上海光源BL08U-“软X射线谱学显微光束线站”

1上海光源BL08U“软X射线谱学显微光束线站”用户手册2011.12注意事项1.请您按预先通知的时间准时来做实验，并认真填写《用户登记表》、《实验记录》。2.用户在上站实验前应认真阅读该手册，基本了解线站的工作原理和操作。3.请严格按照操作手册中规定的步骤进出棚屋和操作实验设备，不清楚的地方请咨询线站工作人员，切勿擅自操作。如果确实需要，请联系实验站工作人员。4.发生故障，请立即联系实验站工作人员。3上海光源的谱学显微光束线站(BL08U1A)的光子能量选定在250eV～2000eV之间，此能区覆盖了生物、环境（土壤、矿物质）、聚合物等领域几乎所有的重要元素的吸收边（如聚合物中的C、N、O、F的K吸收边；Cl、S的L吸收边；活体细胞中的C、N、O、Na、Mg的K吸收边，P、S、Cl、K、Ca、Fe、Cu、Zn的L吸收边）。该线站的扫描透射X射线显微术（STXM）将高空间分辨（优于30nm）和近边吸收精细结构谱学（NEXAFS）的高化学态分辨能力相结合，可以在亚微米尺度研究固体、液体、软物质（如水凝胶）等多种形态物质的特性。因此，STXM技术与其它技术相比具有独特的优越性，其应用研究已渗透到材料、环境、生物、有机地球化学、陨星等众多学科领域。一、实验原理 实验站使用的STXM主要由光束聚焦系统、样品扫描系统、快速正比探测器、样品槽、控制系统与图形用户界面五部分组成。聚焦系统、样品槽、探测器均安装于一个真空腔内，工作时真空度为10-6Torr或者氦气环境中。真空腔与光束线真空管道通过厚度为100nm的氮化硅窗加以隔离。它的实验原理如下图所示，利用波带片将入射的空间相干软X光聚焦成极小的斑点，形成微探针，利用微探针对样品进行逐点扫描，从而形成一幅完整的图像。在大多数情况下，成像分辨率取决于聚焦斑点的尺寸。图1.STXM原理示意图。正比计数器即光电倍增管(PMT)探测器。图2.波带片成像光路图如图2所示，在该光路中，样品平面处于波带片的第一阶焦点上。该波带片相当于一个4会聚透镜。焦斑的最小尺寸由波带片的最外环宽度决定。为了避免零阶光和其它不需要的衍射光照射到样品上，波带片的中心是不透明的，同时在波带片后的合适位置放置一个阶选光阑(OSA)，这样，样品上的非一阶辐射通量就可以降低到最小。空间相干的软X射线光是由波荡器产生的准单色光通过单色器得到的。通常通过单色器后的软X射线的单色性非常好(Δλ/λ10-3)。样品扫描台放置于波带片的焦点上，透过样品的X射线被后面的PMT探测。通过样品扫描台在X、Y方向上的二维运动对样品进行扫描，就可以得到样品的完整扫描图像。样品扫描台的扫描精度通常在nm量级，可扫描的范围在几微米到几百微米之间。为保证样品在高速扫描时仍能在纳米尺度上精确定位样品台位置实验站装备了一个高精度的激光干涉仪作为辅助。STXM的一个重要优势就是操作非常灵活，通常具有几种实验模式。上述的扫描显微成像是其中一种模式。由于单色光的能量可以连续调节，因此STXM非常适合进行近边吸收谱(近边X射线吸收精细谱NEXAFS）研究。通过扫描感兴趣的元素吸收边附近的能量，获得该元素种类（或化学成分）的特征吸收精细结构谱；然后通过三维扫描（二维空间X、Y，一维能量E）图像，并加以适当的数据处理即可得到样品中该元素（或化学成分）的空间分布，用于揭示样品的化学性质，或作为存在特殊分子的标签。 二、实验方法 上海光源软X射线谱学显微实验站的实验方法主要有四种，即点谱扫描测量X射线近边吸收谱(XANES)，双能衬度成像法定量测量元素的二维空间分布，能量堆栈法测量化学成分及其空间分布，总电子产额法(TEY)测量X射线近边吸收谱。1）点谱扫描：是固定样品的位置，在特定元素吸收边附近一定范围内的能量进行连续扫描，以得到该元素化学态的特征吸收精细结构谱。将扫描样品得到的谱，与该元素各种化合物或单质的标准谱进行对比分析，即可获得样品内所含该元素的化学态信息，并能确定样品中是否含有该元素。点谱扫描亦有两种方法，一是聚焦扫描，二是大光斑扫描。聚焦扫描：即是在光路上放入波带片和OSA，将样品调到波带片焦点处，然后在样品平面上确定一个合适的点，进行能量扫描，用PMT探测透射光强。由于是用几十纳米直径的小光斑透射得到的谱，它只能反映样品上局域位置处的元素化学态信息。由于光束经过波带片聚焦后强度会下降到原来的10％左右，因此样品的厚度不能太大，最好2微米以下。大光斑扫描：将波带片和OSA移出光路，让直径几百微米的X射线束直接照射到样品上，对能量进行扫描，用光电二极管(PD)或PMT探测透射光的强度。这样扫描得到5的谱基本上可以反映整个样品上该特定元素的化学态信息，或判断整个样品中是否含有该特定元素。同时样品的厚度不能太薄，如果样品太薄，则光被吸收的量将很少，那么较强的入射光强产生的背底噪声将可能大到把吸收信号完全淹没掉，严重降低测量的信噪比；同时太薄的样品会导致透射光较强，有可能会使探测器饱和。 谱的归一化：入射光强I0的谱可以选用同步得到的金网信号，但更好的做法是在测完样品的近边谱后，再测不含样品的基底的吸收谱作为I0。I/I0得到的就是样品的吸收谱。注意：二者进行相除时Y值要在同一个范围内。 2）双能衬度成像法：是选取感兴趣的元素吸收边附近的两个能量，一个是在吸收边上，另一个是在吸收边前。在这两个能量下分别对样品进行二维扫描透射成像，得到两幅吸收图像，再对两图对应像素点的信号进行相比处理，最终可半定量地得到样品中该元素的二维空间分布信息及元素含量。由于在这两个能量上，只有所选取的元素的吸收系数发生突变，而其它元素的吸收系数几乎没有变化，因此在相比得到的衬度图中，信号比值较大（大于某一阈值）的像素点都是所考查的元素，并且比值越大，含有的该元素越多。 3）能量堆栈法：是在所感兴趣元素的吸收边附近一定范围内的一系列（N个）能量值的每一个能量点上，都对样品进行二维扫描透射成像，从而得到N幅吸收衬度图像。再对这N幅图像的数据进行后期分析处理，运用主成分分析法及聚类分析法，最后得到样品中含有该元素的若干种化学成分的信息，包括各成分的近边吸收谱，以及各成分在二维空间上的分布情况。目前对堆栈数据进行分析处理的软件已发展得较为成熟了，可在网上免费获得。在堆栈图像的分析处理中经常会遇到图像在XY方向上漂移的问题，需要对堆栈的图像进行配准及裁剪操作。我们利用图像相关性最大化方法及分窗口相关性最大化方法实现了图像间的对准及裁剪功能，相应的软件已编写成功，并付诸应用。 4）全电子产额法(TEY)：是另一种测量X射线近边吸收谱的方法，具有比透射法高得多的信噪比，因此测得的谱线质量通常比透射法要好很多，时间比较短。这种方法是将样品均刀地制备在一个良导体的金属基底（如Cu）上，将金属基底通过一个陶瓷片固定于样品架上（金属基底与样品架之间要绝缘），金属基底通过一根导线连接到实验腔体外的电流放大器上。电流放大器的另一端接地，实验腔体也接地。当X光打到样品上被样品吸收时，会发射出光电子，因而就会在金属基底及导线上产生光电流，以补充样品失去的电子。如果在样品架旁边的OSA上加上一个正的偏压，则会进一步加强此光电流。此光电流即是要探测的TEY信号，它正比于样品对X光的吸收几率。通过测量光电流随光子能量的变化曲线，就得到了样品的X射线吸收谱。另外可以加磁场，得到样品信息随磁6场的变化。 三、实验过程和注意事项1．样品的准备实验前，一定要和线站工作人员进行联系。STXM对样品制备有一定要求，它的测量信号与样品厚度、密度和结构密切相关。样品的厚度要求在几个微米。1）如果是粉末样品，粉末样品的颗粒粒径要尽量小于5微米，要粒径均刀；粉末样品可撒在氮化硅窗(100nm厚度)上或者铜网上，实验站备有氮化硅窗和铜网，用户也可自带。将带有样品的氮化硅窗或铜网粘到样品支架上。2）如果是细胞、组织等的切片，要求切片厚度小于2微米，厚度均刀，可用树脂或石蜡包埋后切片或者冷冻后切片；样品切片可置于铜网上，铜网孔径要大于所要观察的细胞或组织结构的尺寸。将带有样品铜网粘到样品支架上。3）准备好和所测元素价态相同的标准样品，作为实验谱图参考。2．具体实验操作步骤1）检查冷水机。冷水机位于光束线棚屋门外。在光束线的第三个控制机柜上，检查触摸屏上显示的三个冷水机的水流、水压、温度是否正常。然后再检查一下是否为安全模式。若三个冷水机没开，按冷水机上的开关按钮，将冷水机打开。注意：正常工作情况下不需要操作这一步。长期不用光，需关掉三个冷水机，再开光时需要操作这一步。2)开单色器。按束线棚窝外的‘开门’按钮-进棚屋，打开单色器的PI平移台的电源接线板-依次按束线棚窝内三个搜索按钮-按束线棚窝外的‘关门’按钮。注意：正常工作情况下也不需要操作这一步。3）更换光栅。光栅1工作在低能区（800eV），光栅2工作在高能区（800eV）。如2）到棚屋改变相应光栅，关棚屋-打开单色器的本地控制，在桌面上双击‘sx700图标’，将打开本地的单色仪控制程序‘sx700-epics.vi’，选定光栅、Mode和Cff值。在界面中单击‘Unclock’(平面镜和光栅)，‘searchreferencepoint’，最后选定‘Remote’－控制电脑上的DC软件中在generalsetup改Cff值。4）开光步骤i．依次按‘光子光闸1（PS1）’、‘活动光子挡光器’、‘光子光闸2（PS2）’。到此，x-ray进入光束线部分。注意：手要一直按住按钮，直到对应的红灯亮，绿灯灭为止。7ii检查x-ray是否已经到达单色光狭缝。旋转荧光靶，若有光着可以看到一条绿色的直线。再将荧光靶移开。5）改能量，EPU的gap，调节光通量，i实验棚屋内，将photodiode的信号线连接到皮安计，打开皮安计。ii将Photodiode旋到有标记开的位置。iii根据将要测量的峰位，通过下面公式计算出EPU的gap，然后在EPU的控制程序中修改此gap参数。（打中控电话2033）327490968.080503.20EEEGap−−−=iv在单色器的远程控制电脑上，双击‘DC’图标，打开控制程序。‘scantype’列表框中选定‘scanmon’，选定‘point’，设置点数；查看‘设置’菜单下的‘SX700’和‘GeneralSetup’的参数设置是否正确。点击‘start’。在光束线的控制电脑周面上点击‘BL08U-EPS’（右图）和‘BL08U-MOTION’（左边）图标，打开控制界面，如图点击‘BL08U-MOTION’中的‘Mirr2’，打开超环面镜的控制界面，调节M2的位置，使DC程序中的电流数值最大。V.扫描EPU。此扫描是为找出最大通量出的能量点。在单色仪控制程序‘scantype’列表框中选定‘scanenergy’；不选定‘point’；选定能量范围、步长；按‘start’，扫描开始，当扫描结束后，将鼠标移到y轴最大的位置，可在图像的上方看到此坐标值，x代表能量，y代表PD的值，并记录下来。VI.在‘energy’上改为前面步骤得到的最高峰位的能量值-选定右边的checkbox-点击8‘Move’。此时图像中是EPU在最大通量处能量时，PD采集到的电流数据。若有必要，重复上面的‘scanmon’，调整M2的位置，将光路再次优化。VII.将PD移开。如需要上面步骤中获取的数据，在单色器控制的电脑桌面上双击‘getDC’，如图。此程序将数据从c盘存到e盘的tools目录下，‘333’表示第几个数据，最后点击‘get’；图中的目录应为：E:\tools\2009-3-22\temp6)拧开单色光狭缝后面的手动阀。此时光已经到达实验站。7)装入样品步骤z检查‘Microscope’菜单下的‘TogglePMTHighVoltage’是否关掉－关闭实验站前面的手动阀－点击‘Microscope’菜单下的‘vacuumcontroller’打开vacuumstatus控制界面，点击‘ventchamber’。打开氮气阀门，当实验站腔体恢复到大气压下后，