XAFS基础讲义的教案.pptxVIP

XAFS基础讲义的教案;X射线吸收精细结构谱（XAFS）基础;§1 XAFS理论基础;什么是XAFS;X射线吸收机制－微观过程 X射线通过光电效应被物质吸收 吸收发生条件：入射光子能量hv大于原子某个特定内壳层束缚能E0 吸收过程：入射光子则被吸收（湮灭）其能量E全部转移给该内壳层的一个电子，该电子被弹出该壳层，称为光电子。 光电子具有动能 E动＝ hv － E0 原子内壳层形成电子空缺，原子处于激发态;原子的激发态通常在吸收后数个飞秒内消失，这一过程称为退激发。退激发不影响X射线吸收过程。退激发有两种机制： X射线荧光发射及俄歇效应； X射线荧光发射：即能量较高的内壳层电子填补了较深层次的内壳层空位，同时发射出特定能量的X射线，称为X射线荧光。荧光的能量是由原子种类以及电子跃迁的能级决定的。举例而言;俄歇效应：其中内壳层某个电子从较高的能级落到低能级后，同一能级的另一个电子被射入连续区； 在大于2keV的硬X射线能区，X射线荧光发生的几率大于俄歇效应；在较低能区，俄歇过程会占主导地位。 无论是荧光或是俄歇电子发射，其强度都与该物质吸收的几率成正比，因而这两种过程都可以用于测量吸收系数μ，其中荧光方法更为常见。;一束能量为E的单能X光束I0入射到厚度为t的样品，经过样品的吸收，出射光束的强度 I； 入射、出射光束的强度遵从关系： μ－吸收系数，表征X射线被样品吸收的几率； μ不是常量而是变量，与样品密度，原子序数 ，原子质量（A），X射线能量相关（E） μ对组成样品的元素（ Z ）非常敏感， 当元素确定，μ（E）～E ，吸收系数与能量之间 的关系为一条单调下降的曲线，可用Victoreen公式描述： 当能量等于原子内壳层K,L能级的束缚能时， μ值不连续，发生突跳，叫吸收边。;根据上述分析可知，应用透射模式或荧光模式，都可以测量吸收系数。透射测量模式，吸收系数为：;XAFS;◆XANES：吸收边前－ 吸收边后50eV，特点 是连续的强振荡。谱图难于量化分析，通过适当方法，可获得吸收元素价态等半定量信息。 EXAFS：吸收边后50eV － 1000eV ，特点是连 续缓慢的弱振荡。谱图可以被量化解读，给出近邻结构信息。 EXAFS精细结构函数χ(E)定义;EXAFS的理论是在单电子加上单散射的基础上形成的。吸收原子的内壳层电子在吸收了一个能量E足够大的X射线光子后，克服其束缚能E0而跃迁到自由态，成为一个具有动能 的光电子。 光电子在向外传播的过程中会被近邻配位原子所散射，一部分被背散射回到吸收原子，他们仅被散射了一次。 以量子力学的观点，光电子应该作为一个波来处理，其波长为：;物理结论：;§2 XAFS实验;XAFS实验要素及方法;XAFS的数据采集有两种基本模式，透射模式及荧光模式。 透射模式： 样品及其前后的电离室IC0、IC 构成了XAFS透射实验设置。电离室IC0 ，IC 输 出的弱电流信号I0 及I 则正比于样品前后的光强，控制单色器在某特定的能量范围进行能量扫描，并逐点采集I0及I，即可得到感兴趣元素在其吸收边一段范围内的谱。;测量误差与采样总光子计数： XAFS要求测量误差小于10-3。不准确的μ(E)可能会对XAFS造成不良影响，甚至彻底 破坏精细结构。由于现代电子技术的发展，放大器的测量精度可达10－11 A，而 XAFS信号一般在10－6 A至10－9 A之间，因而电子学系统的噪声可以忽略不计。同 步辐射XAFS信号噪声重要来源之一是统计涨落引起的噪声。设某次采样光强为I，采样时间为t，则该次采样总光子计数为N＝I·t，该次测量相对误差为：;荧光模式： 在环境，生命，生物大分子结构等研究领域，往往痕量元素的近邻结构信息是非常重要的。对于这类低浓度样品（感兴趣的痕量元素含量可低至ppm量级）荧光测量模式具有高S/B，被广泛采 用。 通过实验采集荧光产额If，同样可得到的曲线。;SSRF-BL14W1光束线布局;实验站结构;实验台;Potential capability Minimum Detection Limit ~1ppm;实验的过程相对简单，只要将必要的参数输入控制程序，则系统在计算机控制下，自动在给定的扫描范围内按预置的步长驱动单色器步进转动，在每一 个采样点按设定的积分时间对数据采样，循环上述步骤，逐点采样，最后完 成在设定范围内的扫描。 目前XAFS系统获取一个普通透射谱速度约为10-20 分。 原始数据以ASCⅡ文件格式存盘，其各列数据意义为：;透射XAFS实验要点;实验方法－LYTLE荧光电离室;实验要点;Sample;4元硅或者32元高纯Ge半导体阵列探测器。 固体多道/单道探测器系统对每一个X光子脉冲的处理需要一定的时间，在这一期间内进入探测器的其他X光子脉冲将被系统忽略，这一时间称为“