一、实验站简介
4B9A衍射/小角实验站是BSRF历史最悠久的实验站之一。即使在实验手段极其丰富的现在，对于晶体样品而言，传统X射线衍射（XRD）仍然是不可替代的重要分析方法之一。且同步辐射X光能量可调，有利于通过异常衍射解析晶体结构，还可以进行衍射异常精细结构（DAFS）实验。到目前为止，4B9A束线的X射线衍射装置是BSRF唯一能开展DAFS研究的实验设备。
小角散射（SAXS）实验同样是实验站的重要任务。SAXS是材料科学和分子生物学等领域的重要方法之一。虽然位于1W2A束线的新小角散射站承担了大部分SAXS实验，但是作为旧站仍保留了旧有的1.5m小角相机和mar345成像板系统，并新购入了mar165型CCD探测器，每轮专用光都会根据用户需求转换为SAXS模式，分流用户，减轻新站的压力。
除此之外，经过06～07年度的工程改造，4B9A束线的能量范围和能量分辨率均大大提高，由于本站可以方便地调节入射光能量，使得X射线吸收精细结构（XAFS）实验也达到了可以实用的程度。改造后的4B9A束线能量范围在4~15keV之间，其可用能量范围足以涵盖Br以前十余种元素的K吸收边EXAFS谱，以及更多元素的L边EXAFS谱。
综上所述，4B9A衍射/小角实验站可以完成XRD/XRR/SAXS/DAFS/XAFS等多种实验，是兼具多种实验能力的多功能实验站，且能够在专用和兼用两种模式下对用户开放。
二、束线结构和基本参数
如下图所示：在距光源点13.7米处安装有镀铑准直镜，用于对同步辐射X光在垂直方向的准直，以降低单色器接收同步光的垂直发散度，提高能量分辨率。在距光源点16.4米处安置Si(111)双平晶单色器。在距光源点19.3米处安装镀铑超环面镜用于水平和垂直方向的聚焦，最终在焦点（距光源30米）处得到半高宽3*1 mm2的光斑。
|
4B9A束线结构示意图 |
经过实际测量，在8keV能量处，4B9A束线的光子通量>1.290*1011 Photons/Sec/0.1%bw，能量分辨率达到了3~4eV，即ΔE/E~3*10-4 ，可清晰分辨Cu标准样品跳边上的小峰（如下图左所示），全开光斑尺寸如下图右所示。
4B9A能量分辨率测试（左）和焦点处光斑成像（右）
按照理论计算，4B9A束线可用能量范围应该在4~15keV之间。我们通过简单的实验证实，其可用能量足以涵盖从Ti到Br的十余种3d元素的K吸收边和更多元素的L吸收边。
|
4B9A束线能量覆盖范围 |
不仅如此，4B9A束线光斑具有准直度高，发散度小的优点，可以满足高精度、高分辨率衍射和小角散射实验的要求。
|
鸡筋标样的干涉环 |
三、样品处光源参数
能量范围： 4-15 keV
能量分辨率（△E/E）： 3×10-4
光通量(photons/s)： 1×1010 @ 8 keV
光斑尺寸（H×V）： 2×1 mm2
角分辨率： 0.18角秒
SAXS可测粒度： 5 - 100 nm
四、实验站设备
4B9A衍射/小角站的基本设备有Huber5020型六圆衍射仪一台，小角相机一台，探测器包括Huber9910闪烁晶体探测器一台，Mar345成像板一台，Mar165CCD一台，Lytle型荧光电离室一套，其他实验附件主要有Anton Paar 加热炉两套，分别用于室温至1600°C和-193°C至450°C的加热/制冷原位衍射实验。
|
上左/中：Huber5020六圆衍射仪及加热炉；上右：闪烁体探测器 下左：小角相机及Mar345成像板；下右：Lytle型荧光电离室 |
五、基本原理和研究领域
本站能实现XRD/SAXS/XAFS等多种实验，研究领域涉及材料科学、生物科学等诸多方向。尺度涵盖原子级~100纳米：对于近邻原子局域结构，可以用XAFS方法进行测量，原子的周期性结构则可以用XRD解析，对于100nm以下的颗粒大小形状等信息则可以用SAXS的方法予以分析。作为原理性质的简介，在此仅对XRD的基本原理给予说明，其他实验原理请参考XAFS实验站和SAXS实验站的网页。
我们知道，晶体中的原子是按照一定的周期性规则排列的。适当波长的X光照射到晶体上，被间距为d的两个晶面所反射，就会形成光程差，其数值为
，当光程差恰好为波长的整数倍时，即构成Bragg衍射条件
，在相应的角度上产生衍射峰（即出射光强度在很小的角度范围内达到极大值）。由于晶面间距d与晶格常数a存在关系：
，我们只需要记录一组衍射峰并推断其晶面指数，即可得到晶格常数。
如果晶胞中不止一个原子，那么不同位置上的原子造成的反射光彼此相干，又会引起衍射峰强度的变化，对峰强进行分析，就可以精修晶体结构并得到晶胞内的原子坐标。
|
Bragg衍射示意图 |
六、研究方法和发展方向
XRD实验方法目前仍依赖于六圆衍射仪，具体地说，样品随ω圆以一定的步进角速度运动，探测器则随2ω圆以2倍的步进角速度运动，并实时将强度信号发送给后续电子学设备和计算机。
|
Bragg衍射数据采集方法示意图 |
XAFS实验则可以简单地使用电离室记录入射和出射光线强度，以记录样品吸收率。对于浓度较低的样品，也可以使用Lytle型荧光电离室收集荧光信号，其原理如图所示，X射线照射在倾斜45度的样品上，发出荧光被垂直于光路的电离室吸收，电离室将荧光信号转变为电信号，并经增益放大器输出，由于荧光产额正比于样品对X射线的吸收，因此就可以得到样品对当前入射波长X射线的吸收率，调节单色器产生不同的入射光能量，就可以得到完整的XAFS谱。
|
Lytle型荧光电离室结构 |
SAXS实验采用面探测器（Mar345成像板或Mar165CCD）对散射信号进行收集，在后期数据处理中再对二维图像进行裁切和积分，得到散射曲线。对于需要较大角度的实验，可以移开小角相机（路径较短，可以忽略空气散射），拉近探测器与样品距离。
|
SAXS实验装置示意图 |
随着转靶X光机衍射仪的不断普及和强度的提升，常规同步辐射XRD正在逐渐丧失其原本优势。针对这一情况，实验站从奥地利Anton Paar公司购置了两套原位加热/制冷系统，提供给用户作原位XRD实验用。其中HTK16系统可以提供从室温到1450°C的加热温度，短时间内冲刺温度可达1600°C；TTK450系统则可以提供-193°C至450°C的连续温度变化。两套系统均为粉末衍射实验设计，具体样品要求请咨询实验站负责人。
同时，由于同步辐射X光具有能量连续可调的特点，实验站还开发了衍射异常精细结构（DAFS）实验，可以针对晶体中特定位置的原子获取其局域结构信息。但目前数据处理方法尚在完善当中，欢迎有兴趣或相关经验的用户申请机时。
七、研究工作和应用成果
仅举以下几例说明：
|
用原位加热XRD方法研究了直径70nm左右的Ni纳米线在高温下的结构。Quan Cai et al, J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) 115205. |
|
用原位加热EXAFS研究了Co纳米线的热膨胀行为。Guang Mo et al, APPLIED PHYSICS LETTERS 93 (2008)171912. |
用原位加热SAXS研究了表面修饰的氧化锗在高温下的变化。 Xing Chen et al, J. Phys. Chem. B 112 (2008) 12297–12303.
|
|
八、联系方式
线站负责人：吴忠华，010-88235982-801，wuzh@ihep.ac.cn
用户联系人：陈中军，010-88235982-802，chenzj@ihep.ac.cn
