先进表征方法与技术 课件 3.1 同步辐射光源与中子源

3.1同步辐射光源与中子源1同步辐射光源与中子源X射线的产生涉及将高速电子通过加速器加速后引导到靶材上，电子与靶材原子发生相互作用时产生电磁辐射，即X射线。通过控制加速器参数和选择靶材，可以调节和控制X射线的能量、强度和光谱。中子的产生方式包括核裂变、加速器产生、中子反应堆和自然放射性衰变。核裂变是一种重要的中子产生机制，其中重核裂变成两个或多个轻核，同时释放出大量的中子。加速器产生的中子通常通过加速带电粒子（如质子）与靶材相互作用产生。中子反应堆则是专门设计用于产生中子的设备，通过核裂变反应过程产生中子。此外，一些天然放射性同位素的衰变过程中也会释放出中子。尽管X射线技术和中子技术的原理和应用有所不同，但它们在材料科学和工程中都发挥着重要作用。根据具体的研究需求和样品特性，可以选择合适的技术进行材料表征和分析，以获得所需的信息和数据。1.1X射线与中子的基本性质X射线技术的历史可以追溯到19世纪末期的1895年，德国物理学家伦琴在进行阴极射线管实验时意外发现了一种新型辐射。当电流通过阴极射线管时，管外的屏幕上出现了一种能够穿透物体并在屏幕上产生影像的辐射，这种辐射被称为X射线。这一发现引发了科学界的广泛兴趣，人们开始探索X射线的性质和潜在应用。随后的几年里，科学家们对X射线进行了系统的研究，并尝试将其应用于医学和工业领域。1896年，首次在人体上使用X射线进行医学诊断的实验在德国进行，很快X射线就被用于诊断骨折、肿瘤和其他人体内部疾病。20世纪初，X射线成像技术得到了改进，包括放射学和X射线摄影等技术的发展。1920年代，放射学家贝特森斯在美国开发了放射学技术，这使得医学影像学得以快速发展，为医学诊断提供了新的手段。20世纪中叶，随着电子学和计算机技术的发展，数字X射线成像技术的出现使医学影像学迈入了数字化时代。计算机断层扫描（CT）和数字放射摄影（DR）等技术的出现使医学影像学的分辨率和准确性得到了极大的提高。如今，X射线技术已经成为医学、工业、材料科学和考古学等领域的重要工具。1.1X射线与中子的基本性质X射线的产生X射线的产生涉及将高速电子通过加速器加速后引导到靶材上，与靶材原子相互作用产生广义辐射和特征辐射，形成连续谱和特定能量的X射线。广义辐射是电子在减速过程中释放出的能量连续的X射线，而特征辐射是由内层电子跃迁导致的特定能量的X射线。这些步骤共同构成了X射线的产生过程。连续X射线谱是X射线的一种特殊谱线，其特点是呈现连续的能谱分布而不是离散的谱线。连续X射线谱是由高能电子与原子的外层电子相互作用时产生的广义辐射形成的。当高速电子与原子的外层电子碰撞时，它们可能被原子核引力场束缚，但也可能受到相互作用的影响而被打出原子束缚，导致原子的外层电子脱离原子，形成自由电子。当这些自由电子再次被原子所束缚时，可能会释放出X射线，其能量分布是连续的，因为自由电子在被束缚时可以释放任意能量的X射线。因此，连续X射线谱是X射线的一个重要特征，提供了有关X射线产生机制和与物质相互作用的重要信息。1.1X射线与中子的基本性质X射线的产生特征X射线谱则是由高能电子与原子内层电子相互作用时产生的X射线谱线。当高速电子与原子的内层电子碰撞时，可能会导致原子内层电子被激发到高能级。随后，这些激发态的电子会在短时间内返回到较低能级，释放出X射线。这些X射线的能量是由原子的电子结构决定的，因此它们具有特定的能量和频率，形成了一系列锐利的峰值，称为特征X射线谱线。每个元素都有其独特的特征X射线谱线，因此特征X射线谱线可以用于确定物质的组成和结构。图3-1展示了铜管在40kV操作时的发射波长谱，其中Kα和Kβ是光谱中的两个重要发射线。它们来自于原子的内层电子被外层电子跃迁所产生的辐射，对应着不同的能级跃迁。Kα线是由原子的K壳层（最内层）到L壳层（次内层）的电子跃迁所产生的X射线辐射。Kα线通常是X射线光谱中最强的谱线之一，其能量和波长相对较小。Kβ线是由原子的K壳层到M壳层（更外层）的电子跃迁所产生的X射线辐射。Kβ线的能量和波长通常比Kα线要大，其强度一般比Kα线要弱。1.1X射线与中子的基本性质X射线的产生图3-1铜管在40kV操作时的发射波长谱X射线既表现出粒子性质，又表现出波动性质，这一特性在量子力学中被称为波粒二象性。从粒子性质的角度来看，X射线可以被看作是由一系列能量不同的光子组成的粒子流。这些光子在与物质相互作用时，表现出光电效应、康普顿散射等现象。另一方面，X射线也表现出波动性质。从电磁波的角度来看，X射线是一种电磁辐射，具有特定的频率和波长。1.1X射线与中子的基本性质X射线的产生X射线的波长通常在几纳米到数十纳米之间，比可见光的波长要短，因此具有更高的能量和穿透能力。这种波动性质使得X射线可以产生干涉、衍射等波动现象，可以用来研究物质的结构和性质。在实验室X射线系统中，光源通常是密封X射线管、旋转阳极或液态金属阳极。此外，同步辐射也是产生X射线的一种重要方法，相比其他X射线源，同步辐射不但提供了最高的光子通量，还允许使用不同的波长。密封X射线管的基本设计如图3-2所示。它包含一个放置在真空密封壳体中的丝状电子发射体（丝）和一个阳极（靶）。通过电流加热丝，使电子发射。在丝和阳极之间施加一定的高电压（约30kV至60kV），以加速电子朝向阳极运动。当电子撞击阳极时，它们被减速，从而引起X射线的发射。1.1X射线与中子的基本性质X射线的产生这种辐射称为布莱姆斯辐射，它是一种具有广泛波长谱的辐射，其能量不超过施加的高电压（例如，40kV的限制为40keV）。一部分电子将从阳极的原子中释放。然后，剩余电子的内部重新排列导致发射出与阳极材料（主要为铜）典型波长的特征辐射。X射线管的强度（即光子数量）受到撞击阳极的电子的数量密度（电流）的控制。通常，铜管的操作功率为2kW，可以通过将高电压设置为40kV和电子电流设置为50mA来实现。1.1X射线与中子的基本性质X射线的产生图3-2密封X射线管示意图同步辐射X射线是一种高亮度、高能量、高度聚焦的X射线辐射，通常由同步辐射源产生。这些同步辐射源通常是由电子加速器和磁体组成的设备，通过高能电子束与磁场的相互作用产生。在同步辐射源中，高能电子通过电子加速器加速到接近光速的速度。然后，这些高速电子进入磁体区域，在磁场的作用下进行弯曲或偏转。当电子在磁场中弯曲或偏转时，它们会产生加速度，释放出电磁辐射。这个过程产生的辐射波长范围从远红外到硬X射线，包括可见光、紫外线、软X射线和硬X射线等。相比于实验室X射线系统，同步辐射X射线具有高亮度、宽能谱和短脉冲时间等特点。1.1X射线与中子的基本性质X射线的散射X射线与物质的相互作用是一个多方面的过程，如图3-3所示，包括光电效应、康普顿散射、特征X射线发射等机制。当X射线与物质相互作用时，它们可能会将物质的内层电子释放出来，改变X射线的传播方向和能量，或者激发原子的内层电子并产生特定能量的X射线。此外，X射线在物质中传播时也可能会发生反散射和吸收。图3-3X射线与物质的相互作用示意图1.1X射线与中子的基本性质X射线的散射X射线的散射是指X射线与物质相互作用时发生的现象。这种相互作用可以导致X射线的能量和方向发生改变。X射线的散射通常涉及X射线与物质中的电子或原子核之间的相互作用，可分为弹性散射和非弹性散射，如图3-4所示。1.1X射线与中子的基本性质X射线的散射图3-4X射线的散射示意图a）弹性散射b）非弹性散射在弹性散射中（也称相干散射或汤姆逊散射），X射线与物质中的电子或原子核相互作用，但不会改变其能量。这种散射会导致X射线的方向发生改变，但其能量保持不变。在晶体学中，弹性散射可以产生衍射图样，这些图样包含有关晶体结构的信息，1.1X射线与中子的基本性质X射线的散射因此被广泛用于确定材料的晶体结构。在非弹性散射中（也称非相干散射或康普顿散射），X射线与物质相互作用后，会改变其能量。这种散射通常涉及X射线与物质中的电子发生能量转移的过程，从而导致X射线的能量损失或增加。非弹性散射在X射线吸收光谱学中非常重要，可以用来研究材料的电子结构和能级分布。1.1X射线与中子的基本性质X射线的吸收X射线的吸收是指X射线通过物质时，部分或全部能量被物质吸收的过程。X射线在物质中的吸收程度取决于几个因素，包括X射线的能量、物质的密度和成分、以及物质的厚度等。X射线的吸收过程主要包括光电效应和俄歇效应。光电效应是指当光子（例如X射线或紫外线）与物质中的原子相互作用时，能量足够大以至于能够将原子中的束缚电子从原子中释放出来的现象，如图3-5所示。具体来说，当光子的能量足够高时，它们可以将物质中的内层电子从原子的束缚态中击出，形成自由电子，同时使得原子变为带正电的离子。这一过程使得光子的能量完全或部分被吸收，而原子内层的空位则可能由外层的电子填补，释放出特定能量的X射线，称为特征X射线。光电效应的发生与光子的能量、原子的电子结构以及物质的性质等密切相关，在X射线成像、光电二极管和光电倍增管等技术中具有重要作用。1.1X射线与中子的基本性质X射线的吸收图3-5光电效应示意图俄歇效应是指当高能光子（如X射线或紫外线）与物质中的原子相互作用时，将原子的内层电子从原子中击出，同时使得原子处于激发态，如图3-6所示。在俄歇效应中，被击出的电子称为俄歇电子，而原子的空位则可能由外层的电子填补，释放出特定能量的X射线，也可以是其他形式的辐射，如紫外线或可见光。与光电效应不同，俄歇效应中释放出的电子不是来自光子，而是来自原子内层电子。1.1X射线与中子的基本性质X射线的吸收图3-6俄歇效应示意图1.1X射线与中子的基本性质中子与物质的相互作用中子是构成原子核的基本粒子之一，其电荷为零，质量稍大于质子。作为费米子，中子具有自旋1/2，遵循泡利不相容原理。中子在核反应、核衍射、中子吸收和散射等过程中发挥着至关重要的作用。在核能研究中，中子被广泛用于诱发核裂变和核聚变，为核能的应用提供能量。此外，中子衍射技术在材料科学中用于研究晶体结构和材料性质，而中子散射则可提供关于物质内部结构和动力学行为的详细信息。在生物学领域，中子与生物分子相互作用的研究有助于理解生物体内部结构和功能。中子与物质的相互作用是多方面的，涵盖了从微观到宏观的各个层面，如图3-7所示。首先，中子在物质中的传输过程中会发生弹性散射和非弹性散射，从而提供关于物质内部结构和成分的信息。这种散射过程是中子散射技术的基础，可用于研究材料的晶体结构、分子结构、磁性等性质，对于材料科学和凝聚态物理学的研究至关重要。1.1X射线与中子的基本性质中子与物质的相互作用其次，中子可以被物质中的原子核吸收，从而引发核反应。这种吸收过程可以导致原子核的激发态或产生新的核素，例如核裂变或核聚变。在核能研究中，中子是引发核反应的重要驱动因素，在核电站中用于控制核反应堆中的裂变过程，同时也是实现未来核聚变能源的关键。此外，中子对生物分子的相互作用也引起了广泛的关注。中子与生物分子如蛋白质、核酸等的相互作用研究，有助于理解它们的三维结构和功能机制。例如，中子衍射技术可用于解析生物大分子的高分辨率结构，对于药物设计和疾病治疗至关重要。总的来说，中子与物质的相互作用在材料科学、核能研究、生物学等领域都具有重要的应用和意义。1.1X射线与中子的基本性质中子与物质的相互作用图3-7中子与物质的相互作用示意图1.2同步辐射光源同步辐射光源是一种高亮度、高能量的电磁辐射源，通过粒子加速器中高速运动的电子束与磁场相互作用而产生。这些电子束在磁场中弯曲或偏转时会产生辐射，其频谱范围从远红外到硬X射线，具有高能量、高亮度和高度聚焦的特点。同步辐射光源通常由电子加速器和磁体组成，电子加速器用于加速电子，而磁体用于弯曲或偏转电子束。同步加速器是一种圆形粒子加速器，如图3-8所示，可以将带电粒子从低能量加速到高能量，或者将粒子在圆形轨道上保持恒定能量循环运动，持续数小时甚至数天，这被称为储存环。电子储存环是同步辐射光源的核心部分。电子在储存环中循环运动时，通过三个路径上的主要光源组件时（弯曲磁铁、摇摆器和束流线），会产生同步辐射。这种同步辐射在广泛的波长范围内非常强烈，从红外线、可见光和紫外线，一直到电磁谱的软X射线和硬X射线部分。弯曲磁铁辐射具有宽广的光谱和良好的光子通量；摇摆器辐射提供更高能量的光子和更多的光子通量；而束流线则提供更亮的辐射，具有更小的光斑尺寸和部分相干性。1.2同步辐射光源图3-8同步加速器组成示意图同步加速器一般由五个主要组件组成：（1）电子源（e-gun）：通常由热丝产生的热电子发射来生成电子，位于电子枪中。这些电子通过线性加速器（LINAC）加速到约100MeV。同步加速器需要定期补充电子，因为它们在运行过程中不断损失，这是由于与储存环中残余气体粒子的碰撞导致的。1.2同步辐射光源（2）提升环（boosterring）：电子从线性加速器中进入提升环，并被进一步加速。它们可以被加速到与主储存环中的电子相同的能量。然后定期将它们注入储存环，以维持指定的储存环电流。（3）存储还（storagering）：包含电子，并通过一组磁铁维持它们在闭合路径上，通常称为环的“磁铁阵列”。这些磁铁主要有三种类型：偏转（或弯曲）磁铁使电子改变其路径，从而沿着闭合轨道运动；四极磁铁用于聚焦发散的电子束；六极磁铁用于校正由四极磁铁聚焦引起的色差。（4）射频腔（RF）：电子因发射同步辐射而损失能量。如果不补充这部分能量，电子将会螺旋进入储存环的内壁并丢失。这个过程通过一个射频（RF）腔实现，每次电子通过时都会向其提供恰到好处的额外能量。（5）插入设备（insertiondevice）：束线沿着插入设备的轴和弯曲磁铁的切线方向从储存环侧向延伸。1.2同步辐射光源光束然后通常在光学小屋内被聚焦和/或单色化，然后进入实验小屋。对于产生高能X射线的束线，小屋使用铅衬垫、厚混凝土墙进行屏蔽，以保护用户不仅免受X射线，还免受伽玛射线和高能中子的影响。小屋内的实验通常是远程执行的，从辐射区外部执行。在全球范围内，主要的同步加速器包括上海同步辐射光源（SSRF）、美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS）、美国布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II（NSLS-II）、欧洲核子研究组织（CERN）、斯坦福线性加速器中心（SLAC）、德国电子同步加速器（DESY）、日本高能加速器研究机构（KEK）等。这些设施在粒子物理、加速器科学以及材料研究等领域发挥着关键作用，为科学家们提供了进行前沿研究所需的先进实验设备和资源。1.2同步辐射光源值得一提的是，同步辐射X射线和普通X射线各有其独特的优点和应用场景。同步辐射X射线由于其高亮度和广谱特性，在尖端科学研究中具有不可替代的作用，而普通X射线则以其操作简便和广泛应用在日常成像和分析中占据重要位置。1.3中子源在普通凝聚物中，中子被束缚在原子核内。中子可以通过几种不同的核反应被释放出来。查德威克（Chadwick）在1932年通过a粒子与铍核碰撞的核反应发现了中子。一个α粒子（一个氦-4核）与一个铍-9核碰撞。碰撞导致铍核激发，分裂成一个碳-12核和一个中子。查德威克观察到，这种反应产生的辐射能够比预期更有效地穿透材料，而不像α粒子或γ射线那样。通过进一步的实验和对这种辐射的特性进行分析，查德威克得出结论，这些辐射由带有大约与质子相同质量的无电荷粒子组成。他将这些粒子称为“中子”，因为它们缺乏电荷。在高通量中子散射设施中，通常采用两种不同的方法来产生中子。其中之一是核裂变（fission），具体来说是在核反应堆中引起的中子诱导裂变。这是指重核（如铀235）吸收中子，随后分裂成两个或更多轻核，伴随着每个裂变平均释放大约2.4个中子，1.3中子源每个中子的典型动能约为2MeV，如图3-9所示。在稳定的核中，中子的数量等于或超过质子的数量，并且中子/质子比随着原子序数Z的增加而增加。因此，当一个重核裂变成稳定的轻核时，中子将被释放出来。图3-9铀-235核的中子诱发裂变示意图1.3中子源核反应堆的核心包含裂变燃料元件，这些元件的排列使得一个裂变释放的中子与其他核碰撞时，有很高的概率诱导至少一次额外的裂变。这反过来又诱导了另一次裂变，如此循环，引起了链式反应。在中子束反应堆中，大多数未参与裂变反应的多余中子会从核心中逃逸出去。为了适用于散射实验，这些中子必须通过减速器将它们的动能从约MeV减少到小于1eV。这是在调制材料中进行的，调制材料是一种通过与调制物质的核多次碰撞来减慢中子速度的介质。经过许多次碰撞后，中子达到热平衡，其能量分布为麦克斯韦分布，其平均动能由调制剂的温度确定。实际的调制剂物质包括25K的液态氢、300K的液态水和2400K的固态石墨。从这些调制剂中出来的中子分别被称为冷、热和热中子。从调制剂出来后，中子沿着束管和导管被传输到中子散射仪器。1.3中子源另一种产生中子的方法是剥离（spallation）。核剥离是指由于受到高能（约1GeV）质子轰击而导致重核释放出轻核碎片的过程，如图3-10所示。环形加速器或线性加速器可以用来产生接近光速运行的质子脉冲。剥离靶由重金属制成，通常是钨、汞或铅。在碰撞中，质子进入靶核并将其置于短暂的、高度激发的状态，该状态随后迅速衰变，伴随着轻核、中子和其他基本粒子的发射。去激发过程也可能导致裂变。每个入射质子产生大约30个中子，其平均能量约为20-30MeV。这些中子在类似于反应堆源中使用的调制器中减速，然后被输送到束管中传输到仪器中。1.3中子源图3-10质子诱导剥离示意图与产生恒定中子通量的反应堆源不同，剥离源产生的中子以一系列脉冲的形式出现，其频率在10至60Hz之间变化，具体取决于设施。大多数剥离源在调制器后具有约100μs的脉冲持续时间。从调制器出来的中子具有一定能量和速度的分布，但随着它们沿着束线传播，它们在空间和时间上会扩散，快速中子会比慢速中子先到达。因此，可以通过测量中子在已知距离上的飞行时间来确定中子的速度（因而确定其能量和波长）。剥离源的中子仪器采用各种时间飞行技术，以最大限度地利用源的脉冲结构来进行不同类型的测量。1.4当代设备和技术进展X射线技术主要包括：（1）X射线衍射（XRD）是一种重要的材料表征技术，利用X射线与晶体结构相互作用的原理，通过衍射现象来分析晶体的结构信息。当入射的单色X射线束照射到晶体上时，由于X射线与晶格原子的周期性排列相互作用，会出现衍射现象，即X射线在晶体中被散射成不同方向上的特定角度。通过测量这些衍射角度和强度，可以推断出晶体的晶格常数、晶体结构、晶面间距等信息，从而揭示材料的结构和性质，为材料科学、固体物理、化学等领域的研究提供了重要的手段和依据。（2）X射线荧光光谱（XRF）是一种非破坏性的分析技术，通过研究样品受到X射线激发后发出的荧光辐射来确定样品的化学成分，如图3-14所示。当样品暴露于高能X射线束时，其原子会吸收X射线的能量，并在短时间内释放出荧光辐射。通过测量这些荧光辐射的能量和强度，可以确定样品中元素的类型和含量。X射线荧光光谱广泛应用于金属、岩石、矿物、玻璃、陶瓷等材料的分析和检测，以及考古学、地质学、环境监测等领域的研究中，为科学研究和工业生产提供了准确、快速、无损的分析手段。1.4当代设备和技术进展（3）X射线光电子能谱（XPS），是一种表面分析技术，通过研究材料表面被X射线激发后发射的光电子能谱来分析材料的表面化学成分