同步辐射(synchrotron radiation,SR)与 X 射线吸收谱(X-ray absorption spectroscopy,XAS)经常一起出现,但两者不是同一概念:同步辐射是光源,XAS 是利用 X 射线与物质相互作用来分析样品的实验方法。

同步辐射:提供可调 X 射线的光源

同步辐射是高速带电粒子在磁场中偏转时沿轨迹切线方向发出的电磁辐射。1947 年,研究人员在加速器中观察到高速电子在磁场中产生的强辐射。现代同步辐射光源将电子加速至接近光速,再通过磁场和储存环产生覆盖较宽能量范围的辐射。

同步辐射光源具有高亮度、偏振、宽能量范围和脉冲结构等特征。通过弯曲磁铁、摆动器或扭摆器等装置,可以调节光束特性并将其引导至光束线;狭缝、反射镜和单色器等光学元件用于选择能量和光斑。

同步辐射加速器与储存环结构示意图

同步辐射储存环、电子束和实验站的示意图

储存环光束线及单色器、聚焦装置和插入件示意图

XAS:测量吸收随能量的变化

XAS 是一种基于 X 射线吸收的光谱方法。实验中扫描入射 X 射线能量并记录样品吸收变化;当能量足够高时,X 射线可激发 K 层或 L 层等内层电子。吸收谱可用于分析元素价态、局部配位环境和电子结构。

概念 本质 可提供的信息 常见用途
同步辐射 高亮度、能量可调的光源 提供实验所需的 X 射线束 XAS、X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、成像和其他光谱实验
XAS 测量吸收随 X 射线能量变化的方法 元素特异的价态、局部结构和电子态信息 催化剂、电池材料和纳米材料研究

XAS 可研究的化学与电子结构信息概览

透射和荧光模式的 XAS 实验几何示意图

XANES 与 EXAFS

XAS 常按吸收边附近的能区分为两部分:

  • X 射线吸收近边结构(X-ray absorption near-edge structure,XANES):关注吸收边附近的谱形,可用于分析价态和化学环境。
  • 扩展 X 射线吸收精细结构(extended X-ray absorption fine structure,EXAFS):关注吸收边之后的振荡结构,可用于分析吸收原子周围的局部配位和原子间距离。

XANES 与 EXAFS 在吸收边附近及延伸区的能量范围示意图

两者如何配合

高亮度和可调能量范围有助于获得 XAS 所需的信号与能量扫描范围,尤其适合研究信号较弱的样品。同步辐射还支持 X 射线衍射、成像和 X 射线发射谱(X-ray emission spectroscopy,XES)等多种实验;XAS 则聚焦于吸收元素的局部化学环境和电子结构。因此,前者回答“用什么光源”,后者回答“用什么方法测量”。

XAS 及相关 X 射线谱学方法的应用范围示意图

X 射线吸收与发射实验几何示意图