同步輻射技術及應用同學-xafs課程2-athena軟件介紹

ATHENA軟件在XAFS

數(shù)據(jù)分析中的應用閆文盛中國科大國家同步輻射實驗室

2011年3月27日上?；緝热軦THENA簡介EXAFS數(shù)據(jù)處理在ATHENA的作圖EXAFS數(shù)據(jù)預處理簡單應用

ATHENA簡介

ATHENA簡介雅典娜是一個處理EXAFS數(shù)據(jù)的專用工具

具有互動、即時圖形顯示特點雅典娜可以直接處理在一些常用的光束線上采集的實驗數(shù)據(jù)雅典娜可以處理單組數(shù)據(jù)也可以同時處理多組數(shù)據(jù)

精確控制數(shù)據(jù)處理、繪圖ATHENA簡介將原始數(shù)據(jù)轉換成μ(E)曲線同時處理單個和多組數(shù)據(jù)校準能量平滑μ(E)數(shù)據(jù)自動背底扣除（AUTOBK）線形擬合XANES和EXAFS數(shù)據(jù)對XANES的邊前峰進行初步分峰擬合具有工程文件-----------------

ATHENA簡介基本功能

圖1:athena主窗口

ATHENA簡介圖2:輸入了數(shù)據(jù)的athena主窗口

ATHENA簡介XAFS數(shù)據(jù)處理求-E曲線歸一化背底扣除

E→k轉換求(k)及加權和加窗快速Fourier變換Fourier濾波-E曲線

透射

熒光數(shù)據(jù)輸入圖3在Athena中讀入實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入-E曲線歸一化的原因：由于設備、數(shù)據(jù)采集模式、入射光強度、樣品厚度等等的不同，一系列的原始數(shù)據(jù)的吸收譜記錄下來的吸收強度會有所不同，不具有可比性。為了對這些數(shù)據(jù)進行比較，需要將它們歸一化，統(tǒng)一成可比數(shù)據(jù)。歸一化的目的：是研究一組數(shù)據(jù)的區(qū)別和聯(lián)系，單獨對某一數(shù)據(jù)的歸一化并無實際意義。歸一化的方案：不唯一，例如可以在邊后選取兩點，其連線與吸收邊的交點定為1，或者取邊后兩點，計算這一段數(shù)據(jù)圍成的面積（以該段數(shù)據(jù)最低點作x軸平行線為該圖形的底），然后找到將這個圖形面積一分為二的橫線，定其縱坐標為1。歸一化扣除本底的方法很多，例如迭代低次多項式、傅立葉變換過濾法、外推法等等。一般使用外推法，應用維克多林公式（μ(λ)=Cλ3-Dλ4）擬合吸收邊前的吸收曲線，將它延長到吸收邊以后，作為本底部分扣除。當然也可以使用多項式法分別擬合邊前邊后兩部分數(shù)據(jù)，作為本底扣除。歸一化物理基礎是：

物質的總吸收系數(shù)的變化在吸收邊前是單調平滑的。在吸收邊處，某一電子的吸收發(fā)生突變。到了吸收邊后，該電子的吸收波動產(chǎn)生了EXAFS,而其它吸收因素的吸收仍然按照原規(guī)律變化，因而可以找到其變化規(guī)律，將其作為本底吸收。當然，這只是一種近似，因為吸收邊后的背景吸收不該包含造成吸收邊的電子的吸收，而邊前的吸收中總是包含這個電子的吸收的。還有，探測器和電子學儀器的相應差別，高次諧波、彈性吸收和多電子激發(fā)等的影響也有不同，使得探測到的I0只是實際I0的一部分。歸一化和本底扣除對于一般的測量數(shù)據(jù)來說，通過程序中缺省的參數(shù)都可以進行很好的歸一化和本底扣除對于信噪比較差、白線峰較高以及出現(xiàn)了鄰近的另一個吸收邊的數(shù)據(jù)，需要我們改變程序中相應的參數(shù)來進行合理的歸一化和本底扣除歸一化在ATHENA中：歸一化

圖4:在athena中歸一化的參數(shù)圖5:(左)具有邊前和邊后延長線的Cufoil吸收曲線μ(E)(右)歸一化的Cufoil的吸收曲線μ(E)歸一化邊后歸一化范圍選擇不當帶來的影響：歸一化

圖6:(左)歸一化范圍選擇不當?shù)腂aTiO3

譜(右)相應的歸一化BaTiO3

譜TiKedgeBaL3edgeBaTiO3圖7:(左)在水合鈾的吸收譜中選擇了不同的歸一化范圍(右)歸一化后吸收譜之間的比較歸一化UL3edge42eV75eV影響對U化學價的判斷硫醇樹枝狀大分子弱相互作用得到電子強相互作用失去電子歸一化AuAu圖8:含有鈾和釔的沉淀物歸一化YKedgeUL3edge邊前范圍的不當選取扭曲臺階高度和XAFS信號背底扣除背底扣除背底扣除背底扣除圖9:輸入了fe.300數(shù)據(jù)的athena界面Rbkg參數(shù)的影響背底扣除圖10:(左)fe.300的吸收譜和背底函數(shù)

(右)fe.300的χ(k)曲線.(下)

fe.300的χ(R)曲線背底扣除圖11:利用不同Rbkg（0.2和1）獲得的χ(R)和χ(k)的比較紅色Rbkg=0.2藍色Rbkg=1Rbkg=0.2背底扣除紅色Rbkg=2.5藍色Rbkg=1

圖12:利用不同Rbkg（1和2.5）獲得的χ(R)的比較Rbkg通常選擇為第一近鄰配位殼層的一半為好！Rbkg=2.5疊加了一個低頻信號背底扣除K-weight對背底扣除的影響對信噪比較好的數(shù)據(jù)：K=2，3較好對信噪比較差的數(shù)據(jù)：K=1較好

圖13:在背底扣除中k-weight參數(shù)圖14:在噪音較大的數(shù)據(jù)中，當k-weight為3時獲得的背底函數(shù)背底扣除背底扣除

圖15:在背底扣除中K的不同取值范圍對Aufoil的χ(k)曲線的影響圖16:顯示了額外背底參數(shù)的athena主窗口背底扣除E至k空間轉換圖17:E至k空間轉換得到χ(k)之后，還要對其進行加權變換。公式中的散射振幅Fj（k）在高k部分基本上反比于k2，由此可以看出，EXAFS信號的振幅隨著k的增加衰減的很快，這對高k部分的數(shù)據(jù)處理非常不利。高k部分的振蕩包含了極多的結構信息，為了補償這一損失，常用kn去乘χ(k)，kn是一個權重因子，隨著k的增加，權重因子以指數(shù)形式增長。E至k空間轉換n取1，2，或3，它不僅與吸收原子、散射原子種類有關，而且與具體體系有關，與原始數(shù)據(jù)信噪比有關，要依據(jù)knχ(k)－k曲線的情形來判斷。通常可以依據(jù)吸收原子的原子序數(shù)來定。1979年，Lee等人提出一個建議：在原子序數(shù)Z<36，36<Z<57及Z>57三種情況下，n分別取3，2，1。公式中本身就還有1/k因子，由有Fj（k）對k的影響，乘上k3后就基本消滅了這兩個使振幅隨k增大而變小的因素，使EXAFS信號的振蕩比較均勻。此外，EXAFS受化學效果的影響主要表現(xiàn)在低k部分，加權可以很大程度上抹去這種影響的效果E至k空間轉換快速Fourier變換圖18:Fourier變換的參數(shù)選擇可以看出，χ(k)是由不同Rj處各配位層對散射波的共同調制疊加形成的，從公式可以看出，χ(k)是對各殼層χj(k)的求和。它不僅是k的函數(shù)，也是Rj的函數(shù)，不同Rj處的配位層對EXAFS振蕩的貢獻不同。可以想象，將各Rj配位層對EXAFS的貢獻求出，即從公式中分解出各個殼層單獨的信息ρ（Rj）（即確定Rj對k積分），作ρ（R）－R圖，則各配位殼層對應的Rj位置上必然有所表示，而其它R處只有本底。這種ρ（R）－R圖表征的函數(shù)稱為徑向結構函數(shù).快速Fourier變換以Cu的χ(k)和χ(R)函數(shù)來闡明之間的對應關系快速Fourier變換傅立葉變換法具有頻譜分析的功能，可以很好地將χ(k)從頻域變換到空間域，單獨研究各殼層。按照傅立葉變換的定義，這個操作應當在-∞到∞的范圍內進行，但實驗數(shù)據(jù)不可能達到這個要求，低k部分的截取除去了XANES部分，使得所有慢變成分全都消失，高k部分的有限長度限制了變換結果的分辨率。如果將χ(k)兩端強行設置為0，會給傅立葉變換帶來邊瓣，因此要在變換中加入一個窗函數(shù)ω（k），使其兩端緩慢變?yōu)?，減少干擾。加窗這一操作在許多科學計算中都有使用，因為窗函數(shù)可以去除部分噪音，選取需要的分立數(shù)據(jù)，等等優(yōu)點。在EXAFS的傅立葉與反傅立葉變換中都需要用到。

快速Fourier變換快速Fourier變換Kmin取離y=0最近的一個點，但值最好大于3Kmax取離y=0最近的一個點，且其值要使振蕩為一完整周期，周期越多越好，但要避免噪音較大的情況圖19:在Fourier變換中加窗的χ(k)不同窗函數(shù)之間的比較漢寧(hanning)凱澤--貝塞爾窗(Kaiser-bessel)韋爾奇(welch)正弦(Sine)漢寧(hanning)漢寧(hanning)dk=1dk=3快速Fourier變換圖20:Fourier變換后的Cufoil的χ(R)快速Fourier變換圖21:顯示了實部、虛部以及包絡線的χ(R)

考慮相位校正快速Fourier變換在Fourier變換中，選擇不同窗口的比較正弦漢寧快速Fourier變換.

Fourier變換的解釋Fourier變換復數(shù)形式為Fourier變換的模很像“徑向分布函數(shù)”。但它完全不是、也不能把它俗稱為“徑向分布函數(shù)”。Fourier變換的模是非線性的。Fourier變換的模中，兩峰之間低到零時，不一定兩峰會分得很開，很可能是有干涉存在。Fourier變換函數(shù)的峰位與配位距離有關;峰高與配位數(shù)、無序參量2、k權重、k空間窗口選取等有關。對于中等和大無序系統(tǒng),無序會導致峰位位移。不同溫度下Sb樣品的Sb的χ(k)和χ(R)快速Fourier變換快速Fourier變換圖22:具有不同k范圍的Fefoil的χ(R)Fourier濾波圖23:Fourier濾波的參數(shù)選擇Fourier濾波圖24:Cufoil的x(R)的Fourier濾波如何選擇變換范圍？數(shù)據(jù)的輸出圖25:在athena中的數(shù)據(jù)輸出圖26:在能量空間中作圖的面板在ATHENA中作圖在ATHENA中作圖K空間R空間q空間圖27:在R空間利用stack面板平移Au氯化物的x(R).在ATHENA中作圖

圖28:利用Ind面板在k空間標示出需要對比的特殊點在ATHENA中作圖

圖29:利用PF面板讀出某一特定點的坐標在ATHENA中作圖EXAFS數(shù)據(jù)預處理

圖3