

3）光学系统与谱峰清晰度

• 准直（狭缝、Soller、平行光学）降低角度不确定性 Δθ，可显著减小峰展宽，提高峰分离能力 [25]。
• 单色化（滤片/晶体单色器）去除 Kβ 与杂散辐射，提高峰型对称性与信噪比。
• 能量分辨探测器（如 Si(Li)、能量滤波型硅条）可在不显著牺牲强度的情况下降低荧光背景 [166]。

4）探测器维度与效率

• 0D 点探测：精度高但速度慢。
• 1D PSD：并行采集多个角度，速度可提升 10^2 倍量级 [48]。
• 2D 面阵：可获得二维衍射信息并实现更高效率，适合纹理、应力与动态过程研究 [43]。
• CPS 弯曲探测器：一次覆盖宽角范围，实现“全谱实时”采集（EQUINOX 路线）[169]。

5）样品台与附件对适用性的影响

• 水平样品台更适合粉末、液体及反应原位附件；多轴样品台支持应力、薄膜与纹理分析。
• 自动换样器提升通量，但对重复定位精度提出更高要求。
• 腔体开口、载重与探测空间决定大型样品与原位装置的兼容性。

XRD 结构特征与衍射性能的物理关联总结

光源稳定性与峰强精度

光源输出稳定直接决定峰强与峰位可重复性。高稳定发生器可将漂移降至极低水平（如 ±0.01% 量级），提升长时间扫描的可靠性 [144][145]。

光束准直单色与谱峰清晰度

准直与单色化降低仪器函数展宽，使峰更尖锐、邻近峰更易分离。小发散角与高效单色器可显著降低峰展宽与背景，提升精细结构解析能力 [25]。

探测器技术与分析效率

探测器从 0D→1D→2D 的演进，本质是“并行统计”能力提升：单位时间内收集到更多有效光子计数，数据质量与速度可同时改善 [48][163]。

参考文献

1. Geo SAV XRD Lab – Technical specifications of Bruker D8 Advance [1][5]
2. Bruker – D8 Advance Product Page [35][13]
3. Rigaku – SmartLab Specifications [37][38]
4. MIT.nano – Rigaku SmartLab description [39][50]
5. ISIS STFC – Rigaku MiniFlex 600 Overview [20][63]
6. Materize – MiniFlex 600 Technical Data [14][16]
7. Malvern Panalytical – Empyrean Specifications [24][25]
8. Malvern Panalytical – PIXcel1D Detector Info [120][121]
9. ORNL – Aeris XRD System Specifications [73][101]
10. AZoM – Aeris Benchtop XRD Key Features [75][103]
11. Shimadzu – XRD-7000 Brochure Excerpt [150][141]
12. Holeks – Shimadzu XRD-6100/7000 Specs [62][157]
13. Shimadzu – OneSight Detector Brochure [67][146]
14. PromArchive – Thermo ARL X’TRA Description [158][159]
15. NIH Paper – ARL X’TRA Theta-Theta Goniometer [166][167]
16. Stirling Univ. – ARL X’TRA with Solid-state detector [197]
17. Thermo – ARL Equinox 100 Brochure [162][198]
18. Thermo – ARL Equinox Features [178][179]
19. Shimadzu – Generator Stability (±0.01%) [144][145]