您现在的位置:首页 >  >> 

4B9A-衍射实验站

时间:2009年11月17日 点击数: 出处: 编辑:

一、实验站简介 

4B9A衍射/小角实验站是BSRF历史最悠久的实验站之一。即使在实验手段极其丰富的现在,对于晶体样品而言,传统X射线衍射(XRD)仍然是不可替代的重要分析方法之一。且同步辐射X光能量可调,有利于通过异常衍射解析晶体结构,还可以进行衍射异常精细结构(DAFS)实验。到目前为止,4B9A束线的X射线衍射装置是BSRF唯一能开展DAFS研究的实验设备。

小角散射(SAXS)实验同样是实验站的重要任务。SAXS是材料科学和分子生物学等领域的重要方法之一。虽然位于1W2A束线的新小角散射站承担了大部分SAXS实验,但是作为旧站仍保留了旧有的1.5m小角相机和mar345成像板系统,并新购入了mar165型CCD探测器,每轮专用光都会根据用户需求转换为SAXS模式,分流用户,减轻新站的压力。

除此之外,经过06~07年度的工程改造,4B9A束线的能量范围和能量分辨率均大大提高,由于本站可以方便地调节入射光能量,使得X射线吸收精细结构(XAFS)实验也达到了可以实用的程度。改造后的4B9A束线能量范围在4~15keV之间,其可用能量范围足以涵盖Br以前十余种元素的K吸收边EXAFS谱,以及更多元素的L边EXAFS谱。

综上所述,4B9A衍射/小角实验站可以完成XRD/XRR/SAXS/DAFS/XAFS等多种实验,是兼具多种实验能力的多功能实验站,且能够在专用和兼用两种模式下对用户开放。

二、束线结构和基本参数
 

如下图所示:在距光源点13.7米处安装有镀铑准直镜,用于对同步辐射X光在垂直方向的准直,以降低单色器接收同步光的垂直发散度,提高能量分辨率。在距光源点16.4米处安置Si(111)双平晶单色器。在距光源点19.3米处安装镀铑超环面镜用于水平和垂直方向的聚焦,最终在焦点(距光源30米)处得到半高宽3*1 mm2的光斑。

4B9A束线结构示意图

经过实际测量,在8keV能量处,4B9A束线的光子通量>1.290*1011 Photons/Sec/0.1%bw,能量分辨率达到了3~4eV,即ΔE/E~3*10-4 ,可清晰分辨Cu标准样品跳边上的小峰(如下图左所示),全开光斑尺寸如下图右所示。

 

4B9A能量分辨率测试(左)和焦点处光斑成像(右)

按照理论计算, 4B9A束线可用能量范围应该在4~15keV之间。我们通过简单的实验证实,其可用能量足以涵盖从Ti到Br的十余种3d元素的K吸收边和更多元素的L吸收边。

4B9A束线能量覆盖范围

不仅如此,4B9A束线光斑具有准直度高,发散度小的优点,可以满足高精度、高分辨率衍射和小角散射实验的要求。

鸡筋标样的干涉环

三、样品处光源参数
 

能量范围:      4-15 keV

能量分辨率(△E/E): 3×10-4

光通量(photons/s):   1×1010 @ 8 keV

光斑尺寸(H×V):   2×1 mm2

角分辨率:      0.9角秒

SAXS可测粒度:   5 - 100 nm

 
四、实验站设备
 

4B9A衍射/小角站的基本设备有Huber5020型六圆衍射仪一台,小角相机一台,探测器包括Huber9910闪烁晶体探测器一台,Mar345成像板一台,Mar165CCD一台,Lytle型荧光电离室一套,其他实验附件主要有Anton Paar 加热炉两套,分别用于室温至1600°C和-193°C至450°C的加热/制冷原位衍射实验。

上左/中:Huber5020六圆衍射仪及加热炉;上右:闪烁体探测器

下左:小角相机及Mar345成像板;下右:Lytle型荧光电离室

五、基本原理和研究领域
 

本站能实现XRD/SAXS/XAFS等多种实验,研究领域涉及材料科学、生物科学等诸多方向。尺度涵盖原子级~100纳米:对于近邻原子局域结构,可以用XAFS方法进行测量,原子的周期性结构则可以用XRD解析,对于100nm以下的颗粒大小形状等信息则可以用SAXS的方法予以分析。作为原理性质的简介,在此仅对XRD的基本原理给予说明,其他实验原理请参考XAFS实验站和SAXS实验站的网页。

我们知道,晶体中的原子是按照一定的周期性规则排列的。适当波长的X光照射到晶体上,被间距为d的两个晶面所反射,就会形成光程差,其数值为,当光程差恰好为波长的整数倍时,即构成Bragg衍射条件,在相应的角度上产生衍射峰(即出射光强度在很小的角度范围内达到极大值)。由于晶面间距d与晶格常数a存在关系:,我们只需要记录一组衍射峰并推断其晶面指数,即可得到晶格常数。

如果晶胞中不止一个原子,那么不同位置上的原子造成的反射光彼此相干,又会引起衍射峰强度的变化,对峰强进行分析,就可以精修晶体结构并得到晶胞内的原子坐标。

Bragg衍射示意图

六、研究方法和发展方向
 

XRD实验方法目前仍依赖于六圆衍射仪,具体地说,样品随ω圆以一定的步进角速度运动,探测器则随2ω圆以2倍的步进角速度运动,并实时将强度信号发送给后续电子学设备和计算机。

Bragg衍射数据采集方法示意图

XAFS实验则可以简单地使用电离室记录入射和出射光线强度,以记录样品吸收率。对于浓度较低的样品,也可以使用Lytle型荧光电离室收集荧光信号,其原理如图所示,X射线照射在倾斜45度的样品上,发出荧光被垂直于光路的电离室吸收,电离室将荧光信号转变为电信号,并经增益放大器输出,由于荧光产额正比于样品对X射线的吸收,因此就可以得到样品对当前入射波长X射线的吸收率,调节单色器产生不同的入射光能量,就可以得到完整的XAFS谱。

Lytle型荧光电离室结构

SAXS实验采用面探测器(Mar345成像板或Mar165CCD)对散射信号进行收集,在后期数据处理中再对二维图像进行裁切和积分,得到散射曲线。对于需要较大角度的实验,可以移开小角相机(路径较短,可以忽略空气散射),拉近探测器与样品距离。

SAXS实验装置示意图

随着转靶X光机衍射仪的不断普及和强度的提升,常规同步辐射XRD正在逐渐丧失其原本优势。针对这一情况,实验站从奥地利Anton Paar公司购置了两套原位加热/制冷系统,提供给用户作原位XRD实验用。其中HTK16系统可以提供从室温到1450°C的加热温度,短时间内冲刺温度可达1600°C;TTK450系统则可以提供-193°C至450°C的连续温度变化。两套系统均为粉末衍射实验设计,具体样品要求请咨询实验站负责人。

同时,由于同步辐射X光具有能量连续可调的特点,实验站还开发了衍射异常精细结构(DAFS)实验,可以针对晶体中特定位置的原子获取其局域结构信息。但目前数据处理方法尚在完善当中,欢迎有兴趣或相关经验的用户申请机时。

七、研究工作和应用成果
 

仅举以下几例说明:

用原位加热XRD方法研究了直径70nm左右的Ni纳米线在高温下的结构。 Quan Cai et al, J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) 115205.

 

用原位加热EXAFS研究了Co纳米线的热膨胀行为。 Guang Mo et al, APPLIED PHYSICS LETTERS 93 (2008)171912.

  

用原位加热SAXS研究了表面修饰的氧化锗在高温下的变化。 Xing Chen et al, J. Phys. Chem. B 112 (2008) 12297–12303. 

 

八、联系方式
 

吴忠华 研究员  电话:88235982  Email:wuzh@ihep.ac.cn

通信地址:北京918信箱,中国科学院高能物理研究所衍射实验站, 100049

字体: 收藏 打印文章