说明：本文华算科技主要介绍同步辐射 XRD 和普通 XRD 的信号来源、实验条件、数据形态、适用样品和选择依据。

一、同步辐射XRD和普通XRD是什么？

普通 XRD 和同步辐射 XRD 都依靠 Bragg 衍射关系：晶面间距 d、入射波长 λ 和衍射角 θ 满足 nλ = 2d sinθ。样品中存在周期排列的晶面时，不同晶面族会在特定角度产生衍射峰；峰位对应晶面间距，峰强与结构因子、含量、织构和吸收有关，峰宽受晶粒尺寸、微应变和仪器展宽影响。

图1. 实验室 X 射线源、准直系统、编码孔径、样品位移平台和探测器组成的 XRD 成像系统。DOI：10.1038/s41598-021-90163-0

普通 XRD 通常指实验室衍射仪，光源来自封闭管、旋转阳极或微焦点 X 射线源，常见靶材包括 Cu、Mo、Co 等。Cu Kα 的波长约为 1.5406 Å，仪器通过单色化、准直、狭缝和探测器扫描得到一维衍射谱。它的优势是可及性高、测试成本低、样品周转快，适合日常物相识别、晶格参数比较和批量样品筛选。它可以把同一批样品固定在相同几何、狭缝和扫描程序中比较，便于建立后续高亮度实验的基线。

同步辐射 XRD 使用储存环中高速电子发出的强 X 射线。经过单色器、聚焦镜、狭缝和样品环境装置后，入射束具有 高亮度、低发散角、可调能量和小束斑 等特点。普通 XRD 给出的是“样品平均后的常规衍射信息”，同步辐射 XRD 则常把同一类衍射信号放进微区、原位、时间分辨或高能穿透实验中。

图2. 实验室 XRD 系统采集的德拜环、编码孔径散射图样以及与商业衍射仪获得的一维 XRD 谱对比。DOI：10.1038/s41598-021-90163-0

二者的谱图语言仍然相通。普通 XRD 中的 2θ 峰，在同步辐射实验里常转换成散射矢量 q = 4πsinθ/λ；一维曲线可来自二维探测器积分，二维环、弧线和斑点还能保留取向、织构和局部颗粒统计信息。同一个晶面周期不会因为光源改变而换成另一种物理量，改变的是信噪比、时间窗口、空间分辨和可承载的样品环境。

同一材料在两种平台上的峰位和峰强还会受到实验几何影响。比较数据时，波长、样品厚度、吸收校正和探测器积分方式 都会改变峰形外观。普通 XRD 的角度轴和同步辐射 XRD 的 q 轴可以换算，但样品制备和数据归一化仍要保持可比。

因此，比较同步辐射 XRD 和普通 XRD 时，应关注 同一衍射原理在两类实验平台上能达到怎样的分辨率、灵敏度和工作状态覆盖。常规样品先用普通 XRD 建立物相和峰形基线，复杂样品再用同步辐射 XRD 捕捉弱峰、快速相变、局部梯度或工作条件下的结构演化。

二、光源差异怎样改变XRD数据质量？

普通 XRD 的入射强度适合毫克到克级粉末、块体表面和薄膜样品。若目标相含量很低、晶粒很小、样品量很少，弱峰会被背景、荧光或仪器噪声覆盖。同步辐射束流的光子通量高，短时间内能积累足够计数，低含量相、薄层相、瞬态相和小体积样品 的衍射峰能获得更高统计质量。因此，曝光时间不能只按仪器习惯设定，还要考虑目标峰的计数需求。

图3. 原位同步辐射扫描 XRD 与同步辐射 X 射线断层显微联用的电池实验装置和电化学测试时间点。DOI：10.1038/srep27994

高通量还改变采样方式。原位电池、催化反应池、拉伸台和高温炉都会削弱信号，并引入窗口材料、气氛、电解液或样品架背景。同步辐射 XRD 可以在 秒级甚至亚秒级曝光 内获得可积分的衍射数据，适合记录相变、晶格膨胀、应力释放和中间相生成的先后顺序。动态过程由此减少长采集时间造成的平均效应。

普通 XRD 的波长常由靶材决定，能量选择范围有限。同步辐射束线可在较宽能量范围内选择波长，高能 X 射线能增加穿透深度，短波长还能把高 q 区间纳入测量。对于峰位很接近的相、低对称结构、微小晶格畸变和温度诱导相变，低发散角与高角分辨率 会显著提高峰分裂和肩峰识别能力。峰位拟合还依赖标准样品校准和仪器函数记录。

图4. 高分辨同步辐射粉末 XRD 的 Rietveld 精修、不同温度下的峰分裂比较和晶胞参数演化。DOI：10.1038/s41467-019-13450-5

峰分辨能力提升后，数据解释也要更精细。普通 XRD 看不到的肩峰，在同步辐射谱中可能变成可拟合的双峰；普通 XRD 中被合并的相比例差异，在高分辨谱中可能对应少量第二相或对称性降低。同步辐射 XRD 的优势包括 峰形、峰位和背景能被更严格地约束。这一点会影响后续精修、相含量计算和对称性判断。

高分辨谱图也需要实验条件支撑。峰位微小移动通常要同时记录 标准样品、仪器函数和探测器几何，并把样品高度、温度稳定性和吸收差异纳入误差来源。否则弱峰和肩峰可能来自实验条件，而非真实相变。

能量可调还会改变背景质量。含 Fe、Co、Ni、Mn 等元素的样品使用 Cu 靶普通 XRD 时，荧光背景可能抬高基线；同步辐射束线可通过选择入射能量 避开强荧光区间，让弱峰和宽峰更容易从背景中分离。高能 X 射线还能穿透较厚样品和原位反应池，减少表面信号对整体判断的偏置。

三、同步辐射XRD为什么适合原位和微区研究？

原位实验的关键是同一位置、同一样品在工作条件下连续采样。普通 XRD 也能配置原位附件，但受光强和探测效率限制，一个谱图常需较长采集时间。同步辐射 XRD 可把时间、深度或二维位置写进同一批数据中，形成 I(q, t)、I(q, z) 或 I(q, x, z) 这类数据阵列。这种数组结构便于把衍射信号同电压、电流、温度和气氛同步记录。

图5. 同步辐射扫描 XRD 的二维粉末衍射图样、不同电极深度的一维衍射谱和相分布提取流程。DOI：10.1038/srep27994

这类数据能区分“同一时刻不同位置不一样”和“同一位置随时间改变”。在电池电极中，靠近隔膜的区域可能先出现新相，靠近集流体的区域仍保留原相；在催化剂中，表面工作态和体相晶格也可能不同步。同步辐射 XRD 的局部采样能把 相分数、峰位和峰面积 同时间、电位、温度或气氛对应起来。相变顺序因此可由多维衍射数据直接约束。

图6. 硅电极中晶态 Si、Li₁₅Si₄ 和非晶相的同步辐射扫描 XRD 时间-深度分布。DOI：10.1038/srep27994

当相变伴随非晶中间体时，常规衍射峰会暂时变弱或消失。同步辐射 XRD 记录峰面积随深度和时间的变化，可把晶态 Si 的消耗、Li₁₅Si₄ 的生成和非晶 Li_xSi_y 的分布分开处理。此时峰面积可追踪 局部相分数和反应前沿位置，含义超出简单的强弱比较。相变路径由此从平均谱扩展到空间分布。

普通 XRD 的束斑常覆盖毫米级区域，得到的是较大体积或表面的平均结构。同步辐射微束 XRD 可以把束斑缩小到微米尺度，并在样品上扫描。扫描后形成一组带空间坐标的衍射谱，可显示 不同组分、不同晶面取向和不同局部晶格参数 的分布。平均谱中被混合的差异由此分配到具体坐标。

图7. 原位二维微区 XRD 实验示意、积分衍射谱以及 LiCoO₂、Li、Ti、Au 和 parylene 等组件的选择性衍射强度映射。DOI：10.1038/s41467-025-66306-6

微区同步辐射 XRD 对薄膜、电池截面、焊点、矿物夹杂、涂层和多相复合材料很有价值。多相材料的总体谱可能只显示主相峰，微区图谱却能定位少量相或局部取向。对于普通 XRD 难以处理的非均一样品，空间分辨衍射能把 局部结构变化和宏观性能差异 对应到具体区域。它特别适合回答结构差异发生在样品的哪个位置。

四、同一个样品怎样选择两种XRD？

样品量充足、晶相差异明显、结构变化幅度较大时，普通 XRD 通常已经足够。粉末材料的主相鉴定、退火前后峰位比较、结晶度趋势、晶粒尺寸估算、批量样品筛选和常规 Rietveld 精修，都可以先在实验室衍射仪上完成。普通 XRD 的数据积累成本低，同一批样品可在相同仪器几何下反复比较，可比性和复测便利性 是它的重要优势。日常研究中，这类基线数据常决定是否需要进一步申请束线实验。

普通 XRD 的适用范围也有限：弱相低于检出水平时，峰可能埋在背景里；纳米晶、非晶和高度缺陷材料会产生宽峰；厚样品、粗糙表面和强织构会改变峰强；固定波长还可能引入荧光背景或吸收差异。遇到此类样品，峰位、峰强和半峰宽的解释应保持在 长程平均晶体结构 范围内，避免把 XRD 写成局域配位或表面价态证据。表面价态、近邻配位和短程无序通常需要 XPS、XAS、EXAFS 或 PDF 互证。

同步辐射 XRD 常用于三类场景。第一类是 信号弱：低含量第二相、超薄膜、小晶粒、微量样品和强背景原位池。第二类是 变化快：充放电、结晶、相变、反应诱导重构和应力松弛。第三类是 空间不均一：电极截面、涂层梯度、焊接界面、多晶织构和单颗粒反应。这类问题要求实验平台在时间、空间或能量上提供额外选择，普通一维谱图通常只能给出平均结果。

图8. 二维探测器上的 LiCoO₂ 衍射斑点、方位角-q 空间转换和晶体取向映射。DOI：10.1038/s41467-025-66306-6

二维探测器让同步辐射 XRD 保留取向信息。连续环通常接近随机粉末，多斑点或弧线对应颗粒取向、织构或少数晶粒贡献；把方位角和 q 坐标分开处理后，同一晶面既可给出晶格参数，也可给出取向分布。普通粉末 XRD 的一维积分曲线会压缩取向与局部晶格差异，因此薄膜取向、电极颗粒方向性和局部织构更适合同步辐射二维衍射。

选择实验平台时，可以先把问题拆成平均结构、局部结构和动态结构三类。若目标是 平均相含量和晶格参数，普通 XRD 往往效率更高；若目标是单颗粒、界面、反应前沿或毫秒级过程，同步辐射 XRD 才能提供足够的空间或时间采样密度。这样分流能减少不必要的束线测试，也能避免把普通谱图解释到超出其信息范围。

实际研究中可按样品和问题分流：常规粉末、主相识别和批量对比先做普通 XRD；少量相、微区差异、工作态结构和快速过程再申请同步辐射 XRD。两类数据共同使用时，普通 XRD 提供基线物相和重复性，同步辐射 XRD 提供 高信噪、可调能量、微束扫描、二维探测和原位时间轴。峰位偏移仍对应晶面间距变化，峰强仍受相含量、织构和结构因子影响，峰宽仍要区分尺寸、应变和仪器贡献；实验平台改变的是这些信号被捕捉和分辨的能力。