XAFS光束线站
05-BL14W1用户手册
上海光源14W1“X射线吸收精细结构光束线站”用户手册XAFS光束线站2010．11目录一、 注意事项 (2)二、 人身安全连锁系统操作步骤 (3)三、 14W1光束线站实验操作步骤 (8)1、光束线 (8)2、实验站 (9)2.1采谱前实验站设备准备工作 (9)2.2采集气体准备工作 (13)2.3采谱前样品准备工作 (14)2.4采集实验谱 (16)3、实验方法 (24)四、实验结果反馈及论文引用 (33)1、完成各项总结 (33)2、发表成果引用方式范例 (33)五、样品准备以及数据分析处理 (34)一、 注意事项1.请您提前半个小时来实验站，仔细阅读《14w1用户实验手册》，熟悉相关实验操作。
2.请严格按照规定进出棚屋和操作设备，用户只能操作手册中规定可以操作的设备，未经允许严禁操作其他设备，否则后果自负。
如果确实需要，请联系实验站工作人员。
3.实验完成后，用户须妥善处理实验废弃物，并清理实验台、收拾实验设备，以方便下一位用户进行实验。
4.发生故障，请立即联系实验站工作人员。
实验站工作人员联系方式姓名职务办公室办公室电话黄宇营负责人 1068 33932122 姜政副负责人 1071 33933212 魏向军工作人员 1071 33933212 王建强工作人员 1071 33933212 林鹤工作人员 2073 33932617 李丽娜工作人员 2073 33932617 邹杨工作人员 1066 33932213 张硕工作人员 1066 33932213 顾颂琦工作人员 1066 33932213 高倩工作人员 1066 33932213二、人身安全连锁系统操作步骤在用户开始实验前，必须严格按照操作规程，并执行相关步骤，方能引入同 步光到达样品处；否则，将无法进行有效的搜索、开启光闸PS2、安全光闸 SS1 和安全光闸SS2，实现棚屋的供光。
BL14W1 XAFS 光束线站的人身安全联锁系统的操作步骤如下：第一步：光学棚屋搜索（严禁用户操作）按照规定的顺序，依次按动棚屋内控制箱上的“搜索”按钮，沿棚屋搜索一圈。
XAFS应用介绍
A
国内外同类线站性能比较
同步装置 束线
能量范围 keV
分辨率 ΔE/E
Spectral flux (photons/s/0.1%bw)
1014
AS
XAFS
（澳大利亚）1013
BSRF
4-40
1W1
SSRF MPW
5×10-5~ 2×10-4
SPing-8 （日本）
Diamond （英国）
BSRF （北京） SSRF （上海）
32元高纯Ge探测器及XIA电子学系统 4元Si漂移探测器及采集系统 Lytle 荧光电离室 Oxford 电离室 五维样品台 掠入射平台 低温样品室 (4K) 和高温炉
➢Minimum Detection Limit ~1ppm
A
comparison with APS standard XAFS spectra
X射线吸收精细结构谱XAFS （实验方法和应用）
Web of Science Search: “EXAFS” or “XAFS” (but not “XAS” – too many false hits) – 1971-1975: 8 Publications – Last year: 743 Publications – Last 10 years: 7,199 Publications
Conventional XAFS and QXAFS spectra (5 Sec) of Cu foil at K edge measured at BL14W1 beamline in comparison with standard XAFS spectra (the data is from Chicago University XAFS library, which was measured in APS 13ID)
10_X射线吸收精细结构(XAFS
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.2 XAFS理论:
吸收系数： 在吸收曲线的XAFS区域，光电子可以当作自由电子来处理， 且只有末态波函数受到近邻原子近邻原子的弹性散射使得这种 叠加出现干涉现象而导致散射的影响。末态波函数可以看成吸 收原子的出射光电子波与该波受到近邻原子的散射而成的入射 光电子波的叠加。近邻原子的弹性散射使得这种叠加出现干涉 现象而导致XAFS振荡。
图 XAFS原理示意图 (a)光电子岀射波与散射波位相相同 (b)光电子岀射波与散射波位相相反
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 图4中给出了Kr的单原子蒸汽以 及Kr吸附于石墨表面时Kr的K边 吸收谱。从图4a中可以看到，由 于Kr的蒸汽不具有近邻原子配位， 其吸收谱为单调平滑的单原子吸 收曲线，并不出现振荡结构．而 在图4b中，当Kr吸附于石墨上而 有近邻原子配位时，其吸收谱出 现了XAFS振荡现象．至此，对 XAFS现象的物理机制有了较清楚 图：Kr不同状态下的K边吸收谱 的认识。这也进一步说明了XAFS 现象是与近邻原子配位状态密切 （a） Kr单原子蒸汽的K边吸收谱 相关的。 （b）Kr吸附于石墨表面时的KrK边吸收谱
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.1 XAFS 原理: 技术的特点 (5)XAFS的广泛性。除常规的XAFS技术(透射法和荧光法)以 外．还衍生出许多相关的XAFS技术．XAFS技术作为一种探 测原子近邻结构的手段已被广泛地应用于多学科的结构研究。 既可用以研究固态、液态、气态、熔态，又可用于研究非晶、 多晶，单晶及准晶．既可以研究稀薄样品、浓聚物质，又可 以研究表面结构．结合各种XAFS技术，原则上可以测量周期 表中各种元素，用表面XAFS技术已可以获得C、O等轻元素 的K吸收近边谱。
上海光源（SSRF）简介
上海光源(SSRF)简介一、总体方案SSRF由100MeV电子直线加速器、3.5GeV增强器、3.5GeV电子储存环以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成，其中直线加速器和增强器位于储存环内侧。
图1给出了SSRF总体结构布局示意。
电子储存环是光源装置的核心，储存环中的电子束通过偏转磁铁或插入件等装置产生高性能的同步辐射光；光束线将同步辐射光传输到实验站，并将同步辐射光改造(分光、聚束等)成实验所需要的光源。
实验站则是利用同步辐射光进行各种科学研究和技术开发的实验装置。
图1 上海光源总体布局示意图SSRF产生的同步辐射光覆盖了从远红外到硬X射线的宽广波段。
利用低发射度的中能强流电子束，结合国际上插入件技术发展的新成就，可在用途最广泛的X射线能区(光子能量为0.1~40keV)产生高耀度和高通量的同步辐射光。
SSRF的基本性能在许多重要方面位于目前世界上正在设计和建造中的光源的前列。
二、光源主要性能参数储存环：1) 能量 3.5GeV 2) 周长 432m 3) 周期数 204) 直线节长度 4×12m ，16×6.7m 5) 平均流强 200~300mA 6) 束团自然发射度 3 nm ⋅rad 7) 束流寿命≥10hrs 8) 引出光斑位置稳定性 ~±10% 注入器：1) 预注入器能量 100MeV 2) 增强器能量 0.1~3.5GeV 3) 增强器周长 1804) 自然发射度110 nm ⋅rad图2和图3分别给出了SSRF 弯转磁铁辐射和典型插入件辐射的光通量和耀度与光子能量之间的关系曲线。
1E-30.010.1110100101110121013101410151016E=3.5 GeV I= 300 mAU34W136BendU18U90W75S p e c t r a l F l u x [P h o t o n s /(s -0.1%B W )]Photon energy (keV)图2. SSRF 弯转磁铁辐射和插入件辐射的谱通量三、光束线实验站上海光源能够容纳六十多条光束线，可以为上百个实验站同时供光。
10_X射线吸收精细结构(XAFS
10_X射线吸收精细结构(XAFSX射线吸收精细结构（XAFS）是一种非常有用的技术，用于研究固体，液体和气体中原子结构的信息。
通过测量材料对X射线的吸收特性，可以确定原子之间的间距，化学键的类型和长度，晶格畸变等信息。
X射线吸收精细结构技术广泛应用于物理、化学、材料科学、生物科学等领域，为研究人员提供了独特的分析工具。
X射线吸收精细结构技术的原理是基于X射线的吸收过程。
当X射线穿过材料时，原子核和电子会吸收X射线，发生光子吸收作用。
X射线吸收系数是材料对X射线吸收的度量，它随X射线的能量和材料的化学成分而变化。
XAFS技术利用X射线光源产生特定能量的X射线进行实验，通过测量材料对X射线的吸收光谱，可以得到原子间距、化学键等信息。
X射线吸收精细结构技术包括X射线光谱仪、数据处理软件和理论模拟方法。
X射线光谱仪通常包括束流线、单色器、样品台和探测器等部分，能够产生高能量、高亮度的X射线光束，用于实验测量。
数据处理软件能够对实验数据进行处理和分析，提取有用的结构信息。
理论模拟方法包括多种理论计算技术，如有限差分法、多重散射法等，用于解释实验现象和验证实验结果。
X射线吸收精细结构技术可以用于研究各种材料的结构信息。
在固体材料中，可以确定晶体结构的各种参数，如晶胞参数、位移畸变、晶格缺陷等。
在液体和气体中，可以研究分子间的相互作用、键长、键角等信息。
XAFS技术还可以用于研究催化剂、生物分子等复杂体系的结构，为理解其功能机制提供重要线索。
X射线吸收精细结构技术具有很多优势。
首先，它具有很高的分辨率和灵敏度，可以测量原子间距的微小变化。
其次，XAFS技术可以用于不同形态的样品，如固体、液体和气体等，具有较好的适用性。
此外，X射线吸收精细结构技术还可以进行原位和原子尺度的研究，揭示材料的动力学过程。
总的来说，X射线吸收精细结构技术是一种非常强大的研究工具，广泛应用于材料科学、化学、生物科学等领域。
通过测量材料对X射线的吸收特性，可以提供原子层次的结构信息，揭示材料的性质和功能。
XAFS应用介绍精讲
XAFS analytical techniques at SSRF It is a general and high performance XAFS beamline, with high flux、high signal/noise ratio and fast data collection.
Mazda: World’s first application of single-nanocatalyst technology in catalytic convern of a Pdperovskite catalyst for automotive emissions control
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Pt-Fe
0.0 0.1 0.2
R /nm
汽车尾气净化装置及催化剂
通过EXAFS研究助剂Fe的添加对 催化剂Pt/Ba/Al2O3 中Pt物种微观 结构的影响，这种微观结构的改变 对催化剂组分间的作用和催化性能 产生了显著影响。 Meng M et al.Applied Catalysis B: Environmental 78 (2008) 38
为了提高催化剂的催化效率，科学家利用同步辐射装置开展很多原位实时监测反应过 程的研究。XAFS可以提供很重要的在金属催化剂反应过程中，与局域结构和电子环境 有关的原位动力学信息，他的动力学行为可以在ms, us,以至于ps. fs内研究。
Fig. 99: Normalised Pd K edge energy dispersive EXAFS spectra derived during a switch from a 5%NO/He feed to a 5%CO/He feed (both 75mlmin–1 flow) at 673 K over a 1wt%Pd/10ZCA sample. Each spectrum was acquired in ca. 250 msecs. For clarity only 1 spectrum/second is plotted. The red to yellow shading is indicative of the switch from the NO to CO feed.
XAFS技术及其应用
(一) XAFS 基本原理、实验方法、数据分析 (二) XAFS 在研究中的应用
韦 世 强
sqwei@
中国科技大学国家同步辐射实验室 2011-03-26 SSRF 上海
sqwei@ +86-551-3601997
一 Principles, experiment and data analysis of XAFS technique
实验值 0.255 12.0 0.0 0.0086 0.0
拟合结果 0.253 11.81 0.0011 0.0086 -4.38
同步辐射光源的应用
1974年同步辐射光源首次使用于测量元素的 EXAFS谱，信噪比显著提高。 Stern, E.A., Sayers, D.E., Lytle, F.W., Phys. Rev. B 10, 3027(1974); Kincaid, B. M., Eisenberger, P. Phys. Rev. Lett. 34, 1361(1975).
Pre-edge XANES -200 -20 30 EXAFS 1000
μ
E0
9000
9500
10000
Energy (eV)
sqwei@
+86-551-3601997
The basic formula of EXAFS:
Nj 1 − 2 k 2σ 2 −2 R j / λ j χ ( k ) = ∑ 2 f j ( 2 k )e e sin(φ j (k ) + 2kR j ) k j ≠ 0 R0 j
1. Transmission mode 2. Fluorescence mode 3. Electron yield mode
EXAFS
非辐射方法 原子吸收X射线光子发出的俄歇电子和二次电子 也与吸收系数成正比，因此可以通过探测俄歇电 子或二次电子来得到EXAFS信号。电子逃逸深度 一般为几纳米，就可以测量表面结构，称之为表 面EXAFS或SEXAFS
采用什么方法需要综合考虑样品的性质
透过率
俄歇电子或荧光产额
X射线吸收谱实验装置
EXAFS的特点 EXAFS现象来源于吸收光原子周围最临近的几个 配位层的作用，不依赖晶体结构，因此可用于大 量的非晶态材料的研究，像催化剂上的活性中心， 生物酶中金属蛋白，表面层结构和无定形材料的 研究，甚至溶液、气体的研究等，比X射线衍射的 作用要广泛得多。
X射线吸收边具有原子特征，可以调节X射线光 子能量到某一种原子的吸收边处，则只有该原 子的环境可以探测，而不受其他元素的干扰， 对不同的元素的原子，可由吸收边位置不同， 而得以分别研究。
形状共振对分子的几何结 构的变化是很灵敏的
XANES—近边区 固体物质复杂
原子簇多次散射理论
考虑一个围绕着吸 收原子的，有一定 大小的原子簇，光 电子在其中发生多 次散射后回到吸收 原子与出射波发生 干涉，形成共振 这种共振与原子排列的变化非常敏感，实际计算时就 是通过改变原子簇大小和位置来与实验结果相匹配
傅氏变换，说明了最临近和次临近距离
EXAFS--广延区
XAFS的测量方法和实验设备
测量方法
XAFS中有用的信息只相对于吸收边高度的百分之 几，因而要求有尽量强而稳定的X射线源，以得到比 较高的信噪比，对能量分辨率也有相当高的要求 有几种XAFS测量方法
直接法：透射方法
间接方法：X射线荧光或俄歇电子或二次电子
上一世纪20年代，观察到了吸收边处的精细结构
对于这一现象的解释 长程有序理论：晶格特征的电子态密度的震荡引起的
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XAFS光束线站
1．科学目标
X射线吸收精细结构谱（XAFS）是随着同步辐射装置的发展而成熟起来用途广泛的实验技术，是研究物质结构非常重要的方法之一。
该技术的主要特点是能够在固态、液态等多种条件下研究原子（或离子）的近邻结构和电子结构，具有其它X射线分析技术（如晶体衍射和散射技术）无法替代的优势。
例如，用XAFS研究单晶，可以获得用晶体衍射方法所不能得到的和化学键有关的几何与电子结构信息，如氧化态、自旋态、共价键等。
由于具有上述特点，XAFS分析技术被广泛地应用于材料科学、生物、化学、环境和地质学等诸多领域，并涵盖从基础研究到工业应用等各个方面。
目前，XAFS光束线站是世界同步辐射装置上涉及学科面最广，用户最多的光束线站。
SSRF的XAFS光束线站是一个基于多极wiggler光源(MPW)的通用、高性能X射线吸收光谱实验装置。
本光束线站将主要用于高能量分辨、高光谱纯度和高信噪比的X射线吸收精细结构谱学研究。
在装置建成初期首先实现常规的透射和荧光XAFS实验方法，为最广泛的用户群提供可靠、稳定和操作简便的实验平台，同时为以后逐步发展全电子产额、组合实验技术以及其它新技术奠定基础。
相对于弯铁光源，采用多极wiggler光源，可以获得高得多的光通量，降低XAFS的检测限(检测限与光通量的平方根成反比)。
实验站可实现如下的目标：
1)进一步提高检测限，预计可以达到1ppm。
a)对于土壤环境样品和地质样品等有很多荧光本底的样品中的重金属元
素的实际检测限可望接近10ppm。
b)对于金属蛋白溶液样品，检测限可以达到20μM。
c)通过调节wiggler的磁场强度，对于低浓度的K、Ca、V、Ti等低K
能量边的元素的检测十分有利。
2)更适合开展时间分辨的EXAFS(缩短快速扫描时间)。
2．线站主要性能指标
z光子能量范围： 4-22keV 聚焦、4-40kev 非聚焦
z能量分辨(@10keV)：2×10-4 Si(111)晶体
z样品处光通量(@10keV)：≥ 1012 phs/s /100mA
z聚焦光斑尺寸：≤ 0.5×0.5 mm2 (H×V)
z高次谐波含量(@6keV)：<10-4
3．实验站配置
1) 实验平台(1.2 x 2.4 m)，可升降，用于安装整个探测的光学系统及采集系统。
实验平台可垂直方向行程100mm左右，定位精度10μm，使样品处光斑的非常稳定，这点对聚焦光斑尤其重要。
一个典型平台的主要参数如下：z水平行程: 50 mm x 100 mm
z垂直行程：100 mm
z载重: 450 kg
z重复精度 < 10 micron
z分辨率< 4 micron
z运动控制:步进电机
z平台表面孔型: 1/4-20, 1 inch (25.4 mm)
2) 带精密转角仪的样品台（多维运动平台），用于放置样品和探测器，可以灵
活地调整安装方式以适应不同的实验要求，主要为方便掠入射实验和衍射实验。
样品台含有三维平动(精度1μm)、两维角度调整及一维转动。
技术参数如表所列：
运动轴行程分辨率全程精
度单向重
复性
速度偏心晃动
Y方向移动100mm 1µm 10µm 1µm 2mm/s ____ ____
X方向移动100mm 1µm 10µm 1µm 2mm/s ____ ____
Z方向移动30mm 1µm 10µm 1µm 2mm/s ____ ____
投角和滚角+/-5º 0.001º 0.01º 0.001º 5º/s 0.1mm/5º ____ 绕Z轴转动360º 0.005º 0.05º 0.005º 15º/s 0.1mm/360º
20µrad
3) 激光准直器和摄象头，用于监视样品的安放位置。
4) 单色光狭缝，用于限制照射在样品上的光束尺寸，并提高光束位置稳定性，
调节范围0.05mm-10mm，精度1μm。
5) 样品室（高低温附件），用于提供样品的环境温度，包括液氮低温室（77～
300K）和高温加热装置(300K-1250K)及真空机组。
6) 供气设备，提供电离室、样品室所需的各种气体。
7) 高性能计算机，具有很强的在线分析、图形处理和快速存取等功能，用于实
验进程的监控和实验数据的处理。
8) 用于不同探测方式的探测器及电子学设备：
z电离室及电子学设备（主要包括电流放大器、高压源及采集卡），用于透射XAFS 探测和光强检测。
z常规的Lytle型荧光电离室及吸收片，用于普通的荧光XAFS探测。
z多探头阵列固体探测器（32元Ge固体探测器）及电子学设备（XIA），还包括一个固体探测器专用的小安装调整平台（0.5 x0.5 mm2）。
用于极
低浓度样品和掠入射的荧光XAFS探测。
9) 样品准备、保存等辅助设施。
公用的准备间等其它辅助设备。