原位XPS與XRD表征專用氙燈光源：高壓短弧球形氙燈技術解析

一、原位XPS、XRD的核心光源類型

1. 傳統實驗室光源

• XPS標配光源：Al/Mg靶X射線源，常用AlKα射線（1486.6eV）或MgKα射線（1253.6eV），用于激發樣品表面光電子，分析元素化學態。
• XRD標配光源：Cu靶X射線源，發射特征波長為1.5418?的X射線，滿足常規晶體結構表征需求。

2. 高端原位表征光源

• 同步輻射光源：具有超高亮度、寬光譜連續可調、高準直性等特點，可實現原子級時空分辨的原位表征，適合研究動態過程（如電池充放電、催化反應）。
• 光纖耦合氙燈光源：覆蓋200nm-2500nm全波段，可模擬太陽光，通過光纖導入真空樣品腔，實現原位光照下的XPS/XRD測試。

原位表征XPS、XRD專用的氙燈光源，其核心發光單元為高壓短弧球形氙燈，以下是詳細解析：

二、核心光源類型：高壓短弧球形氙燈

這類氙燈是通過高頻高壓激發氙氣形成弧光放電的點光源，在原位表征中被廣泛應用，原因如下：

1. 連續寬光譜輸出

·         可覆蓋紫外（UV，200nm）、可見光（Vis，400-700nm）至近紅外（IR，2500nm）的全波段范圍，與太陽光譜高度匹配，通過搭配濾光片（如AM1.5G）可精準模擬太陽光，滿足不同材料在真實光照環境下的原位表征需求。

1. 高能量密度與穩定性
• 發光點極小（僅幾毫米），能通過聚光鏡或光纖實現高準直、高能量的光束輸出，確保原位測試時光照強度穩定且集中，避免因光強波動影響表征結果的準確性。
2. 適配原位測試的特殊設計
• 通常集成光纖耦合功能，可將光引導至狹小的真空樣品室或反應腔體中，例如通過石英光纖將氙燈光源引入XPS的樣品分析腔，實現常壓或真空環境下的光催化原位表征。

三、      原位表征中的具體應用形式

3.1XPS原位光照測試

• 采用光纖導入式氙燈光源系統，將光信號通過石英光纖傳輸至XPS樣品室，在保持超高真空環境的同時，對樣品進行實時光照，動態監測材料表面元素化學態隨光照時間的變化。
• 部分高端NAP-XPS（近常壓XPS）設備可直接集成氙燈光源模塊，結合氣體環境調控（如O?、CO?氛圍）與加熱系統，實現多條件耦合的原位表征。

3.2原位XPS結合氙燈光源的表征內容

XPS（X射線光電子能譜）本身聚焦表面元素的化學態與組成，搭配氙燈光源后，可實現光照過程中表面動態變化的原位監測：

• 表面元素價態演變：比如光催化反應中，金屬離子（如Ti??/Ti3?、Fe3?/Fe2?）的價態變化，反映光生載流子的轉移路徑
• 表面化學組成變化：監測光照過程中表面吸附物種（如O??·、OH·自由基）、中間產物（如CO?2?、HCOO?）的生成與消失
• 界面相互作用：比如異質結光催化劑中，兩相界面的電荷轉移導致的元素結合能偏移
• 表面缺陷演化：光照誘導的空位（如氧空位、硫空位）濃度變化對表面化學態的影響

3.3XRD原位光催化測試

• 氙燈光源搭配平行光透鏡組，提供均勻的大面積光照，確保XRD樣品臺表面的材料受光一致，實時追蹤晶體結構在光催化反應過程中的相變或晶格參數變化。

3.4原位XRD結合氙燈光源的表征內容

XRD（X射線衍射）聚焦晶體結構，搭配氙燈光源后，可實時追蹤光照下的晶體結構動態變化：

• 晶體相變：比如鈣鈦礦材料在光照下從四方相到立方相的轉變，或金屬氧化物的還原/氧化相變
• 晶格參數變化：光照引起的晶格膨脹/收縮，反映應力、缺陷對晶體結構的影響
• 結晶度變化：光催化過程中，催化劑的結晶度下降或升高，對應催化劑的穩定性或活性變化
• 物相生成與消失：原位監測光照誘導的新物相（如中間產物、分解產物）的出現與消失

四、關鍵技術參數與配置選擇

參數類型	核心指標
光譜范圍	200-2500nm（全波段），可通過濾光片篩選特定波段（如UV300-400nm、Vis400-700nm）
光強調節范圍	800-20000 W/m2，支持連續可調以匹配不同材料的光響應閾值
輸出模式	點光源（光纖耦合）、平行光（透鏡聚焦）、均勻面光源（積分球擴散）
散熱系統	高效風冷或水冷設計，確保長時間連續輻照（≥1000小時）的穩定性

五、典型應用場景

• 光催化材料：分解水、CO?還原、污染物降解過程中的表面化學態與晶體結構動態演變
• 光伏材料：鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化太陽能電池在光照下的界面降解機制
• 光電催化材料：光電分解水過程中，電極表面的元素價態與晶體結構變化

1. 原位XPS應用場景

• 催化領域：實時監測催化劑表面元素化學態變化，揭示催化反應機理。
• 能源領域：研究電池電極材料在充放電過程中的表面結構演變。
• 材料科學：表征薄膜生長過程中的元素價態變化，優化制備工藝。

2. 原位XRD應用場景

• 能源領域：研究電池電極材料在充放電過程中的晶體結構相變，優化電池性能。
• 材料科學：監測金屬、陶瓷等材料在高溫、高壓下的結構變化，揭示相變機理。
• 催化領域：分析催化劑在反應過程中的晶體結構演變，指導催化劑設計。
• 地質學：模擬地質過程，研究礦物在高溫高壓下的結構變化。

六、HSX系列光纖氙燈適配原位XPS/XRD表征的核心依據

1. 光譜覆蓋與光源特性匹配原位測試需求

• 寬光譜范圍：HSX-UV300系列覆蓋200nm-2500nm全波段，HSX-F300系列覆蓋320nm-2500nm，包含紫外、可見、近紅外區域，可模擬太陽光或特定波段光照，滿足XPS表面化學態表征、XRD晶體結構分析對光照環境的需求
• 高穩定性輸出：配備光反饋電路與電源穩定模塊，光強穩定性≤3%，能長時間維持穩定光照，避免因光強波動導致原位表征數據偏差
• 光纖耦合適配性：支持選配光纖輸出組件（如HSX-F300GX型號），可將光信號通過石英光纖精準導入XPS/XRD的真空樣品腔，實現原位光照與測試同步進行

2. 針對原位實驗的優化設計

• 低紅外干擾：采用二次濾光結構，有效濾除大量紅外光，降低樣品因光照產生的熱效應，避免溫度變化影響材料晶體結構（XRD測試）或表面化學態（XPS測試）
• 靈活光照調節：光路轉向頭可360°旋轉，工作光斑直徑連續可調（2-60mm），能適配不同尺寸的原位樣品臺，確保樣品表面受光均勻
• 長壽命與高可靠性：采用美國進口氙燈燈泡，平均壽命≥1000小時，搭配均分散熱結構，可支持長時間連續原位實驗，減少因燈泡更換導致的實驗中斷

3.適配原位表征的具體型號推薦

型號	核心優勢	適配場景
HSX-UV300GX	200nm-2500nm全光譜，紫外輸出功率高（6.6W）	XPS原位表面光催化反應表征
HSX-F300GX	320nm-2500nm光譜，可見光輸出均勻（5000Lm）	XRD原位晶體結構演變追蹤
HSX-UV/F300	基礎款光纖輸出，性價比高	常規原位光照實驗教學與科研

4.對比同級別產品的差異化優勢

1. 雜散光抑制：光源內部采用黑色設計，有效吸收雜散光，減少背景光對原位測試信號的干擾
2. 濾光片兼容性：支持多種規格濾光片（25.4mm/50.8mm/M52/M62等），可根據實驗需求快速切換光譜波段
3. 售后服務保障：提供3年免費升級、清灰、檢測服務，售后響應時效≤1小時，產品維修時限≤48小時，能及時解決原位實驗中的突發問題

七、集成方案

7.1與XPS設備的集成方案（以Thermo Scientific K-Alpha+為例）

1.    集成核心組件

• HSX系列光源：選擇HSX-UV300GX（紫外輸出功率高，6.6W），搭配定制化光纖耦合器
• 輔助配件：石英光纖（長度2-5m，芯徑200μm）、真空兼容光纖法蘭、光強調節器
• 原位反應池：定制適配XPS樣品室的小型光催化反應池（帶石英窗口）

2. 物理安裝步驟

1. 光源固定：將HSX-UV300GX放置于XPS設備旁的實驗臺，通過支撐架固定，確保光路穩定
2. 光纖連接：將石英光纖一端連接至HSX的光纖輸出口，另一端通過真空法蘭引入XPS樣品室
3. 反應池集成：將定制原位反應池放入XPS樣品臺，調整光纖輸出端對準反應池石英窗口，光斑直徑調節至與樣品表面匹配（建議5-10mm）
4. 真空密封：確保光纖法蘭處的真空密封性能（漏率≤1×10?? mbar·L/s），不影響XPS設備的真空環境

3. 測試流程配置

1. 光源參數設置：開啟HSX光源，設置波長范圍（如365nm紫外光），通過光強調節器將功率密度調至實驗需求（如100mW/cm2）
2. XPS參數同步：在XPS軟件中設置數據采集間隔（如每30分鐘采集一次全譜），開啟原位監測模式
3. 信號校正：光照前采集樣品初始態XPS譜圖作為基線，光照過程中實時對比元素價態變化

7.2與XRD設備的集成方案（以Bruker D8 ADVANCE為例）

1. 集成核心組件

• HSX系列光源：選擇HSX-F300GX（可見光輸出均勻，5000Lm），搭配平行光透鏡組
• 輔助配件：光路轉向器、樣品臺固定架、溫度傳感器（可選）
• 原位樣品池：XRD專用開放式原位光催化樣品池（帶透明上蓋）

2. 物理安裝步驟

1. 光路搭建：將HSX-F300GX放置于XRD樣品臺側方，通過光路轉向器將光束調整至垂直照射樣品表面
2. 樣品池安裝：將原位樣品池固定在XRD樣品臺，調整光源位置，使光斑均勻覆蓋樣品表面（光斑直徑建議20-30mm）
3. 同步校準：通過XRD的2θ掃描功能，校準樣品臺與光源的相對位置，確保光照過程中樣品始終處于XRD檢測范圍內

3. 測試流程配置

1. 光源參數設置：設置光源輸出為AM1.5G模擬太陽光，功率密度調至1000W/m2，開啟連續光照模式
2. XRD參數設置：設置掃描范圍（如10°-80°2θ）、掃描速度（如2°/min），開啟原位連續掃描模式
3. 數據關聯分析：通過XRD軟件實時監測衍射峰強度、位置變化，與光源的光照時間、強度數據進行關聯

7.3集成方案的優勢與注意事項

1. 核心優勢

• 兼容性強：HSX系列光源的光纖/平行光輸出模式適配絕大多數品牌XPS/XRD設備的樣品室結構
• 穩定性高：HSX的光強穩定性≤3%，確保原位測試過程中光照條件一致，避免數據偏差
• 靈活性好：支持快速切換光譜波段（如紫外/可見光），滿足不同材料的原位表征需求

2. 注意事項

• 真空適配：與XPS集成時，必須選用真空兼容的光纖法蘭和密封組件，避免破壞設備真空環境
• 熱效應控制：長時間光照時，建議搭配樣品池溫度控制系統，避免樣品溫度升高影響測試結果
• 光路校準：每次實驗前需校準光源光路與XPS/XRD檢測位置的對準度，確保測試準確性

HSX 光纖氙燈光源系統

氙燈光源分為氙燈穩壓電源和氙燈燈箱兩部分，提高了氙燈光源的便攜性。獨特的電源電路設計，實現氙燈功率可調；燈箱主體采用均向的散熱結構，散熱效果**；光路轉向頭采用了二次濾光結構，濾除了大量紅外光，很大程度地降低紅外線在實驗中對溶液或樣品影響，減小加熱和揮發；濾光轉向頭兼容多種規格濾光片、透鏡；濾光轉向頭可360°旋轉，實現任何方向的光照；智能化的面板設計，操作簡單方便。

光譜范圍從紫外、可見到紅外，因和太陽光譜非常相近被稱為太陽光模擬器，增加AM1.5G濾光片可以實現光譜匹配度A級。即可作為紫外光源、也可作為可見和紅外光源，同時也可以模擬太陽光輸出。

主要特點

采用美國進口的氙燈燈泡，光能量輸出集中，高能量密度，提高了實驗效率。

采用均分太陽花的散熱結構，延長燈泡使用壽命，平均1000h，高可達3000h。

高效的電光轉換效率，輸出高能量平行光，總光功率達50W。

簡易的光學結構，可以提供不同波段、**波長的光譜，滿足多樣化使用需求。

模塊化的設計極大提高了產品的安全性和穩定性，可實現長時間的連續照射。

出光口兼容多種規格、品牌的國內外濾光片和透鏡（如：25.4mm，50.8mm，,M52，M62等）。

工作光斑直徑連續可調

紫外線光源

無紅外光熱的紫外線光源

200-400nm或者300-400nm紫外光區

可滿足波長要求的明亮紫外線光

可選單色光254nm、313nm、350nm、365nm、380nm

可見光源

無紅外光熱的可見光源

400nm-780nm或420-780nm可見光區

?可滿足波長要求的明亮可見光

可見可選單色光405nm、420nm、435nm、450nm、475nm、500nm、520nm、550nm、600nm、630nm、650nm、700nm、750nm

紅外光源

紅外光熱光源

780-1500nm紅外光區

可滿足波長要求的明亮紅外光

可選單色光800 nm、900nm

單色光源（紫外、可見、紅外）

紫外可選單色光254nm、313nm、350nm、365nm、380nm

可見可選單色光405nm、420nm、435nm、450nm、475nm、500nm、520nm、550nm、600nm、630nm、650nm、700nm、750nm

紅外可選單色光800 nm、900nm

部分榮譽客戶（相關產品）：

中國科學院化學研究所、中國科學院理化技術研究所、北京航空航天大學、福州大學、南京大學、北京大學、北京理工大學、環境生態中心、中國農業大學、北京交通大學、哈爾濱工業大學、哈爾濱師范大學、黑龍江東方學院、大連理工大學、山西大學、天津大學、華中科技大學、貴州大學、蘭州化物所、河南信陽師范學院、福建物構所、浙江師范大學、西安交通大學、吉林大學、四川大學、四川理工大學、北京化工大學、北京航空航天大學、北京科技大學… …（部分客戶，無排序。）

產品優勢（相對市場同類產品）：

（1）光源內部采用黑色設計，吸收雜散光；

（2）光源散熱器采用均分散熱技術，散熱均勻完全；

（3）兼容多種規格濾光片，靈活性更強；

（4）增加電源穩定模塊，穩定性更強，一定程度上更好的保證實驗條件一致性；

（5）關燈后風扇繼續運轉，燈泡散熱冷卻完全；

（6）技術支持和售后服務速度快，電話響應時效1小時，產品維修時限48小時。

主要應用：

此系列氙燈光源廣泛應用于光敏劑治療腫瘤細胞、光解水產氫、光化學催化降解、二氧化碳制甲醇、光化學合成、光降解污染物、水污染處理、生物光照，光學檢測、太陽能電池研究、熒光材料測試（透射、反射、吸收）、材料形變、各類模擬日光可見光加速實驗和紫外波段加速實驗等研究領域。

技術參數：

品名：光纖氙燈光源系統

型號：HSX-F300GX

廠家：北京紐比特科技有限公司

*（1) 燈泡功率：300W；

*（2) 功率調整范圍：150W-300W 連續可調；

*（3) 電流調節范圍：11-22A；工作電壓 14V；

*（4) 光譜范圍：300nm～2500nm（無臭氧 O3）；

*（5) 總光功率：50W，可見區 19.6W，紫外區 2.6W；

*（6) 光功率密度：100mw/cm2 – 2000mw/cm2；

*（7) 平行光光斑直徑：60mm和光纖輸出兩種形式；

*（8) 燈泡壽命：≥1000H 光穩定度：±1%；

*（9) 電源穩流精度可達 0.01%；

*（10）光路轉向裝置內預裝濾光片（350-780nm）：VISREF 1 片；

*（11）SY5000 石英光纖不銹鋼護套 200-1100nm 含耦合接口；

*（12）濾光片插槽、插片 1 套；

*（13）配置 QFS2500 濾光片 1 片；

*（14）出廠測試數據：光斑 10mm，不同電流對應光強值；

*（15）DT405石英濾光片 石英材質硬質鍍膜，光譜 405nm M62螺紋圈；

*（16）燈泡：陶瓷-藍寶石窗口，平行光；

*（17）電流調節：數顯；

*（18）應用：光敏劑腫瘤治療；

*（19）燈泡模組插拔式，秒換。

（20）溫度過高保護，自動停止功能；

（21）三年內免費升級，清灰，檢測；

（22）全天24小時售后熱線。

卸掉光纖可以自由光輸出，光斑直徑60mm。

技術參數：

品名：光纖氙燈光源系統

型號：HSX-UV300GX

廠家：北京紐比特科技有限公司

*（1) 燈泡功率：300W；

*（2) 功率調整范圍：150W-300W 連續可調；

*（3) 電流調節范圍：11-22A；工作電壓 14V；

*（4) 光譜范圍：300nm～2500nm（無臭氧 O3）；

*（5) 總光功率：50W，可見區 19.6W，紫外區 6.6W；

*（6) 光功率密度：100mw/cm2 – 2000mw/cm2；

*（7) 平行光光斑直徑：60mm和光纖輸出兩種形式；

*（8) 燈泡壽命：≥1000H 光穩定度：±1%；

*（9) 電源穩流精度可達 0.01%；

*（10）光路轉向裝置內預裝濾光片（350-780nm）：VISREF 1 片；

*（11）SY5000 石英光纖不銹鋼護套 200-1100nm 含耦合接口；

*（12）濾光片插槽、插片 1 套；

*（13）配置 QFS2500 濾光片 1 片；

*（14）出廠測試數據：光斑 10mm，不同電流對應光強值；

*（15）DT405石英濾光片 石英材質硬質鍍膜，光譜 405nm M62螺紋圈；

*（16）燈泡：陶瓷-藍寶石窗口，平行光；

*（17）電流調節：數顯；

*（18）應用：光敏劑腫瘤治療；

*（19）燈泡模組插拔式，秒換。

（20）溫度過高保護，自動停止功能；

（21）三年內免費升級，清灰，檢測；

（22）全天24小時售后熱線。

卸掉光纖可以自由光輸出，光斑直徑60mm。

技術參數	光纖氙燈光源系統（HSX-F300GX）	光纖氙燈光源系統（HSX-UV300GX）
品名	光纖氙燈光源系統	光纖氙燈光源系統
型號	HSX-F300GX	HSX-UV300GX
廠家	北京紐比特科技有限公司	北京紐比特科技有限公司
(1)燈泡功率	300W；	300W；
(2)功率調整范圍	150W-300W 連續可調；	150W-300W 連續可調；
(3)電流調節范圍	11-22A；工作電壓 14V；	11-22A；工作電壓 14V；
(4)光譜范圍	300nm~2500nm（無臭氧 O3）；	300nm~2500nm（無臭氧 O3）；
(5)總光功率	50W，可見區 19.6W，紫外區 2.6W；	50W，可見區 19.6W，紫外區 6.6W；
(6)光功率密度	100mw/cm2 - 2000mw/cm2；	100mw/cm2 - 2000mw/cm2；
(7)平行光光斑直徑	60mm 和光纖輸出兩種形式；	60mm 和光纖輸出兩種形式；
(8)燈泡壽命	≥1000H 光穩定度：±1%；	≥1000H 光穩定度：±1%；
(9)電源穩流精度	可達 0.01%；	可達 0.01%；
(10)光路轉向裝置	內預裝濾光片（350-780nm）：VISREF 1 片；	內預裝濾光片（350-780nm）：VISREF 1 片；
(11)SY5000 石英光纖	不銹鋼護套 200-1100nm 合耦合接口；	不銹鋼護套 200-1100nm 合耦合接口；
(12)濾光片插槽、插片	1 套；	1 套；
(13)配置 QFS2500 濾光片	1 片；	1 片；
(14)出廠測試數據	光斑 10mm，不同電流對應光強值；	光斑 10mm，不同電流對應光強值；
(15)DT405 石英濾光片	石英材質硬質鍍膜，光譜 405nm M62 螺紋圈；	石英材質硬質鍍膜，光譜 405nm M62 螺紋圈；
(16)燈泡	陶瓷-藍寶石窗口，平行光；	陶瓷-藍寶石窗口，平行光；
(17)電流調節	數顯；	數顯；
(18)應用	光敏劑腫瘤治療；	光敏劑腫瘤治療；
(19)燈泡模組	插拔式，秒換。	插拔式，秒換。
(20)溫度過高保護	自動停止功能；	自動停止功能；
(21)售后升級服務	三年內免費升級，清灰，檢測；	三年內免費升級，清灰，檢測；
(22)售后熱線	全天 24 小時售后熱線。	全天 24 小時售后熱線。
補充說明	卸掉光纖可以自由光輸出，光斑直徑60mm。	/