1、同步辐射及其应用同步辐射及其应用孙晓英孙晓英材料环境腐蚀研究中心材料环境腐蚀研究中心Contents同步辐射简介同步辐射简介光电子能谱光电子能谱XPSXPS软软X X射线射线XAFSXAFSX X射线荧光分析射线荧光分析SRSR在腐蚀中的应用在腐蚀中的应用同步辐射简介同步辐射简介衍射、折射、散射检测特性等衍射、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简介同步辐射同步辐射: :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，
2、弯转磁铁强迫高能电子束团，在切线方向电磁波发射出来。在切线方向电磁波发射出来。同步辐射简介同步辐射简介19471960s19651970s目前目前美国、通用电气美国、通用电气 同步加速同步加速器发现器发现SRSR应用的可行性研究应用的可行性研究意大利意大利 FrascatiFrascati建成储存环建成储存环SRSR应用应用的现代阶段的现代阶段-3-3代代约约7070座试验用座试验用SRSR加速器加速器同步辐射简介同步辐射简介第一代第一代 ：2020世纪世纪7070年代的第一代光源是与高能物理加速器共用的储存环年代的第一代光源是与高能物理加速器共用的储存环第第二二代代： 2020世纪世纪808
3、0年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加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引出同步辐射光第三代第三代：8080年代后期，储存环中装入特别的插件磁铁年代后期，储存环中装入特别的插件磁铁( (波荡器和扭摆器波荡器和扭摆器) ) ，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SRSR应用的现代阶段应用的现代阶段同步辐射简介同步辐射简介ESRFESRF示意图：
4、示意图：European Synchrotron Radiation FacilityEuropean Synchrotron Radiation Facility美国美国 APS 7GeVAPS 7GeVl电子枪电子枪 l直线加速器直线加速器 - - 预加速预加速l增强器增强器 - - 加速到满能量加速到满能量l储存环储存环l光束线光束线l实验站实验站同步辐射简介同步辐射简介特点：特点：1 1 通量大、亮度高通量大、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, , 第三代第三代同步辐射光源的同步辐射光源的 X X射线亮度是射
5、线亮度是X X光机的上千亿倍光机的上千亿倍2 2 频谱宽，连续可调频谱宽，连续可调同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X X射线一直延伸到硬射线一直延伸到硬X X射线射线3 3 方向性强，天然高准直性方向性强，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 4 脉冲性和有特定的时间结构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、生物细胞的变化等理激发过程
6、、生物细胞的变化等5 5 洁净光源，对环境没有任何污染洁净光源，对环境没有任何污染同步辐射简介同步辐射简介世界上四大高能光源：世界上四大高能光源：法国的法国的ESRFESRF（6G6G）、日本的）、日本的SPring-8SPring-8、美国的、美国的APSAPS、德国的、德国的Petra IIIPetra III （6G6G）同步辐射简介同步辐射简介BSRFBSRF北京北京NSRLNSRL中科大中科大台湾台湾SSRFSSRF上海上海先进第三代先进第三代X X射线射线- -远红外高亮度远红外高亮度3.5GeV3.5GeV世界先进世界先进低能第三代低能第三代1970S1970S末第一代末第一代
7、高能物理研究高能物理研究1984-SR-2.2GeV1984-SR-2.2GeV硬硬X X射线射线19831983年年9090初建成低能第二代初建成低能第二代800MeV800MeV不产生硬不产生硬X X射线射线线站：光电子能谱、光化学、光线站：光电子能谱、光化学、光刻、软刻、软X X射线谱、时间分辨射线谱、时间分辨中国中国同步辐射应用同步辐射应用改变传播方向改变传播方向衍射谱、小角散射、大角散射、漫散射、非弹性散射衍射谱、小角散射、大角散射、漫散射、非弹性散射强度衰减强度衰减 吸收谱、光刻、微细加工、成像、吸收谱、光刻、微细加工、成像、X X光显微术、微束光显微术、微束CTCT二次粒子的发射
8、二次粒子的发射次级辐射或粒子次级辐射或粒子 光电子谱、光离子谱、光电子谱、光离子谱、荧光谱荧光谱光电子、俄歇电子、荧光光电子、俄歇电子、荧光同步辐射与物质的相互作用同步辐射与物质的相互作用 光电子能谱光电子能谱（XPSXPS） 软软X X射线光谱射线光谱 硬硬X X射线光谱（透射方法、射线光谱（透射方法、荧光方法荧光方法） X X射线衍射射线衍射 光刻和超微细加工等光刻和超微细加工等同步辐射应用同步辐射应用研究方法：研究方法：光电子能谱光电子能谱- XPSXPSMM+Before collisionAfter collision入射光子E=he-Photoionization 光电离光电离利用
9、光电子能谱可判别表面原子的种类和决定表面电子态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：注意：XPSXPS的入射光子可以来自同步辐射或其他的入射光子可以来自同步辐射或其他X X射线射线同步辐射光电子能谱的优点：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构其特点是能够提供对表面极为敏感的信息其特点是能够提供对表面极为敏感的信息lEbh-Ec-Ws 光电子能谱光电子能谱 - XPS当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，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
10、化，称为化学位移，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。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。测量化学位移，可了解原子的状态和化学键信息。光电子能谱光电子能谱-XPS表面分析的主要内容有：表面分析的主要内容有： 表面化学组成：表面化学组成：表面元素组成、表面元素的分布、表面表面元素组成、表面元素的分布、表面化学键、化学反应等化学键、化学反应等 表面结构：表面结构：表面原子排列、表面缺陷、表面形貌表面原子排列、表面缺陷、表面形貌 表面原子态：表面原子态：表面原子振动状态、表面吸附表面原子振动状态、表面吸
11、附( (吸附能吸附能吸附位吸附位) ) 等等 表面电子态：表面电子态：表面电荷密度分布及能量分布、表面能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、价带结构级性质、表面态密度分布、价带结构XPSXPS表面分析方法，样品表面的元素含量与形态，深度约为表面分析方法，样品表面的元素含量与形态，深度约为3-5nm3-5nm。软软X射线射线XAFS软软x x射线：射线：波长大于波长大于0.5nm0.5nm，即能量低于约，即能量低于约2000eV2000eV的的X X射线。射线。适合于生物适合于生物X X射线成像技术（射线成像技术（2nm10nm)2nm10nm)自然状态下的生物样品自然状态
12、下的生物样品接近或达到分子水平接近或达到分子水平细胞、细胞器的超微结细胞、细胞器的超微结构构高亮度、可调谐、高亮度、可调谐、相干相干软软X X射线光源射线光源研制研制X X射线显微镜射线显微镜伦琴发现伦琴发现X X射射线线- -工业、医工业、医学应用学应用18951920s1960s1970s像差、镜面面形、像差、镜面面形、光洁度光洁度X X射线成像元器件射线成像元器件分辨率不如电子分辨率不如电子显微镜显微镜优点：优点：1.1.穿透深度大于电穿透深度大于电子显微镜（子显微镜（mm）2.2.生物物质与水的生物物质与水的吸收系数相差较大吸收系数相差较大水窗水窗- -水水“透明透明”软软X射线射线X
13、AFS1 1、C C、N N、O O等轻元素的等轻元素的K K边；边； C C的的K K边边280eV280eV N N的的K K边边390eV390eV O O的的K K边边530eV530eV2 2、钛、钒、铁、锰等过渡族元素的、钛、钒、铁、锰等过渡族元素的L L边；边； 过渡族金属的过渡族金属的L L边大部分在边大部分在4001000eV4001000eV3 3、部分镧系稀土元素的、部分镧系稀土元素的M M边；边； 大部分集中在大部分集中在100eV100eV附近附近固体：固体：10100nm10100nm蒸镀和溅射蒸镀和溅射内壳层发光测量内壳层发光测量- -内壳层吸收谱内壳层吸收谱在软
14、在软X X射线波段（射线波段（1002000eV1002000eV），吸收谱研究工作主要集中在：），吸收谱研究工作主要集中在：X射线荧光分析射线荧光分析硬硬X X射线分析方法：透射方法、荧光方法（透射率大）射线分析方法：透射方法、荧光方法（透射率大）XAFSXAFS实验的目地：获取样品中激发元素的吸收谱实验的目地：获取样品中激发元素的吸收谱X射线荧光分析射线荧光分析X X射线荧光分析：微量元素定性、定量分析射线荧光分析：微量元素定性、定量分析- -非破坏性非破坏性荧光荧光X 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子位置X
15、射线荧光分析射线荧光分析背底背底If荧光谱线荧光谱线I If f弹性弹性X X射线射线非弹性非弹性X X射线射线选用同步辐射光源：最佳激发波段选用同步辐射光源：最佳激发波段 针对特定元针对特定元素分析素分析1.1.超微量元素分析：高亮度、高准直性（超微量元素分析：高亮度、高准直性（+ +全反射全反射X X射线荧光分析）射线荧光分析）- -ppmppm2.2.表面分析、薄膜分析：掠出射表面分析、薄膜分析：掠出射X X射线射线3.3.物质中元素分布图：微束入射光，扫描试样物质中元素分布图：微束入射光，扫描试样4.4.重元素荧光分析：大型同步辐射光源重元素荧光分析：大型同步辐射光源X射线荧光分析射线
16、荧光分析样品要求样品要求自吸收（自吸收（self-self-absorptionabsorption）tottot随入射光能量变化随入射光能量变化不可忽略不可忽略- -破坏破坏XAFSXAFS信信号号中等浓度中等浓度- -可修正可修正高浓度高浓度- -不适用不适用荧光荧光XAFSXAFS实验对样品要求不高，但样品含量不可过高，适用范围：实验对样品要求不高，但样品含量不可过高，适用范围：LYTLELYTLE探测器：探测器： 1%(wt) 100 1%(wt) 100 ppmppm；GADGAD探测器：探测器： 1000 1000 ppmppm 10 10 ppmppmSR在腐蚀中的应用在腐蚀中的
17、应用Growth behavior of hydrogen micropores in aluminum alloys during high-temperature exposuretAl-MgAl-Mg合金中，氢气泡（合金中，氢气泡（60%60%）萌生于异质微粒、微孔）萌生于异质微粒、微孔纯铝中微孔少，氢气泡缺少形核点纯铝中微孔少，氢气泡缺少形核点BL47XU-Spring8SRF Japan-2009BL47XU-Spring8SRF Japan-2009SR在腐蚀中的应用在腐蚀中的应用Evolution of crack-tip transformation zones in supe
18、relastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysisStanfordSRF-2007低于裂纹萌生低于裂纹萌生10Mpa.m10Mpa.m1/21/2接近裂纹开裂接近裂纹开裂15Mpa.m15Mpa.m1/21/2裂尖发生了奥氏体向马氏体转变裂尖发生了奥氏体向马氏体转变- -yyyy有关有关SR在腐蚀中的应用在腐蚀中的应用Evolution of crack-tip transformation zones in super
19、elastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysisStanfordSRF-2007周期周期1 1，2,10,1002,10,100转变区演变转变区演变奥氏体奥氏体 0.51.0% 0.51.0%晶粒取向不对称晶粒取向不对称- -裂裂纹扩展纹扩展SR在腐蚀中的应用在腐蚀中的应用SR-SR-CTCT（ultra-bright SR X-rayultra-bright SR X-ray）20102010Observations
20、of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation界面界面+4.1m+4.1m界面界面+1.4m+1.4m界面界面界面界面-2.7m-2.7m钝钝化化膜膜基基体体在钝化膜下发现点蚀在钝化膜下发现点蚀- -传统没有发现传统没有发现SR在腐蚀中的应用在腐蚀中的应用Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue
21、of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation点蚀沿着点蚀沿着Longitudinal Longitudinal 生长生长- -表面膜覆盖（无法观察）表面膜覆盖（无法观察）内部点蚀类似树枝状生长内部点蚀类似树枝状生长SR-SR-CTCT（ultra-bright SR X-rayultra-bright SR X-ray）20102010SR在腐蚀中的应用在腐蚀中的应用Observations of corrosion pits and cracks in corrosion
22、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（裂纹不是起源于最深的点蚀坑（12m12m）腐蚀区深于点蚀（约腐蚀区深于点蚀（约40m40m）- -裂纹萌生裂纹萌生SR-SR-CTCT（ultra-bright SR X-rayultra-bright SR X-ray）20102010Referencev XAFS基础同步辐射科学基础同步辐射应用基础v Growth behavior of hydrogen micropores in
23、aluminum alloys during high-temperature exposurev Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysisv Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength alum
24、inum alloy by computed-tomography using synchrotron radiationv Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysisv Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation
