同步辐射及其应用 S ynchrotron R adiation and its A pplication

1. 同步辐射及其应用Synchrotron Radiationand itsApplication 孙晓英 材料环境腐蚀研究中心

2. Contents 同步辐射简介 光电子能谱XPS 软X射线XAFS X射线荧光分析 SR在腐蚀中的应用

3. 同步辐射简介 衍射、折射、散射检测特性等 产生光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性

4. 同步辐射简介 弯转磁铁强迫高能电子束团， 在切线方向电磁波发射出来。 同步辐射:速度接近光速的带电粒子在磁场中作变速运动时放出的电磁辐射

5. 同步辐射简介 1947 目前 1970s 1960s 1965 美国、通用电气 同步加速器发现 SR应用的可行性研究 意大利 Frascati建成储存环 SR应用的现代阶段-3代 约70座试验用SR加速器

6. 同步辐射简介 SR应用的现代阶段 第一代：20世纪70年代的第一代光源是与高能物理加速器共用的储存环 第二代：20世纪80年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加速器，电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的，主要从偏转磁铁引出同步辐射光 第三代：80年代后期，储存环中装入特别的插件磁铁(波荡器和扭摆器) ，使电子由偏转一次变成多次偏转，同步辐射的亮度则可提高一千倍以上

7. 同步辐射简介 美国 APS 7GeV • 电子枪 • 直线加速器 - 预加速 • 增强器 - 加速到满能量 • 储存环 • 光束线 • 实验站 ESRF示意图： European Synchrotron Radiation Facility

8. 同步辐射简介 • 特点： • 1 通量大、亮度高 • 同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度, 第三代同步辐射光源的 X射线亮度是X光机的上千亿倍 • 2 频谱宽，连续可调 • 同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线 • 3 方向性强，天然高准直性 • 同步辐射发散角小，光线是近平行的，其利用率、分辨率均大大提高 • 4 脉冲性和有特定的时间结构 • 具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等 • 5 洁净光源，对环境没有任何污染

9. 同步辐射简介 世界上四大高能光源： 法国的ESRF（6G）、日本的SPring-8、美国的APS、德国的Petra III （6G）

10. BSRF 北京 NSRL 中科大 台湾 SSRF 上海 同步辐射简介 1970S末第一代 高能物理研究 1984-SR-2.2GeV 硬X射线 先进第三代 X射线-远红外高亮度 3.5GeV世界先进 中国 低能第三代 1983年90初建成低能第二代 800MeV不产生硬X射线 线站：光电子能谱、光化学、光刻、软X射线谱、时间分辨

11. 同步辐射应用 同步辐射与物质的相互作用 改变传播方向 衍射谱、小角散射、大角散射、漫散射、非弹性散射 二次粒子的发射 ——次级辐射或粒子 光电子谱、光离子谱、 荧光谱 光电子、俄歇电子、荧光 强度衰减 吸收谱、光刻、微细加工、成像、X光显微术、微束CT

12. 同步辐射应用 研究方法： • 光电子能谱（XPS） • 软X射线光谱 • 硬X射线光谱（透射方法、荧光方法） • X射线衍射 • 光刻和超微细加工等

13. After collision Before collision M M+ e- 入射光子 E=hγ 光电子能谱- XPS XPS Photoionization 光电离 • Eb＝hν-Ec-Ws • 利用光电子能谱可判别表面原子的种类和决定表面电子态 • 注意：XPS的入射光子可以来自同步辐射或其他X射线 • 同步辐射光电子能谱的优点： • 以单色化的同步光作为激发光源，研究材料表面和界面电子及原子结构 • 其特点是能够提供对表面极为敏感的信息

14. 光电子能谱 - XPS 当元素处于化合物状态时，与纯元素相比， 电子的结合能有一些小的变化，称为化学位移， 表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。 测量化学位移，可了解原子的状态和化学键信息。

15. 光电子能谱-XPS XPS表面分析方法，样品表面的元素含量与形态，深度约为3-5nm。 • 表面分析的主要内容有： • ►表面化学组成： • 表面元素组成、表面元素的分布、表面化学键、化学反应等 • ►表面结构： • 表面原子排列、表面缺陷、表面形貌 • ►表面原子态： • 表面原子振动状态、表面吸附(吸附能吸附位) 等 • ►表面电子态： • 表面电荷密度分布及能量分布、表面能级性质、表面态密度分布、价带结构

16. 软X射线XAFS 软x射线：波长大于0.5nm，即能量低于约2000eV的X射线。 适合于生物X射线成像技术（2nm~10nm) 自然状态下的生物样品 接近或达到分子水平 细胞、细胞器的超微结构 像差、镜面面形、光洁度 X射线成像元器件 分辨率不如电子显微镜 优点： 1.穿透深度大于电子显微镜（μm） 2.生物物质与水的吸收系数相差较大 水窗-水“透明” 高亮度、可调谐、相干 软X射线光源 研制 X射线显微镜 伦琴发现X射线-工业、医学应用 1895 1920s~1960s 1970s

17. 软X射线XAFS 在软X射线波段（100~2000eV），吸收谱研究工作主要集中在： 1、C、N、O等轻元素的K边； C的K边~280eV N的K边~390eV O的K边~530eV 2、钛、钒、铁、锰等过渡族元素的L边； 过渡族金属的L边大部分在400~1000eV 3、部分镧系稀土元素的M边； 大部分集中在100eV附近 固体：10~100nm蒸镀和溅射 内壳层发光测量-内壳层吸收谱

18. X射线荧光分析 硬X射线分析方法：透射方法、荧光方法（透射率大） XAFS实验的目地：获取样品中激发元素的吸收谱

19. X射线荧光分析 X射线荧光分析：微量元素定性、定量分析-非破坏性 荧光X射线全息成像：某种原子荧光分布花样确定原子及其周边原子位置

20. If 背底 X射线荧光分析 荧光谱线If 弹性X射线 非弹性X射线 选用同步辐射光源：最佳激发波段 针对特定元素分析 1.超微量元素分析：高亮度、高准直性（+全反射X射线荧光分析）-ppm 2.表面分析、薄膜分析：掠出射X射线 3.物质中元素分布图：微束入射光，扫描试样 4.重元素荧光分析：大型同步辐射光源

21. X射线荧光分析 样品要求 自吸收（self-absorption） μtot随入射光能量变化不可忽略-破坏XAFS信号 中等浓度-可修正 高浓度-不适用 荧光XAFS实验对样品要求不高，但样品含量不可过高，适用范围： LYTLE探测器： 1%(wt) ~100 ppm；GAD探测器： 1000 ppm ~10 ppm

22. t SR在腐蚀中的应用 Growth behavior of hydrogen micropores in aluminum alloys during high-temperature exposure Al-Mg合金中，氢气泡（60%）萌生于异质微粒、微孔 纯铝中微孔少，氢气泡缺少形核点 BL47XU-Spring8SRF Japan-2009

23. SR在腐蚀中的应用 Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysis 低于裂纹萌生10Mpa.m1/2 接近裂纹开裂15Mpa.m1/2 裂尖发生了奥氏体向马氏体转变-εyy有关 StanfordSRF-2007

24. SR在腐蚀中的应用 Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysis 周期1，2,10,100 转变区演变 奥氏体ε 0.5~1.0% 晶粒取向不对称-裂纹扩展 StanfordSRF-2007

25. 界面+4.1μm 界面+1.4μm 界面 界面-2.7μm SR在腐蚀中的应用 Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation 钝化膜 基体 在钝化膜下发现点蚀-传统没有发现 SR-μCT（ultra-bright SR X-ray）2010

26. SR在腐蚀中的应用 Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation 点蚀沿着Longitudinal 生长-表面膜覆盖（无法观察） 内部点蚀类似树枝状生长 SR-μCT（ultra-bright SR X-ray）2010

27. SR在腐蚀中的应用 Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation 裂纹不是起源于最深的点蚀坑（12μm） 腐蚀区深于点蚀（约40μm）-裂纹萌生 SR-μCT（ultra-bright SR X-ray）2010

28. Reference • 《XAFS基础》《同步辐射科学基础》《同步辐射应用基础》 • Growth behavior of hydrogen micropores in aluminum alloys during high-temperature exposure • Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysis • Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation • Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysis • Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation

29. Thank You !