同步辐射

项目简介

　　同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时(受到径向的加速度，v⊥a)，沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。由于是1947年在美国通用电气公司的一个电子同步加速器中意外发现的，因此命名为同步辐射。

常见项目

　　同步辐射吸收谱XAFS(EXAFS+XANES)：同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射(也叫同步光)。同步辐射是电磁波家族中的新生代，但却是最具潜力的一份子，覆盖了红外、可见、紫外和X光波段。同步辐射装置更像超级大功率显微镜，帮助我们探索自然界更多的奥秘。XANES可以得到吸收原子的电子结构，包括价态、对称性、轨道占据等信息;EXAFS可以得到吸收原子周围配位信息，包括配位原子种类、键长、配位数、无序度等。

　　同步辐射SAXS：当物质中的电子密度不均匀区在纳米尺度(一般介于0.1~200nm 之间).时，X 射线与之相互作用后在原光束方向附近的很小角度内散开，这个角域范围在几度(一般<3°).以内，这种现象称为小角X射线散射(Small Angle X-ray Scattering，简写为SAXS)。 由于X 射线是与原子中的电子发生相互作用，所以SAXS对电子密度的不均匀性特别敏感，凡是存在纳米尺度电子密度不均匀区的物质均会产生小角散射现象。

　　同步辐射XRD：同步辐射XRD常用于结构分析，物相鉴定，与常规X光相比，同步辐射光波长在大范围内连续可调，且准直性好，研究的尺度范围和分辨均优于常规X光。

结果展示

　　XANES分析

　　EXAFS拟合

常见问题

　　1. 同步辐射吸收谱可以测试什么?

　　同步辐射吸收谱XAFS(或XAS)包括X射线吸收近边结构XANES(XANES有包括边前锋pre-edge和边前锋edge和)和扩展边X射线吸收精细谱EXAFS;

　　XANES主要应用：

　　定性分析：确定价态;边前锋(对称性、轨道电子占据态);白线峰(电子结构：空轨占据数;配位结构：配位数、配位原子种类、对称性);

　　定量分析：线性拟合，确定平均价态及不同价态比例;

　　EXAFS主要应用：

　　局域结构信息：配位原子种类、配位数、键长、种类等吸收原子周围的近邻几何结构;

　　2. 同步辐射吸收谱测试中，透过模式和荧光模式的区别?

　　对于粉末样品，我们的建议是能做透射尽量做透射，透射得到的数据是最可靠的，具体原因比较复杂，有兴趣可以自己查阅资料。一般对于待测金属含量大于1%，其余组成为质量较轻元素(相对吸收小)，如碳材料、氧化硅、氧化铝上负载的单原子，氧化物，硫化物等样品，可以在透射模式下得到合格谱图。

　　但是并不是所有粉末样品都能在透射模式下得到合格谱图，需要选择荧光模式，以下是几种比较常见的情况：

　　(1)组成简单，但是待测金属含量低于1%，特别是贵金属类较重的金属元素，含量越低，制样(压片)所需样品量就要越多，但是多了之后样品就会太厚，导致信号较弱，谱图不合格;

　　(2)类似上一种，组成简单，待测金属含量也大于1%，但是样品由于合成难度高产量低，样品量严重不足，比如含量1%的Fe-N-C单原子材料，只有10 mg，那也只能用荧光模式;

　　(3)组成复杂，除了待测金属外，还有其他金属，甚至含量比待测金属还高很多，比如NiO上负载的单原子Pt，这类样品压片制样所用样品量少了Pt信号太多，样品多了金属Ni吸收屏蔽的信号又太多，很难把握，只能无奈选择荧光模式;

　　(4)组成极其复杂，含量又很低的多buff类样品，如金属掺杂的LDH，土壤样品，含量很低的双金属单原子催化剂等;

　　(5)块体或者薄膜材料，这类样品本身太厚就会导致后电离室信号太弱，只能用荧光模式，其中泡沫镍类材料可以用透射，可能是因为其多孔结构吧，光能穿透过去，但是前提也是泡沫镍上负载的材料含量较高(10%以上)，如果是泡沫镍上负载的单原子材料，就类似于情况3)，请选择荧光模式。

　　3. 软线、中能、硬线常规、高能是怎么区分的?如何查看待测元素的吸收边能量大小?

　　(1)根据能量区分，大概范围如下所示：

　　软X射线：能量范围在50eV~2000eV，可测元素包括B、C、N、O、F、Na、Mg、Al、Si的K吸收边，Cl、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y的L3吸收边(只测近边)

　　中能X射线：能量范围在1700eV~5800eV，可测元素包括Si、P、S、Cl、K、Ca、Sc、Ti、V的K吸收边，Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La、Ce的L3吸收边(只测近边)

　　硬X射线(常规)：能量范围在4000eV~23000eV，可测元素包括Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru的K吸收边，Sb、Te、I、Ce、Ba、La、Ce、Pr、Nb、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Tr、Pb、Bi、Po、At、Fr、Ra、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lr的L3吸收边

　　硬X射线(高能)：能量范围在20000eV~40000eV，可测元素包括Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、I、Cs、Ba、La的K吸收边

　　(2)使用Demeter软件中的Hephaestus软件，选择待测元素，即可查看对应吸收边的能量大小;

　　其中，低于2kev为软X射线，4k-20keV为硬X射线，20kev以上为高能;

　　4. 怎样判断我是否需要测标样数据?

　　首先，foil是每次都会提供也是必须提供的数据。foil的作用类似于XPS的C校正，因为不同时间测试，可能因为光和仪器状态不同，吸收能量值有偏差。每次测试都需要测标准的foil的吸收边值，来校正样品的能量。这也就表明，每次测试的数据只能通过那批次的foil的能量校正后，才算准确，对于氧化物类的标样也是一样的。理论上来说，不同批次的氧化物标样数据用它那批次的foil校正能量后，应该是一样的。但是由于仪器原因、人为误差和某些元素飘忽不定的导数最大值(校正用的值)，较边后的标样数据只能是大差不差的用来比对。

　　那么如果只需要得出诸如待测元素价态在2~3之间之类的结论，用我们较边后的标样数据是没有问题的。但是如果是像O缺位Fe2O3，负载单原子或者纳米颗粒的MoS2之类的材料，它的待测元素Fe或者Mo的价态变化是十分微弱的，这时候可能就需要在这一批次测上标样，以比对微弱的价态或者配位键长变化，用标样直接比对可能会被误差所误导。简单来说，探讨微弱变化的，可能需要测标样，只是定性比对的，不需要。

　　5. 怎样准备我的样品?

　　首先，在做XAFS前，需要通过ICP准确测量样品中所有元素的准确含量，特别是待测金属元素和其他金属元素。我们需要根据您提供的样品信息计算得到合格谱图(跳高)所需样品量。XAFS谱图的质量80%取决于前期准备工作是否到位。如果您提供的信息有误，或者遗忘提供其他金属元素含量，就会导致计算的结果有误。简单来说，我们需要把待测元素的含量稀释或者浓度到一定程度，并且考虑其他金属元素的相对吸收，才能得到合格谱图，并不是类似XRD之类的测试，直接铺满样品台就行。所以，一定一定一定要提供全部信息。

　　6. 为什么建议提供前期寄出表征数据及参考文献?

　　我们建议您提供类似研究的参考文献，而不是做的氧化物催化剂却提供单原子类文献。同时，您还可以在基础表征结果的基础上，描述预期结果，比如R空间强度的变化，需要的配位键等。该类描述方便工程师测样现场判断图谱的质量和对错，以免测错样品或者测错点位。

　　由于同步辐射资源紧缺，测试费用较高，是最为最后结论验证，提高文章水平的表征，所以建议将材料前期的基本结构、性能表征都完成后再进行同步辐射的测试，以免由于实验失败导致材料结构不符合预期，或者材料性能没有达到要求导致数据没有使用价值浪费实验经费。

　　7. 拿到数据如何进行校边?

　　通常客户所需标谱会以prj格式工程文件提供，是校正过的，无需单独处理;而样品和随样标谱单独以TXT格式保存，使用Ahtena软件查看foil吸收变位置，如果所在位置与标准值有偏差(看相差多少个ev)，则将foil移动至标准吸收边位置，然后将样品也同步移动同样的ev，即完成了校边;

　　8. 拿到什么样的测试结果?

　　通常数据以txt格式发送，txt格式可直接用Athena软件打开，打开可以查看其E、k、R、q空间谱图，如需进一步拟合，则需要单独预约“同步辐射分析”;

　　9. 同步辐射XRD设备能实现的条件有哪些?

　　目前支持常规XRD(即室温直接测试);原位测试可实现(真空+氩气保护)：1)变温测试，最高1400℃;2)室温压缩：最大载荷20000N;3)变温压缩：温度和载荷同前2条;

　　10. 同步辐射XRD样品量或尺寸有什么要求?

　　常规XRD，一般提供小块体即可，对尺寸及规整度没有特别要求，最大不超过10*10*5mm;原位变温由于加热需要放入感应线圈内，样品尺寸不规则或太大容易很导致温度分布不均，装样也有困难，以直径5*高10mm最佳;压缩样品最佳尺寸直径4*高8mm或直径5*高10mm，由于设备最大载荷20000N，可以根据材料强度调整样品尺寸避免载荷超出设备限制;(建议提供备用样，以便测试出现异常情况可以用备用样再次测试;特别提醒：由于样品要送到国外测试，无法回收，请悉知!根据海关通关要求，无法寄送粉末，块体应告知样品是什么物质)

　　11. 同步辐射XRD怎样选择角度范围?

　　同步辐射XRD同普通XRD有一定区别，同步辐射光源波长短，角度一般是1.5～7度，一般不需要客户指定范围，这个是根据接收屏与样品的距离确定的，是设定好的，一般工程师会设置一个合适的值确保得到所需的信息。

　　12. 同步辐射XRD测试结果以什么形式给出?

　　直接结果为可用Fit2D软件打开的多晶衍射环花样。可将其转化为XRD谱图，由于谱图采集是瞬时完成的，原位测试可以得到一系列多晶衍射环(或转化后的XRD谱图)，与变形过程实时一一对应，不需要暂停变形来采集。

　　13. 同步辐射XRD原位测试时长怎么算?

　　同步辐射与普通xrd衍射仪的工作原理是不同的，室温XRD可以瞬时完成，时间主要是装样和卸样，通常一个样品从进样开始到结束大概10-15min左右;变温及压缩原位测试除装样卸样以外，主要是变温时间及压缩时间，与变温速率和压缩加载速率有关;变温速率最快可达20K/s，但是达到测试温度点需要保温3-5min，压缩加载速率最慢0.01mm/s，具体测试时长可根据测试程序进行估算;(注意：原位按时间收费，装样、卸样时间计算在内)

　　14. 同步辐射小角X射线散射测试范围?

　　q=4πsinθ/λ

　　其中，波长λ为0.154 nm，矢量q的范围是从0.08 到 3.05 nm-1

　　15. 小角散射SAXS主要应用有哪些?

　　(1)研究高分子材料内部的片晶、孔洞等缺陷的微结构，以及高分子材料加工过程中的结构演变。

　　(2)研究高性能纤维材料内部的缺陷微结构，及在纺丝成型过程中的动态结构演变。

　　(3)研究胶体系统、纳米颗粒及多孔材料中散射体的尺寸分布、界面层及分形结构。

　　(4)研究金属合金中的颗粒或聚集态结构及冷热加工变形后的结构变化。

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