同步辐射及其在无机材料中的应用进展

同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。     

同步辐射高能X射线衍射在材料研究中的应用进展

同步辐射是具有连续光谱宽波段、高通量、低发散度等优点的先进脉冲X射线光源,可用于开展其它光源无法实现的诸多前沿科学研究。第三代同步辐射光源产生的高能X射线,能大幅提高衍射的倒易空间分辨率、穿透深度及时间分辨能力,实现使役条件下工程材料与部件内部多尺度微结构单元的高效原位、精确无损表征。配备满足透射几何条件、能施加多种力物性环境的原位装置,有助于建立多场耦合下材料的跨尺度力学模型。简述了同步辐射高能X射线衍射的基本原理、第三代同步辐射光源的装置与特点,介绍了高能X射线衍射在材料形变行为、相变以及再结晶等领域的研究进展。最后基于国内外先进光源的发展现状,展望了同步辐射高能X射线衍射技术进步的主要方向。     

高分辨三维成像原位试验机研制进展及应用

先进材料及结构的损伤表征和在役性能评价是重大装备研发与服役中的关键科学问题。目前,依托同步辐射大科学装置的X射线三维成像技术在金属材料细观损伤力学行为研究方面具有独特优势,而兼容于同步辐射光源相应光束线站的各类原位加载装置对材料内部微结构损伤演化的动态高分辨表征具有重要意义。简要介绍了国内外依托世界各大高性能光源的原位加载试验机研制进展与应用成果,重点阐述了可实现单向拉压、循环加载及具备极寒、高温、真空等样品环境的基于同步辐射X射线成像的原位加载装置的设计原理及结构特点。最后,结合第三代高能X射线三维成像技术特点、先进光源线站建设、高通量试验要求等,对材料原位加载条件下的高时空分辨率动态成像进行了展望,指出开发集拉伸、压缩、低周疲劳、高周疲劳和超高周疲劳加载机构于一体的多功能原位试验机是一项重要的工作。     

X射线吸收精细结构在材料科学中的应用

X射线吸收精细结构(XAFS)方法是随着同步辐射发展起来的独特技术,是研究材料局域原子结构和电子结构的一种重要方法。相比于X射线衍射,XAFS仅仅对于吸收原子周围局域结构敏感,样品可以是固体、液体甚至是气体。概述了XAFS的基本原理及几种常用的实验方法,结合上海光源的XAFS光束线站成果,介绍了近年来不同XAFS方法在催化、能源、纳米和半导体等材料科学热门研究领域的最新进展,展示了目前XAFS方法在材料科学研究中所发挥的重要作用。最后根据国内同步辐射光源和相关XAFS研究方法的进一步发展,展望了XAFS技术在材料科学研究中的应用前景。     

三维X射线衍射技术与工程材料研究

第三代同步辐射光源可以产生高能X射线,实现对使役条件下工程材料内部晶体结构的原位无损表征.三维X射线衍射(3DXRD)是一种基于同步辐射技术的新兴表征技术,其采用单色高能硬X射线对多晶材料沿不同方向采集衍射信号,得到材料内部晶粒的晶体取向、空间位置、晶内局部应力张量等信息.当结合原位实验对材料进行3DXRD分析时,可以...     

小角X射线散射技术在材料研究中的应用

小角X射线散射(SAXS)是一种有效的材料亚微观结构表征手段。简单介绍了小角X射线散射理论,并综述了小角X射线散射技术在材料研究中的应用,内容涉及纳米颗粒尺寸测量,合金中的空位浓度、合金中的析出相尺寸以及非晶合金中的晶化析出相的尺寸测量,高分子材料中胶粒的形状、粒度以及粒度分布测量,以及高分子长周期体系中片晶的取向、厚度、结晶百分数和非晶层厚度的测量等等。     

同步辐射小角X射线散射及其在材料研究中的应用

小角X射线散射(small angle X-ray scattering,SAXS)是研究物质内部一纳米到数百纳米甚至到微米尺度级别微观结构的有力工具.近年来随着我国同步辐射技术的不断发展,同步辐射SAXS技术被越来越多地应用到各种材料的研究领域.然而,由于SAXS图谱是倒空间的信号,并不像显微镜那么直观,也不如X射线...     

编者按

正同步辐射技术是近年来兴起的一种先进的研究手段,利用高能电子统周运动产生的高能量、高亮度的X射线能够探究物质的内部结构信息。同步辐射光源的各条线站均有各自的特点及适合的应用领域。基于同步辐射的原位实验成为了理解材料的成分-工艺-结构-性能之间关系的有力武器。近年来,基于同步辐射的一些新的表征方法及应用也逐步涌现,     

聚硅氧烷基纳米多孔薄膜双分形结构的同步辐射小角X射线散射分析

以聚硅氧烷基材料为预聚体,采用两种核壳型致孔剂,以旋涂工艺分别制备两组聚硅氧烷基纳米多孔薄膜,采用北京同步辐射装置(BSRF)光源进行了小角X射线散射测试,在掠入射模式(入射角αi=0.2°)下得到了两组不同孔隙率纳米多孔薄膜的二维散射数据,在此基础上分析了薄膜的分形特征,发现所制备的薄膜除试样A1外,均存在双分形结构...     

同步辐射与分析测试

本文介绍一种大科学装置——同步辐射装置。这是一种数百人可同时在其上进行不同的科学技术实验的设备，其可达到的水平比实验室的极限水平高许多，从某些角度代表了国家的科学和技术水平。本文扼要介绍了同步辐射的特性，同步辐射装置的构造及一些主要的分析测试技术，如：X射线吸收精细结构光谱，X射线散射，高分辨X射线衍射，能量色散与时间分辨技术，聚集与微分析，成像与显微放大，综合测试原位测试及作铯对标定等。     

同步辐射技术在核材料研究中的应用

先进同步辐射光源具有高通量、高相干性、高脉冲重复率等优点,将基于其的X射线衍射、小角散射、成像、谱学等表征方法与原位环境(如温度场、应力场、气氛、溶液介质等)实验装置配合,可为系统表征与评价核能系统用材料与部件的服役行为和损伤机制提供重要技术手段.核材料在高温/应力/介质/中子辐照等复杂多场环境下的服役损伤行为长期以来...     

Soft X-ray image storage in poly (methylmethacrylate)

Images stored in resist for soft X-ray lithography or microradiography were found to show a background noise which limits the resolution. This is due to the statistically variable spatial distribution of the photons incident on the resist surface. An estimate of the fundamental noise-limited resolution has been made from the experimental measurement of photon flux incident on the surface and the accurate development rate curves. Monochromatic radiation from a synchrotron source was used.     

In-situ synchrotron X-ray scattering study of thin film growth by atomic layer deposition

We report an atomic layer deposition chamber for in-situ synchrotron X-ray scattering study of thin film growth. The chamber was designed for combined synchrotron X-ray reflectivity and two-dimensional grazing-incidence X-ray diffraction measurement to do a in-situ monitoring of ALD growth. We demonstrate ruthenium thermal ALD growth for the performance of the chamber. 10, 20, 30, 50, 70, 100, 150 and 250-cycled states are measured by X-ray scattering methods during ALD growth process. Growth rate is calculated from thickness values and the surface roughness of each state is estimated by X-ray reflectivity analysis. The crystal structure of initial growth state is observed by Grazing-incidence X-ray diffraction. These results indicate that in-situ X-ray scattering method is a promising analysis technique to investigate the initial physical morphology of ALD films.     

New possibilities in nanoscale surface structure diagnostics using X-ray standing waves under conditions of continuous resonant X-ray Raman scattering

The main principles, new possibilities, and instrumental implementations of a structure-sensitive spectroscopy of the surface of condensed media probed by X-ray standing waves (XSWs) are considered in the case of electron emission under the action of continuous resonant X-ray Raman scattering. It is shown that prospects for the development and use of the new possibilities offered by the XSW method for surface investigations are related to the creation of a set of specific experimental equipment and special sources of synchrotron radiation.     

功率超声在金属熔体成形中的作用效应及其可视化研究进展

主要介绍功率超声在金属熔体成形领域中的作用,详述了超声在铸造成形、辅助焊接成形中细化晶粒、除气除杂、强化焊缝、减小残余应力、促进界面润湿等方面的应用和作用机理。针对超声空化气泡的高速摄影及金属熔体中晶体生长的同步辐射X射线成像观察的研究进展,提出将高速摄影与同步辐射X射线成像结合起来,通过原位观察方法研究超声波与液态金属媒质的相互作用机理,为进一步促进超声在金属熔体成形中的应用提供理论指导。