催化研究方法之X射线精细结构衍射谱

1、催化研究方法之X射线精细结构衍射谱 目前国外使用较多的XAFS处理软件包，主要有美国的UWXAFS和IFEFFEIT、法国的CDXAS、意大利的GNXAS、英国的EXCURVE、德国的WinXAS和日本的ADA等。而国内最近也陆续开发出了自己的处理软件包，其主要有陆坤权开发的NSRLXAFS、马礼敦开发的FX-EA、寇元开发的XPKU处理软件包以及韦世强等开发的USTCXAFS软件包等。下面提供最为常用的几款XAFS数据处理软件包的相关网站，网站中均对各软件包的使用做了详细的介绍。 （1）UWXAFS /uwxafs/ （2）IFEFFEIT

2、 /ifeffit/ （3）CDXAS http:/www.esrf.fr/computing/scientific/exafs/cdxas.html （4）GNXAS http:/gnxas.unicam.it/ http:/www.aquila.infn.it/gnxas/ http:/unixas.unicam.it/newweb/pag_gnxas.html http:/www.esrf.fr/computing/scientific/exafs/gnxas.html （5）EXCURVE http:/srs.dl.ac.uk/xrs/C

3、omputing/Programs/excurv97/excurv98guide.htm （6）WinXAS http:/www.winxas.de/ /ravel/software/winxas.html 三、WinXAS简介 （1）相关网站 a. 软件包主页 http:/www.winxas.de/ b. XAFS基础知识 /xafs/ /feff/ /ravel/software/ c.

4、 FEFF文件 可以下载IFEFFIT软件包（免费），其自带FEFF文件，可供WinXAS使用。 与4W1相比，它的峰值强度增加了一个数量级。 （1）1W1-XAFS束线及实验站 1W1B-XAFS束线是一条聚焦单色光束线，由一个七极永磁WIGGLER，1W1引出，1W1主要指标为： 磁铁总长度：1.78 (M) 磁场强度B: 1.28 (T)； 周期长度：23(cm) Wiggler周期数: 7 电子能量E：2.5(GeV) 1W1B束线主要光学系统是在距光源21.99米处放置准直镜；距光源24.11m处安装双晶单色器, 其下游距光源25.82m处安装超环面镜，实现对束线的水平和垂直聚焦，聚

5、焦光斑在35.5m处。束线从前端引出后，首先经过准直镜，准直镜可以改善出射光的垂直发散度，从而提高系统能量分辨率，还可以增加系统可接收的垂直发散角。出射光经由双晶单色器单色化后，最后由超环面镜做水平和垂直聚焦到样品处。双晶单色器采用了T机构设计，当步进电机驱动晶体做BRAGG角转动时，通过特定的机械传动，调节两晶间距，以保持固定光斑出口高度。角度调整范围为3.8-32度，使用Si(111)双平晶晶体、单色器，能量扫描范围是3.8-30 keV。 （2）1W1B-XAFS束线主要技术指标 光学系统最大接收角（HxV）： 1.1x0.12 mrad2 可供实验的能量范围 : 3.830keV 能量

6、分辨率 : <1-3x10-4 样品处光通量 : 1011photons/s/0.1%BW 10keV 样品处光斑尺寸 : 10x1mm2 注：1W1B-XAFS束线是北京同步辐射实验室正在建造的一条XAFS专用束线，计划于2003年初进入调试并投入运行。它的光强、能量范围等主要性能指标比原有的4W1B-XAFS束线有很大提高。 （3）实验站主要设备 1. 棚屋： 2x4 m2 2. 探测器： !-if !supportLists->l <!-endif->流气电离室： 长度： 31 cm，17cm，2cm 工作电压：400 伏 荧光电离室 (Lytle 型) 配气柜：

7、可快速切换提供5种不同氩、氮配比的电离室工作气体。 具体配比(氩含量)： 100%，74%，50%，25%，0% 全反射仪 3. 低温环境室 控制范围：20300K 4. 水冷原位反应室： 最大温度：500C 最大压强：2 大气压 5. 垂直传送台（步进电机驱动） 尺寸：1.2x2 m 步长：0.5 m/pulse 行程：150 mm 6. 控制计算机：Pentium 586 7. 离线分析程序：EXCURV88；EXCURV92 2 合肥国家同步辐射实验室（NSRL）光源 一、光束线实验站 合肥国家同步辐射实验室研制的6 Tesla单周期超导扭摆磁铁（Wiggler），插入电子储存环的直线节

8、，将特征波长由弯铁的24?提高4.8?，使光源的可用范围由真空紫外、软X射线拓宽到硬X射线。合肥国家同步辐射实验室XAFS实验站是第一个利用超导Wiggler光源的实验站。 （1）XAFS光束线 XAFS光束线的构造和光路原理图如图1所示。 （a）光束线上主要部件的排布：SR-同步辐射，B-焊接波纹管，D-可调光阑，Be-过滤铍窗，PV-DN63气动门阀，ES-入射狭缝，MT-束流位置探测器，DCM-双晶单色仪，XS-出射狭缝，F-荧光靶，BS-X射线吸收体，EBe-出口铍窗 （b）光束线中各光学元件的排布：A-扭摆磁铁，B-双向可调光阑，C-单色仪入射狭缝，D-滤波铍窗，E-双晶单色仪，F-

9、单色仪出射狭缝，G-出口铍窗，H-样品 图1 XAFS光束线的构造和光路原理图 单色器是整个光束线上最关键的部分，决定着光束线的分光性能。根据对能量范围的要求，采用结构完整的Si（111）晶体。图2表示了单色仪中两块（+n，-n）型排布的晶体和其运动关系。在能量扫描和波长选择的Bragg角转 动中，为了使分光后的单色光束空间位置保持不变，则必须：（1）两晶体的衍射平面保持平行且同时垂直入射平面；（2）从第一晶体射出的光束应被第二晶体所截，其截点始终位于与入射光束平行的同一直线上。为此，两块晶体被安装在L型的联动机构上，保证在较宽范围内波长快速选择和在某一元素吸收边附近能量扫描中，两晶体有严格的

10、位置关系。 图2 双晶单色仪结构图：(a) 晶体的转动示意图，（b）联动机构图 1 第一晶体，2 第二晶体，3 微型马达，4 线性滚动导轨，5 X2-Y2滑轨，6 联动转盘，7 磁流体密封轴承，8 Huber精密转角仪，9 角度探测器 （2）实验站 a. XAFS测量系统 目前，合肥国家同步辐射实验室实验站建有一套透射法XAFS实验装置，它主要由波长扫描、探测、信号收集、控制系统组成。基本系统如图3所示。 图3 合肥国家同步辐射实验室实验站系统示意图 1）波长扫描部分 采用一圆转角仪转动晶体，编码器和显示器测量转动角度，转角仪由步进电机控制器驱动，晶体的最小转动角度为0.00005度/步。在双

11、晶单色仪中，三部微型的步进电机和一台控制器调节双晶的平行和位置，以保证适当的光强和抑制高次谐波。 2）探测部分 合肥国家同步辐射实验站采用的是气流式电离室作为吸收探测器。电离室的主体是一对电位不同的电极，可设计为各种不同的形状，本系统采用的是电离室的电极为平行板结构，工作气体为高纯N2、Ar以及其按一定配比的混合气 体，采用气流方式，通过配气系统调节和控制电离室中气体的配比和流量。电离室工作电压在200V-800V之间。 3）信号采集部分 一般情况下，在电离室后续连接弱电流计、时幅转换器和定标器收集电离电荷。国家同步辐射实验室实验站采用静电计Keithley 6517直接收集电离室内产生的电离

12、电荷。电荷的累积、放大、数据的存储、显示、向外传输等均有静电计完成。 4）控制部分 微机通过IEEE-488或RS-232接口与单色仪步进马达控制器、角度编码器、Mike编码器和两台高阻电表等通讯，发出操作指令并读取数据。 b.技术指标 合肥国家同步辐射实验室XAFS实验站参数如表1所示。 表1 NSRL XAFS实验站参数 单色仪Si(111)晶体的Bragg角范 围 光子能量调节范围 系统对光源的接受角 光学系统输出 系统的能量分辨率 样品上的光斑尺寸 可测量的元素范围 K-吸收边 L-吸收边 1060 4.112.5keV 1x0.1mrad2 >5x108phs/s(100mA)

13、 5x10-4(12.4keV) 12.5x1.3mm2 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As Te, I, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta 上海同步辐射光源(SSRF) 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

14、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0.140keV)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

15、3) 周期数 4) 直线节长度 5) 平均流强 6) 束团自然发射度 7) 束流寿命 8) 引出光斑位置稳定性 注入器： 1) 预注入器能量 2) 增强器能量 3) 增强器周长 4) 自然发射度 度与光子能量之间的关系曲线。 432m 20 4312m，1636.7m 200300mA 3 nm3rad 310hrs 10% 100MeV 0.13.5GeV 180 110 nm3rad 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 图2 SSRF弯转磁铁辐射和插入件辐射的谱通量 图3 SSRF弯转磁铁辐射和插入件辐射的耀度 三、光束线实验站 上海光源能够容纳六十多条光

16、束线，可以为上百个实验站同时供光。1999年SSRF科技委确定首批建设如下7条光束线站： 1. 生物大分子晶体学光束线站 2. 高分辨衍射和散射光束线站 3. XAFS光束线站 4. 硬X射线微聚焦及应用光束线站 5. X射线成像及医学应用光束线站 6. 软X射线扫描显微光束线站 7. X射线光刻与微纳加工光束线站 上海光源首批拟建光束线实验站科学目标与主要性能指标 序号 线站 名称 生物大1 分子晶体学 主要实验方法 1.多波长反常衍射 2.单波长反常衍射 4.时间分辨研究 研究特点与科学目标 生物大分子及其复合物结构测定 体的结构测定(膜蛋白等) 光束线主要 性能指标 能量范围: 5-18

17、keV 光通量: >10phs/s 能量分辨: 10 光斑尺寸: 100m -412 3.其他单波长方法 光束发散角: <0.53 0.05mrad (H3V) 2 多用途的衍射散射线站，可研 高分辨2 衍射和散射 1.粉末衍射 2.单晶衍射 3.表面衍射 4.小角散射 究固体材料、软物质和生物等样品 能量范围: 4-30keV -5 -4 4310 单晶、薄膜及表1012 10phs/s 10phs/s 面结构研究。结构分辨可达2 -4 10 2000? 通用的XAFS实验装置，用于 研究材料、环境和生物等样品:聚焦束3.5- 22keV, 非聚焦束 1.X射线吸收谱 2.透射和

18、荧光 3 XAFS 3.掠入射XAFS 4.XAFS和衍射组合技术 的原子近临结构和元素化学态 3.5-50keV -5 -4 2310 3310 3310phs/s 2 2 -4 10 11 Z19的元素的K吸收10keV: 边或L吸收边吸收光谱研究 (<100ppm) 1031mm 度 : 5-20keV 高性能、多用途的X射线微探-4 1.微束X射线荧光分: 10 针装置，用于分析材料、地质、 析 最小光斑尺寸: 环境和生物等样品的元素组2 2.微束X射线吸收谱232m(K-B), 分、化学形态和结构及其分布2 学 0.230.2m (FZP) 信息 3.微束X射线衍射 10keV

19、处光子通量: 122 4.微束X射线成像 >10phs/s2m20.1%bw ppb级 光斑位置稳定: <1m X射线5 成像及医学应用 1.X射线相衬成像 2.衍射增强成像 成像方法和技术研究 能量范围: 白光5-70 keV, 单色光5-40keV -4 硬X射4 线微聚焦及应用 包括2 3.X射线单色光吸4.光斑尺寸：10032mm 软组织(乳房、大脑、颈部、122 收边成像 光通量: 10phs/s2mm (12keV 肝脏、肺) 恶性肿瘤和脉管12 处), 3310phs/s(40keV处) (心血管、呼吸道)疾病 微生 物、细胞以及半导体器件等的 : 2502000eV

20、 结构和化学态，实现纳米尺度 1.软X射线扫描透射空间分辨: 50nm 的空间分辨 显微(STXM) 谱分辨(E/E): >2500 C, N, O, F, 2.软X射线近边吸收: Na, Mg, Al, Si等元素的K9 谱学(NEXAFS) 10phs/s (光子能量300eV, 空 边 间分辨50nm时) 相干散射等 新的成像方法研究 /: 10000 2 1-4mm 装模版的制备 : 1020nm 规则结构的光学器 : 2050nm 件研制 7 phs/s 为X射线光刻提供优质的曝光源： 200:1 : 18keV : 110mm 软X射6 线扫描显微 X射线7 光刻与微纳加工

21、1m 表化学元素K、L吸收谱线的激发电位，keV 元素 1-H 2-He 3-Li 4-Be 5-B 6-C 7-N 8-O 9-F 10-Ne 11-Na 12-Mg 13-Al 14-Si 15-P 16-S 17-Cl K边 0.014 0.025 0.055 0.116 0.192 0.283 0.399 0.531 0.687 0.873 1.080 1.303 1.559 1.838 2.142 2.470 2.819 LI边 - - - - - - - - - 0.048 0.055 0.063 0.087 0.118 0.153 0.193 0.238 LII边 - - - -

22、 - - - - - 0.022 0.034 0.050 0.073 0.099 0.129 0.164 0.203 LIII边 - - - - - - - - - 0.022 0.034 0.049 0.072 0.098 0.128 0.163 0.202 18-Ar 19-K 20-Ca 21-Se 22-Ti 23-V 24-Cr 25-Mn 26-Fe 元素 27-Co 28-Ni 29-Cu 30-Zn 31-Ga 32-Ge 33-As 34-Sn 35-Br 36-Kr 37-Rb 38-Sr 39-Y 40-Zr 41-Nb 42-Mo 43-To 44-Ru 45-Rh 4

23、6-Pd 47-Ag 48-Cd 49-In 50-Sn 51-Sb 3.203 3.606 4.038 4.496 4.964 5.463 5.988 6.537 7.111 K边 7.709 8.331 8.980 9.660 10.368 11.103 11.863 12.652 13.475 14.323 15.201 16.106 17.037 17.998 18.987 20.002 21.054 22.118 23.224 24.347 25.517 26.712 27.928 29.190 30.486 0.287 0.341 0.399 0.462 0.530 0.604 0

24、.679 0.762 0.849 LI边 0.929 1.015 1.100 1.200 1.300 1.420 1.529 1.652 1.794 1.931 2.067 2.221 2.369 2.547 2.706 2.884 3.054 3.236 3.419 3.617 3.810 4.019 4.237 4.464 4.697 0.247 0.297 0.352 0.411 0.460 0.519 0.583 0.650 0.721 LII边 0.794 0.871 0.953 1.045 1.134 1.248 1.359 1.473 1.599 1.727 1.866 2.00

25、8 2.154 2.305 2.467 2.627 2.795 2.966 3.145 3.329 3.528 3.727 3.939 4.157 4.381 0.245 0.294 0.349 0.406 0.454 0.512 0.574 0.639 0.708 LIII边 0.779 0.853 0.933 1.022 1.117 1.217 1.323 1.434 1.552 1.675 1.806 1.941 2.079 2.220 2.374 2.523 2.677 2.837 3.002 3.172 3.352 3.538 3.729 3.928 4.132 52-Te 53-I

26、 54-Xe 55-Cs 元素 56-Ba 57-La 58-Ce 59-Pr 60-Nd 61-Pm 62-Sm 63-Eu 64-Gd 65-Tb 66-Dy 67-Ho 68-Er 69-Tm 70-Yb 71-Lu 72-Hf 73-Ta 74-W 75-Re 76-Os 77-Ir 78-Pt 79-Au 80-Hg 81-Tl 82-Pb 83-Bi 84-Po 31.809 33.164 34.579 35.959 K边 37.410 38.931 40.449 41.998 43.571 45.207 46.846 48.515 50.229 51.998 53.789 55.

27、615 57.483 59.335 61.303 63.304 65.313 67.400 69.508 71.662 73.860 76.097 78.379 80.723 83.106 85.517 88.001 90.521 93.112 4.938 5.190 5.452 5.720 LI边 5.995 6.283 6.561 6.846 7.144 7.448 7.754 8.060 8.393 8.724 9.083 9.411 9.776 10.144 10.486 10.867 11.264 11.676 12.090 12.522 12.965 13.413 13.873 14.353 14.841 15.346 15.870 16.393 16.935 4.613 4.856 5.104 5.358 LII边 5.623 5.894 6.165 6.443 6.727 7.018 7.281 7.624 7.940 8.258 8.621 8.920 9.