1、同步辐射的应用电子信息工程 1003 班 3100103330 孙世春摘要：本文介绍了同步辐射的相关应用，并具体展开介绍了几种方法的应用。关键字：同步辐射应用，SAXS，EXAFSApplications of Synchrotron RadiationAbstract The overview of applications of synchrotron radiation has been prensented.Several methods have been discussed in detail.Keyword applications of Synchrotron Radiatio
2、n , SAXS ,EXAFS1.介绍同步辐射是圆周运动和蛇行运动时高速电子发射的亮的电磁波,分别有连续和准单色的光谱。真空紫外、软X 射线、硬X 射线和红外线波段是优秀的光,被应用在基础科学、工程学、生物学、医学和环境科学。同步辐射因产生它的同步加速器而得名。来自加速器弯转磁铁的同步辐射是连续波长的强光,可以从中获取所需的波长，即具有宽阔的频谱分布，而且还有理想的偏振特性、光源亮度极高、发散角小和相干性好等特性。当被研究样品受到同步辐射照射时,一部分光被试样吸收,另一部分穿过试样成为透射光,此外,光和物质相互作用将发生多种次级过程,如非弹性散射、光电子发射、荧光辐射、反射光子、次级离子或中性
3、原子、布喇格衍射和劳厄衍射等,如图1 所示图1 同步辐射与物质相互作用及其次级过程示意图1通过对吸收、透射和次级过程的检测,可以得到物质结构的多种信息包括化学性质、空间结构、电子结构、表面状况、光学和磁学性质等. 通常使用的实验方法可归属于三大类: X 射线衍射和散射、光谱学与光谱化学分析、X 射线成像术。2. X 射线衍射和散射主要应用有：（1）极端条件下的X 射线衍射,用于研究高压、高温或低温下物质的相变；（2）X 射线粉末衍射,用于研究无机晶体的精密电子分布,物质的结构与相变；（3）X 射线表面衍射,用于研究表面与界面的原子结构,表面相变与催化反应; （4）X 射线衍射驻波法,用于研究表
4、面或界面的几何结构; （5）小角度散射,用于研究蛋白质和生物聚合物的形貌,肌肉纤维动力学性质; （6）中角度散射,用于研究非晶态、液体和熔融态物质的局域原子结构; （7）X 射线磁散射,用于研究磁结构,物体及其表面的磁学性质;（8） 剩余应力分析,用于研究物体三维应变图; （9）核共振散射,用于研究时间域穆斯堡尔光谱学;核非弹性散射,用于研究电子跃迁引起的核激发; （10）X 射线单晶衍射,用于研究大分子结晶学:如蛋白质的原子结构与功能;生物反应的时间相关性机理; （11）X 射线非弹性散射,用于研究声子激发、电子激发和基态的电子相关性;（12） 康普顿散射、康普顿磁散射,用于研究材料中电子动
5、量分布,铁磁物质电子磁性.2.1 XRD应用-电力变压器用绝缘纸热老化分析油纸绝缘是大型电力变压器内绝缘的主要组成形式，在温度、电场、氧气、水分等复杂环境的长期作用下逐渐老化，绝缘性能下降，绝缘寿命缩短，引发绝缘事故的可能性增加， 降低电网安全运行可靠性。构成绝缘纸纤维素的聚态结构即超分子结构，是纤维素整体的内部结构，由纤维素大分子链排列堆砌而成。纤维素的聚态结构包括：长分子链的堆砌和排列、晶态结构、非晶态结构以及取向结构等。X 射线衍射可测量结晶性聚合物的晶体结构等聚态结构。X 光入射结晶材料内部时， 某些入射角材料的相邻散射波彼此相位相同， 且光程差为波长的整数倍，产生建设性干涉。满足此条
6、件的衍射称为布拉格衍射定律。图2 90下不同老化程度绝缘纸的XRD图2由图2知，纤维素002 晶面衍射峰的大小在26.5226.80之间，根据布拉格公式即可计算出对应衍射角的晶面间距=(3.859 73.899 7)10-10 m，与天然纤维素002 衍射峰晶面间距=(3.890 00.02)10-10 m 十分吻合。由此可见，绝缘纸纤维素在老化过程中的晶体类型并没有发生变化。2.2 SAXS的应用-研究纳米铁材料在生物介质中的粒度分布纳米材料因其独特的物理化学性质，广泛应用于电、磁、光学、环境保护和生物医学等领域，纳米材料对人体的健康效应影响也逐渐得到人们的重视。测量基于颗粒的行为与粒度间的
7、关系，所得结果往往为基于相应原理的等效粒径，基于同步辐射的SAXS(SR-SAXS)，是利用同步辐射X 射线穿过样品体系，在光束入射方向的 05内发生的相hkl2dsin干散射现象，物质内部的1 至数百纳米尺度的电子密度起伏，导致这种相干散射的产生。SR-SAXS 可在10 s 内完成单个样品测试，快速准确评价液体介质中纳米颗粒的尺寸分布，并不受颗粒团聚现象影响。纳米Fe、Fe2O3 和Fe3O4 颗粒的SR-SAXS 测试结果(图3)显示，在小角度范围内三种纳米颗粒的纪尼叶(Guinier)曲线也不完全满足线性关系，表明纳米颗粒并非单一尺寸，且具有各不相同的粒度分布。图3 SR-SAXS 测
8、定铁系纳米颗粒的纪尼叶曲线3采用逐级切线法对纪尼叶(Guinier)曲线进行线性拟合，和逐级切线求解，得出三种纳米铁系材料的粒度分布结果如图4 显示，纳米颗粒粒径分布不均，其中Fe 和Fe2O3 含大粒径颗粒(80 nm、150 nm左右)比例高，平均粒径分别为76.4 nm 和94.0 nm，Fe3O 4 含小粒径(40 nm)比例较高，平均粒径为42.4 nm。图4 SR-SAXS 测定铁系纳米颗粒的粒度分布 33. 光谱学与光谱化学分析主要应用有：(1) 光电子光谱学,研究特殊功能材料如高温超导材料、磁性材料和高电子相关性材料的电子结构;(2) 原子与分子光谱学,研究中性原子和简单分子的
9、光离化光谱、光子吸收光谱和光电子光谱;多电荷离子光谱;(3) X 射线荧光光谱学,研究超微量元素分析;微量元素的化学状态,考古和地质学研究;(4) X 射线吸收光谱的精细结构、X 射线吸收光谱学,研究非晶态物质、薄膜、催化剂、金属蛋白和液体中指定原子周围的原子结构与电子态;(5) X 射线圆二色分析,用于研究固体、薄膜和表面的磁学性质,测定轨道和自旋磁矩;(6) X 射线光子相关光谱学,研究原子尺度无序系统动力学,临界点附近的密度起伏;(7) 红外光谱学包括红外显微光谱学,研究各种物质的红外反射和吸收,测定物质的分子结构.3.1 EXAFS应用-研究Ni-B超细非晶态合金的退火晶化我们知道,
10、原子核外电子所具有的能量是量子化的, 即只能处于一些分离的能级。我们依次定义这些能级为K、L、M能级。假设有一束单色光人射到一片铜箔上逐渐提高入射光子的能量, 当达到铜原子的某个能级的能量时,光子就会被铜原子共振吸收,形成吸收系数的突变，我们称这种突变为吸收边。最后我们就会得到如图5所示的铜对光的吸收谱。如果以足够小的能量步长, 仔细测量吸收边附近铜的吸收谱, 就会发现铜的吸收系数在吸收边高能侧, 随着光子能量的增加并不单调下降而是有振荡，我们称这种振荡为X光吸收谱的精细结构，简称为XAFS。图6是铜K吸收边的XAFS谱。通常我们把XAFS谱分为两个区域, 在吸收边之上50eV 之内的区域称为
11、X光吸收谱的近吸收边结构，简称为XANES。把吸收边之上50eV以上的区域称为扩展的X光吸收谱的精细结构，简称为EXAFS。EXAFS谱与周围原子的存在形式有关，EXAFS方法可以通过选择吸收边来测定复杂体系中不同原子周围的结构信息。图5 铜对X光光子的吸收谱4 图6 铜K吸收边的XAFS谱4用EXAFS方法研究不同退火温度下Ni-B超细非晶态合金的局域环境结构的变化。样品中Ni元素K吸收边的EXAFS谱在合肥国家同步辐射实验室(NSRL)的U7C光束线EXAFS实验站及北京国家同步辐射实验室(BSRF)的4WB1光束线EXAFS实验站上室温测量。图7 EXAFS 函数 5 图8 径向结构函数
12、53()k3()图7的EXAFS 函数 经过快速Fourier变换获得的径向结构函数,如图8所示。从图8可以清楚地看出,在200退火后的Ni-B超细非晶态合金和原始样品只在0.202nm出现第一邻近配位峰;在300退火后，在0.392和0.46nm出现与金属Ni箔类似的第二和第三配位峰,表明样品已开始晶化;并且随着退火温度的升高,第一邻近配位峰位置向长距离方向移动，由初始样品的R=0.202nm到500的R= 0.215nm,同时伴随着配位峰强度的增大。此外,于300退火后的Ni-B样品的主振幅强度为金属Ni箔的60%,在500退火后的Ni-B样品的第一主峰振幅强度与金属Ni箔的相近,强度分别
13、为1231,1286.4. X 射线成像术主要应用有：(1) 折(射) 衬成像术,用于研究低吸收样品的成像;(2) 相衬成像术,用于研究生物样品的X 射线干涉成像;(3) X 射线显微层析摄影术,用于研究物质结构的三维图像,X 射线荧光显微层析;(4) X 射线荧光显微学、X 射线扫描显微学,研究痕量元素分布图;(5) X 射线显微学,研究材料放大的显微图像;(6) X 射线形貌学,研究晶体生长的静态和动态过程,晶体的相变和弹性形变,晶格的缺陷;(7) X 射线全息学,直接研究物质三维原子图像;(8) X 射线光电子发射显微学,研究表面化学反应及磁畴结构等;(9) X 射线光学,研究相干X 射
14、线成像技术和X 射线量子光学技术。4.1 X射线成像应用-基于超环面晶体的诊断超环面晶体成像实验在中国工程物理研究院激光聚变研究中心进行，实验中所用的射线源为Cr的K射线，其波长0.2990nm，光源尺寸为500，焦点尺寸为112。提供给射线管的电压为20，电流为30，曝光时间为5min。超环面晶体采用云母材料，其2d 值为1.984nm，弧矢及子午曲率半径分别为Rs290，Rm190。被成像物体为不锈钢栅格，单格尺寸为500500，为阵列（见图10）经过光路的瞄准对中调整使射线源、超环面弯晶中心与接收装置的中心点保持在同一水平面上。超环面弯晶成像实验光路示意图如图11所示。栅格到晶体中心的距
15、离为92，光源到晶体中心距离为192，晶体中心到成像板距离为300。实验中Cr的K射线透过图10的金属栅格，经超环面弯曲晶体衍射后，在成像板上成像，得到的栅格图像如图12所示。从该图中能够看出成像结果比较清晰，弧矢及子午平面的图像放大倍率基本一致，这与球面晶体成像结果有明显区别。5. 结语同步辐射光源的应用研究方兴未艾,创新性研究成果正源源不断作出。同步辐射的应用越来越图9 球面弯晶成像光路系统6图 10 金属栅格实物图6 图 11 超环面晶体成像实验器件布置示意图6 图12 超环面晶体成像后的 X射线背光金属栅格图6 图13 第2发次X射线成像金属栅格图6广，越来越多，俨然成为了一种不可或缺
16、的工具。参考文献1 曾昭权.同步辐射光源及其应用研究综述J.云南大学学报(自然科学版),2008,30(5):477-4832 向彬等.电力变压器用绝缘纸热老化微观机理的X射线衍射分析J.高压电器,2012,48(3):40-45,51.3 王云等.同步辐射X射线小角散射法研究纳米铁材料在生物介质中的粒度分布J.核技术,2009,32(1):1-54 乔山.同步辐射应用的一个活跃领域-EXAFSJ.现代物理知识,1992,(5):31-335 王晓光等.EXAFS研究Ni-B和Ni-Ce-B超细非晶态合金的退火晶化J.高等学校化学学报,2001,22(3):349-3546 施军等.基于超环面晶体的射线成像诊断施J.强激光与粒子束,2011,23(10):2659-2662
