第四章同步辐射技术 一、同步辐射光源简介 1同步辐射光源 一实验堂和用广补公室 的原理和发展简史 同步辐射是电子在 作高速曲线运动时 沿轨道切线方向产 一、同步辐射光源的简介 生的电磁波，因是在 二、同步辐射中的光谱术及其应用 电子同步加速器上 首次观察到，人们 这种由養近光遮的 带电子在藏场中 动时产生的电 “电子在图形轨道 运行时能量损失， 故发出能量是连续 分布的同步辐射光。 同步辐射源的构造示意图 表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，其中表征性能的指标是同步 Lienard的 sky Kerst及Wane 辐射亮度，发散度以及相干性。 今同步辐射光源的建造经历了三代并向第四代发展。 表1三代同步辆射源主要性能指标的比较下四 第一代 第二代 第三代 第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建透与电子加速器和储存环 上的产品。 铺存环工作方式 象用 专用国 专用 电子能量 一0GV,1GV左右，产生真室教外低能1GeV左右 (②☒)第二代同步辆射光源是专门为同步辆射的应用而设计建造的，关田的 由高能物理决定 及教X射线 中能1-3,5GeV Brokhaven国家实验室(BNL)两位加速器物理学家Chasman和 1-一3G0V,产生硬X射线高能56~8GeV Green把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特森的序列组装 电子束发射度/m,量几百 41500 520 成Chasman2 Green阵列Lattice),这种阵列在电子储存环中采用标 网步辐射解度 1o5-1o 105一10 10一1o0 志着第二代同步辐射的建造成功 发光元件 二极弯转磁饺 被整为士 (3)第三代同步辆射光源的特征是大量使用插入件(Inserction Devices), 少数 都分空间相干 即扭摆磁体(Miggler)）和波荡磁体(Undulator)而设计的低发散度的电 光的相干性 子储存环。 技术开发年代 20世纪的年代中 如世起70年代末 2世纪90年代初 。ph·1·mdt·mmi,(0.1⅓bw)-士，Bw为带宽()之缩写， 第四代光源的要求 皮、韩、瑞典、西班牙和巴西等国家· 大概可分为三类： (1)亮度：大于第三代至少一个数量级： 第一类.是建立以UV(真空紫外)为主的光源，借助储存环直线部分的扭摆 体把光谱扩展到硬X射线范围，台湾新竹SRRC和合肥NSRC光源属此 (2)相干性：空间全干涉， 类 二类，是利用同步电子加速器，在高能和中能两种能量模式下操作，可在 (3)光脉冲长度：p腾或即以下： 同一台电子同步加速器（增强器）下，建立VUV和X射线两个电子储存环，位 于美国长岛Brookhaven国家实验室(BNL)的国家同步辐光源(NSLS)属于 ()多用户和高稳定性：能够同时容许激百人 进行实验。 供硬X射线、软X射线或和紫外及可见光到红外的光谱分布，但长波部分 的亮度较VUV环低些，但仍然也可用长波段进行工作，上海同步辆射装置 /SSRF就属此类
第四章同步辐射技术 一、同步辐射光源的简介 二、同步辐射中的光谱术及其应用 一、同步辐射光源简介 1 同步辐射光源 的原理和发展简史 同步辐射是电子在 作高速曲线运动时 沿轨道切线方向产 生的电磁波,因是在 电子同步加速器上 首次观察到,人们称 这种由接近光速的 带电粒子在磁场中 运动时产生的电磁 辐射为同步辐射,由 于电子在图形轨道 上运行时能量损失, 故发出能量是连续 分布的同步辐射光。 关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889 年 Lienard的工作,进一步的理论工作由Schott , Jassinsky ,Kerst 及Ivanenko , Arzimovitch 和Pomeranchuk等直至1946 年才完成,Blewett 的研究工作首次 涉及同步辐射对电子加速器操作的影响,并观察到辐射对电子轨道的影响。至 今,同步辐射光源的建造经历了三代,并向第四代发展。 第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环 上的副产品。 (2) 第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的,美国的 Brokhaven 国家实验室(BNL) 两位加速器物理学家Chasman 和 Green把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装 成Chasman2Green 阵列(Lattice) , 这种阵列在电子储存环中采用标 志着第二代同步辐射的建造成功。 (3) 第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件( Inserction Devices) , 即扭摆磁体(Wiggler) 和波荡磁体(Undulator) 而设计的低发散度的电 子储存环。 表1 为三代同步辐射光源的重要参数比较,其中表征性能的指标是同步 辐射亮度,发散度以及相干性。 第四代光源的要求 （1）亮度：大于第三代至少一个数量级； （2）相干性：空间全干涉； （3）光脉冲长度：ps或ps以下； （4）多用户和高稳定性：能够同时容许数百人 进行实验。 目前,世界上已使用的第一代光源19 台,第二代24 台,第三代11 台。 正在建设或设计中的第三代14 台,遍及美、英、欧、德、俄、日、中、印 度、韩、瑞典、西班牙和巴西等国家。 大概可分为三类: 第一类,是建立以VUV (真空紫外) 为主的光源,借助储存环直线部分的扭摆 磁体把光谱扩展到硬X 射线范围,台湾新竹SRRC 和合肥NSRC 光源属此 类。 第二类,是利用同步电子加速器，在高能和中能两种能量模式下操作,可在 同一台电子同步加速器(增强器) 下,建立VUV 和X 射线两个电子储存环,位 于美国长岛Brookhaven 国家实验室(BNL) 的国家同步辐光源(NSLS) 属于 此类。 第三类, 是建立以X射线环为主同时兼顾VUV 的储存环,因为X 射线环能提 供硬X 射线、软X 射线或和紫外及可见光到红外的光谱分布,但长波部分 的亮度较VUV 环低些,但仍然也可用长波段进行工作,上海同步辐射装置 (SSRF) 就属此类
远量调 韩国 三代 BEPC(BSRF) 北京高能物理所 152.2运行 代 度|B 巴密增：会性于比 NSRL 合配国家同步辐射实验室 0.8 运行 第二代 1-1 中国 SRRC 台海同步辐射研究中心 13-1.5 运行 第三代 TLS-I 流 30-3.5 建议 第三代 照。 上海，张江高科技园区 35 建 第三代 美国：14座（运行和建设），第三代5座(3座运行)： 被品 俄罗斯：11座（运行），第三代0座： 蓝：王 雨 日本：15座（运行和建设），第三代4座(1座运行)： 中国：5座（运行和建设），第三代3座(1座运行)： ★太 子系同步框射光源的主要特在女线比化时洗西有了 (2)宽而连续分布的谱范围。 波谱的分布跨越了从红外一可见光一紫外一软X射线一硬以射线整个范用。试验所用 的波长能方便地使用光橱单色或晶单色器从连续谱中选出。 、高强度，更确切讲是高亮度，同步辐射X射线亮度比60kW 语分布的一个重要特点是 临界波长1c(又称特征波 旋转阳极X射线源所发出的特征辐射的亮度分别高出3~6 长)，所谓特征波长是指这 10 个量级。 个被长具有表征面步辐射 语的特征，即大于1c和小 10 弯磁体 描述高亮度的另一参量是光于道意仰光子5mmma:10J.前离 于C的光子总射能骨 提到第二代同步射光源的光通量达10州一10“，第三代光源 50 10 相等0.2一101c占总钢 10 重直担书体 到了第四代光子德量可>10 ,已大大超过高功率的激光器。从这个意义上讲 射功率的95%左右.故选0 一台同步都射光源相当于无数台激光器。 2一101c为同步辐射装置 的可用波长是有充分理由 光子使量eV 的。 日本光子工厂(P日同步辐射光源的光语分布图。 (3)高度偏振 (4④准直性好。由于天然的准直性和低的发散度，使得有小的源尺寸， 同步辐射光束的平行性可以与激光束相媲美。能量越高光束的平行 同步辐射在运动电子方向的醉时 性越好. 轨道平面内电场矢量具有100%偏 振，追及所有角度和波长积分约75 (⑤同步辐射的相干性不断提高，第一代和第二代同步妈射光源的相 %偏振，在中平面以外呈抛圈偏振。 10 t00 干性较差，到了第三代光的相干性己相当好预计第四代同步辐射光源 右图概括了不同波长的单个电子 的相干性将更好，且具有空间全相干性。 由线 的平行偏振分量、垂直偏振分量 40 (⑥)同步辐射实验站的设备庞大，试样周用空间大，适宜于安装如象高 20 低温、高压、高磁场以及反应器等附件，能进行特殊条件下的动态研 武度与发射角的关系由右图可知 究：还特别有利于安装联合试验设备，用各种方法对试样进行综合测量 当1%1c时，即曲线1，张角近似 4 6 分析和研究。 为：在较短波时张角变得较小： 发射绝/ ()具有精确的可预算的特性，可以用作各种波长的标准光源。 较长时.张角变得大得多，当1=100 偏振的平行分量、垂直分量在垂直方向角的分布 Angle dist ribution in vertical direction Xc时.张角达4r1. and vertical compositions of polarization eamline ⑧)绝对洁净。因为它在超高真空产生，而没有任何如阳极、阴极和窗口 带来的干扰
美国：14座（运行和建设）， 第三代5座（3座运行）； 俄罗斯：11座（运行），第三代0座； 日本：15座（运行和建设），第三代4座（1座运行）； 中国：5座（运行和建设），第三代3座（1座运行）； 2、同步辐射光源的主要特征: 与一般X 射线源相比较,同步辐射光源有如下 特征: 、高强度,更确切讲是高亮度,同步辐射X 射线亮度比60 kW 旋转阳极X 射线源所发出的特征辐射的亮度分别高出3～6 个量级。 描述高亮度的另一参量是光子通量 (即光子/s·mm2 ·mrad2 ·10 - 3 BW)。前面 提到,第二代同步辐射光源的光通量达1015 ～1016 ,第三代光源达 1017～1020 ， 到了第四代,光子能量可> 1022 ,已大大超过高功率的激光器。从这个意义上讲, 一台同步辐射光源相当于无数台激光器。 (2) 宽而连续分布的谱范围。 波谱的分布跨越了从红外→可见光→紫外→软X射线→硬X 射线整个范围。试验所用 的波长能方便地使用光栅单色或晶单色器从连续谱中选出。 日本光子工厂( PF) 同步辐射光源的光谱分布图。 谱分布的一个重要特点是 临界波长λc (又称特征波 长) ,所谓特征波长是指这 个波长具有表征同步辐射 谱的特征,即大于λc 和小 于λc 的光子总辐射能量 相等,0. 2～10λc 占总辐 射功率的95 %左右,故选0. 2～10 λc为同步辐射装置 的可用波长是有充分理由 的。 (3) 高度偏振 同步辐射在运动电子方向的瞬时 轨道平面内电场矢量具有100 %偏 振,遍及所有角度和波长积分约75 %偏振,在中平面以外呈椭圆偏振。 右图概括了不同波长的单个电子 的平行偏振分量、垂直偏振分量 强度与发射角的关系,由右图 可知, 当λ≈λc 时,即曲线1 ,张角近似 为r -1 ;在较短波时,张角变得较小; 较长时,张角变得大得多,当λ=100 λc 时,张角达4 r - 1 。 偏振的平行分量、垂直分量在垂直方向角的分布 Angle dist ribution in vertical direction of parallel and vertical compositions of polarization eamline (8) 绝对洁净。因为它在超高真空产生,而没有任何如阳极、阴极和窗口 带来的干扰。 (4) 准直性好。由于天然的准直性和低的发散度,使得有小的源尺寸。 同步辐射光束的平行性可以与激光束相媲美。能量越高光束的平行 性越好。 (5) 同步辐射的相干性不断提高。第一代和第二代同步辐射光源的相 干性较差,到了第三代光的相干性已相当好,预计第四代同步辐射光源 的相干性将更好,且具有空间全相干性。 (6) 同步辐射实验站的设备庞大,试样周围空间大,适宜于安装如象高 低温、高压、高磁场以及反应器等附件,能进行特殊条件下的动态研 究;还特别有利于安装联合试验设备,用各种方法对试样进行综合测量 分析和研究。 (7) 具有精确的可预算的特性,可以用作各种波长的标准光源
3、同步辐射的应用 ()物理科学： ①凝聚态物理：物质结构研究（微米、纳米样品，低维超品格，微区结构不均性，结 高压科学和表面物理（表面界面的电子结构、原子 (1)物理 (2)化学 ②原子、分子和团族物理：X射线吸收谱、X射线荧光、X射线散射、紫外谱」 (3)生物 A9©「电子谱、光电子能谱和离子光谱在这方面将起重要作用。这种研究在大 气物理与环境、生物化学过程和计量及标准化科学领域有重要意义。 (4)材料 2☑化学科学： (5)地球 (6)工农业 包括光化学、表面化学、生物化学、分子催化、稀土配位化学、感光化学和结 品化学等，在这些领域涉及分子水平的研究，稀溶液、浓溶液、胶团、微乳胶和 液品等结构状态痕量及超量活性物质分析，电子态和品体结构，同步辐射的原 位、实时和微注等动态研究。 (同地球科学 ③生物和生命科学主要研究方向为： 矿物颗粒成分和分布特征的CT研究、地质包裹、稀土元素地球化学、地 生物大分子结构，蛋白质品体学，金属蛋白品化过程的学研究： 球动力学和岩石塔融体结构等. ②辐射生物学、生物样品的X射线显微观察： ③临床诊断和治疗： (周工农业： ④新药学和药物工业，致病分子的三维结构与致病原因、新药物结构 微电子工业（同步辐射X射线光刻、表面分析、量子阱结构和品体材料器 和药物治疗的机理等.。 件工艺监、生物药物工业（工业蛋白质结构、药物药品、化妆品成分和 微机械加工和农业（土壤、水质、辆照种和化肥） 偶材料科学 此外还有食品、塑料、造纸、建筑和治金等许多工业部门。 信息材料、复合材料、新陶瓷材料、高分子材料、新型超导材料、新 金属材料、新型的弱磁半导体材料和纳米材料等在结构成分（整体与微 总之，在电光海实验意、最光光增实验和普福以射线实验富进行的工作都能在同步 氢谢实站进行，并得到最大改着调高然而许多工作则是在同步辐射投入使用以后 区)与性能的关系，相变、超塑性及超理论强度对测试分析的新要求. 才出现和发展的，还有许多新的工作只能在第三代乃至第四代同步细射光源上才出现 和发展。可见同步害谢光源已能并将漫城树人类生著、社会进渗和荆学拉术墙步产 生巨大的影确， 1、X射线的吸收光谱 二、同步辐射中的光谱术及其应用 最都n 了解干省 超干静 扇餐浆这 子 1、X射线吸收光谱 儿光于 要好增售 2、X射线吸收光谱精细结构 3、X射线吸收光谱精细结构的应用 入曲度L
3、同步辐射的应用 （1）物理 （2）化学 （3）生物 （4）材料 （5）地球 （6）工农业 (1)物理科学： ①凝聚态物理: 物质结构研究(微米、纳米样品,低维超晶格,微区结构不均性,结 构不完整性,动力学结构) 、高压科学和表面物理(表面界面的电子结构、原子 结构,表面磁性,表面生长和界面) 。 ②原子、分子和团簇物理: X 射线吸收谱、X 射线荧光、X 射线散射、紫外谱、 Auger 电子谱、光电子能谱和离子光谱在这方面将起重要作用。这种研究在大 气物理与环境、生物化学过程和计量及标准化科学领域有重要意义。 (2) 化学科学: 包括光化学、表面化学、生物化学、分子催化、稀土配位化学、感光化学和结 晶化学等,在这些领域涉及分子水平的研究,稀溶液、浓溶液、胶团、微乳胶和 液晶等结构状态,痕量及超痕量活性物质分析,电子态和晶体结构,同步辐射的原 位、实时和微注等动态研究。 (3) 生物和生命科学主要研究方向为: ① 生物大分子结构、蛋白质晶体学,金属蛋白晶化过程的谱学研究； ② 辐射生物学、生物样品的X 射线显微观察； ③ 临床诊断和治疗； ④ 新药学和药物工业,致病分子的三维结构与致病原因、新药物结构 和药物治疗的机理等。 (4) 材料科学: 信息材料、复合材料、新陶瓷材料、高分子材料、新型超导材料、新 金属材料、新型的弱磁半导体材料和纳米材料等在结构成分(整体与微 区) 与性能的关系,相变、超塑性及超理论强度对测试分析的新要求。 (5) 地球科学: 矿物颗粒成分和分布特征的CT 研究、地质包裹、稀土元素地球化学、地 球动力学和岩石熔融体结构等。 (6) 工农业: 微电子工业(同步辐射X 射线光刻、表面分析、量子阱结构和晶体材料器 件工艺监控) 、生物药物工业(工业蛋白质结构、药物药品、化妆品成分和 结构以及质量控制) 、微机械加工和农业(土壤、水质、辐照育种和化肥) , 此外还有食品、塑料、造纸、建筑和冶金等许多工业部门。 总之,在电光源实验室、激光光谱实验室和普通X 射线实验室进行的工作,都能在同步 辐射实验站进行,并得到极大改善和提高,然而许多工作则是在同步辐射投入使用以后 才出现和发展的,还有许多新的工作只能在第三代乃至第四代同步辐射光源上才出现 和发展。可见同步辐射光源已经并将继续对人类生活、社会进步和科学技术进步产 生巨大的影响。 二、同步辐射中的光谱术及其应用 1、X射线吸收光谱 2、 X射线吸收光谱精细结构 3、 X射线吸收光谱精细结构的应用 1、X射线的吸收光谱
X射线照射到物质上后会被物质吸收 但5 在 Iy=loe uh loe 跃， 量子理论观点解释是：入射X光子的能量等于 )金属的的儿与入的关系 某内层电子的电离能时，会被大量吸收，使电 子电离为光电子，所以在其两侧吸收系数会有 式中：：一线吸收系数，单位为c.其大小取决于入射X射线的波长及 很大不同，产生突跃。对原子中有不同主量子 该物质的密度 数的电子，能量有很大的不同， 与它们对应的 质量吸收系数， 吸收边相距装会很远，如K和礼吸收边。具有相 液 同主量子数的电子，由于其它量子数不同， 态或气态)无关. 骚农限区 量也有差别，但是差别不 矿 收边 相距很近。如L1、2、L3形成的吸收边系 两吸收边之间的吸收系数符合VIctoreen 公式： U=C+DX4 C、D为常数。 在吸收边附近及其高能广廷段存在着一些分立的峰或波状起住，称为精细结构， A、近边结构(X-ray absorption near XANES:或near edge XAN NEXAFS) n fine structure. 2、X射线吸收光谱精细结构 XANESI还分为两部分：第一部分是吸收 边的边前 小段到吸收边后的eV的一 段，是吸收边前结构，移为低能 XANES,其特点是存在一些分离的吸收 峰、肩峰及吸收主峰。 第二部分大致从吸收边后8eV至50eV的 段就成为KANES,特点是连续的强振 荡 B、广延错构(extended X-ray absorption fine structure.EAF8) EAFS是吸收边后50eV到100OeV的一段，特点是连线，鍰慢的穷振荡. 资查超乳8是毁系的阿商不得人提出当先电子的发长大于 (1)XANES 1、XANES的产生 XANES是由于激发的光电子经受到周用环境的多次散射而造成。其 具体解释可以根据多重散射理论以及独立粒子模型或单电子近似模型 进行。 7100 710 7260 能量E/eV 分析这一谱结构，不仅能获得围绕吸收原子周倜的局域原子团/Cs© 在KFe(CN)6和KFe(CN)e·3HO 的原子几何配置情况的信息而且还反映出费米能级之上低位的电子 态结构。 中铁的K边X射线吸收请 eV:②A与B 一XANE8可以反铁电子价杏 A峰和B蜂的出现，显示C-N图绕着铁原子近似地构成八面体结构，而且F©C-N近 似为一直线。一 一一AN使8可以反映分子轴常
mH I I e I e H H µ − µ = = − 0 0 式中：μ － 线吸收系数，单位为cm-1。其大小取决于入射X射线的波长及 该物质的密度 μm －质量吸收系数。 μm =μ/ρ，单位为cm2 •g-1 。对特定的材料 质量吸收系数只取决于入射X射线的波长，与该物质的物理状态（固态、液 态或气态）无关。 X-射线照射到物质上后，会被物质吸收， 但是人们发现，吸收系数在整个波段不是 单调改变的，在某些位置会出现吸收突 跃，称为吸收边（absorption edge）。 量子理论观点解释是：入射X光子的能量等于 某内层电子的电离能时，会被大量吸收，使电 子电离为光电子，所以在其两侧吸收系数会有 很大不同，产生突跃。对原子中有不同主量子 数的电子，能量有很大的不同，与它们对应的 吸收边相距就会很远，如K和L吸收边。具有相 同主量子数的电子，由于其它量子数不同，能 量也有差别，但是差别不是很大，这些吸收边 相距很近。如L1、L2、L3形成的吸收边系。 两吸收边之间的吸收系数符合Victoreen Victoreen Victoreen Victoreen 公式： U=Cλ3+Dλ4 C、D为常数。 2、 X射线吸收光谱精细结构 A、近边结构（X-ray absorption near edge structure, XANES；或 near edge X-ray absorption fine structure ， NEXAFS） XANES还分为两部分：第一部分是吸收 边的边前一小段到吸收边后约8eV的一 段，是吸收边前结构，称为低能 XANES，其特点是存在一些分离的吸收 峰、肩峰及吸收主峰。 第二部分大致从吸收边后8eV至50eV的 一段就成为XANES，特点是连续的强振 荡。 在吸收边附近及其高能广延段存在着一些分立的峰或波状起伏，称为精细结构。 B、广延结构（extended X-ray absorption fine structure , EXAFS） EXAFS是吸收边后50eV到1000eV的一段，特点是连续、缓慢的弱振荡。 8eV和50eV这两个分段的界限将以体系的不同而不同，A。Bianconi 提出当光电子的波长大于原 子间距时，就可算作进入XANES段 （1）XANES i、XANES的产生 XANES是由于激发的光电子经受到周围环境的多次散射而造成。其 具体解释可以根据多重散射理论以及独立粒子模型或单电子近似模型 进行。 分析这一谱结构,不仅能获得围绕吸收原子周围的局域原子团(Cluster) 的原子几何配置情况的信息,而且还反映出费米能级之上低位的电子 态结构。 由于FeⅢ和FeⅡ的价态不同,其相应的XANES 也有区别: ①峰A 移动了1 eV ; ② A 与B 峰间距改变了0. 5 eV ; ③峰B 的形状改变。但是,这两种化合物的EXAFS 十分类似。 -XANES可以反映电子价态 A峰和B峰的出现，显示C-N 围绕着铁原子近似地构成八面体结构,而且Fe-C-N 近 似为一直线。-XANES可以反映分子结构
基本理论公式 (2)EXAFS的基本原理 ①物质中的原子挂列是短程序的.即使是品体物质也存在短程序 i.EXAFS的产生 ②授定每一个吸收原子只有一个受煮出来的电子： ③认为电子只被散射一次. 基于这些假设建立的理论可称为短程序单电子单散射EXAFS理论。 EXAFS的产生是由于吸收原子与周围近邻原子相互作用的结果吸收原子A 内层电子激发将产生向外发射的光电子波，称为出射波。这种出射波遇到中 =L月、 心原子近邻的网围原子时，将受到散射而产生背散射波。由于出射波与背散射 x(E 0 波的频事相同，它们将在中心吸收原子处发生干涉，按黑相位关系合成波被增 武或减弱，即光电子末态波函数随能量的变化发生增强或减弱，导致吸收系数 出现起伏振蒋的变化形成EAFS. 最素级子气体政凝聚态物质中，吸收驱子的：经电子技童发时物质的线 :鉴典装警药醉终瑟于看作覆立原子即不考电周图深子背 敏射的影啊时物质的线吸收系数。 x:EXAFS函数 EXAFS函数在光波矢K空间的表达 EXAFS的数据分析 xe=·l,wlep2P动ep.ws2m+e EXAFS数据分析的目的，是求出EXAFS基本公式中的未 式中的一菌配位层的配位数： 最，基本公下式中： 名第/配位层的哪了与中心吸收原子间 其中x为： 的平均距高： ,(一—第/配位层上年个原子的青散射根 a-工0+f,nn 月n配2R+0,)+,门中， 尊一第/配位层上原子与中，心吸收拟子之 我们感兴趣的主要物理量是R,N,和口，即配位亮中原子与中 闻相对位移的方均果植。 少4一光电子的平均白出程 心原子的距离R,该层中配位原子个数N,及原子间距R,的变司 1日—相非因于。 大小，即根均方偏差·。使用更巧妙的方法，还可得到更多的 息，其他儿个重婴的物理量，反微射振了(2)，相移西数d,(使】 由此可见，EXAFS振荡是许多衰减的正弦振荡的叠加.其中每个正弦振 和中()，以及电子自由程，是通过与已知站构的的模型化合数 荡是以吸收原子为中心，以周围近邻原子某一配位层形成。所以EXAFS 相比较而得到的。此微型化合物在化学上应与未知物相类似 信息主要来自近配位层的贡献正弦振荡的相角为2，+可()· EXAF8的具体测量方法有： 沙XAFS激据分析的手线是由瑞量的吸收系数：(E)值，求出 透射法、荧光法、Auger电子和二次电子方法及衍射异常精细结构(DAFS) )-”,结后经过o德波法分高上式中的各男，数 方法等。 后与标液物比较，清去，和以，而求得所贸的物理意.中 (1)荧光法特别适合于样品中含量很小，原子序数Z较大的元素的分析. (2)Auger电子和二次电子方法是根据原子吸收X射线光子发出的Auge EXAFS测量的基本数据是入射X射线光子的能量(E,入驻 电子和二次电子，也与吸收系数成正比，因此通过探测Augr电子或二次电子 醞度()及透射强度()，驳收系数严（正）与样品厚度￥的乘积 来得到EAFS信号，因电子逸出深度一般为几纳米，故称为表面EXAFS,即 )=n(1),拜品的意吸收系薮与样品组成有关。但在不 SEXAFS. 的X射线子能量范围决定于某些特定元素。. (3)DAFS是通过测定结品材料某（幼衍射强度随跨越该材料中某元素吸 收限及扩展区的入射线能量的变化以研究原子价态和局域结构的方法。也 就是说，它是用选择Bragg衍射(SBD)来测定X射线吸收近限结构仪ANES) 和扩展X射线吸收精细结(E义AFS)的方法
（2 ） EXAFS 的基本原理 i、 EXAFS 的产生 EXAFS 的产生是由于吸收原子与周围近邻原子相互作用的结果,吸收原子A 内层电子激发将产生向外发射的光电子波，称为出射波。这种出射波遇到中 心原子近邻的周围原子时,将受到散射而产生背散射波。由于出射波与背散射 波的频率相同,它们将在中心吸收原子处发生干涉,按照相位关系,合成波被增 强或减弱,即光电子末态波函数随能量的变化发生增强或减弱,导致吸收系数 出现起伏振荡的变化,形成EXAFS。 ii、 基本理论公式 基本理论假定: ①物质中的原子排列是短程序的,即使是晶体物质也存在短程序; ②假定每一个吸收原子只有一个受激出来的电子; ③认为电子只被散射一次。 基于这些假设建立的理论可称为短程序单电子单散射EXAFS 理论。 μ：多原子气体或凝聚态物质中,吸收原子的1s 或2s 电子被激发时,物质的线 吸收系数; μ0：处于自由原子态时物质的线吸收系数; μl 0：多原子气体或凝聚态物质中,将吸收原子看作孤立原子,即不考虑周围原子背 散射的影响时,物质的线吸收系数。 χ：EXAFS函数 EXAFS函数在光波矢κ空间的表达： 其中κ为： 由此可见, EXAFS 振荡是许多衰减的正弦振荡的叠加,其中每个正弦振 荡是以吸收原子为中心,以周围近邻原子某一配位层形成。所以EXAFS 信息主要来自近配位层的贡献,正弦振荡的相角为 。 在基本公下式中: EXAFS 的具体测量方法有： 透射法、荧光法、Auger 电子和二次电子方法及衍射异常精细结构(DAFS) 方法等。 （1）荧光法特别适合于样品中含量很小,原子序数Z 较大的元素的分析。 （2）Auger 电子和二次电子方法是根据原子吸收X射线光子发出的Auger 电子和二次电子,也与吸收系数成正比,因此通过探测Auger 电子或二次电子 来得到EXAFS 信号,因电子逸出深度一般为几纳米,故称为表面EXAFS ,即 SEXAFS。 （3）DAFS 是通过测定结晶材料某( hkl) 衍射强度随跨越该材料中某元素吸 收限及扩展区的入射线能量的变化,以研究原子价态和局域结构的方法。也 就是说,它是用选择Bragg 衍射(SBD) 来测定X 射线吸收近限结构(XANES) 和扩展X 射线吸收精细结( EXAFS) 的方法