郭立平：同步辐射技术在材料科学中应用

The X-ray absorption spectroscopy
Many-body problem Absorption cross section (Fermi golden-rule) 2 2 one electron approx. ( ) 4 f r g ( E f Eg ) f Molecular potential “muffin-tin” approx. The Schroedinger-like equation
BSRF
同步辐射技术及其 在材料科学中的应用
郭立平 吴自玉
中科院高能物理所同步辐射室
Beijing Synchrotron Radiation Facility, IHEP, CAS, Beijing
• 同步辐射光源和同步辐射装置 • 同步辐射实验技术及在材料科
学中的应用
• 北京同步辐射装置介绍
同步辐射光源和 同步辐射装置
Fine structure
Smooth atomic absorption
n (k ) An (k , r ) sin(kRTOT 2 0 n (k , r )) Pn


Paths involving n-1 scattering events
Total path length
1.同步辐射X射线吸收谱（XANES和EXAFS）
I0
样品
I
X-ray
I = I0 e- t
t = Ln (I0 / I)
E
t
X射线吸收谱
EXAFS：局域结构 XANES：局域结构+电子态
多重散射理论
XAFS在能量空间中可以表示为特定能量的入射光子激发原子的 芯能级电子，使其跃迁到空带的过程（下图左）。在实空间里， 则反映了出射光电子与近邻原子进行多重散射的过程（下图右）
• 集中在发达世界：美、欧、日、俄 • 发展中国家也争相建造：巴西、印度、新加坡、泰国、 韩国。在建和计划建造的第三代光源共13个
同步辐射光源发展与现状- 国内
1. 北京同步辐射装置BSRF（北京高能所）：九
十年代初开始使用，为第一代光源，与北京正负电 子对撞机（BEPL）共用一个环，专用同步辐射时间 3月/年 ，2.2GeV ，改造后接近第二代光源
k(Å-1 ) = 0.512 (E-E )
0
1/2
(eV)
Energy
近边吸收谱对吸收原子周围的配位化学敏感
区域
ß Ç ± °
跃迁
Ó ç É µ × Ó Ô ¾ Ç ¨½ µ Õ ¿ µ Ä ø Ê ¸ ¿ ¬ Ì Ë ù ý Ò Æ ð Ä Ì µ Ø ÷ Õ å ·¡ £ Ô ¾ Ç ¨Ä µ ¼ ¸ Ê Â × ñ ­ Ñ Å ¼ « ¼ ¾ Ç Ô ¨¨ ¶ ò Ô ¡ £ ¶ å ¨ Ò µ ç × Ó ¿ ª ¼ Ê Ï ò Á ¬ Ð ø Ì ¬ Ô ¾ Ç ¨Ä µ ã Ð µ ¡ Ö £ ½ ß ü ±Ç ø µ Ä Ì Ø ÷ Õ å ·Ö ÷ª Ò Ç Ê Ó É Í µ Ä Ü ¹ â ç × µ Ó µ Ä à ¶ Ö Ø ¢ É É ä ² ¹ Õ ñ Ò ý ð Æ µ Ä ¬ £ Ó Ð Ü Ç º ¿ µ Ä É ¢ ä É Ø ½ Ã æ ¡ £


2
k2 f (Vcou ( E)) f 0
“self-energy”: takes into account correlation and exchange potential

f
various approx.
Coulombian term (e-e and e-nucleus interactions)
同步辐射光的特点 II - 宽能谱
从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线
用途:
• 波长<1000Å的光，可以辨认出病毒细胞；
• 波长<40 Å的光，可以了解组成它的蛋白质 和DNA（脱氧核糖核酸）；
• 波长<4 Å的光，可以看到螺旋结构的分子 组成； • 波长<10 Å的光，材料科学和凝聚态物理；
二、光束线:
作用：对原始白色辐射进行加工以满足实验对波长、尺寸 等的要求，并把辐射从发射点引导到实验装置的整个光路。 1、前端区：从发射点到储存环出口 作用：截取、引导、控制辐射；防止辐射对仪器、设备 和人体造成损伤；保护储存环真空 元件；狭缝、挡光器、真空快慢阀、光闸、真空位置探测 器、光束位置监控器、隔离窗。 2.光束线:从储存环出口到实验装置的一段 作用：除类似前端区功能外，主要是对辐射加工，以获得 有一定能量（范围）、一定光斑尺寸和平行度的实验用光束 元件：反射镜、准直镜、聚焦镜、单色器、狭缝
三、实验站：

进行不同类型同步辐射实验的谱仪设备 可同时安装几十至一百多实验站，利用不同 的光进行不同的实验〔对X实验要有防护小屋〕 同步辐射装置是一个大科学装置，可供各种 专业的科学家和技术人员数百人同时进行各 种研究，24小时不停运转

同步辐射光源发展与现状 - 三代光源性能比较
同步辐射光源发展与现状- 国际
2 P (e c / R )( E / mc ) 3
2 4 2 2
4
其中 e、m、、E分别为带电粒子 的电荷、静止质量、相对论速度和 能量，c为光速。
什么是同步辐射？- 实验观察
接近光速运动的电子或正电子在改变运动 方向时会沿切线方向辐射电磁波。1947年4月， F.R.Elder等人在美国通用电气实验室的 70MeV的电子同步加速器上首次观察到了电子 的电磁辐射，因此命名为同步辐射。
g
The Multiple Scattering Series
Angular momentum selected transitions The multiple scattering series
(E) 1 (E)
n n 2
K-edges
1s p
( E) 0p ( E) p ( E)
同步辐射实验技术及在材 料科学中的应用
同步辐射实验分类
• Spectroscopic experiments through matter-photon interactions: Scattering 散 射 — information about large particles, typically aroundsome tens Ǻ, sizes, shapes and kind of interaction (badly organized systems such as polymers, colloids, gels and sols etc.). Diffraction 衍 射 — solve completely complex crystallographic structure (short
recording time, enhanced resolution and using different wavelengths), useful for unstable materials and/or tiny crystals; used mainly in biology to solve metalloproteins.
E Full multiple scattering (XANES): 2 the full series contributes to signal
E
0
n百度文库2
; n=3
;…
Intermediate and single scattering E (EXAFS): few terms of the series 1
X射线吸收近边结构XANES（X-Ray Absorption Near Edge Structure）是自吸收边 到其上50eV的吸收截面，此过程可以由一个 多体配分函数来描述，在一级近似下（即忽 略芯能级空穴势能效应），单电子吸收截面 可以分解为与能量有关的原子跃迁矩阵元 M(E) 和态密度 D(E)的乘积，即S (E)~M(E)D(E) 。因此，能够直接提供固体中 电子未占据态的能带结构信息，以及电子轨 道杂化、电荷转移、电子轨道和自旋相互作 用等电子结构信息。
同步辐射
是一种先进和不可替代的光源 是一类与中子散射互补的大科学装置 是一个产生新的实验技术和方法的平台
是一个不同学科互相交融的理想场所
是一个凝聚和培养优秀创新人才的基地
什么是同步辐射？- 理论预言
1）相对论性带电粒子做曲线运动时将发出电磁辐射
2）1898年，A. Lienard从理论上 预言，沿半径为R做圆周运动的 相对论性带电粒子将发出电磁辐 射， 并给出了瞬时辐射功率表 达式:
同步辐射光的特点VI – 一切特性可精确计算
• 计算工具：XOP 结论： 1. 高亮度 2. 宽频谱 3. 小发散 4. 脉冲光 5. 偏振光 6. …
科学研究的 新光源
同步辐射装置
发生装置（光源）、光束线及实验站三大部分
同步辐射装置组成部分及功能
一、同步辐射发生装置
1、注入器 (1)直线加速器(Linac)：初步加速,几十至几百MeV,产生 电子,形成电子束团 (2)增强器（Booster）：用同步加速器进一步加速电 子达到需要值， 可达GeV 2、电子储存环（storage ring） 一定能量电子在环内稳定运转，发射同步辐射。 由磁聚焦结构、高频加速谐振腔、束流传输束线、 插入件（扭摆器、波荡器）及真空室构成
2. 国家同步辐射实验室NSRL（合肥中国科大）：
九十年代初投入使用，第二代专用光源，0.8GeV， 低能环，以紫外、软X射线为主。用一个6T扭摆器， 可有12KeV以下的硬X射线。 3. 台湾新竹TLS-II:第三代,1.3GeV、310mA
4. 上海光源SSRF（待批）: 第三代， 3.5GeV 5. 自由电子激光X射线源（第四代）和散裂中子 源(拟议中)
• 同步光是一个脉冲接着一个脉冲，与储存环 中的电子束团有相同的时间结构，脉冲宽度 ps-ns,脉冲间隔ns-ms
如果光脉冲间隔时间为1微秒，用这种光来 照相，1毫秒就可拍1000张照片，可以用来研 究活的生物细胞的变化过程等。
同步辐射光的特点V - 偏振光
• 电子在特定的轨道上辐射的光
轨道平面内为100%线偏振，轨道平面上下为相反 的椭圆偏振 研究磁性材料（复旦大学 金晓峰教授）
同步辐射实验技术
1. 同步辐射X射线吸收谱（XANES和EXAFS） 2. 同步辐射X射线光电子能谱（PES） 3. 同步辐射X射线小角散射(SAXS)和掠入射小角 散射(GISAXS) 4. 同步辐射X射线反射(XRR) 5. 同步辐射X射线衍射(XRD)和掠入射衍射 (GIXRD) 6. 同步辐射X射线形貌术(XRT) 7. 同步辐射X射线荧光分析(XRF) 8. 同步辐射X射线真空紫外谱和磁圆二色
• 可以任意选择所需要的波长且连续可调
同步辐射光的特点III - 小发散
• 是准平行光，有一定相干性，发散角
2 =mc /E
E为GeV时,<0.1mrad (0.005)
可以获得高分辨率的图谱，如同步辐射 粉末衍射最高分辨已达到0.002，比常规 光机约提高2个量级
同步辐射光的特点IV - 脉冲光
同步辐射光的特点 I - 高亮度
1012–1020[Phot/s.mm2. mrad2.0.1%BW]，常规光源的亿倍以上
优势： 实时（化学反应动力学、相变过程、活细 胞变化过程） 原位（高低温、高压、高真空等） 微量样品 其他要求高光强的实验，如X射线反射等
例如：用X光机拍摄晶体为缺陷照片，需 要7-15天的感光时间，而利用同步辐射 光源只需要十几秒或几分钟，工作效率 提高了几万倍。对于极小样品以及材料 中微量元素的研究，也只有同步辐射光 能担任重任。
Absorption 吸 收 — materials with no long range order (amorphous materials, microcrystalline powders, solutions…) Photonelectron 光 电 子 — element valence state, band structure of materials, tec Fluorescene 荧光—element composition and and their valence state