XRD 衍射匹配说明 - HEAS Data Platform - 材料科学计算数据库项目

概述

XRD（X 射线衍射）物相鉴定是材料表征的核心手段。本平台基于 pymatgen 从全量材料的 CIF 晶体结构预计算衍射峰，构建覆盖 HEA / TRA / ELA 多数据集的 XRD 库。你只需粘贴实验测得的衍射峰 2θ（°）列表，系统即按峰位与强度相似度返回最相近的晶体结构，辅助快速物相鉴定。

输入：2θ 列表（可带强度 2θ:强度），支持逗号 / 空格 / 换行分隔。
输出：候选材料（MP-ID、数据集、F1、查全率、匹配峰及 hkl），可展开查看完整衍射图。
多靶材：支持 Cu / Mo / Co / Cr / Ag 等常见靶材，衍射峰位置随波长变化。

靶材选择

不同靶材波长不同，衍射峰的绝对位置随之改变；选型需结合样品的吸收系数、铁磁性与分辨率需求。

靶材	波长 (Å)	优势	注意事项
Cu Kα	1.5406	通用性强，波长适中，适合大多数样品（有机物、无机材料）。	对吸收系数高的样品（如含铁材料）可能有较强吸收效应。
Mo Kα	0.7093	穿透力强，适合高吸收系数材料（金属、含铁化合物）。	波长较短，灵敏度较低，可能不适合低吸收系数样品。
Co Kα	1.7889	适合铁磁性样品（铁、钢等），减少荧光干扰。	波长较长，对有机材料可能不适用。
Cr Kα	2.2909	适用于特殊铁磁材料与部分金属材料。	波长过长，对某些样品分辨率较低。
Ag Kα	0.5608	适合非常高吸收系数的材料（重金属化合物）。	波长过短，灵敏度可能不足。

低吸收系数样品

如有机化合物、轻元素材料，选 Cu 靶（波长适中、灵敏度高）。

高吸收系数样品

如铁、金属化合物，选 Mo 靶或 Ag 靶（穿透力强）。

铁磁性样品

如铁、镍合金，选 Co 靶（减少铁的荧光干扰）。

高分辨率需求

复杂晶体结构优先选短波长靶材（Mo、Ag）。

匹配原理

检索采用「三强峰优先」策略：每个材料在数据库中预存其三强峰（按强度由强到弱峰 1 ≥ 峰 2 ≥ 峰 3）。你的实验峰也取强度最高的 3 个作为搜索关键，优先在主库三强索引上召回候选，再取候选完整图谱匹配其余峰，以 F1 与查全率排序。

三强峰：建议直接提供三强峰（强度最高的 3 个）；至少需 3 个峰方可检索。
三强命中：候选材料三强峰中与查询关键峰匹配的个数（0–3），排序的首要依据。
查全率：你的实验峰中被解释的比例，越高越可信。
F1：查准率与查全率的调和平均，兼顾命中与精简。
峰位容差：默认 0.7°，控制峰位匹配的允许偏差。
hkl 标记：六方 / 三方晶系为 4 指数 Miller-Bravais，其余为 3 指数。
排序优先「三强命中数 → F1 → 查全率」。

API 端点

GET /api/v1/xrd

XRD 衍射匹配通过统一端点提供，按传入参数自动切换三种模式：匹配模式（传 peaks，按实验峰检索相似材料）、图谱模式（传 mp_id，返回该材料完整衍射峰）、浏览模式（均不传，返回前 N 条默认列表）。参数优先级为 peaks > mp_id > 浏览。速率限制与错误响应遵循平台统一策略，详见 API 端点文档。

查询参数

参数	类型	默认	说明
peaks	string	-	衍射峰列表，逗号 / 空格 / 换行分隔，形如 `21.2,44.5,64.8` 或 `21.2:80,44.5:50`（`2θ:强度`）；传入即进入匹配模式，至少需 3 个峰
mp_id	string	-	材料 ID（如 `mp-16496`）；传入即返回该材料完整衍射图谱（图谱模式）
tolerance	float	0.7	峰位容差（°），控制峰位匹配的允许偏差（0.1–5）
limit	int	10 / 50	匹配模式返回 1–200 条；浏览模式返回 1–50 条（默认 10）
target	string	CuKa	靶材（辐射源）：`CuKa` / `MoKa` / `CoKa` / `CrKa` / `AgKa`；衍射峰位置随波长变化
format	string	json	返回格式：`json`（默认，完整 JSON 信封）或 `raw`（纯文本 xy，含 hkl 与 `# generated using pymatgen` 注释）

匹配模式：按衍射峰匹配材料

请求示例

curl "https://heas.labs.gt.ac.cn/api/v1/xrd?peaks=21.2,44.5,64.8:80&tolerance=0.7&limit=50&target=CuKa"

响应示例

{
  "success": true,
  "query": {
    "peaks": [{"t":21.2,"i":80},{"t":44.5,"i":50},{"t":64.8,"i":30}],
    "tolerance": 0.7
  },
  "count": 1,
  "results": [
    {
      "mp_id": "mp-16496",
      "type": "HEA",
      "formula": "AlFe3",
      "score": 0.912,
      "strong_hits": 3,
      "recall": 1.0,
      "matched": 3,
      "query_peaks": 3,
      "matched_peaks": [
        {"query_t":21.2,"match_t":21.18,"match_hkl":"(111)","delta":0.02},
        {"query_t":44.5,"match_t":44.52,"match_hkl":"(200)","delta":0.02},
        {"query_t":64.8,"match_t":64.79,"match_hkl":"(220)","delta":0.01}
      ],
      "three_strong": [21.18, 44.52, 64.79]
    }
  ]
}

匹配结果 results[] 字段

字段	类型	说明
mp_id	string	材料 ID
type	string	数据集：HEA / TRA / ELA
formula	string	化学式
score	float	F1 综合得分（查准率与查全率的调和平均）
strong_hits	int	三强命中数（0–3），排序首要依据
matched_peaks	array	[{query_t, match_t, match_hkl, delta}]，逐个实验峰的最近邻匹配
three_strong	array	材料三强峰 2θ 位置（由强到弱）

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图谱模式：获取材料衍射图谱

请求示例

curl "https://heas.labs.gt.ac.cn/api/v1/xrd?mp_id=mp-16496&target=CuKa"

响应示例

{
  "success": true,
  "data": {
    "mp_id": "mp-16496",
    "type": "HEA",
    "n_peaks": 28,
    "radiation": "Cu Kα",
    "wavelength": 1.5418,
    "three_strong": [21.18, 44.52, 64.79],
    "three_strong_by_target": {"CuKa": [21.18, 44.52, 64.79]},
    "peaks": [
      {"t":21.18,"i":100,"hkl":"(111)"},
      {"t":44.52,"i":55,"hkl":"(200)"},
      {"t":64.79,"i":35,"hkl":"(220)"}
    ]
  }
}

响应示例（format=raw）

# XRD pattern
mp_id: mp-16496
type: HEA
radiation: Cu Kα
wavelength: 1.5418 A
# generated using pymatgen
2theta(deg)	intensity(%)	hkl
21.1800	100.00	(111)
44.5200	55.00	(200)
64.7900	35.00	(220)

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浏览模式：默认衍射图谱列表

请求示例

curl "https://heas.labs.gt.ac.cn/api/v1/xrd?limit=10&target=CuKa"

响应示例

{
  "success": true,
  "query": {"mode":"browse","limit":10,"target":"CuKa"},
  "count": 1,
  "results": [
    {
      "mp_id": "mp-1",
      "type": "ELA",
      "element": "Cs",
      "n_peaks": 12,
      "three_strong": [28.45, 40.12, 65.33],
      "formula": "Cs"
    }
  ]
}

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常见问题

为什么不同靶材结果不同？: 衍射峰位置由波长决定，不同靶材（波长不同）下同一材料的 2θ 峰位不同，匹配需使用与实验一致的靶材库。
少量主峰能否匹配？: 可以。主峰（前几个强峰）命中即可获得高查全率，系统优先返回能解释最多实验峰的材料。
hkl 中为什么有 4 个数字？: 六方 / 三方晶系采用 Miller-Bravais 四指数 (h,k,i,l)，其余晶系为三指数 (h,k,l)，均为标准表示。