同步辐射——世纪新光源

同步辐射是继电光源、×光源、激光光源之后第四种对人类文明有革命性推动的新光源。高能电子束团在环形加速的环形轨道上,以接近于光速作回旋运动,电子束团通过弯转磁铁拐弯时,沿轨道切线方向会辐射出电磁波,这一现象最早于1947年美国通用电气公司的一台能量为70 MeV的同步电子加速器上发现的,所以称为“同步辐射”。同步辐射光源以其特有的高亮度,高强度,高准直性、良好地偏振特性、以及从远红外到硬×射线范围的连续光谱等性质,被广泛用于材料科学,生命科学,

用EXAFS研究Zn在水锰矿上的吸附-解吸机理

用延展X光吸收精细结构光谱 (EXAFS)研究了重金属Zn(Ⅱ )在水锰矿 (γ MnOOH)上吸附产物的微观结构及其吸附机理 .结果表明 ,Zn(Ⅱ ) 水锰矿体系中 (pH 7 5 ,0 1mol/LNaNO3 介质 ,2 5℃ ) ,Zn2 +主要是通过共用水合Zn2 +的O原子及水锰矿表面上的O原子形成Zn—O键 ,从而结合到水锰矿固体表面上的 .平均Zn—O原子间距为 1 998± 0 0 1 0 (n =3 ) .这个Zn—O键键长是六配位的Zn(H2 O) 2 +6 及其水解产物四配位的Zn(OH) 2 或Zn(OH) 2 - 4各以一定比例混合吸附于水锰矿表面而形成的 .同时 ,对第二配位层 (Zn—Mn相互作用 )的EXAFS图谱分析证明存在 2个典型的Zn—Mn原子间距 ,即R1=3 0 8± 0 0 2 4 (n =3 )和R2 =3 5 4± 0 0 1 8 (n =3 ) .这 2个Zn—Mn原子距分别对应于水锰矿结构单元MnO6 八面体与Zn水合离子ZnO多面体结合的 2种方式 ,即共用 2个O原子的边 边结合与共用 1个O原子的角 角结合 .边 边结合是较强的吸附位 ,Zn—Mn原子距较短 (R1=3 0 8 ) ,吸附较不可逆 .角 角结合是较弱的吸附位 ,Zn—Mn原子距较长 (R2 =3 5 4 ) ,吸附较为可逆 .这一结果从微观上证明了亚稳平衡态吸附理论 (MEA理论 )的基本假设 。

掺杂Mo的LiFePO4正极材料的电化学性能

通过固相法以(NH4)6Mo7O24·4H2O为钼源,在氮气气氛下合成出掺杂Mo的LiFePO4正极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)和正电子湮没进行结构表征,通过不同放电倍率研究掺Mo的LiFePO4电化学性能.结果表明,掺Mo的LiFePO4呈橄榄石结构,Mo6+同时占据着Fe位及Li位,提高了LiFePO4的电导率,1C放电可逆容量为141mAh·g-1,表现出良好的电化学性能.

EXAFS研究Zn在δ-MnO_2上的吸附-解吸机理

用延展X ray吸收精细结构光谱 (EXAFS)研究了重金属Zn(Ⅱ )在δ MnO2 上吸附产物的微观结构及其吸附机制 .在pH 5 5 0 ,0 1mol/LNaNO3介质中 ,吸附在δ MnO2 表面上Zn(Ⅱ )以六配位的水合离子八面体形式存在 .水合锌离子八面体从δ MnO2 层状结构的空位上下方 ,与δ MnO2 的结构单元MnO6 八面体通过共用O原子结合 ,形成角 角结合的弱吸附 ,Zn O平均原子间距为 ( 2 0 71± 0 0 0 7) (n =3 ) ,Zn Mn平均原子间距为 ( 3 5 2 8± 0 0 0 6) (n =3 ) .在同一条等温线上随着吸附量增加 ,以角 角结合的弱吸附形式基本上没有变化 .宏观的吸附 解吸实验结果显示Zn(Ⅱ )在δ MnO2 上的吸附可逆性很高 ,解吸等温线和吸附等温线几乎重合在一起 .EXAFS结果从分子水平表明 ,Zn(Ⅱ )在δ MnO2 上的高吸附可逆性是由角

用密度泛函和XANES计算研究Zn^(2+)在水锰矿表面的吸附和沉淀

用密度泛函理论(densityfunctiontheory,DFT)和X射线近边结构(X-rayabsorptionnearedgestructure,XANES)模拟计算了不同酸度(pH=7.0,7.5和8.0)下Zn(II)在水锰矿表面的吸附.优化的几何结构表明,只有双边吸附方式的水解簇既能解释H+释放机制,又能与扩展X射线吸收精细结构(extendedX-rayabsorptionfinestructure,EXAFS)实验键长值相吻合.吸附能计算表明,各种吸附方式的稳定性双边(DE)>双角(DC)>B型单边(SE-B)>A型单边(SE-A);水解能计算表明各种吸附态Zn2+均比溶液中水合锌离子易水解.各种吸附簇模型的XANES计算谱未能与实验谱吻合,即,表面发生的并不是简单的吸附.pH=7.5和pH=8.0吸附样品的XANES实验谱与Zn5(OH)6(CO3)2的实验谱非常接近,因此认为pH=7.5和pH=8.0下Zn(II)在水锰矿表面发生沉淀,Zn(II)是Zn—O八面体和Zn—O四面体的混合,它们按类似Zn5(OH)6(CO3)2结构中的八面体和四面体排列方式排列.pH=7.0时,Zn(II)在水锰矿表面发生的主要是边连接方式的吸附.

用于大尺寸样品的同步辐射硬X射线衍射增强成像方法研究

作为 X 射线相衬成像的方法之一,衍射增强成像方法由于能获得较高的信噪比及分辨率而引起了人们的研究兴趣。北京同步辐射装置(BSRF)形貌学实验站也开展了该方法的探索研究。此前的衍射增强成像方法中,当白光 X 射线光束横截面尺寸为 20 mm×10 mm 时,经过双晶单色器后最大只能获得横截面尺寸为20 mm×4 mm 的均匀单色 X 射线,从而造成成像区域减小。在对通常衍射增强成像光路排列分析的基础上,提出了一种新的光学排列几何并进行了衍射增强实验。应用新光学排列几何首次获得了与入射白光 X 射线尺寸相当的、大的成像光斑均匀区域,因而新光学排列几何更适合于大尺寸样品的研究工作。同时,该光学排列几何成像分辨率可以达到微米量级并且更方便于实验操作。

Al、Co和Mn掺杂对LiNiO_2结构的影响

本文采用XRD和EXAFS研究Al、Co和Mn原子掺杂对LiNiO2材料结构的影响。XRD结果表明掺杂材料具有与LiNiO2相同的晶体结构,都属于R3m点群,但是晶胞略微缩小,LiNiO2的层状结构得到改善,阳离子有序度增强。从EXAFS数据拟合结果可以看出,引入掺杂原子Al、Co和Mn减弱了Jahn-Teller畸变,使得NiO6八面对称性提高。掺杂Al和Co使得第一壳层Ni-O配位键长减小,掺杂Mn原子影响不明显。Al、Co和Mn掺杂使第二壳层Ni-Ni配位键长减小,Co和Mn掺杂使得第二壳层局域有序度提高,而Al的引入使得第二壳层局域有序度降低。

同步辐射光源相衬成像技术在形态学研究中的应用

目的探讨同步辐射相位衬度成像在形态学研究中的应用前景。方法以北京同步辐射装置(BSRF)4W1A束线提供的硬X线,采用衍射增强成像(DEI)和类同轴成像法对经10%福尔马林固定的正常猪、大鼠、小鼠的肝、肾、肺、骨等组织进行成像,并与成像样品的相邻组织及成像后原位组织切片的光镜染色结果进行对比分析。结果衍射增强成像显示大鼠肝脏血管的逐级分支,走行方向清楚,最细可分辨直径为30μm的血管;猪肝脏中央静脉、肝小叶分界隐约可见;大鼠肾脏皮、髓质分界清楚,弓形动脉、静脉及髓质区集合管、乳头管结构清晰可见,最细可分辨直径为30μm的管道结构;小鼠肺支气管树分支清楚,重叠肺泡隐约可见。类同轴成像大鼠股骨头关节软骨及骨小梁结构清楚。结论利用同步辐射相位衬度成像方法,样品无需制片处理即可观察到光镜及其他影像学技术尚不能直接观察到的脉管系统模式结构及其与周围组织的结构关系,此外还可以观察到常规X线成像方法无法观察到的软骨影像,比较适合形态学研究。

碱性土壤对Pb的吸附特性：内圈吸附和形成沉淀的XAFS证据

采用批平衡法和X射线吸收精细结构光谱(XAFS)研究了碱性土壤吸附Pb的特性和机理。土壤对Pb的吸附过程表现出明显的非线性,符合Langmiur模型。XAFS分析表明土壤对Pb的吸附机制有三种:内圈吸附、形成含Pb碳酸钙(PbCaCO3)沉淀和外圈吸附。内圈吸附和形成PbCaCO3沉淀说明土壤中的碳酸钙对Pb具有强烈吸附作用。土壤对Pb的吸附随初始Pb浓度的增大(500～1 000mg.L-1),第一配位层(Pb—O)半径减小(0.169 2～0.166 8nm),说明内圈吸附比重加大。

电气石的原位高压X射线衍射研究

使用金刚石对顶砧(DAC)高压装置和同步辐射光源,对黑色电气石进行了原位高压X射线衍射研究,实验最高压力达到27.8GPa。在研究的压力范围内,随着压力的升高,晶胞体积逐步被压缩,晶胞参数α的压缩率小于c。未观察到电气石的结构相变。利用Murnaghan状态方程(K′=4)对电气石的体积—压力数据进行拟合,获得的等热体积模量K_(298)为(183.5±4.2)GPa。

用XAFS初探汝瓷釉中Fe的价态

汝瓷是我国宋代著名的青瓷品种,其瓷釉结构分析一直是古陶瓷科技研究中的难点。本工作测试了宝丰清凉寺出土汝瓷釉中Fe元素的X射线吸收精细结构谱(XAFS),在数据分析中采用主因子分析法结合线性叠加拟合法分析了古汝瓷釉中Fe的价态比例,利用色差计分析了样品的主波长,结果表明,瓷釉中Fe2+/Fe3+大,则釉色偏青,反之则偏黄。本工作也表明了X射线吸收精细结构谱非常适合用于古陶瓷无损结构分析。

铂铋金属间化合物催化剂的氧还原与抗甲醇氧化性能

采用氩弧熔炼后热处理方法制备了PtBi金属间化合物材料.采用循环伏安法和旋转圆盘电极进行电化学性能测试.通过在0.5mol·L-1H2SO4+0.25mol·L-1CH3OH溶液中对氧还原的起始电位和电流密度大小比较发现,与光滑铂电极相比,PtBi金属间化合物具有良好的氧还原催化性能和抗甲醇中毒性能.从结构方面分析了PtBi具有抗甲醇中毒性能的原因,认为是PtBi中Pt-Pt的间距大,不利于甲醇的吸附解离.X射线光电子能谱(XPS)结果表明,PtBi材料中Pt的d电子空穴增加,可能是导致PtBi电极表面氧还原电流增大的原因.

XAFS研究不同pH下土壤对Pb的吸附

利用X射线吸收精细结构光谱（XAFS）研究了不同初始pH条件下土壤吸附Pb（Ⅱ）的微观结构及吸附机理。表明土壤对Pb（Ⅱ）的吸附以形成Pb4（OH）44＋的内圈吸附作用为主,其次为外圈吸附。同时,在吸附Pb（Ⅱ）过程中,Pb（Ⅱ）通过置换作用取代土壤中碳酸钙Ca（Ⅱ）的位置,形成含Pb碳酸钙（PbCaCO3）沉淀。土壤对Pb的吸附随初始pH（6.0-8.5）的增大,第一配位层（Pb—O）半径减小（0.172 7-0.166 6nm）,内圈吸附比重加大,表明土壤对Pb（Ⅱ）的吸附机制受初始pH的影响。

同步辐射相衬成像对组织形态结构及相关抗原表达的影响

利用北京同步辐射装置(BSRF)4W1A光束线提供的硬X射线,以类同轴全息法、衍射增强法(Diffractionenhancedimaging,DEI),对兔正常骨、骨缺损;小鼠正常肺、肺癌;大鼠正常肝、肝纤维化、肝硬化等固定样品进行了同步辐射硬X射线相衬成像观察。在此基础上,成像组织及空白对照组织均按常规方法制片后进行HE染色,在光学显微镜下观察组织细胞形态结构;采用免疫组织化学技术检测其相关抗原Ⅷ、S-100、FN、泛素的表达,并根据抗原表达强度进行半定量分析。结果显示,成像组与空白对照组的骨、软骨、肝、肺组织染色均匀,结构清晰,无细胞损伤;两组骨、肝、肺相关抗原表达无明显差异。表明在以同步辐射硬X射线相衬成像方法观察固定组织的过程中,不会对骨、软骨、肝、肺组织的形态结构及一些相关抗原表达造成损伤和影响。

介孔氧化硅的分形特征

介孔氧化硅广泛应用于催化、吸附、分离中。将介孔氧化硅进行有机官能化则可改善其孔道表面性能。应用同步辐射小角X射线散射(SAXS)研究了纯介孔氧化硅和有机官能化介孔氧化硅的分形特征,结果表明它们均具有两种分形结构,即表面分形和孔分形。同时探讨了分形维数随样品制备条件的变化规律。

大鼠肾X线衍射增强成像

目的探讨高衬度成像技术———同步辐射衍射增强成像(DEI)对肾脏成像的可能性。方法在北京同步辐射装置(BSRF)采用X线衍射增强成像法对离体的大鼠肾样品进行成像,成像样品的厚度分别为2mm和120μm。成像后的样品进行组织学切片,其结果和DEI结果进行对比分析。结果离体大鼠肾衍射增强成像可清晰显示常规成像方法无法观察到的走向清晰的髓质区直集合管和乳头管,以及常规需经造影处理才可见的小叶间动、静脉,最细可分辨直径为30μm的管道结构。结论同步辐射衍射增强成像法具有早期观察肾脏髓质病变及血管微细病变的潜力,该方法为目前影像学尚不能观察到的生物样品结构的成像提供了一种新的研究手段。

BSRF-4W1A形貌成像光束线改造

从光束线和实验站目前研究工作的需要出发,对BSRF-4W1A光束线进行了改造。改造中,重新确定了光束线的引出参数,设计研制了便于单色光和白光模式转换的固定出口双晶单色器,在理论热分析计算的基础上提出了单色器第一晶体采用顶部冷却的模式。改造后,4W1A光束线的通量在常用的8keV处提高约3.6倍,在同样的通量下能量由现在的8keV可延伸至19.6keV。

利用数据采集卡实现快速XAFS

在北京同步辐射实验室的1W1B XAFS实验站上利用工业控制中的数据采集技术建立了快速扫描XAFS实验方法。探讨了实验方法与各种实验参数:如单色器移动速率、采样次数、设备通信方式等的制约关系,以及获得最佳实验条件的途径。新方法可在数十秒的时间尺度内得到扩展X射线吸收精细谱,近边谱的时间可以更短,从而有可能应用于一些与时间过程有关的原位实验中。作为一个应用实例,用快速扫描X射线吸收精细结构谱(QXAFS)测量了非晶硒在快速加热过程中的结构变化。

X射线相位衬度显微成像的原理与进展

当前医学影像学的发展趋势是提高人体软组织成像的衬度分辨率及空间分辨率,由宏观影像学向微观影像学的方向发展。微观影像学能看见微米级的组织和细胞结构,能在活体上无损和动态地观察人体内部器官的微细病理变化,从而能早期做出准确的细胞病理学的定性和定位诊断,以及早期进行精确的定点清除治疗。在提高软组织成像的衬度分辨率方面,相位衬度成像技术是国内外关注的热点。据报道,软组织的X射线相位衬度的分辨率约为常规X射线CT吸收衬度分辨率的1000倍。本文以北京同步辐射装置产生的同步X射线束为光源,应用衍射增强成像(DEI)技术,对人和动物脏器的软组织进行相位衬度成像。结果表明:相位衬度显微成像可清晰显示肺泡、肾小管、肝小叶等微细的组织结构,其空间分辨率可达20微米,这些在常规X射线CT吸收衬度成像是看不见的。医学相位衬度〔简称“相衬”〕显微CT成像将是医学显微影像学的未来发展方向。

同步辐射高分辨X射线荧光谱仪及其应用进展

本文简要综述了近几年来国内外利用高分辨大接收角度球面聚焦晶体阵列组成的同步辐射 X 射线荧光谱仪的发展及其在化学结构分析中的应用情况。重点介绍了高分辨 X 射线荧光谱仪的基本结构、工作原理及其在材料科学和生命科学中过渡金属元素化学结构分析领域的应用。