同步辐射及其应用

同步辐射及其应用SynchrotronRadiationanditsApplication孙晓英材料环境腐蚀研究中心Contents同步辐射简介光电子能谱XPS软X射线XAFSX射线荧光分析SR在腐蚀中的应用同步辐射简介衍射、折射、散射检测特性等产生光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性同步辐射简介同步辐射: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。同步辐射简介19471960s19651970s目前美国、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加速器同步辐射简介第一代：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SR应用的现代阶段同步辐射简介ESRF示意图：EuropeanSynchrotronRadiationFacility美国APS7GeV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同步辐射简介国家同步辐射实验室类型美国NSLS布鲁克海文国家实验室２ALADDIN威斯康星同步辐射中心２SPEAR斯坦福直线加速中心３ALS劳伦斯贝克莱国家实验室３APS阿贡国家实验室３德国HASLAB,DESY,汉堡2BESSY柏林，物理技术所3DELTA多特蒙德3ELSA波恩大学1俄罗斯VEPP,新西伯利亚核物理研究所1Siberia,莫斯科原子能所2英国SPS,Daresbury,达累斯堡2意大利ADONE弗拉丝卡地2ELETTRA的里亚斯特3日本Spring-8西播摩同步辐射研究所3PF筑波,高能物理研究所2韩国PLS汉城浦项同步辐射光源3法国ESRF,格勒诺布尔3DCI,Lure,奥塞2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PetraIII（6G）同步辐射简介BSRF北京NSRL中科大台湾SSRF上海先进第三代X射线-远红外高亮度3.5GeV世界先进低能第三代1970S末第一代高能物理研究1984-SR-2.2GeV硬X射线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、时间分辨中国同步辐射应用改变传播方向衍射谱、小角散射、大角散射、漫散射、非弹性散射强度衰减吸收谱、光刻、微细加工、成像、X光显微术、微束CT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、荧光同步辐射与物质的相互作用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同步辐射应用研究方法：光电子能谱-XPSXPSMM+BeforecollisionAftercollision入射光子E=hγe-Photoionization光电离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Eb＝hν-Ec-Ws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。光电子能谱-XPS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。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18951920s~1960s1970s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”软X射线XAFS1、C、N、O等轻元素的K边；C的K边~280eVN的K边~390eVO的K边~530eV2、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400~1000eV3、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-内壳层吸收谱在软X射线波段（100~2000eV），吸收谱研究工作主要集中在：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X射线荧光分析背底If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）-ppm2.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)~100ppm；GAD探测器：1000ppm~10ppmSR在腐蚀中的应用Growthbehaviorofhydrogenmicroporesinaluminumalloysduringhigh-temperatureexposuretAl-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-Spring8SRFJapan-2009SR在腐蚀中的应用Evolutionofcrack-tiptransformationzonesinsuperelasticNitinolsubjectedtoinsitufatigueAfracturemechanicsandsynchrotronXraymicrodiffractionanalysisStanfordSRF-2007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SR在腐蚀中的应用Evolutionofcrack-tiptransformationzonesinsuperelasticNitinolsubjectedtoinsitufatigueAfracturemechanicsandsynchrotronXraymicrodiffractionanalysisStanfordSRF-2007周期1，2,10,100转变区演变奥氏体ε0.5~1.0%晶粒取向不对称-裂纹扩展SR在腐蚀中的应用SR-μCT（ultra-brightSRX-ray）2010Observationsofcorrosionpitsandcracksincorrosionfatigueofhighstrengthaluminumalloybycomputed-tomographyusingsynchrotronradiation界面+4.1μm界面+1.4μm界面界面-2.7μm钝化膜基体在钝化膜下发现点蚀-传统没有发现SR在腐蚀中的应用Observationsofcorrosionpitsandcracksincorrosionfatigueofhighstrengthaluminumalloybycomputed-tomographyusingsynchrotronradiation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-brightSRX-ray）2010SR在腐蚀中的应用Observationsofcorrosionpitsandcracksincorrosionfatigueofhighstrengthaluminumalloybycomputed-tomographyusingsynchrotronradiation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-brightSRX-ray）2010Reference《XAFS基础》《同步辐射科学基础》《同步辐射应用基础》Growthbehaviorofhydrogenmicroporesinaluminumalloysduringhigh-temperatureexposureEvolutionofcrack-tiptransformationzonesinsuperelasticNitinolsubjectedtoinsitufatigueAfracturemechanicsandsynchrotronXraymicrodiffractionanalysisObservationsofcorrosionpitsandcracksincorrosionfatigueofhighstrengthaluminumalloybycomputed-tomographyusingsynchrotronradiationEvolutionofcrack-tiptransformationzonesinsuperelasticNitinolsubjectedtoinsitufatigueAfracturemechanicsandsynchrotronXraymicrodiffractionanalysisObservationsofcorrosionpitsandcracksincorrosionfatigueofhighstrengthaluminumalloybycomputed-tomographyusingsynchrotronradiation