同步辐射技术

SichuanUniversitySichuanUniversity第四章同步辐射技术及其在材料学中的应用2SichuanUniversity同步辐射光源和同步辐射装置同步辐射技术及其在材料学中的应用上海同步辐射中心简单介绍3SichuanUniversity同步辐射光源和同步辐射装置4SichuanUniversity同步辐射是一种先进和不可替代的光源是一类与中子散射互补的大科学装置是一个产生新的实验技术和方法的平台是一个不同学科互相交融的理想场所是一个凝聚和培养优秀创新人才的基地5SichuanUniversity什么是同步辐射？实验观察接近光速运动的电子在改变运动方向时会沿切线方向辐射电磁波。1947年4月，F.R.Elder等人在美国通用电气实验室的70MeV的电子同步加速器上首次观察到了电子的电磁辐射，因此命名为同步辐射。6SichuanUniversity7SichuanUniversity同步辐射光的特点8SichuanUniversityI.高亮度9SichuanUniversity高亮度的优势：实时（化学反应动力学、相变过程、活细胞变化过程）原位（高低温、高压、高真空等）微量样品其他要求高光强的实验，如X射线反射等10SichuanUniversityII.宽能谱从红外线、可见光、真空紫外线、软X射线一直延伸到硬X射线11SichuanUniversity12SichuanUniversityIII.小发散13SichuanUniversityIV.脉冲光14SichuanUniversityV.高偏振度15SichuanUniversityVI.具有精确的可预算的特性。可以用作各种波长的标准光源。VII.绝对洁净。因为它在超高真空产生，而没有任何如阳极、阴极和窗口带来的干扰16SichuanUniversity同步辐射装置发生装置（光源）光束线实验站17SichuanUniversity同步辐射装置组成部分及功能一、同步辐射发生装置1、注入器直线加速器（linac):初步加速，几十至几百MeV,产生电子，形成电子束团增强器（Booster):用同步加速器进一步加速电子达到需要值，可达GeV18SichuanUniversity2、电子储存环一定能量电子在环内稳定的运转，发射同步辐射由磁聚焦结构、高频加速谐振腔、束流传输束线、插入件（扭摆器、波荡器）及真空室构成19SichuanUniversity二、光束线：作用：对原始白色辐射进行加工以满足实验对波长、尺寸等的要求，并把辐射从发射点引导到实验装置的整个光路。1、前端区：从发射点到储存环出口作用：截取、引导、控制辐射：防止辐射对仪器、设备和人体造成损伤；保护储存环真空元件：狭缝、挡光器、真空快慢阀、光闸、真空位置探测器、光束位置监控器、隔离窗。20SichuanUniversity2、光束线：从储存环出口到实验装置的一段作用：除类似前端区功能外，主要是对辐射加工，以获得有一定能量（范围）、一定光斑尺寸和平行度的实验用光束元件：反射镜、准直镜、聚焦镜、单色器、狭缝21SichuanUniversity22SichuanUniversity23SichuanUniversity24SichuanUniversity25SichuanUniversity261皮秒等于一万亿分之一（即10的12次方分之一）秒SichuanUniversity27SichuanUniversity28SichuanUniversity29SichuanUniversity30SichuanUniversity31SichuanUniversity32SichuanUniversity33SichuanUniversity34SichuanUniversity35SichuanUniversity36SichuanUniversity37SichuanUniversity38SichuanUniversity39SichuanUniversity40SichuanUniversity41掠入射X射线散射（GISAXS）就是入射X射线掠入射到样品表面，经过样品表面层（表面薄膜）散射后再掠出射出来，测量出射的信号强度，这种方式测量时其入射－散射线构成的平面基本平行于试样表面（夹角大约为掠入射角），入射X射线穿透试样不深，测量对表面结构敏感，出射信号包含了大量的表面层散射信号。GISAXS就是针对表面薄膜的SAXS,GISAXS能获得的信息基本上就是SAXS能获得的信息，但GISAXS结果分析时要考虑衬底表面多次反射－－散射效应，数据分析稍微复杂一点。SichuanUniversity42同步辐射小角X射线散射（saxs）主要应用于尺寸为1nm—100nm的纳米结构表征，可以表征固体、液体、粉末、薄膜等多种形式的样品，主要应用的领域有聚合物、纤维材料、金属材料、半导体材料等等。常见的实验方法为透射的SAXS和掠入射的小角散射（GISAXS），这两者的区别是透射的SAXS测量的是体相结构的信息，而GISAXS则是测量的表面及表层结构，因此常用于薄膜材料的表面及表层不同深度的结构表征。而这两种实验方法又都可以做一些原位的实验，例如样品在拉伸、剪切、变温等实验环境下的结构变化，催化剂的反应过程测量。因此具有非常灵活的实验手段，可以根据需要自行加入相关设备，实现各种实验过程的有效表征。SichuanUniversitySAXS和WAXS实例43SichuanUniversity44SichuanUniversity45SichuanUniversity46SichuanUniversity47SichuanUniversity48SichuanUniversity49SichuanUniversity50SichuanUniversity掠入射X射线衍射(GIXRD)和掠入射X射线散射过程类似，机理和XRD相同。而通常XRD测量时，一般来说入射－衍射束构成的平面垂直于试样表面（晶面），这样X射线穿透样品较深，出射信号含表面薄膜信号很少，测量对表面结构不敏感，所以也可以简单的理解为GIXRD就是专门针对表面薄膜的XRD。51SichuanUniversity52SichuanUniversity53SichuanUniversity54SichuanUniversity55SichuanUniversity56SichuanUniversity上海同步辐射中心57SichuanUniversity58SichuanUniversity59SichuanUniversity60SichuanUniversity61SichuanUniversity62SichuanUniversity63