基于固體探測(cè)器SDD的XAFS數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

石　泓　常廣才　鄭黎榮

1（中國科學(xué)院高能物理研究所　北京　100049）2（中國科學(xué)院大學(xué)　北京　100049）

基于固體探測(cè)器SDD的XAFS數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

石泓1,2常廣才1鄭黎榮1

1（中國科學(xué)院高能物理研究所北京100049）2（中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)（X-ray Absorption Fine Structure, XAFS）的發(fā)展，提出了對(duì)低濃度（痕量）元素研究的需求，高靈敏度的固體探測(cè)器紛紛被應(yīng)用到XAFS技術(shù)中來。硅漂移探測(cè)器（Silicon Drift Detector, SDD）是一種高計(jì)數(shù)率、高能量分辨率、采用半導(dǎo)體制冷的小型熒光探測(cè)器，其商業(yè)產(chǎn)品漸趨成熟。北京同步輻射裝置1W2B實(shí)驗(yàn)站裝備了這種小型SDD，并開發(fā)了相應(yīng)采譜軟件供用戶使用。經(jīng)過對(duì)含Cu 100 mg·L-1濃度的CuSO4溶液的測(cè)試，結(jié)果證明這套新的采譜系統(tǒng)可以滿足1W2B實(shí)驗(yàn)站XAFS實(shí)驗(yàn)熒光模式的需求。

同步輻射，SDD，XAFS，LabVIEW

北京同步輻射（Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF） 1W2B光束線的光源是扭擺器（wiggler）［1］，可供使用的光譜能量范圍5-18 keV，雙晶單色器的能量分辨率（ΔE/E）好于4×10-4，設(shè)計(jì)光通量2×1011photons·s-1·mm-2（13 keV、2.5 GeV、200 mA）［2］，于2007年夏季安裝調(diào)試后投入使用。在2012年完成了X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)（X-ray Absorption Fine Structure, XAFS）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的裝備和兼用模式下的調(diào)試［3］，是繼BSRF-1W1B XAFS光束線［4］之后，北京同步輻射裝置中第一條可以在高能物理對(duì)撞模式下工作的XAFS實(shí)驗(yàn)線站。

XAFS技術(shù)能夠在原子尺度上給出目標(biāo)原子周圍幾個(gè)鄰近配位殼層的結(jié)構(gòu)信息，不要求樣品的晶體條件，適用于研究固態(tài)、液態(tài)和氣體等幾乎所有凝聚態(tài)物質(zhì)的局域結(jié)構(gòu)［1］，是一種強(qiáng)有力的材料結(jié)構(gòu)探測(cè)手段［5］。隨著同步輻射光源發(fā)展，XAFS技術(shù)同時(shí)也得到了極大的發(fā)展。近年來，XAFS在物理、化學(xué)、生物、材料和環(huán)境科學(xué)等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中解決了許多重大的科學(xué)問題［6］。XAFS技術(shù)除了常規(guī)的樣品透射的吸收方式外，利用熒光信號(hào)的XAFS熒光模式可以檢測(cè)濃度只有百萬分之一量級(jí)的低濃度樣品或只有幾個(gè)原子層厚度的薄膜樣品［7］。目前，隨著功能性材料制備技術(shù)的發(fā)展，有越來越多痕量元素周邊原子配置信息的探測(cè)需求。傳統(tǒng)的Lytle氣體電離室由于無能量分辨能力，其檢測(cè)限約為千分之一，已無法滿足這些需求。更高的XAFS技術(shù)需要裝備更好信噪比的X射線熒光檢測(cè)系統(tǒng)。固體探測(cè)器（高純Ge、硅漂移等）雖然價(jià)格昂貴，在距樣品相同距離可以接收的計(jì)數(shù)率不如Lytle電離室，但是其具有很高能量分辨率，通過僅對(duì)樣品熒光信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以大幅提高信噪比，因此成為測(cè)量低濃度樣品時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的XAFS配備。

早在1983年，Gatti和Rehak提出了硅漂移探測(cè)器（Silicon Drift Detector, SDD）的基本設(shè)計(jì)［8］。其陽極的結(jié)構(gòu)使得探頭的電容值很小，并且不隨探頭有效面積而變大。因此SDD相對(duì)于傳統(tǒng)的Si（Li）探測(cè)器［9］具有更快的響應(yīng)時(shí)間，非常適合高計(jì)數(shù)率的實(shí)驗(yàn)［10］。20世紀(jì)90年代后，SDD的商業(yè)產(chǎn)品逐漸成熟。SDD具有以下特點(diǎn)：1） 體積小易實(shí)施電子冷卻；2） 能量分辨率高；3） 可以制成陣列探測(cè)器覆蓋更大的立體角和更高的計(jì)數(shù)通量。因此對(duì)于某些特殊實(shí)驗(yàn)，比如高溫、高壓、共聚焦等需要近距離探測(cè)或出光角度有限等的情況，采用SDD探測(cè)器的XAFS技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比同類的高純鍺探測(cè)器，SDD也有不需要液氮冷卻、體積小、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。

本文將介紹裝備在BSRF-1W2B實(shí)驗(yàn)站上的包括軟、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)的SDD熒光XAFS實(shí)驗(yàn)采譜系統(tǒng)。

1　束線與實(shí)驗(yàn)裝置

BSRF-1W2B光束線的wiggler光源是7周期的永磁結(jié)構(gòu)，峰值場(chǎng)強(qiáng)1.26 T，周期長度228 mm。前端區(qū)距光源7.7 m處有一個(gè)固定光闌，限制束線接收角為1.5 mrad （H）×0.15 mrad （V）。如圖 1所示，束線主要光學(xué)元件包括：準(zhǔn)直鏡、雙晶單色器和聚焦鏡。準(zhǔn)直鏡中心距光源21.71 m，鏡體（長1000mm、寬60 mm、高70 mm）為滿足束線設(shè)計(jì)能量（5-18 keV）采用硅基底表面鍍銠，平面鏡壓彎（壓彎半徑12058 m），入射角3.6 mrad。雙晶單色器中心距光源23.88 m，采用Si（111）作為能量調(diào)節(jié)晶體，調(diào)節(jié)角度范圍6o-24o，雙晶為T型結(jié)構(gòu)以固定出射高度［11］。聚焦鏡中心距光源25.46 m，鏡體（長1000 mm、寬60 mm、高70 mm）同樣采用硅基底表面鍍銠，超環(huán)面鏡壓彎，其水平最大接收角2 mrad，弧矢方向固定曲率半徑4.966 cm，子午方向壓彎半徑5300 m。在XAFS掃譜時(shí)，只有雙晶單色器的角度變化。

圖1　1W2B光束線示意圖Fig.1　Schematic diagram of beamline 1W2B.

XAFS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖2）中包括：控制（采譜）計(jì)算機(jī)、32通道RS232C串口服務(wù)器（北京康海時(shí)代科技有限公司）、電機(jī)控制器PM16C-04 （Tsuji Electronics Co. LTD）、五相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（北京四通工控技術(shù)有限公司）、雙晶單色器（1W2B束線非標(biāo)）、軸角編碼器數(shù)顯表ND281b （Heindenhein）、SDD探測(cè)器XR-100SDD及其電子學(xué)PX5（Amptek）、電離室、微電流放大器428 （Keithly）、V/F轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器 ORTEC 974 （ORTEC）。計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)連接串口服務(wù)器（Serial port server）擴(kuò)展了RS232C通訊口，由其中一路RS232C連接PM16C-04驅(qū)動(dòng)單色器第一晶體轉(zhuǎn)動(dòng)，一路連接顯示轉(zhuǎn)角位置的編碼器數(shù)顯表ND281b，一路連接測(cè)量光子強(qiáng)度的計(jì)數(shù)器ORTEC 974。計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)直接連接SDD的數(shù)據(jù)處理器PX5，獲取熒光的強(qiáng)度信號(hào)。

圖2　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Block diagram of system hardware.

實(shí)驗(yàn)中采用的SDD為Amptek公司的XR-100FAST SDD型X射線硅漂移探測(cè)器。探頭尺寸25 mm×25 mm，硅晶體厚度500 μm，能量分辨率優(yōu)于140 eV（@55Fe，5.9 keV，11.2 μs峰化時(shí)間），計(jì)數(shù)率可達(dá)1×106s?1，峰本比（Peak to background）20000:1（5.9 keV和1 keV計(jì)數(shù)比），鈹窗厚12.5 μm，溫飄小于0.02‰·oC?1［12］。

2　實(shí)驗(yàn)軟件結(jié)構(gòu)

采譜軟件采用美國NI公司的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，使用事件響應(yīng)的狀態(tài)機(jī)構(gòu)架［13］實(shí)現(xiàn)硬件的過程控制。高度自動(dòng)化的XAFS實(shí)驗(yàn)程序前面板如圖 3所示，主要功能包括：實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置（Experiment Setup）、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)提示（Status）、操作命令（PRESET、START、STOP、QUIT）、采譜數(shù)據(jù)顯示（Mu、I0、Dead Time等）。實(shí)驗(yàn)流程如圖 4所示，在設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)后按下“START”按鈕，程序會(huì)自動(dòng)完成預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)時(shí)顯示采樣的數(shù)據(jù)并自動(dòng)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（文件名和地址顯示在“Status”中）。

圖3　基于SDD的XAFS實(shí)驗(yàn)采譜程序前面板Fig.3　Front panel of DAQ for the SDD based XAFS.

圖4　實(shí)驗(yàn)程序流程Fig.4　Flow chart of XAFS experiment.

程序采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，主要狀態(tài)包括：程序初始化、主程序界面、采譜循環(huán)初始化、能量調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集、采譜循環(huán)終止判斷、采譜循環(huán)退出、數(shù)據(jù)記錄和退出程序。采用這種事件觸發(fā)的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的好處是，在保持程序可拓展性的同時(shí)可以快速響應(yīng)用戶的指令，也就是說將來程序需要擴(kuò)展功能時(shí)只需要增加“狀態(tài)”和“觸發(fā)事件”即可。各個(gè)狀態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)與切換如圖5所示。

系統(tǒng)首先“初始化”，初始化程序前面板、臨時(shí)變量并配置各個(gè)通訊接口；然后進(jìn)入“主程序界面”，等待用戶進(jìn)一步操作，這里可以選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑晒饣蚴峭干洌?，配置采譜參數(shù)（例如：分段、步長、積分時(shí)間等）；當(dāng)用戶按下“PRESET”預(yù)掃描按鈕時(shí)（圖5中虛線所示），系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)單色器第一晶體將能量調(diào)整到“EdgeEnergy（eV）”，之后采集熒光譜并顯示出來供用戶選擇感興趣的熒光峰；當(dāng)用戶選擇好需要的熒光峰并按下“START”按鈕，程序就進(jìn)入了“自動(dòng)采譜循環(huán)”（圖5中實(shí)線所示），按照“ExperimentSetup”中的設(shè)置完成采譜，隨后返回“主程序界面”等待下一步指令；采譜期間，當(dāng)用戶按下“STOP”按鈕，程序會(huì)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并返回“主程序界面”等待命令；當(dāng)用戶按下“QUIT”按鈕時(shí)，程序關(guān)閉前面板、釋放計(jì)算機(jī)內(nèi)占用的資源、停止運(yùn)行。

圖5　主要狀態(tài)之間的切換圖Fig.5　Inter-connection between main states of the program.

3　數(shù)據(jù)及分析

為驗(yàn)證束線、SDD探測(cè)器及采譜軟件的性能，在1W2B實(shí)驗(yàn)站的同步輻射兼用模式時(shí)，對(duì)含Cu 100 mg·L?1濃度的CuSO4水溶液（125 mg CuSO4溶于500 mL去離子水）的樣品進(jìn)行測(cè)譜和分析。使用氣體電離室作為前探測(cè)器，SDD探測(cè)器作為樣品熒光探測(cè)器。氣體電離室使用純氮?dú)?，吸收約10%的入射光強(qiáng)；SDD探測(cè)器的“Peakingtime”設(shè)置為1 μs，采樣時(shí)間都設(shè)置為5 s。實(shí)驗(yàn)前，將入射能量調(diào)整至8990 eV（白線峰最高點(diǎn)附近），通過調(diào)整SDD與樣品間的距離，保證探測(cè)器的死時(shí)間（Dead Time）不超過10%。實(shí)驗(yàn)中記錄SDD的Dead Time以及樣品前電離室的I0，并做歸一化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能量空間數(shù)據(jù)和實(shí)空間數(shù)據(jù)如圖6（a）、（b）所示。實(shí)空間譜圖反應(yīng)Cu離子周圍局域環(huán)境。該數(shù)據(jù)說明通過SDD測(cè)得的數(shù)據(jù)可以在短時(shí)間里獲得低濃度樣品的XAFS信號(hào)，從而獲得Cu離子周圍第一配位氧的局域結(jié)構(gòu)信息。

圖6　100 mg·L-1CuSO4溶液能量空間（a）和實(shí)空間（b）Fig.6　100 mg·L-1CuSO4E-space （a） and R-space （b）.

4　結(jié)語

通過對(duì)100 mg·L-1CuSO4Cu吸收邊的測(cè)試，可以看出單探頭SDD探測(cè)器可以滿足低濃度樣品的熒光XAFS實(shí)驗(yàn)需求。在不久的將來，這種體積小、維護(hù)方便并具有高立體角覆蓋率的陣列式SDD探測(cè)器將被裝備在熒光XAFS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中，在更短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得更低目標(biāo)元素濃度樣品的吸收譜線。

致謝感謝張小威博士和BSRF 1W2B光束線工作人員的大力支持。

1 麥振洪, 劉祖平, 喬山, 等. 同步輻射光源及其應(yīng)用（上冊(cè)）［M］. 北京: 科學(xué)出版社, 2013

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DAQ system of XAFS based on solid detector SDD

SHI Hong1,2CHANG Guangcai1ZHENG Lirong1

1（Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

2（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Background: Put forward the demands for low concentrations of elements in the X-ray absorption fine structure （XAFS） study on synchrotron radiation facility requires high sensitive solid state detectors. Silicon Drift Detector （SDD） is a small fluorescence detector that can be equipped with semiconductor refrigeration to achieve high count rate and high energy resolution. Its commercial products are becoming gradually mature. Purpose: This study aims to develop a small SDD based data acquisition （DAQ） system for XAFS beamline 1W2B experimental station at Beijing Synchrotron Radiation Facility （BSRF） and programmed the corresponding DAQ software for users. Methods: A XR-100FAST SDD from Amptek Inc was employed together with related electronics and ORTEC 974 counter for 1W2B experiment station. Corresponding DAQ software for user was developed using LabVIEW on the back-end control computer. CuSO4solution containing Cu 100 mg·L-1is prepared as a sample for testing this DAQ with SDD as detector, and Fourier transform of the radial distribution function is applied to experimental data analysis. Results: The final data shows information on the local structure of the first coordination of oxygen around Cu atoms. Conclusion: The test results of CuSO4solution with concentration of 100 mg·L-1proved that the new DAQ system equipped at 1W2B experimental station could satisfy the requirements of XAFS experiment fluorescence mode.

Synchrotron radiation, SDD, XAFS, LabVIEW

ZHENG Lirong, E-mail: zhenglr@ihep.ac.cn

TL814

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100102

國家自然科學(xué)基金（No.11305197）資助

石泓，男，1981年出生，2004年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)橥捷椛涔馐€技術(shù)

鄭黎榮，E-mail: zhenglr@ihep.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11305197）First author: SHI Hong, male, born in1981, graduated from Beijing University of Technology in 2004, master student, focusing on synchrotron radiation beam line technology

2016-08-03，

2016-09-07