,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,同步辐射及其应用,S,ynchrotron,R,adiation,and,its,A,pplication,孙晓英,材料环境腐蚀研究中心,同步辐射及其应用Synchrotron Radiation,Contents,同步辐射简介,光电子能谱,XPS,软,X,射线,XAFS,X,射线荧光分析,SR,在腐蚀中的应用,Contents同步辐射简介光电子能谱XPS软X射线XAFS,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,同步辐射简介衍射、折射、散射检测特性等,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。,同步辐射简介同步辐射:速度接近光速的带电粒子在磁场中作变速运,同步辐射简介,1947,1960s,1965,1970s,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19471960s19651970s目前美国、通,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,同步辐射简介第一代：20世纪70年代的第一代光源是与高能物,同步辐射简介,ESRF,示意图：,European Synchrotron Radiation Facility,美国,APS 7GeV,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ESRF示意图：美国 APS 7GeV电子枪,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,同步辐射简介特点：,同步辐射简介,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,Petra III,（,6G,）,同步辐射简介世界上四大高能光源：,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,同步辐射简介BSRFNSRL台湾SSRF先进第三代低能第三代,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,同步辐射应用改变传播方向强度衰减 二次粒子的发射同步辐射与物,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（XPS）同步辐射应用研究方法：,光电子能谱,-XPS,XPS,M,M,+,Before collision,After collision,入射光子,E=h,e,-,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,h-Ec-Ws,光电子能谱-XPSXPSMM+Before collisi,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当元素处于化合物状态时，与纯元素相比，,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,。,光电子能谱-XPS表面分析的主要内容有：XPS表面分析方法，,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（,2nm10nm),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,1895,1920s1960s,1970s,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（,m,）,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XAFS软x射线：波长大于0.5nm，即能量低于约2,软,X,射线,XAFS,1,、,C,、,N,、,O,等轻元素的,K,边；,C,的,K,边,280eV,N,的,K,边,390eV,O,的,K,边,530eV,2,、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,4001000eV,3,、部分镧系稀土元素的,M,边；,大部分集中在,100eV,附近,固体：,10100nm,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（,1002000eV,），吸收谱研究工作主要集中在：,软X射线XAFS1、C、N、O等轻元素的K边；固体：101,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射线荧光分析硬X射线分析方法：透射方法、荧光方法（透射率大,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X射线荧光分析：微量元素定性、定量分析-非破坏,X,射线荧光分析,背底,I,f,荧光谱线,I,f,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）,-ppm,2.,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射线荧光分析背底If荧光谱线If选用同步辐射光源：最佳激发,X,射线荧光分析,样品要求,自吸收（,self-absorption,）,tot,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)100 ppm,；,GAD,探测器：,1000 ppm 10 ppm,X射线荧光分析样品要求自吸收（self-absorption,SR,在腐蚀中的应用,Growth behavior of hydrogen micropores in aluminum alloys during high-temperature exposure,t,Al-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-Spring8SRF Japan-2009,SR在腐蚀中的应用Growth behavior of hy,SR,在腐蚀中的应用,Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysis,StanfordSRF-2007,低于裂纹萌生,10Mpa.m,1/2,接近裂纹开裂,15Mpa.m,1/2,裂尖发生了奥氏体向马氏体转变,-,yy,有关,SR在腐蚀中的应用Evolution of crack-ti,SR,在腐蚀中的应用,Evolution of crack-tip transformation zones in superelastic Nitinol subjected to in situ fatigue A fracture mechanics and synchrotron Xray microdiffraction analysis,StanfordSRF-2007,周期,1,，,2,10,100,转变区演变,奥氏体,0.51.0%,晶粒取向不对称,-,裂纹扩展,SR在腐蚀中的应用Evolution of crack-ti,SR,在腐蚀中的应用,SR-CT,（,ultra-bright SR X-ray,）,2010,Observations of corrosion pits and cracks in corrosion fatigue of high strength aluminum alloy by computed-tomography using synchrotron radiation,界面,+4.1m,界面,+1.4m,界面,界面,-2.7m,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SR-CT（ultra-bright S,SR,在腐蚀中的应用,Observations of corrosion pi