同步輻射技術(shù)

1、Sichuan UniversitySichuan University 第四章第四章 同步輻射技術(shù)及其在材料學(xué)同步輻射技術(shù)及其在材料學(xué)中的應(yīng)用中的應(yīng)用2Sichuan Universityl同步輻射光源和同步輻射裝置同步輻射光源和同步輻射裝置l同步輻射技術(shù)及其在材料學(xué)中的應(yīng)用同步輻射技術(shù)及其在材料學(xué)中的應(yīng)用l上海同步輻射中心簡(jiǎn)單介紹上海同步輻射中心簡(jiǎn)單介紹3Sichuan University 同步輻射光源和同步輻射裝置同步輻射光源和同步輻射裝置4Sichuan Universityl同步輻射同步輻射是一種先進(jìn)和不可替代的光源是一種先進(jìn)和不可替代的光源是一類與中子散射互補(bǔ)的大科學(xué)裝置是一類與

2、中子散射互補(bǔ)的大科學(xué)裝置是一個(gè)產(chǎn)生新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的平臺(tái)是一個(gè)產(chǎn)生新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的平臺(tái)是一個(gè)不同學(xué)科互相交融的理想場(chǎng)所是一個(gè)不同學(xué)科互相交融的理想場(chǎng)所是一個(gè)凝聚和培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才的基地是一個(gè)凝聚和培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才的基地5Sichuan University 什么是同步輻射？什么是同步輻射？u實(shí)驗(yàn)觀察實(shí)驗(yàn)觀察接近光速運(yùn)動(dòng)接近光速運(yùn)動(dòng) 的電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)會(huì)沿的電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)會(huì)沿切線方切線方向輻射電磁波向輻射電磁波。1947年年4月，月，F(xiàn). R. Elder等人在美國(guó)等人在美國(guó)通用電氣實(shí)驗(yàn)室的通用電氣實(shí)驗(yàn)室的70MeV的的電子同步加速器電子同步加速器上首次上首次觀察到了電子的電磁輻

3、射，因此命名為觀察到了電子的電磁輻射，因此命名為同步輻射同步輻射。6Sichuan University7Sichuan University同步輻射光的特點(diǎn)同步輻射光的特點(diǎn)8Sichuan UniversityI. 高亮度高亮度9Sichuan Universityl高亮度的優(yōu)勢(shì)高亮度的優(yōu)勢(shì)：實(shí)時(shí)（化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、相變過(guò)程、活細(xì)胞實(shí)時(shí)（化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、相變過(guò)程、活細(xì)胞變化過(guò)程）變化過(guò)程）原位（高低溫、高壓、高真空等）原位（高低溫、高壓、高真空等）微量樣品微量樣品其他要求高光強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，如其他要求高光強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，如X射線反射等射線反射等10Sichuan UniversityII.寬寬能譜能譜從紅

4、外線、可見(jiàn)光、真空紫外線、軟從紅外線、可見(jiàn)光、真空紫外線、軟X射線一射線一直延伸到硬直延伸到硬X射線射線11Sichuan University12Sichuan UniversityIII.小發(fā)散小發(fā)散13Sichuan UniversityIV.脈沖光脈沖光14Sichuan UniversityV.高偏振度高偏振度15Sichuan UniversityVI.具有精確的可預(yù)算的特性。具有精確的可預(yù)算的特性?？梢杂米鞲鞣N可以用作各種波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)光源。波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)光源。VII.絕對(duì)潔凈。絕對(duì)潔凈。因?yàn)樗诔哒婵债a(chǎn)生，而沒(méi)因?yàn)樗诔哒婵债a(chǎn)生，而沒(méi)有任何如陽(yáng)極、陰極和窗口帶來(lái)的干擾有任何如陽(yáng)極、

5、陰極和窗口帶來(lái)的干擾16Sichuan University同步輻射裝置同步輻射裝置l發(fā)生裝置（光源）發(fā)生裝置（光源）l光束線光束線l實(shí)驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)站17Sichuan University 同步輻射裝置組成部分及功能同步輻射裝置組成部分及功能一、同步輻射發(fā)生裝置一、同步輻射發(fā)生裝置1、注入器直線加速器（linac):初步加速，幾十至幾百M(fèi)eV,產(chǎn)生電子，形成電子束團(tuán)增強(qiáng)器（Booster):用同步加速器進(jìn)一步加速電子達(dá)到需要值，可達(dá)GeV18Sichuan University2、電子儲(chǔ)存環(huán)一定能量電子在環(huán)內(nèi)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)射同步輻射由磁聚焦結(jié)構(gòu)、高頻加速諧振腔、束流傳輸束線、插入件（扭擺器、波蕩

6、器）及真空室構(gòu)成19Sichuan University二、光束線：二、光束線：作用作用：對(duì)原始白色輻射進(jìn)行加工以滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)波長(zhǎng)、尺寸等的要求，并把輻射從發(fā)射點(diǎn)引導(dǎo)到實(shí)驗(yàn)裝置的整個(gè)光路。1 1、前端區(qū)：、前端區(qū)：從發(fā)射點(diǎn)到儲(chǔ)存環(huán)出口作用：截取、引導(dǎo)、控制輻射：防止輻射對(duì)儀器、設(shè)備和人體造成損傷；保護(hù)儲(chǔ)存環(huán)真空元件：狹縫、擋光器、真空快慢閥、光閘、真空位置探測(cè)器、光束位置監(jiān)控器、隔離窗。20Sichuan University2、光束線：從儲(chǔ)存環(huán)出口到實(shí)驗(yàn)裝置的一段作用：除類似前端區(qū)功能外，主要是對(duì)輻射加工，以獲得有一定能量（范圍）、一定光斑尺寸和平行度的實(shí)驗(yàn)用光束元件：反射鏡、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、

7、單色器、狹縫21Sichuan University22Sichuan University23Sichuan University24Sichuan University25Sichuan University26 1皮秒等于一萬(wàn)億分之一（即10的12次方分之一）秒Sichuan University27Sichuan University28Sichuan University29Sichuan University30Sichuan University31Sichuan University32Sichuan University33Sichuan University34Sichua

8、n University35Sichuan University36Sichuan University37Sichuan University38Sichuan University39Sichuan University40Sichuan University41掠入射X射線散射（GISAXS）就是入射X射線掠入射到樣品表面，經(jīng)過(guò)樣品表面層（表面薄膜）散射后再掠出射出來(lái)，測(cè)量出射的信號(hào)強(qiáng)度，這種方式測(cè)量時(shí)其入射散射線構(gòu)成的平面基本平行于試樣表面（夾角大約為掠入射角），入射X射線穿透試樣不深，測(cè)量對(duì)表面結(jié)構(gòu)敏感，出射信號(hào)包含了大量的表面層散射信號(hào)。 GISAXS就是針對(duì)表面薄膜的SAXS,

9、GISAXS能獲得的信息基本上就是SAXS能獲得的信息，但GISAXS結(jié)果分析時(shí)要考慮襯底表面多次反射散射效應(yīng)，數(shù)據(jù)分析稍微復(fù)雜一點(diǎn)。 Sichuan University42同步輻射小角X射線散射（saxs）主要應(yīng)用于尺寸為1nm100nm的納米結(jié)構(gòu)表征，可以表征固體、液體、粉末、薄膜等多種形式的樣品，主要應(yīng)用的領(lǐng)域有聚合物、纖維材料、金屬材料、半導(dǎo)體材料等等。常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方法為透射的SAXS和掠入射的小角散射（GISAXS），這兩者的區(qū)別是透射的SAXS測(cè)量的是體相結(jié)構(gòu)的信息，而GISAXS則是測(cè)量的表面及表層結(jié)構(gòu)，因此常用于薄膜材料的表面及表層不同深度的結(jié)構(gòu)表征。而這兩種實(shí)驗(yàn)方法又都可以做

10、一些原位的實(shí)驗(yàn)，例如樣品在拉伸、剪切、變溫等實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化，催化劑的反應(yīng)過(guò)程測(cè)量。因此具有非常靈活的實(shí)驗(yàn)手段，可以根據(jù)需要自行加入相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)過(guò)程的有效表征。Sichuan University SAXS 和和 WAXS 實(shí)例實(shí)例43Sichuan University44Sichuan University45Sichuan University46Sichuan University47Sichuan University48Sichuan University49Sichuan University50Sichuan Universityl掠入射掠入射X射線衍射射線衍射(

11、GIXRD)和掠入射和掠入射X射線散射線散射過(guò)程類似，機(jī)理和射過(guò)程類似，機(jī)理和XRD相同。而通常相同。而通常XRD測(cè)量時(shí)，一般來(lái)說(shuō)入射衍射束構(gòu)成的平面測(cè)量時(shí)，一般來(lái)說(shuō)入射衍射束構(gòu)成的平面垂直于試樣表面（晶面），這樣垂直于試樣表面（晶面），這樣X(jué)射線穿透樣射線穿透樣品較深，出射信號(hào)含表面薄膜信號(hào)很少，測(cè)品較深，出射信號(hào)含表面薄膜信號(hào)很少，測(cè)量對(duì)表面結(jié)構(gòu)不敏感，所以也可以簡(jiǎn)單的理量對(duì)表面結(jié)構(gòu)不敏感，所以也可以簡(jiǎn)單的理解為解為GIXRD就是專門針對(duì)表面薄膜的就是專門針對(duì)表面薄膜的XRD。 51Sichuan University52Sichuan University53Sichuan University54Sichuan University55S