分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置和方法与流程

本发涉及材料分析表征技术领域，更具体的说，涉及一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置和方法。

背景技术：

在许多材料科学研究中，例如锂电池电极材料在服役条件下的结构演化，都需要对材料的短程有序结构(局域结构)和长程有序结构进行原位的反应条件下的实时分析，这对分析技术的时间分辨能力提出了很高的要求。

x射线吸收精细结构(xafs)和x射线衍射(xrd)是研究物质结构的两种重要技术，xafs可以给出短程有序的结构信息，xrd给出了长程有序的结构信息，两者互为补充，在大量的材料研究中被采用。如果将这两种技术联用起来，就可以同时进行局域和长程有序结构的分析。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置和方法，可以同时快速分析材料短程有序结构和长程有序结构。

有鉴于此，本发明提供如下技术方案：

一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置，其特征在于，包括：承载组件，所述承载组件用于装载待测材料样品；

同步辐射光源，用于出射连续光谱的光束，以照射所述待测材料样品；

多个能量色散探测器，所述能量色散探测器的探测轴线与所述光束的照射方向具有不同的角度，所述能量色散探测器用于探测所在位置的第一光信息；所述第一光信息至少用于进行关于所述待测材料样品的能量色散x射线衍射测试；

分光汇聚部件，所述分光汇聚部件位于所述光束的照射范围内，用于将所述待测材料样品透过的光束分光后，照射到位敏探测器，所述位敏探测器位于所述分光汇聚部件之后，用于探测所在位置的第二光信息；所述第二光信息用于进行关于所述待测材料样品的能量色散x射线吸收精细结构测试。

优选的，在上述装置中，所述分光汇聚部件包括：弯曲分光晶体。

优选的，在上述装置中，还包括：位于所述分光汇聚部件与所述承载组件之间的第一狭缝，所述第一狭缝用于去除散射光。

优选的，在上述装置中，还包括：位于所述同步辐射光源与所述承载组件之间的第二狭缝，所述第二狭缝用于卡光，获得需要尺寸的入射光束。

优选的，在上述装置中，所述装置具有11个所述能量色散探测器，所述角度范围为16.98°-68.27°，x射线衍射测试的晶面间距范围为

优选的，在上述装置中，还包括：主机，所述主机与所述能量色散探测器以及所述位敏探测器分别连接，用于基于所述第一光信息进行关于所述待测材料样品的能量色散x射线衍射测试，基于所述第二光信息用于进行关于所述待测材料样品的能量色散x射线吸收精细结构测试。

优选的，在上述装置中，所述主机还用于基于所述第一光信息进行关于所述待测材料样品的x射线荧光测试。

优选的，在上述装置中，所述主机进行关于所述待测材料样品的x射线荧光测试方法包括：

绘制至少两个所述能量色散探测器探测的x射线光子能量与强度的曲线图；

基于x射线荧光随探测角度不变化的特性以及所述能量色散探测器的探测结果，获取荧光图谱和衍射图谱。

优选的，在上述装置中，所述同步辐射光源为：波荡器光源、或扭摆器光源、或弯铁光源。

本发明还提供了一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的方法，采用上述任一项所述的装置分析材料短程有序结构和长程有序结构。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置和方法中，通过同步辐射光源出射连续光谱的光束照射位于承载组件上的待测材料样品，可以通过多个能量色散探测器获取第一光信息，基于所述第一光信息可以进行所述待测样品的x射线衍射测试，可以通过位敏探测器获取第二光信息，基于所述第二光信息可以进行所述待测样品的x射线吸收精细结构测试。可见，本发明技术方案可以同时快速分析材料短程有序结构和长程有序结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种常规分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置的示意图；

图2为另一种常规分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置；

图4为本发明实施例提供的另一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置；

图5为本发明实施例提供的一种探测器角度与所测晶面间距曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种检测x射线光子能量和强度的曲线图；

图7为本发明实施例提供的另一种探测器角度与所测晶面间距曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

常规xafs的表征需要通过连续改变单色器的角度来进行能量扫描，这个机械运动过程通常比较缓慢。目前，比较成熟的快速xafs表征技术有两种：快速扫描单色器的x射线吸收光谱技术(qxafs)和能量色散x射线吸收光谱技术(edxafs)。qxafs表征时间可低至数十毫秒量级，而edxafs更快，表征时间可低至微秒量级。

利用x射线衍射表征材料晶体结构的主要体现是布拉格(bragg)衍射公式，即：

2dhklsinθ＝λ(1)

这里dhkl为晶面间距，2θ为入射光束与出射光束间的夹角的角度，λ为入射x射线的波长。当入射光、出射光和晶面同时满足反射关系和bragg衍射公式(1)的时候，产生衍射。显然，这里有两种衍射的方案，一种是固定入射光的波长λ，不同的晶面间距dhkl对应不同的衍射角度θ，这就是常规的角度色散x射线衍射(adxrd)；另外一种是固定衍射角度θ，采用白光x射线照射样品，不同的晶面间距dhkl对入射光束中不同波长λ的x射线产生衍射，这就是能量色散x射线衍射(edxrd)。这两种衍射方式都可以用于快速表征，时间分辨能力可低至微秒甚至更低，主要取决于探测器；当然，从晶面间距的分辨能力δd/d而言，adxrd比edxrd更好一些。

对于xafs-xrd联用，由于xrd测试速度相对较快，因此决定联用表征速度的是其中的xafs部分。一种现有技术是采取串行采集qxafs和adxrd数据的方式来实现动态结构表征，原理如图1所示，图1为一种常规分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置的示意图，包括：同步辐射光源11、狭缝12、快速扫描单色器13、另一狭缝14、入射光强监测器15、待测材料样品10、位敏探测器16和透射x射线探测器17。

图1所示方式，如果同步辐射光束通过狭缝12后，经过快速扫描单色器13，产生连续光谱，通过另一狭缝14后，经过入射光强探测器15后，照射到待测材料样品10，透射光束打在后面的x射线探测器17，可以获得对应探测信息，该探测信息用于进行待测材料样品10的xafs测试，获取xafs数据。交替进行xrd测试时，控制快速扫描单色器13在一个固定角度使得出射光为单色光，该单色光照射到待测材料样品10后的散射光使用弯曲的位敏探测器16探测，可以获得对应探测信息，该探测信息用于进行待测材料样品10的xrd测试，获取xrd数据。

该方式采用串行测量方式分别进行待测材料样品10的xrd测试和xafs测试，虽然可以通过控制快速扫单色器的门信号来交替进行qxafs和adxrd的数据采集，将图1所述联用方式的标准周期缩短为60ms，但是对于更快的化学动力学和运动学过程，其时间分辨能力不能满足需求，需要时间分辨能力更高的表征技术。

相比于qxafs，edxafs具有更高的时间分辨能力，时间分辨能力可达微秒量级，因此，将edxafs与xrd技术联用起来是提高时间分辨能力的有效方法。但是现有的edxafs-adxrd的联用方案中，如图2所示，图2为另一种常规分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置的示意图，包括：同步辐射光源21、狭缝22、弯曲分光晶体23、可移动狭缝24、待测材料样品20、位敏探测器25和另一位敏探测器26。该方式，来自同步辐射光源的白光光束被弯曲分光晶体23反射并汇聚到待测材料样品20，通过待测材料样品20的光束打到后面的位敏探测器26上，获得对应探测信息，该探测器信息用于进行待测材料样品10的edxafs测试，获取edxafs数据。当需要采集衍射数据时，以可移动狭缝24移动到弯曲分光晶体23后面，卡出能量带宽较窄的一束光照射到待测材料样品20，使用位于待测材料样品20侧面的另一位敏探测器25采集衍射信号，可以获得对应探测信息，该探测信息用于进行待测材料样品20的adxrd测试，获取adxrd数据。

图2所示方案需要在edxafs装置中待测材料样品20的一侧增加一个位敏探测器25来探测adxrd信号。该方案理论上可以同时采集edxafs数据和adxrd数据，但是，由于入射光的能量带宽太大(δe/e～10％)，这导致采集到的衍射信号峰宽大，d(晶面间距)值分辨率低，同时x射线荧光也导致衍射背底增加，信噪比降低。因此，在这种方案实际实施当中，通常是采用串行方式交替采集edxafs数据和adxrd数据；在采adxrd数据时，一个狭缝24被移入光路卡出能量带宽较窄的一束光(图2)。显然，由于这里采用了移动的机械狭缝，其联用表征速度就很难降低到几十毫秒以下。

所以，对于时间分辨要求更高的材料的动态结构研究，还需要一种更快的测试方案，有鉴于此，本发明实施例技术方案将edxafs和edxrd联用，不需要移动的机械部件，可以突破毫秒量级的瓶颈，达到微秒的时间分辨，本发明实施例技术方案属于材料分析表征领域，核科学与技术学科，同步辐射及应用方向，可以用于物质科学的研究，涉及化学、物理和材料等学科。

本发明实施例技术方案针对材料的动态结构研究问题，提供了一种可以同时测量edxafs和edxrd的装置和方法，提高了时间分辨能力，对于前沿基础研究具有重要意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置，所述装置包括：同步辐射光源31、承载组件33、多个能量色散探测器37、分光汇聚部件35和位敏探测器36。

所述承载组件33用于装载待测材料样品30。可以基于需求设置装置的硬件构造，设置承载组件33为样品装载台，或为样品支架等，本发明实施例中对所述承载组件33的具体实现方式不做限定。

所述同步辐射光源31用于出射连续光谱的光束，以照射所述待测材料样品30。本发明实施例中，所述同步辐射光源31出射的光束为同步辐射光，其波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到x射线范围内的连续光谱。

所述能量色散探测器37的探测轴线与所述光束的照射方向具有不同的角度2θ，所述能量色散探测器37用于探测所在位置的第一光信息；所述第一光信息至少用于进行关于所述待测材料样品30的能量色散x射线衍射(edxrd)测试，获得edxrd数据。

所述分光汇聚部件35位于所述光束的照射范围内，用于将所述待测材料样品30透过的光束分光后，照射到位敏探测器36，所述位敏探测器36位于所述分光汇聚部件之后，用于探测所在位置的第二光信息；所述第二光信息用于进行关于所述待测材料样品的能量色散x射线吸收精细结构(edxafs)测试，获得edxafs数据。

可选的，所述分光汇聚部件35包括：弯曲分光晶体，可以将不同波长光线按不同出射角度分开，将光线照射到位敏探测器36。所述装置还包括：位于所述分光汇聚部件35与所述承载组件33之间的第一狭缝34，所述第一狭缝34用于去除散射光。所述装置还包括：位于所述同步辐射光源31与所述承载组件33之间的第二狭缝32，所述第二狭缝32用于卡光，获得需要尺寸的入射光束。

本发明实施例所述装置中，可以设置所述装置具有11个所述能量色散探测器27，所述角度范围为16.98°-68.27°，x射线衍射测试的晶面间距范围为

参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的装置，基于图3所示方式，图4所示装置还包括：主机38，所述主机38与所述能量色散探测器37以及所述位敏探测器36分别连接，用于基于所述第一光信息进行关于所述待测材料样品30的能量色散x射线衍射测试，基于所述第二光信息用于进行关于所述待测材料样品30的能量色散x射线吸收精细结构测试。

可选的，所述主机38还用于基于所述第一光信息进行关于所述待测材料样品30的x射线荧光测试。具体的，所述主机进行关于所述待测材料样品的x射线荧光测试方法包括：绘制至少两个所述能量色散探测器探测的x射线光子能量与强度的曲线图；基于x射线荧光随探测角度不变化的特性以及所述能量色散探测器37的探测结果，获取荧光图谱和衍射图谱。

本发明实施例所述装置中，为了保证edxrd测试过程中入射待测材料样品30光角度的一致性，与图2所示方式不同，本发明实施例所述装置将待测材料样品30放置在入射光路的前面部分，光束透过待测材料样品30后，再照射到分光汇聚部件35，进而通过位敏探测器36探测第二光信息，进行edxafs测试，进而获得edxafs数据。为了避免待测材料样品30散射光对edxafs测试的影响，在待测材料样品30和分光汇聚部件35之间设置有第一狭缝34，用于卡掉散射光。在光路侧方的特定角度2θ位置设置有系列的x射线能量色散探测器37，用于探测edxrd的衍射数据。

同步辐射光源31出射光束为连续光谱，具有多个波长λ值，基于布拉格衍射定律，不同波长值对应不同衍射角，故设置系列多个能量色散探测器37，分别对应不同的角度2θ。图3和图4中仅是示出了一个具有特定角度2θ的能量色散探测器37，可以具有需求设置能量色散探测器37个数及其对应角度2θ，本发明技术方案对此不做具体限定。

对edxrd测试部分进行分析，根据布拉格衍射定律，edxrd的计算公式可以如下表示：

其中，e为入射x射线光子能量，h为普朗克常数，c为光束，2θ为入射光与出射光的角度，因此，在固定角度2θ位置放置能量色散探测器37，采集衍射光子的能量e，即可以得到对应结构信息。

根据公式(2)可知，当光线的衍射角度2θ固定时，探测到的光子能量e与镜面间距dhkl一一对应。对于常规的edxrd测试，由于入射光的能量带宽△e较大，通常在一个角度处放置能量探测器就可以有足够大的dhkl值范围。然后，在同步辐射上联用edxafs-edxrd测试时，由于edxafs测试使用的光束能量带宽较窄，一个角度放置能量色散探测器37智能探测部分范围的晶面间距值。因此，本发明实施例所述装置中考虑多角度放置能量色散探测器37，基于此，进行下述简略计算。

本发明实施例中，所述同步辐射光源31可以为波荡器光源、或扭摆器光源、或弯铁光源。具体的，通过波荡器光源产生连续光谱的光束，或，通过扭摆器光源产生连续光谱的光束，或通过弯铁光源产生连续光谱的光束。

目前世界上多个同步辐射光源有edxafs测试线站，以rsrf的id24线站为例，该线站在taper-undulator(波荡器)模式可以提供大约1kev能量带宽的入射光束。以能源电池材料为例，其中常见的元素有铁、钴、镍、锰等，如铁元素的k吸收边为7.111kev。基于此，假设进行edxafs-edxrd联用实验时，入射光子能量为7～8kev，根据公式(2)，绘制了在不同角度2θ放置能量色散探测器37可以覆盖的晶面间距的曲线，如图5所示。

参考图5，图5为本发明实施例提供的一种探测器角度与所测晶面间距曲线图，基于图5可知，这个结果显示，如果要覆盖的晶面间距范围，需要在11个角度处放置探测器d1-d11，也就是说共计需要11个对应不同角度2θ的能量色散探测器37，表1列出了这些探测器放置的角度值和可测得的晶面间距范围。

表1x射线能量色散探测器的位置和测量方法

通过上述描述可知，本发明实施例所述装置可以实现微秒的时间分辨率；与传统您的edxafs测试相比，本发明实施例所述装置将待测材料样品30位置移动到聚焦镜前，利于使用第一狭缝34去除散射衍射信号对xafs信号的干扰，而待测材料样品30在聚焦镜后时，难以去掉这些干扰信号，而且前移待测材料样品30位置后，实际照射待测材料样品30的x射线光束能量带宽更大，有利于edxrd测试。

由于采用edxrd另一个好处就是可以通过能量色散探测器37在采集x射线衍射信息的同时，采集x射线荧光(xrf)，xrf可以用于确定待测材料样品30中元素信息。由于xrf信号时各向同性发射的，而edxrd衍射信号时跟衍射角度密切相关的，因此可以通过对比不同位置探测器采集到的数据来区分xrf信号和edxrd，实现原理如图6所示。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种检测x射线光子能量和强度的曲线图，分别放置角度2θ＝30°和2θ＝50°的两个能量色散探测器37的探测结果，绘制检测到的x射线光子能量和强度的曲线图，基于x射线荧光随探测角度不变化的特性可知，图6中，f1、f2和f3这三个波峰对应荧光光谱信号，其余为衍射峰信号。荧光光谱峰位不随探测角度变化，基于这一特性，可以根据所述能量色散探测器37的探测结果，获取荧光图谱和衍射图谱。

如上述，由于同步辐射入射光子能量带宽不足，需要设置多个能量色散探测器37。所述装置中，能量色散探测器37的分辨能力在100ev左右。

本发明实施例中，分光汇聚部件35可以为弯曲分光晶体。通过设置弯曲分光晶体的位置和角度，可以使得光束中适合xafs测试的部分光波段通过，通过弯曲分光晶体的光束能量带宽变窄，以便于进行xafs测试。

其他方式中，所述同步辐射光源31还可以为同步辐射扭摆器(wiggler)光源，如超导扭摆器光源可以提供更宽的能量带宽，能量范围在5-50kev，利用该光源可以更高效的进行衍射测试，此时，如图7所示，图7为本发明实施例提供的另一种探测器角度与所测晶面间距曲线图，使用5-50kev光源时，仅在20°放置探测器便可以覆盖到的范围，可以在20°附近放置两个或是三个探测器，可以区分荧光信号和衍射信号，将不同探测器采集到的信息修正后进行叠加可以提高信噪比。

基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种分析材料短程有序结构和长程有序结构的方法，该方式采用上述实施例所述的装置分析材料短程有序结构和长程有序结构。

本发明实施例所述方法采用上述实施例所述装置，可以实现edxafs-edxrd联用测试。

本发明专利技术涉及一种同时快速分析材料短程有序和长程有序结构信息的方法。本发明设计了edxafs-edxrd联用的方案，以同步辐射白光作为光源，采用edxafs技术表征材料的短程有序结构信息，采用edxrd表征材料的长程有序结构信息。该方法可以实现微秒量级的表征速度和时间分辨能力，打破了原有的毫秒量级的瓶颈，为材料结构动态演化的表征提供了一种方案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置对应部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。