谱能分析法简介
X射线光电子能谱分析法
50000 40000 30000 20000 10000 0 292 290 288 286 COOH C=O C-OH
Intensity /Counts
50000 40000 30000 20000 10000 COOH C=O C-OH C-C
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 292 290 288 286 284 282 COOH C=O
合物体系中失活前后谱图变
化对比。
07:28:23
固体化合物表面分析
三种铑催化
剂X射线电子能
谱对比分析；
07:28:23
纳米碳管氧化
80000 70000 60000
Intensity /Counts
A
90000 80000 70000
Intensity /Counts
100000
B C-C
Intensity /Counts
07:28:23
[4+2]
[2+2]
07:28:23
吡啶在单晶硅表面的吸附：B酸和L酸测定 样品处于－90oC，吸附吡啶后用XPS记录N 1s 峰。有二个， 彼此相隔2eV，均属氧化态。Eb 高的与B酸有关，Eb 低的与L 酸有关
B酸意味着表面有质子存在，吡啶中的N接受质子而氧化。这 样吡啶分子吸附在B位时带正电
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电子结合能
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X射线光电子能谱分析法
X-ray photoelectron spectroscopy
光电子的能量分布曲线：采用特定元
素某一X光谱线作为入射光，实验测定的待 测元素激发出一系列具有不同结合能的电 子能谱图，即元素的特征谱峰群； 谱峰：不同轨道上电子的结合能或电
XPS能谱分析方法及原理
• 光电效应：原子在X-ray的作用下，内层电子得到能量
而发生电离成为自由电子(光电子)的现象。
• 光电截面σ：表示光离子化几率。与下列因素有关：
a.原子中不同能级σ不同；b.不同元素σ随原子序数Z的增大而 增大；c.一般地说，同一元素壳层半径愈小σ愈大；d.电子结 合能与入射光的能量愈接近σ 愈大；e.对同一壳层： σ随角 量子数(ι)的增大而增大。
光光电电子子aax荧荧光光aa原子序数原子序数z30z30的元素以的元素以发发射俄歇射俄歇电电子子为为主thankyouwwwhuaweicomhvxhvxrayray荧荧光光energyenergy处处于激于激发态发态离子离子产产生生xxrayray荧荧光光过过程程处处于激于激发态发态离子离子产产生俄歇子的过过程程thankyouwwwhuaweicomxpsxps在xpsxps中化学位移比较小一般只有几中化学位移比较小一般只有几evev要想对要想对化学状态作出鉴定首先要区分光电子峰和伴峰化学状态作出鉴定首先要区分光电子峰和伴峰光电子峰
基本概念：
• 光电子能谱: 反应了原子（或离子）在入射粒 子（一般为X-ray）作用下发射出来的电子的能 量、强度、角分布等信息。 • X-ray: 原子外层电子从L层跃迁到K层产生的 射线。 常见的X射线激发源有：
Mg :Ka1,2(1254ev,线宽0.7ev ) Cu :Ka1,2(8048ev,线宽2.5ev ) Al :Ka1,2(1487ev ,线宽0.9ev ) Ti :Ka1,2(4511ev,线宽1.4ev )
• 原子能级：与原子中的四个量子数有关,其物理意义为:
a.主量子数n；b.角量子数ι ；c.磁量子数ml；d.自旋量子数ms
自旋与轨道偶合产生能级分裂： j=| ι +ms|=| ι ±1/2| , 在 ι > 0的各亚壳层将分裂成两个能级，XPS中出现双峰。
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（XPS）是一种常用的表面分析技术，它通过测量材料表面的X射线光电子能谱来研究材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS技术具有高表面分辨率、高化学分辨率和宽能量范围等优点，被广泛应用于材料科学、表面科学和界面科学等领域。
下面将详细介绍XPS的原理、仪器结构、测量步骤以及应用。
XPS的原理：XPS基于光电效应，即当光子与物质相互作用时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而被抛出。
通过测量被抛出的光电子的能量以及其强度，可以得到材料表面的各种信息。
XPS谱图由两个平行的轴表示，一个是电子能量轴，用来表示光电子的能量，另一个是计数轴，用来表示光电子的强度。
XPS的仪器结构：XPS的典型仪器结构包括光源、透镜系统、分析室、光电子能谱仪、多道分析器和检测器等部分。
其中，光源产生具有特定能量和强度的X射线，透镜系统用于聚焦X射线到样品表面，分析室用于保持真空环境，并可进行样品的表面清洁和预处理，光电子能谱仪用于测量光电子能谱，多道分析器用于对光电子的能量进行分析，检测器用于测量光电子的强度。
XPS的测量步骤：1.样品表面处理：对于有机材料，样品表面可能存在有机污染物，需要通过加热或离子轰击等方法进行表面清洁。
对于无机材料，一般不需要进行表面处理。
2.真空抽取：将样品放入真空室中，并进行抽取，以保证测量时的真空环境。
3.光源和透镜系统调节：调节光源的能量和透镜系统的聚焦，使其能够产生精确的X射线束。
4.测量样品表面：将样品置于X射线束中，测量样品表面的X射线光电子能谱。
5.数据分析：对测量得到的光电子能谱进行分析，得到材料的化学组成、表面形貌以及表面电子结构等信息。
XPS的应用：1.表面化学组成分析：XPS可以确定材料表面的元素组成和化学状态，对于催化剂、薄膜材料等具有重要意义。
2.表面形貌研究：通过测量不同位置的XPS谱图，可以了解材料表面的形貌特征，如晶体结构、晶粒尺寸等。
能谱分析
1．俄歇电子产额
K
俄歇电子产额或俄歇跃迁几率 决定俄歇谱峰强度，直接关系 到元素的定量分析。俄歇电子 与特征X射线是两个互相关联和 竞争的发射过程。对同一K层空 穴，退激发过程中荧光X射线与 俄歇电子的相对发射几率，即 图13-1 俄歇电子产额与原子序数的关系 荧光产额(K)和俄歇电子产额 由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇 ( K )满足 电子的几率在90％以上；随Z的增加，X射 =1－K (13-1)
图13-5 俄歇电子能量图
主要俄歇峰的能量用空心 圆圈表示， 实心圆圈代表每个元素的 强峰
定性分析的一般步骤：
(1)利用“主要俄歇电子能量图”，确定实测谱中最强峰可能对应的几 种(一般为2、3种)元素； (2)实测谱与可能的几种元素的标淮谱对照，确定最强峰对应元素的所 有峰； (3)反复重复上述步骤识别实测谱中尚未标识的其余峰。 注意：化学环境对俄歇谱的影响造成定性分析的困难(但又为研究样 品表面状况提供了有益的信息)，应注意识别。
图2-8 Ag的光电子能谱图 （Mg K激发）
二、X射线光电子能谱仪
主要组成部分：X光源(激发源)， 样品室，电子能量分析器和信 息放大、记录(显示)系统等组 成。
图13-9 (X射线)光电子能谱仪方框图
三、X射线光电子能分析与应用
1．元素(及其化学状态)定性分析 方法：以实测光电子谱图与标准谱图相对照，根据元素特征峰位置 (及其化学位移)确定样品(固态样品表面)中存在哪些元素(及这些元素 存在于何种化合物中)。 常用Perkin-Elmer公司的X射线光电子谱手册 定性分析原则上可以鉴定除氢、氦以外的所有元素。 分析时首先通过对样品(在整个光电子能量范围)进行全扫描，以确定 样品中存在的元素；然后再对所选择的峰峰进行窄扫描，以确定化学 状态。
光电子能谱分析法基本原理
光电子能谱分析法基本原理(总12页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第十四章 X-射线光电子能谱法14．1 引言X-射线光电子谱仪（X-ray Photoelectron Spectroscopy，简称为XPS），经常又被称为化学分析用电子谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称为ESCA），是一种最主要的表面分析工具。
自19世纪60年代第一台商品化的仪器开始，已经成为许多材料实验室的必不可少的成熟的表征工具。
XPS发展到今天，除了常规XPS外，还出现了包含有Mono XPS (Monochromated XPS, 单色化XPS，X射线源已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源), SAXPS ( Small Area XPS or Selected Area XPS, 小面积或选区XPS，X射线的束斑直径微型化到6μm) 和iXPS（imaging XPS, 成像XPS）的现代XPS。
目前，世界首台能量分辨率优于1毫电子伏特的超高分辨光电子能谱仪（通常能量分辨率低于1毫电子伏特）在中日科学家的共同努力下已经研制成功，可以观察到化合物的超导电子态。
现代XPS拓展了XPS的内容和应用。
XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一，它除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外，XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。
XPS可以分析导体、半导体甚至绝缘体表面的价态，这也是XPS的一大特色，是区别于其它表面分析方法的主要特点。
此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。
XPS表面分析的优点和特点可以总结如下：⑴固体样品用量小，不需要进行样品前处理，从而避免引入或丢失元素所造成的错误分析⑵表面灵敏度高，一般信息采样深度小于10nm⑶分析速度快，可多元素同时测定⑷可以给出原子序数3-92的元素信息，以获得元素成分分析⑸可以给出元素化学态信息，进而可以分析出元素的化学态或官能团⑹样品不受导体、半导体、绝缘体的限制等⑺是非破坏性分析方法。
γ能谱法 标准
γ能谱法标准γ能谱法是一种通过测量γ射线的能量分布来分析物质成分和结构的方法。
它具有高灵敏度、高分辨率和高准确性的特点，被广泛应用于环境监测、材料科学、核物理等领域。
为了确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，需要制定相应的标准来规范实验操作和数据处理。
一、实验设备标准探测器：选择具有高探测效率、低本底噪声和稳定性能的探测器，如高纯锗探测器、闪烁计数器等。
屏蔽材料：采用适当的屏蔽材料，如铅、铜等，以减少外部γ射线和宇宙射线的干扰。
校准源：使用已知活度和能量的校准源，对探测器进行能量和效率校准，确保测量结果的准确性。
二、实验操作标准样品制备：根据实验需求，选择合适的样品制备方法，如研磨、压片等，以获得均匀的样品。
测量时间：根据样品的活度和探测器的性能，确定合适的测量时间，以确保足够的计数统计量。
背景测量：在没有样品的情况下进行背景测量，以扣除探测器本底和环境干扰对测量结果的影响。
数据记录：详细记录实验过程中的各种参数，如测量时间、源到探测器的距离、探测器的温度和电压等，以便后续的数据处理和分析。
三、数据处理标准能谱分析：利用专业的能谱分析软件，对测量得到的γ能谱进行平滑、去噪和寻峰处理，以获得准确的峰位和峰面积信息。
效率校正：根据探测器的能量响应和效率曲线，对测量结果进行效率校正，以消除探测器对不同能量γ射线的探测效率差异。
放射性核素识别：通过比对已知核素的γ射线能量和强度信息，识别样品中的放射性核素种类。
活度计算：根据识别出的核素种类和其对应的γ射线强度，结合相应的半衰期信息，计算样品中各核素的活度。
四、质量控制标准定期校准：定期对探测器和能谱分析系统进行校准，以确保其性能和测量结果的稳定性。
重复测量：对同一样品进行多次重复测量，以评估测量结果的稳定性和可靠性。
结果比对：将不同实验室或不同方法获得的测量结果进行比较和分析，以验证γ能谱法的准确性和适用性。
通过以上标准的制定和执行，可以确保γ能谱法测量的准确性和可靠性，为相关领域的研究和应用提供有力的技术支持。
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种非常重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、化学、表面物理、生物技术和环境科学等领域。
本文将对X射线光电子能谱分析法进行详细介绍，包括基本原理、仪器分析系统和应用领域。
一、基本原理X射线光电子能谱分析法是利用X射线照射固体表面，使其产生光电子信号，并通过测量光电子的动能和数量，来确定样品表面的化学成分及其状态。
其主要基于光电效应（photoelectric effect）和X射线物理过程。
光电效应是指当光子入射到固体物质表面的时候，会将表面电子激发到导带或导带以上的能级上，并逃离固体形成受激电子。
这些逃逸的电子称为光电子，其动能与入射光子的能量有关。
X射线物理过程主要包括光子的透射、散射和与原子内电子的相互作用等。
当X射线入射到固体表面时，会发生漫反射和荧光特性，造成信号的背景噪声。
同时，X射线的能量足够高，可以与样品的内层电子发生作用，如光电子相对能谱（Photoelectron RELative Energies）和化学平移分量（Chemical Shift）等。
二、仪器分析系统X射线光电子能谱分析系统包括光源、样品室、分析仪和检测器等。
光源常用的是具有较窄X射线能谱线宽的准单色X射线源，如AlKα线或MgKα线。
样品室的真空度一般要达到10^-8Pa左右，以避免空气对样品的干扰。
分析仪是用于测量光电子动能和数量的关键部件，常见的配备有放大器、电子能谱仪和角度分辨收集器等。
放大器将来自检测器的信号放大，并进行滤波处理以滤除高频噪声。
电子能谱仪是用于测量光电子动能的装置，一般包括一个径向入射、自由运动的光电子束和一个动能分析系统。
角度分辨收集器则用于测量光电子的角度分布。
检测器用于测量光电子的数量，常见的有多种类型的二极管（如能量分辨二极管和多道分析器）和面向瞬态X射线源的时间分辨仪器。
物理实验技术中的能谱分析原理与实验方法介绍
物理实验技术中的能谱分析原理与实验方法介绍导言：能谱分析是物理实验技术中一种重要的手段，通过对放射性物质的测量和分析，可以获得有关物质的各种性质和组成的信息。
本文将介绍物理实验技术中能谱分析的原理和实验方法。
一、能谱分析原理能谱分析是通过测量和分析放射性物质产生的辐射能量分布，从而获得有关物质的信息的方法。
放射性物质发生衰变时会产生各种不同能量的辐射粒子，这些辐射粒子会通过相互作用进入探测器，在探测器中产生能谱。
能谱分析的原理主要包括下面几个方面：1. 互作用过程：辐射粒子与物质原子核或电子的相互作用过程决定了能谱的形状。
常见的互作用过程包括电离、散射、共振吸收等。
2. 能量损失：辐射粒子在物质中的传输过程中会发生能量损失。
不同能量的粒子在物质中传输的距离和方式不同，因此能谱中不同能量的峰的形状和位置会有所差异。
3. 探测器响应：探测器对辐射粒子的响应和能量的测量准确性对能谱的分析结果有重要影响。
探测器的分辨率越高，能谱中不同峰的分离程度越好。
二、常用的能谱分析方法能谱分析在许多领域都有广泛应用，常用的能谱分析方法有以下几种：1. 微堆积法：这是最常见的一种能谱分析方法。
该方法主要通过将辐射源与探测器相距适当距离，使得辐射粒子在空气中扩散后到达探测器。
通过测量不同能量下的计数率，可以得到辐射源的能谱。
2. 动能反冲法：该方法是将辐射源置于带有能谱分析装置的样品台上，通过控制台上移动的探测器与源的距离，测量到达探测器的辐射粒子的能谱。
该方法适用于分析非均匀的样品。
3. 准直法：准直法是将辐射粒子流通过准直器，使得经过准直器后的辐射粒子呈平行束流，然后通过探测器进行能谱分析。
该法适用于对束流进行分析。
4. 偏转法：偏转法用于测量辐射源的能辐射粒子数分布。
通过将辐射粒子束通过一系列磁铁和电场的作用，使得能量不同的粒子在空间中具有不同的轨迹，然后通过探测器进行能谱分析。
5. 影子法：影子法是一种通过探测仪器观察辐射源发出的能量辐射而获得能量分布的方法。
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V=1.45 km/s
不同应力状态下的谱能比曲线
有效预应力检测
波动法
S=161.1 kN S=184.2 kN S=201.2 kN S=223.3 kN S=243.4 kN S=262.4 kN
V=3.99 km/s V=4.32 km/s V=4.51 km/s V=4.76 km/s V=4.94 km/s V=5.12 km/s
谢谢观看，敬请指导！
感谢下 载
锚索检测
锚索检测
锚索检测
三段法
锚索检测
锚索总长 未张拉
张拉力在谱能比上的反映
锚索检测
锚索检测
检测内容 自由段长度 锚索总长度 锚固段压浆饱和度
锚索有效张拉应力
误差 3% 8% 5%
10 %
分析方法
检测依据
谱能分析法 弦振频率法
《公路工程质量检验评定 标准》JTG F80/1-2004
《声波散射法检测桥梁预 应力管道注浆质量技术指
频率法
线性相关系数 R2=0.9829，修正参数为23.16
有效预应力检测
波动法
S=21.4 kN S=41.4 kN S=65.7 kN S=80.2 kN S=101.3 kN S=119.6 kN S=143.7 kN
V=2.08 km/s V=2.49 km/s V=2.87 km/s V=3.18 km/s V=3.45 km/s V=3.80 km/s
谱能分析法
式中：K — 谱能比；ω1、ω2 — 被检测物频响范围；ω — 角频率；t — 时间
通过傅里叶变换获得检测记录信号的频谱信息F（ω），然后 计算被检对象物性信号的能量（频响带谱线轮廓面积）与总能量（全频 段谱线轮廓面积）之比，为谱能比分析方法。
一种基于谱能比的数字信号分析方法
发专明利专号利：ZL 2012 1 0056010,8
南》
《桥梁预应力及索力张拉 施工质量检测验收规程》 （CQJTG/T F81-2009）
钢筋笼检测
钢筋笼检测
原始曲线
谱能比曲线
检测结果：设计钢筋骨架长度25m，实测声测管长度25m，标定钢筋骨架声波波速4300m/s，检测钢筋骨架长度为24.1m。
钢筋笼检测
检测内容 桥梁基桩钢筋笼长度
误差 8%
压浆饱满度检测
压浆饱满度检测
窗口滚动频谱分析
空
(Hz) (Hz)
空 密实
(Hz)
欠实
(Hz)
(Hz)
密实
密实
与谐振谱对比判断密实性
(Hz)
密实
密实
(Hz)
(Hz)
密实
压浆饱满度检测
窗口滚动频谱分析
空
(Hz)
0.7 0.6
(Hz)
(Hz)
0.65
(Hz)
0.35
0.3
(Hz)
(Hz)
0.4
0.28
计算目标介质频响强度时深分布值
(Hz)
(Hz)
0.5
压浆饱满度检测
有效预应力检测
频率法
单索的振动频率与其有效预应力之间存在着一定的关 系，只要测出单索的振动频率，便可求得单索的有效预应力， 求和得到整索的有效预应力。
波动法
根据振动波在单索中传播波速与单索张应力的关系，
先测出激励脉冲与反射波之间得走时时差确定波速，便可根据
公式计算出单索张应力（即有效预应力），并求和得到整索的
锚下有效预应力。
有效预应力检测
验证
在试验室“静锚固试验机”上，对给定张应力下的已知钢绞线进行激振频率测量。
通过对钢绞线在不同拉力荷载F下记录到的声波反射记录谱能比曲线图 分析。
有效预应力检测
频率法
实测张力与弦振频率法计算张力对比图
有效预应力检测
分析方法
检测依据
谱能分析法
《公路工程质量检验评 定标准》JTG F80/1-2004
第四部分 仪器介绍
检测仪器
主机＋平板
最大300m无线通信 重量不到3Kg，放入背包
全触摸操作直观流畅 现场显示成像结果
优势
给出剩余预应力大小值 全段检测，无检测死角 对缺陷进行方向定位 同束检测对象不均匀度
“我们的工作是让您更好的工作”
第二部分 检测原理
检测原理
压浆饱满度 有效预应力
水泥浆包裹情况 张拉锁定后相对稳定的预应力值
压浆饱满度检测
原理
利用待检物体在不同环境条件下的振动特征，计 算其主频谱能比，并根据比值来判断待检物体的包裹状 态，综合各待检物体在断面所处状态，既是在该位置的 压浆密实状况，也就是压浆饱满度。
可实现缺陷定位
检测内容 孔道压浆缺陷位置
孔道压浆饱和度
误差 8% 5%
钢绞线有效预应力
8%
分析方法
检测依据
谱能分析法
《公路工程质量检验 评定标准》JTG F80/1-
2004
《声波散射法检测桥 梁预应力管道注浆质
量技术指南》
弦振波动法
《桥梁预应力及索力
张拉施工质量检测验 收规程》（CQJTG/T
F81-2009）
不同应力状态下的谱能比曲线
有效预应力检测
波动法
实测张力与弦振波动法计算张力对比图 线性相关系数 r=0.9995
第三部分 应用领域
波纹管检测
预制T形梁板
连续钢构孔道
波纹管检测
波纹管检测
不合格×
包裹率
0%
合格√
包裹率
<70%
包裹率
>70%
包裹率
100%
预应力波纹管注浆饱满度波纹管断面示意图
波纹管检测
基于谱能分析法的预应力体系施工质量检测技术的研究 与进展
长江大学 地球物理与石油资源学院
Yangtze University
目录
1. 谱能分析法 2. 检测原理 3. 应用领域 4. 仪器介绍
第一部分 谱能分析法
谱能分析法
定义
不同介质的反射波信号具有独特的频率响应特征。 通过计算获得某特定介质的谱能强度或主频谱能比，根据 谱能强度分布图或主频谱能比变化曲线分析物性特征的方 法，称为谱能分析法。
谱能分析法
物体自由振动状态下的弹性波
频谱特征
谱能分析法
物体受束振动状态下的弹性波
物 体 水泥 浆
叠加
频谱特征
物体 水泥浆 混泥土
谱能分析法
预应力体系振动状态下的弹性波
叠加
频谱特征
谱能分析法
f(t)的傅里叶变换F(ω)：
F(ω)的傅里叶逆变换f(t) ：
谱能分析法
分离
若将频谱密度函数轮廓线所圈定的面积视为介质频谱响 应能量，则被测物体频谱总能量等于构成物体的不同介质频谱响 应能量之和。