纳米材料的同步辐射研究

近年来,科学家们在纳米材料的生长及应用研究等诸多方面取得了巨大的进展.然而,由于受到表征手段的限制,纳米科技领域的许多关键科学问题至今仍未得到清楚的解答.同步辐射具有多种独特优点,随着国内第三代同步辐射光源的逐步发展,基于同步辐射的各种实验技术将为实时、原位、动态地表征纳米结构提供功能强大的研究平台.文章简单介绍了基于同步辐射的一些新型纳米结构表征技术,并根据作者的研究举例说明了同步辐射技术在纳米材料研究方面的一些优势.     

用SAXS和XRD方法研究Ti02纳米颗粒微观结构

用溶胶一凝胶方法制备了TiO2纳米样品.并对该样品在300℃到800℃温度区域进行了退火处理.应用同步辐射x射线粉未衍射(XRD)方法研究了经不同热处理温度的TiO2纳米颗粒的结构相变.应用同步辐射小角x射线散射(SAXS)方法研究了TiO2纳米颗粒的表面分形与界面特性.得到纳米颗粒粒度与退火温度的变化规律,讨论r表面界面特征与相变的关系.     

ZnS:Eu纳米晶的高压相变研究

采用同步辐射能量色散X射线衍射技术和金刚石对顶砧高压装置,对ZnS:Eu纳米晶进行了原位高压X光衍射实验.最高压力为30.8Pa.当压力为11.5GPa时,ZnS:Eu发生了一次从纤锌矿到闪锌矿的结构相变.在压力为16.0GPa时,又发生了明显的结构相变,相变后的结构为岩盐矿,其相变压力较体材料高.得到了Birch-Murnaghan状态方程、ZnS:Eu纳米晶的体模量和压力导数.ZnS:Eu纳米晶的体模量高于体材料的值,表明纳米材料较体材料的硬度高.     

用SAXS和XRD方法研究TiO2纳米颗粒微观结构

用溶胶-凝胶方法制备了TiO₂纳米样品,并对该样品在300℃到800℃温度区域进行了退火处理.应用同步辐射X射线粉末衍射(XRD)方法研究了经不同热处理温度的TiO₂纳米颗粒的结构相变.应用同步辐射小角X射线散射(SAXS)方法研究了TiO₂纳米颗粒的表面分形与界面特性.得到纳米颗粒粒度与退火温度的变化规律,讨论了表面界面特征与相变的关系. 关键词： X射线小角散射 X射线衍射 2纳米颗粒')" href="#">TiO₂纳米颗粒     

同步辐射显微技术在高分子材料结构研究中的应用

高分子材料以其优异的性能广泛应用于人类生活的每个角落,但其发展受限于研究手段.基于同步辐射先进光源的研究方法(如散射、吸收和成像等)具有高的空间、时间和能量分辨的优势,是揭示高分子材料多尺度结构形成和演化动力学最有效的工具之一.文章结合作者和国内外同行的工作,以具体案例的形式介绍了同步辐射技术在高分子材料结构研究中的应用.希望能起到抛砖引玉的作用,吸引更多的从事高分子材料结构研究的同行利用同步辐射开展科学研究,同时希望更多的进行物理学研究的同行来帮助回答高分子物理的一些基本科学问题.     

小角X射线散射表征非晶合金纳米尺度结构非均匀

表征纳米尺度结构非均匀对于理解非晶合金的变形、弛豫等动力学行为至关重要.受时空尺度限制,非晶合金纳米尺度结构非均匀的实验表征具有很大的挑战性.本文针对一种典型的锆基非晶合金,开展了同步辐射小角X射线散射原位拉伸实验.通过对散射曲线的定量分析,揭示了非晶合金在纳米尺度的非均匀结构图像.首先,Porod散射曲线呈现正偏离行为,表明非晶合金属于非理想两相散射体系,两相界面弥散且任一相内都存在电子密度涨落.基于散射曲线的Guinier定律分析,进一步揭示非晶合金中散射体形状远偏离球形,其特征尺度主要分布在0.8—1.6 nm之间,且在弹性变形阶段几乎不变.最后,通过Debye相关函数分析,发现这些纳米尺度散射体仅在1 nm之内存在强关联,符合非晶合金短程有序、长程无序的结构特征.研究结果表明非晶合金中存在具有复杂空间分布的纳米尺度非均匀结构.     

同步辐射X射线磁二色性在自旋电子学研究中的应用

文章对同步辐射X射线磁圆二色谱和X射线磁线二色谱的独特优点进行了综合分析,并通过一些典型应用实例说明同步辐射磁性测量技术具有元素分辨能力、高灵敏度、纳米量级空间分辨能力和皮秒量级时间分辨能力,并可用于测量铁磁性和反铁磁性,因而在自旋电子学材料和器件研究领域具有广泛的应用前景.     

同步辐射X射线磁二色性在自旋电子学研究中的应用

文章对同步辐射X射线磁圆二色谱和X射线磁线二色谱的独特优点进行了综合分析,并通过一些典型应用实例说明同步辐射磁性测量技术具有元素分辨能力、高灵敏度、纳米量级空间分辨能力和皮秒量级时间分辨能力,并可用于测量铁磁性和反铁磁性,因而在自旋电子学材料和器件研究领域具有广泛的应用前景.     

同步辐射在古陶瓷研究中应用的现状和展望

概述了同步辐射光源的历史和优点,对同步辐射X射线荧光、X射线吸收精细结构、同步辐射X射线衍射等方法在古陶瓷工艺、产地等方面的应用现状进行了总结,并展望了同步辐射在古陶瓷研究中的应用前景.     

同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究

基于北京同步辐射装置(BSRF)开展了同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术(CT)研究.利用北京同步辐射的14 keV单色X射线作为光源,以高分辨能力的X射线胶片作为探测器,分别开展吸收衬度和同轴相位衬度成像的比较研究以及相位衬度计算机X射线断层摄影术研究.相位衬度计算机X射线断层摄影术重建采用Bronnikov提出的算法.结果显示,与传统的吸收衬度图像相比,相位衬度图像具有更好的衬度和更高的空间分辨力;实验获得人工样品和蝗虫的相位衬度计算机X射线断层摄影术重建图像.重建图像中可见样品的一些结构细节.实验结果表明,相位衬度X射线成像更适合于研究弱吸收或吸收差异很小的材料;利用北京同步辐射开展同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究是可行的.     

同步辐射X射线荧光光谱国内外研究进展

同步辐射光源是带电粒子在加速器储存环中以接近光速的速度运动时,沿轨道切线方向发射出的辐射,同步辐射X射线荧光分析(SR-XRF)是以同步辐射X射线作为激发光源的X荧光光谱分析技术.同步辐射X射线荧光分析包括了用于微区及微量元素分析的同步辐射XRF、用于表面及薄膜分析的同步辐射全反射X射线荧光(SR-TXRF)以及用于三...     

第三代同步辐射光源X射线相干性测量研究

随着高性能第三代同步辐射光源的建成开放,基于X射线相干特性的实验方法得到了快速发展和广泛应用.作为一个典型的例子,X射线相位衬度成像已经成为常规的X射线实验方法并向用户开放.相干散射、相干衍射成像、光子关联谱等X射线实验方法正日益受到重视,在高空间分辨、时间分辨等研究领域已显示出其独特的优越性.因此,研究和测量第三代同步辐射的空间相干特性对进一步发展这些新的实验方法具有重要意义.基于Talbot自成像原理成功测量了上海光源X射线成像线站发射的X射线的空间相干长度,并进而测得了相应光源的空间尺度.光子能量为33.2 keV时,测得的X射线光束垂直方向空间相干长度为8.84μm,对应的光源尺寸为23μm,测量结果与理论分析相符.     

高能电子在强激光场中的同步辐射获得超短X射线脉冲

 研究了逆流相对论高能电子与强激光脉冲相互作用的同步辐射过程,当电子具有合适的初速度且传播方向与激光的传播方向相反时,电子在激光脉冲中心作圆周运动。由于电子的运动半径比传统同步辐射环中电子的运动半径小几个数量级,因此电子的辐射能量大大增加。研究发现此过程可以获得阿秒和泽秒X射线脉冲;同时发现随着入射电子初能量的增加和激光能量的增强,获得X射线脉冲脉宽越来越短,强度越来越大。这使得激光同步辐射可以成为一种强大的短波长短脉宽的辐射光源。     

X射线物理学

X射线自1895年被发现以来,为科学研究提供了丰富多样的探测和分析手段。随着以同步辐射为代表的先进X射线光源的出现,X射线实验方法不断发展,已经成为推动前沿基础和应用科学研究突破的重要实验手段。文章从X射线与物质的相互作用出发,简要阐述X射线实验方法如何探测不同的物理研究对象,如局域结构、晶体结构、纳米尺度结构、表面界面结构、电子结构、自旋结构等。最后展望更先进的X射线光源为科学研究带来的机遇。     

Distinguishing nanomaterial particles from background airborne particulate matter for quantitative exposure assessment

As the production of engineered nanomaterials quantitatively expands, the chance that workers involved in the manufacturing process will be exposed to nanoparticles also increases. A risk management system is needed for workplaces in the nanomaterial industry based on the precautionary principle. One of the problems in the risk management system is difficulty of exposure assessment. In this article, examples of exposure assessment in nanomaterial industries are reviewed with a focus on distinguishing engineered nanomaterial particles from background nanoparticles in workplace atmosphere. An approach by JNIOSH (Japan National Institute of Occupational Safety and Health) to quantitatively measure exposure to carbonaceous nanomaterials is also introduced. In addition to real-time measurements and qualitative analysis by electron microscopy, quantitative chemical analysis is necessary for quantitatively assessing exposure to nanomaterials. Chemical analysis is suitable for quantitative exposure measurement especially at facilities with high levels of background NPs.     

A risk forecasting process for nanostructured materials, and nanomanufacturing

Nanomaterials exhibit novel properties that enable new applications ranging from molecular electronics to energy production. Proactive consideration of the potential impacts on human health and the environment resulting from nanomaterial production and use requires methods for forecasting risk associated with of these novel materials. However, the potential variety of nanomaterials is virtually infinite and a case-by-case analysis of the risks these materials may pose is not possible. The challenge of forecasting risk for a broad number of materials is further complicated by large degrees of uncertainty concerning production amounts, the characteristics and uses of these materials, exposure pathways, and a scarcity of data concerning the relationship between nanomaterial characteristics and their effects on organisms and ecosystems. A traditional risk assessment on nanomaterials is therefore not possible at this time. In its place, an evolving process is needed for analyzing the risks associated with emerging nanomaterials-related industries.In this communication, we propose that such a process should include the following six key features: (1) the ability to generate forecasts and associated levels of uncertainty for questions of immediate concern; (2) a consideration of all pertinent sources of nanomaterials; (3) an inclusive consideration of the impacts of activities stemming from nanomaterial use and production that extends beyond the boundaries of toxicology and include full life cycle impacts; (4) the ability to adapt and update risk forecasts as new information becomes available; (5) feedback to improve information gathering; and (6) feedback to improve nanomaterial design. Feature #6 implies that the potential risks of nanomaterials must ultimately be determined as a function of fundamental, quantifiable properties of nanomaterials, so that when these properties are observed in a new material, they can be recognized as indicators of risk. Thus, the required risk assessment process for nanomaterials addresses needs that span from urgent, short-term questions dealing with nanomaterials currently in commerce, to longer-term issues that will require basic research and advances in theory. In the following sections we outline issues surrounding each of these six features and discuss.     

惯性约束聚变软X射线在线标定系统概念设计

长期以来,惯性约束聚变（ICF）研究软X射线诊断科学仪器设备的元器件标定工作主要依赖同步辐射光源X射线辐射计量站进行。该类装置通常与用于开展ICF研究的大型激光装置分处两地,难以满足ICF研究软X射线元器件实时实地的标定应用需求。另外,由于同步辐射和ICF激光等离子体产生的X射线辐射特性存在较大差异,同步辐射计量站的标定结果事实上也不能完全反映元器件在ICF实验应用中的计量响应特性。本文首先介绍一种基于单光学元件的软X射线紧凑型无谐波光源单色化技术,以此为基础提出研制基于ICF激光等离子体X射线源的同源、同几何位形、双束比较校准的多能量通道光源单色化系统,用于ICF应用软X射线元器件的在线标定。新系统一方面可望满足ICF软X射线元器件实时实地的标定应用需求;另一方面,其提供的标定光束的技术特征将最大可能地接近ICF激光等离子体X射线辐射本身。配备相应的X射线二极管（XRD）和标准探测器之后,该系统将形成一套具有在线自校准功能的新型多通道δ能量响应软X射线能谱仪。