上海同步輻射光源高壓相關(guān)線站概述

楊 科，蔣 升，閆 帥，周春銀，李愛國

（中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210）

壓強(qiáng)是物質(zhì)的基本熱力學(xué)參數(shù)之一。高壓可以有效改變物質(zhì)內(nèi)部的原子間距，調(diào)制相鄰電子軌道的重疊、電子自旋以及電子與聲子的相互作用，進(jìn)而改變物質(zhì)的電子狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)。在特定的高壓條件下，半導(dǎo)體、絕緣體乃至分子固體材料均可以轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)[1-6]。高壓下的物質(zhì)科學(xué)研究揭示了許多普通環(huán)境中無法觀測到的新現(xiàn)象，是深入認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的有效途徑之一[7-10]。更進(jìn)一步，高壓技術(shù)結(jié)合高低溫、磁場等原位條件為科學(xué)創(chuàng)新提供了更廣闊的維度，有利于發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新問題、制備新材料[11-15]。

能夠產(chǎn)生高壓環(huán)境的實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要有兩種：動態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)（簡稱動高壓）和靜態(tài)高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)（簡稱靜高壓）。動高壓是利用爆炸或者高速撞擊產(chǎn)生的沖擊波使樣品經(jīng)受瞬時高溫高壓環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)技術(shù)[16]，瞬時壓力可以達(dá)到數(shù)千萬大氣壓。靜高壓則是可以相對長時間維持較穩(wěn)定的壓力，目前最高壓力可以達(dá)到數(shù)百萬大氣壓。產(chǎn)生靜高壓的裝置主要包括金剛石對頂砧（Diamond-anvil cell, DAC）[17-20]和大體積壓機(jī)（Large-volume press, LVP）[21-26]。

DAC 和LVP 是高壓實(shí)驗(yàn)研究中兩種相輔相成、不可或缺的研究手段。每種技術(shù)均具有其獨(dú)特的功能和應(yīng)用范圍。DAC 能夠產(chǎn)生幾百萬大氣壓的壓力[20,27-28]，結(jié)合激光加熱可以實(shí)現(xiàn)6 000～7 000 K的高溫。為了獲得超過百萬大氣壓的實(shí)驗(yàn)壓力，DAC 中的試樣通常只有幾個到幾十微米大小，壓力梯度和溫度梯度比較大。LVP 的試樣體積要大得多 (一般在毫米量級)，并能夠產(chǎn)生很高且均勻的溫度(3 000 K 以上)，壓力梯度也較小，但壓力范圍相對有限 (目前最高可達(dá)120 GPa)。這些特征使LVP 成為用大體積試樣精細(xì)研究材料 (尤其是多相系材料) 物性的理想工具，也方便同時使用多種原位探測技術(shù)[29-32]。

為了獲得理想的高壓條件，在實(shí)驗(yàn)中通常以減小樣品體積為代價，而且將樣品封閉在壓腔內(nèi)。這樣能夠有效保持試樣與外界隔離，并保證了試樣的純度，同時要求與高壓試樣匹配的微探針。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室X 射線光源受限于光強(qiáng)、能量及光斑尺寸，很難直接對高壓樣品進(jìn)行測試。高亮度、高能量、低發(fā)射度的同步輻射X 射線源為研究高壓下微小樣品提供了強(qiáng)力探針，并有效解決了在周圍實(shí)驗(yàn)環(huán)境充滿大量干擾物質(zhì)的情況下探測微弱信號的問題[33-35]。同步輻射X 射線與高壓技術(shù)結(jié)合是原位研究物質(zhì)在高溫高壓下物性和行為的有力手段，打開了高壓研究領(lǐng)域的新紀(jì)元。

諸多基于同步輻射的X 射線衍射實(shí)驗(yàn)方法中，同步輻射X 射線衍射（XRD）是高壓研究的重要技術(shù)，可用于測量單晶、多晶、納米晶體和非晶材料的鍵長、密度、彈性及狀態(tài)方程等諸多綜合數(shù)據(jù)信息。與此同時，同步輻射X 射線光譜學(xué)研究取得了重大進(jìn)展。近年來，高壓條件下的光譜分析技術(shù)逐漸成為一種重要的研究方法，光譜技術(shù)與高壓技術(shù)的成功結(jié)合為探索高壓力下豐富的物理和化學(xué)現(xiàn)象提供了強(qiáng)有力的工具，如：利用X 射線吸收譜（XANES、XAFS）研究價態(tài)變化和原子近鄰結(jié)構(gòu)變化，利用成像方法研究形貌，利用非彈性散射（IXS) 研究電子結(jié)構(gòu)、帶隙變化等。

此外，以同步輻射為基礎(chǔ)的XRD 及光譜學(xué)技術(shù)連同激光加熱和低溫技術(shù)一起，為發(fā)現(xiàn)和拓展高壓環(huán)境下的科學(xué)前沿問題提供了強(qiáng)有力的研究手段。最新發(fā)展的高分辨成像技術(shù)和快速時間分辨技術(shù)在高壓X 射線研究中發(fā)揮了越來越重要的作用。從原理上來講，只要探針比樣品尺寸小，同時探測效率比需要的時間分辨率高的情況下，任何X 射線技術(shù)都可以被用來成像和進(jìn)行時間分辨探測。因此，高壓實(shí)驗(yàn)條件下探針大小和探測效率是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

目前，世界上主要的同步輻射光源均有進(jìn)行高壓研究的專用同步輻射光束線站，如：歐洲同步輻射光源（ESRF）的ID09A、ID27 線站[36]，英國鉆石光源（Diamond）的I15 線站，美國先進(jìn)電子源（APS）的3ID、13BM、16ID 線站[37-38]，美國NSLSⅡ光源的X17C 線站[39]，日本SPring-8 光源的BL04B1、BL10XU線站等[40]。我國同步輻射光源的高壓研究應(yīng)用始于20 世紀(jì)90 年代初期，北京同步輻射裝置（BSRF）的4W2 線站為國內(nèi)首批高壓用戶提供支持，即使到了今天也依然滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，為我國高壓研究領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)[41]。2009 年，作為世界先進(jìn)的第三代同步輻射光源代表之一的上海同步輻射裝置—上海光源（SSRF）建成開放，其中的硬X 射線微聚焦及應(yīng)用光束線站BL15U1 由于光斑小、通量高，非常適合用于高壓微束衍射實(shí)驗(yàn)。BL15U1 線站于2010 年開始服務(wù)于高壓科學(xué)研究，目前超過一半的機(jī)時用于高壓研究。近年來，國內(nèi)外高壓科學(xué)研究人員綜合利用該線站以及世界上其他先進(jìn)光源取得了一系列重要研究成果[42-45]。

BSRF 的BL15U1 線站擁有高通量、能量可調(diào)的單色硬X 射線微束，空間分辨達(dá)到微米至亞微米量級，非常適合開展DAC 高壓研究。在建的SSRF 二期線站工程中的超硬多功能線站(BL12SW) 配備了200 t 和2 000 t 的大壓機(jī)，能量范圍覆蓋30～150 keV，是開展LVP 實(shí)驗(yàn)的理想平臺。本文將分別介紹SSRF 適于開展高壓研究的硬X 射線微聚焦及應(yīng)用光束線站BL15U1 以及即將建成的超硬多功能線站BL12SW。

1 硬X 射線微聚焦及應(yīng)用光束線站（BL15U1）

1.1 BL15U1 線站介紹

硬X 射線微聚焦及應(yīng)用光束線站（Hard X-ray micro focusing beamline, HXMF）是開展高空間分辨、高靈敏的 μ-XRF、 μ-XAFS、 μ-XRD 實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的二維mapping 實(shí)驗(yàn)的綜合性光束線站[46]。該線站聚焦于硬X 射線微束技術(shù)及應(yīng)用，在微米、亞微米光斑尺度下發(fā)展了多種實(shí)驗(yàn)方法，在地球和環(huán)境科學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)和微電子等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。同步輻射硬X 射線微聚焦光同時具有亮度高、光斑尺度小、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適用于DAC 高壓實(shí)驗(yàn)測試。

DAC 高壓實(shí)驗(yàn)中，XRD 是最常用的實(shí)驗(yàn)方法。高壓衍射可以提供樣品的狀態(tài)方程、晶體結(jié)構(gòu)、相轉(zhuǎn)變、彈性和晶格應(yīng)變等信息，是高壓研究的基礎(chǔ)手段。高壓吸收譜實(shí)驗(yàn)作為衍射實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，可以對樣品中特定元素的價態(tài)、局域結(jié)構(gòu)（如鍵長、配位數(shù)、空間構(gòu)型等）進(jìn)行表征，進(jìn)一步確認(rèn)高壓相變路徑。高壓拉曼散射能夠在電子結(jié)構(gòu)到晶格動力學(xué)方面給出樣品獨(dú)特的結(jié)構(gòu)信息，是直接探測材料各種元激發(fā)性質(zhì)的強(qiáng)有力工具。

1.1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

HXMF 線站X 射線的能量范圍為5～20 keV，可以使用K-B 聚焦鏡或者波帶片聚焦。使用K-B 鏡聚焦時，入射光能量在5～20 keV 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，聚焦光斑尺寸小于2 μ m × 2 μ m。在衍射常規(guī)的20 keV能量下，樣品處光子數(shù)大于1010ph/s。使用波帶片聚焦時，入射光能量范圍為8～12 keV（將拓展至16 keV），聚焦光斑尺寸小于0.5 μ m × 0.5 μm。HXMF 線站的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 HXMF 線站的主要指標(biāo)Table 1 Main parameters of HXMF beamline

1.1.2 光束線布局

HXMF 線站分為光束線和實(shí)驗(yàn)站兩部分。HXMF 光束線的布局如圖1 所示，真空內(nèi)平面波蕩器(IV-undulator)出射的白光在水平方向經(jīng)超環(huán)面鏡預(yù)聚焦至次級光源狹縫，在垂直方向準(zhǔn)直為準(zhǔn)平行光以提高單色光的能量分辨率，經(jīng)雙晶單色器將白光單色化后引入實(shí)驗(yàn)站。單色X 射線還可以使用光束線末端的四晶單色器進(jìn)一步單色化，實(shí)現(xiàn)更高的能量分辨。實(shí)驗(yàn)站配有K-B 聚焦鏡等聚焦元件，可將單色X 射線會聚并照射到樣品點(diǎn)上。

圖1 HXMF 光束線布局Fig. 1 Schematic layout of HXMF beamline

1.1.3 實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)

HXMF 實(shí)驗(yàn)站配備兩套聚焦系統(tǒng)：K-B 聚焦鏡系統(tǒng)和波帶片聚焦系統(tǒng)。K-B 聚焦鏡系統(tǒng)的聚焦光能量在5～20 keV 范圍連續(xù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)最小聚焦光斑尺寸小于2 μ m × 2 μ m。焦點(diǎn)處配有六軸樣品臺、觀測顯微鏡、熒光探測器和兩臺面型探測器。其中，面型探測器為Mar165 CCD，該探測器的單像素點(diǎn)尺寸較?。?0 μm），可用于高分辨衍射實(shí)驗(yàn)。另一臺探測器是Pilatus3S 1M，該探測器具有較大的動態(tài)范圍（20 bits，1 048 575 counts），適合進(jìn)行高壓單晶衍射實(shí)驗(yàn)。當(dāng)進(jìn)行超高壓實(shí)驗(yàn)需要更小的聚焦光斑時，可以將探測器Mar165 CCD 移至波帶片聚焦系統(tǒng)使用。波帶片聚焦系統(tǒng)的聚焦光斑尺寸小于0.5 μ m，足以滿足超高壓力實(shí)驗(yàn)對小尺寸X 射線的需求。兩套聚焦系統(tǒng)中，K-B 聚焦鏡系統(tǒng)還可以進(jìn)行高壓吸收譜實(shí)驗(yàn)，波帶片聚焦系統(tǒng)未來可以進(jìn)行高壓拉曼散射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)圖和照片分別如圖2 和圖3 所示。

1.2 HXMF 線站高壓實(shí)驗(yàn)及設(shè)備

1.2.1 壓力測量

金剛石對頂砧內(nèi)壓力標(biāo)定通常有兩種方法：壓力內(nèi)標(biāo)法及紅寶石熒光標(biāo)壓法。壓力內(nèi)標(biāo)法是將某種等溫狀態(tài)方程已知的物質(zhì)與樣品一起裝入樣品腔內(nèi)，測試壓力下壓標(biāo)材料的衍射峰位變化，反推樣品腔內(nèi)的壓力。紅寶石熒光標(biāo)壓法則是利用紅寶石的熒光峰隨壓力升高發(fā)生紅移，測試偏移量得出樣品腔內(nèi)的壓力[47]。

圖2 HXMF 實(shí)驗(yàn)站布局Fig. 2 Schematic layout of HXMF experimental station

圖3 HXMF 實(shí)驗(yàn)站照片F(xiàn)ig. 3 Photo of HXMF experimental station

紅寶石熒光峰隨壓力升高發(fā)生的紅移可表示為

式中：p為壓力； λ0為紅寶石熒光峰R1在常壓下對應(yīng)的波長，一般為694.24 nm，與Cr3+的富集及結(jié)晶程度有關(guān)；A＝ 1 904 GPa；B＝ 7.665（準(zhǔn)靜水壓條件下）或B＝ 5（非靜水壓條件下）； Δλ表示R1峰的紅移量。實(shí)驗(yàn)中只要測出紅寶石熒光峰R1線的位置，代入式（1）即可算出樣品腔內(nèi)的壓力。

紅寶石測壓具有耗材少、裝填容易、測量方便等優(yōu)點(diǎn)，是DAC 實(shí)驗(yàn)的主要測壓方法。實(shí)驗(yàn)站提供紅寶石熒光離線測壓系統(tǒng)，測壓光路如圖4所示。測壓系統(tǒng)主要指標(biāo)：激光聚焦光斑約為3 μm，光譜分辨率約為0.02 nm，測量壓力范圍為0～100 GPa。

測量100 GPa 以上更高壓力時，通常使用壓力內(nèi)標(biāo)法或者金剛石拉曼峰隨壓力移動的方法標(biāo)定壓力，衍射實(shí)驗(yàn)站配備了Renishaw 拉曼光譜儀（圖5），可以方便對金剛石拉曼峰進(jìn)行測量，從而標(biāo)定樣品腔內(nèi)壓力。同時，HXMF 線站還配備了便攜式可移動的紅寶石測壓系統(tǒng)，如圖6 所示。

圖4 紅寶石熒光測壓光路Fig. 4 Optical system for measuring ruby fluorescence

圖5 Renishaw 拉曼光譜儀Fig. 5 Renishaw Raman spectrometer

圖6 便攜式紅寶石測壓系統(tǒng)Fig. 6 Portable ruby high pressure calibration system

1.2.2 樣品臺

實(shí)驗(yàn)站的樣品控制臺具有6 維運(yùn)動自由度：旋轉(zhuǎn)軸下沿光束方向（Y）平動，運(yùn)動范圍?30～30 mm；旋轉(zhuǎn)軸下水平橫向（X）平動，運(yùn)動范圍?30～30 mm；垂直方向（Z）平動，運(yùn)動范圍?20～20 mm；繞垂直方向軸轉(zhuǎn)動（R），轉(zhuǎn)動范圍?70°～140°；旋轉(zhuǎn)軸上的水平橫向平動（X2），運(yùn)動范圍?35～35 mm；旋轉(zhuǎn)軸上沿光束方向平動（Y2），運(yùn)動范圍?10～10 mm。樣品控制臺臺面用Newport 公司的M-BK-4 光具座作為樣品架轉(zhuǎn)接接口，適合快速安裝各種原位設(shè)備，同時能夠在換樣時高精度復(fù)位樣品位置。樣品控制臺臺面設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 HXMF 實(shí)驗(yàn)站樣品控制平臺示意圖Fig. 7 Schematic of sample stages of HXMF experimental station

圖8 HXMF 實(shí)驗(yàn)站六軸樣品控制臺Fig. 8 Six axis sample stages of HXMF experimental station

樣品放入控制臺后，可通過旋轉(zhuǎn)臺R在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)樣品，幫助將樣品定位到X 射線焦點(diǎn)上。具體方法：先使用平移臺X、Y將旋轉(zhuǎn)臺R的旋轉(zhuǎn)軸與X 射線焦點(diǎn)重合，再使用平移臺X2、Y2、Z將樣品感興趣點(diǎn)調(diào)整到X 射線焦點(diǎn)上。實(shí)驗(yàn)時，旋轉(zhuǎn)臺R的旋轉(zhuǎn)軸、X 射線焦點(diǎn)、樣品感興趣點(diǎn)三者是完全重合的，誤差不超過1 μ m，從而保證了衍射實(shí)驗(yàn)中樣品感興趣點(diǎn)到探測器的距離基本不變。以樣品感興趣點(diǎn)到探測器距離200 mm為例，重復(fù)定位樣品所引起的面間距d的誤差小于5 × 10?4。在單晶衍射實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)樣品時，樣品感興趣點(diǎn)不會移出X 射線焦點(diǎn)（半高寬2 μm）之外。樣品控制臺實(shí)物照片見圖8。

1.2.3 DAC 樣品架及原位裝置的接口

HXMF 實(shí)驗(yàn)站六軸樣品控制臺臺面使用Newport 公司的M-BK-4 光具座作為DAC 樣品架及原位裝置的接口。M-BK-4 光具座可以快捷、高精度重復(fù)樣品的位置，重復(fù)誤差小于1 μm，滿足DAC 實(shí)驗(yàn)中樣品離線加壓、測壓后的復(fù)位需求，并可以極大地提高實(shí)驗(yàn)效率。DAC 樣品架有各種尺寸，適用于不同半徑的DAC裝置。這些樣品架均采用三點(diǎn)定位銷的方式固定DAC 裝置。DAC 樣品架的結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

高壓衍射標(biāo)準(zhǔn)樣品二氧化鈰CeO2也封裝在和DAC 結(jié)構(gòu)相同的樣品腔內(nèi)，用以減少樣品定位時間，從而提高效率。

圖9 樣品架結(jié)構(gòu)的爆炸視圖Fig. 9 Explosion view of sample holder structure

1.2.4 HXMF 實(shí)驗(yàn)站探測器

HXMF 實(shí)驗(yàn)站擁有電離室、顯微鏡、熒光探測器、平面探測器等多種設(shè)備。

（1）電離室：配備流動充氣電離室，分別測試入射X 射線通量和出射X 射線通量。也可以根據(jù)需要使用光電二極管（Photodiode）替代后電離室，同時作光通量采集和直通光阻擋器（Beamstop）作用。

（2）顯微鏡：在入射光水平面上，與入射光束成45°夾角放置，從而輔助尋找、定位樣品。該顯微鏡可變換不同的物鏡，以適合不同空間分辨和視場大小的要求。

（3）熒光探測器：硅漂移(SDD)探測器。

（4）平面探測器：Mar165 CCD 和Pilatus3S 1M 探測器。Mar165 CCD 探測器的探測面為圓形，直徑165 mm，共有2 048 × 2 048 個像素點(diǎn)，每個像素點(diǎn)尺寸80 μ m × 80 μ m，動態(tài)范圍16 bit。Pilatus3S 1M 探測器共有981 × 1 043 個像素點(diǎn)，每個像素點(diǎn)尺寸172 μ m × 172 μ m，有效探測面積168.7 mm × 179.4 mm，為單光子探測，計(jì)數(shù)器位深20 bit，最高頻率25 Hz。

1.3 HXMF 線站開展高壓實(shí)驗(yàn)相關(guān)方法

HXMF 線站主要開展DAC 高壓實(shí)驗(yàn)。在DAC實(shí)驗(yàn)中，樣品腔的空間僅有幾十到幾百微米，樣品腔外圍不僅有金剛石、壓力封墊，還有不銹鋼支架等，傳統(tǒng)分析測試手段很難對其進(jìn)行有效測試。HXMF 線站的同步輻射微聚焦硬X 射線具有穿透性好、無損等特點(diǎn)，成為探測DAC 中樣品信息的理想探針。典型的金剛石對頂砧壓機(jī)見圖10。DAC 的不銹鋼支架上會開若干錐形孔，供X 射線或可見光進(jìn)出。

1.3.1 高壓粉末衍射

同步輻射XRD 是高壓科學(xué)研究的主要技術(shù)之一，能夠測量單晶、多晶、納米晶體和非晶材料的鍵長、彈性、密度及狀態(tài)方程等諸多綜合數(shù)據(jù)信息。利用特殊的施壓結(jié)構(gòu)，還可導(dǎo)出彈性、流變、取向和微結(jié)構(gòu)等更多信息。其中，粉末衍射（Powder XRD）實(shí)驗(yàn)方法在高壓科學(xué)研究中應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)X 射線穿透金剛石壓砧照射到粉末樣品上時發(fā)生衍射，樣品后面的面型探測器上會留下一組同心圓衍射環(huán)。衍射環(huán)的形態(tài)與樣品衍射面、入射光能量、樣品到探測器的距離、探測器狀態(tài)等條件密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)時，確保上述后3 個條件恒定，衍射環(huán)的形態(tài)就僅與衍射面相關(guān)。在壓力作用下，測試衍射環(huán)的變化就可以得到樣品晶體結(jié)構(gòu)的變化。實(shí)驗(yàn)前，需要先用標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)儀器狀態(tài)，使用二氧化鈰、六硼化鑭等作為標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)設(shè)備。圖11 為采用Mar165 CCD 探測器得到的標(biāo)準(zhǔn)二氧化鈰的衍射圖樣。

圖10 DAC 高壓裝置Fig. 10 High pressure device of DAC

1.3.2 高壓單晶衍射

單晶衍射實(shí)驗(yàn)需要旋轉(zhuǎn)樣品，使倒格點(diǎn)切割厄瓦爾球。旋轉(zhuǎn)樣品共有3 個自由度，分別是水平面內(nèi)的擺角 ω、垂直于光路的滾角 κ和沿光路豎直平面內(nèi)的滾角 θ，如圖12 所示。單晶衍射實(shí)驗(yàn)需要上述自由度中至少兩個自由度，才能完整采集倒易空間信息。

受制于DAC 裝置的空間尺寸，很難找到合適的電機(jī)，既能高精度驅(qū)動樣品繞 κ方向轉(zhuǎn)動，又可以在 ω方向掃描時保證不遮擋入射X 射線或衍射信號。所以HXMF 線站采用改變 ω 、 θ兩個自由度來實(shí)現(xiàn)單晶衍射實(shí)驗(yàn)。單晶衍射的樣品控制臺如圖13 所示。

高壓單晶衍射樣品控制臺是在原有的六軸樣品控制臺基礎(chǔ)上增加了 θ方向的控制維度來實(shí)現(xiàn)的。 θ方向的控制維度由配重塊、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和兩個平移電機(jī)構(gòu)成。平移電機(jī)正交裝配在旋轉(zhuǎn)電機(jī)表面，用于把樣品調(diào)節(jié)到 θ電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上。旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供樣品 θ方向的運(yùn)動維度。配重塊用于連接 θ電機(jī)和六軸樣品控制臺，同時平衡 θ電機(jī)帶來的重心偏移，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。整個 θ方向的控制維度作為原位裝置安裝在六軸樣品控制臺表面的M-BK-4光具座接口上，可根據(jù)需要方便安裝或移除。實(shí)驗(yàn)時，需保證 θ方向旋轉(zhuǎn)軸、 ω方向旋轉(zhuǎn)軸和樣品感興趣點(diǎn)相交于X 射線焦點(diǎn)上。HXMF 線站的位置調(diào)整精度一般小于1 μm。

圖11 二氧化鈰的XRD 譜（Mar165 CCD 共有2 048 ×2 048 個像素點(diǎn)，每個像素點(diǎn)尺寸為80 μm× 80 μm）Fig. 11 XRD pattern of CeO2 (Mar165 CCD has 2 048 × 2 048 pixels, the size of each pixel is 80 μm× 80 μm)

圖12 HXMF 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)自由度Fig. 12 Cartesian coordinate system and rotational degrees of freedom of HXMF experimental system

圖13 高壓單晶衍射樣品控制平臺Fig. 13 Sample control platform for high pressure single crystal diffraction

高壓單晶衍射實(shí)驗(yàn)中，分別沿 ω方 向和 θ方向旋轉(zhuǎn)樣品，使所有倒格點(diǎn)都能夠切割厄瓦爾球，從而得到所有的衍射束。通過平面探測器記錄壓力下這些衍射點(diǎn)的位置改變，就可以得到單晶的結(jié)構(gòu)變化信息。

HXMF 線站還可以對單晶樣品倒空間成像，測試某個倒格點(diǎn)的具體形狀。這些倒格點(diǎn)的三維形狀代表實(shí)空間某個指數(shù)面的性質(zhì)。測試壓力下通過倒格點(diǎn)不同方向的形狀變化，可以得到晶體結(jié)構(gòu)的各向異性變化。

1.3.3 反常衍射

利用同步輻射X 射線能量在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的特性，可以對樣品中的特定元素進(jìn)行反常高壓衍射。反常衍射結(jié)合常規(guī)衍射用以解析復(fù)雜的樣品結(jié)構(gòu)，反常衍射還可以進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)的測量。高壓異常衍射精細(xì)結(jié)構(gòu)將X 射線吸收譜技術(shù)和衍射技術(shù)結(jié)合起來，在特定元素的吸收邊附近，一邊改變?nèi)肷涔饽芰?，一邊采集衍射信息，可以獲得長周期性結(jié)構(gòu)的材料中某特殊晶格位置上原子的近鄰配位信息。

1.3.4 高壓吸收譜

X 射線吸收譜（X-ray absorption spectroscopy，XAS）可以對特定元素進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，獲得這些元素的價態(tài)、構(gòu)型、配位數(shù)、鍵長和無序度等信息。硬X 射線吸收譜(XANES, XAFS)技術(shù)在測量極端條件下電子結(jié)構(gòu)的原位特性中起到非常重要的作用。X 射線吸收過程中固有的元素和軌道特性允許探測極端壓力條件下的價態(tài)、軌道填充態(tài)、雜化、電荷轉(zhuǎn)移和電子排序的變化。HXMF 線站使用K-B 鏡聚焦X 射線得到微米光斑，在不同入射光能量下可以保持焦點(diǎn)的大小和位置穩(wěn)定，非常適合開展高壓吸收譜實(shí)驗(yàn)。HXMF 線站的能量范圍為5～20 keV，該范圍內(nèi)的高壓吸收譜實(shí)驗(yàn)均可以實(shí)現(xiàn)。圖14 為HXMF 線站高壓吸收譜可分析的元素。

圖14 HXMF 線站可分析的元素Fig. 14 Analyzable elements of HXMF beamline

1.3.5 高壓原位實(shí)時實(shí)驗(yàn)

上海光源BL15U1 同步輻射硬X 射線具有高準(zhǔn)直、高極化和寬頻譜性能，其高光譜亮度、高光子通量以及卓越的穿透能力配合Pilatus 像素陣列探測器的快速采譜和讀取能力，使得高壓原位實(shí)時的X 射線衍射及成像成為現(xiàn)實(shí)。Pilatus 探測器的幀頻可以達(dá)到500 幀每秒。

2 BL12SW 超硬多功能線站

利用大壓機(jī)和同步輻射X 射線，可以原位（In-situ）研究巖石礦物和物理材料在高溫高壓條件下的相變過程、物理化學(xué)性質(zhì)、流變學(xué)特征等，對于認(rèn)識行星地球內(nèi)部物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和演化過程以及極端條件下材料（如超硬材料）的特殊性質(zhì)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

2.1 BL12SW 線站介紹

超硬多功能光束線（BL12SW，簡稱“超硬線”）是SSRF 二期工程的重要建設(shè)內(nèi)容，以超硬X 射線應(yīng)用為主要技術(shù)，面向工程材料和高壓科學(xué)研究兩個領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)方法包括高能X 射線衍射和成像等。

超硬線能量范圍覆蓋30～150 keV，光源采用超導(dǎo)扭擺器（Wiggler），如圖15 所示，光束線按照一線四站模式建設(shè)，分別為兩個高壓原位實(shí)驗(yàn)站LVP1 和LVP2，以及兩個工程實(shí)驗(yàn)站ENG1 和ENG2。在環(huán)廳內(nèi)LVP1 實(shí)驗(yàn)站前放置液氮冷卻子午壓彎勞厄雙晶單色器，可實(shí)現(xiàn)全能量覆蓋，并提供大光斑單色光；LVP2 和ENG2 實(shí)驗(yàn)站前放置弧矢壓彎勞厄單色器，能量覆蓋60～120 keV，可以水平聚焦光斑至約500 μm，這部分光學(xué)和實(shí)驗(yàn)棚屋均在環(huán)外建筑中。下面主要介紹超硬線的LVP1 和LVP2 高壓原位實(shí)驗(yàn)站。

圖15 超硬多功能光束線布局Fig. 15 Schematic layout of super-hard multifunction beamline

2.1.1 BL12SW 線站主要技術(shù)指標(biāo)

超硬多功能線站的主要技術(shù)指標(biāo)列于表2。

表2 超硬多功能線站的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specification of super-hard multifunction station

2.1.2 BL12SW 線站實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)

LVP1 實(shí)驗(yàn)站安裝了一臺200 t 的DDIA 型壓機(jī)（型號SSRF-200），主要針對10 GPa 以內(nèi)的高壓實(shí)驗(yàn)。該壓機(jī)體積小巧而靈活，可以整體移出光路甚至實(shí)驗(yàn)棚屋外進(jìn)行離線實(shí)驗(yàn)。LVP2 實(shí)驗(yàn)站安裝一臺2 000 t 的壓機(jī)（型號SSRF-2000），最高實(shí)驗(yàn)壓力可以達(dá)到35 GPa 以上。

兩個高壓原位實(shí)驗(yàn)站均可以開展單色光角散衍射、白光能散衍射、單色光和白光成像實(shí)驗(yàn)、物性（彈性、電導(dǎo)、熱導(dǎo)）測量等實(shí)驗(yàn)，如圖16 所示。

圖16 高壓原位實(shí)驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)方法Fig. 16 Experimental methods of in situ high pressure experimental station

2.2 LVP1 高壓原位站

LVP1 實(shí)驗(yàn)站配置200 t DDIA 壓機(jī)，主要針對壓力相對較低的高壓實(shí)驗(yàn)。由于其靈活的可移動性，為將來開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)預(yù)留了升級改造空間，用戶甚至可以臨時安裝其他便攜高壓裝置，以滿足多種實(shí)驗(yàn)方法。

如圖17 所示，200 t 壓機(jī)安裝在多軸位移平臺上，在旋轉(zhuǎn)軸R的上下方分別有兩套X、Y軸控制位移，使樣品放置于旋轉(zhuǎn)中心和光路中。200 t 壓機(jī)采用0～70 MPa 液壓系統(tǒng)，工作活塞沖程70 mm，DDIA 加壓模具差分錘沖程范圍?1～4 mm。DDIA 模具可整體通過導(dǎo)軌移出放置在壓機(jī)外臺面上并固定，移出后模具的上半部能夠自動提升并固定位置，方便用戶安裝和取出樣品。200 t DDIA 壓機(jī)采用一級加壓方式，一級碳化鎢砧頭截角邊長6 mm 或3 mm，預(yù)期最高實(shí)驗(yàn)壓力可以達(dá)到10 GPa。

壓機(jī)下游是探測器及其支撐位移平臺，成像相機(jī)可以方便地切入和切出，以觀察樣品的位置和形貌，高純鍺探測器用于白光能散衍射實(shí)驗(yàn)，大面積平板探測器用于單色光角散衍射實(shí)驗(yàn)。

圖17 200 t 壓機(jī)示意圖（圖片來源：Max Voggenreiter）Fig. 17 Schematic diagram of 200 t LVP(Image source: Max Voggenreiter)

2.3 LVP2 高壓原位站

LVP2 實(shí)驗(yàn)站配置2 000 t 大壓機(jī)，可以兼容DDIA 和Kawai 兩種加壓模具，這應(yīng)該是2 000 t 級別大壓機(jī)這種先進(jìn)設(shè)計(jì)在國際同步輻射線站中的首次應(yīng)用。2 000 t 壓機(jī)底座位移平臺位于1 m 深的基坑中，與200 t 壓機(jī)位移平臺系統(tǒng)的不同之處在于，其Z軸在四角位置具有獨(dú)立的調(diào)節(jié)壓機(jī)傾斜狀態(tài)的功能。

如圖18 所示，2 000 t 壓機(jī)的支撐框架為四立柱框架結(jié)構(gòu)，為4 個水平方向上預(yù)留了較大空間。雙向?qū)к壙梢苑奖愕貭恳訅耗＞哌M(jìn)出壓機(jī)，專用的提升裝置可以將加壓模塊的上部（一級block）抓取并牢固鎖定，下部進(jìn)一步滑出至導(dǎo)軌末端供用戶操作樣品。該雙向?qū)к壙梢苑奖愕厍袚QDDIA 和Kawai 加壓模具，提高用戶的實(shí)驗(yàn)效率。

2 000 t 壓機(jī)采用0～70 MPa 液壓系統(tǒng)，工作活塞沖程80 mm，DDIA 加壓模具差分錘沖程范圍為?10～10 mm，可以完成高壓變形實(shí)驗(yàn)。

2 000 t 壓機(jī)采用二級加壓方式。一級壓砧采用49 mm 鋼質(zhì)砧頭，二級壓砧（Anvil）使用25.4 mm碳化鎢材料，6-8 加壓方式下壓力可以達(dá)到25 GPa。一級壓砧也可以切換使用27 mm 碳化鎢砧頭，二級壓砧采用14 mm 燒結(jié)金剛石材料時可以將壓力提高至35 GPa 以上，也支持6-6 二級加壓方式，用于DDIA 變形實(shí)驗(yàn)，最高壓力將可以達(dá)到15 GPa。

類似于LVP1 實(shí)驗(yàn)站，2 000 t 壓機(jī)下游也會配置成像相機(jī)、高純鍺探測器和大面積平板探測器，白光能散衍射和單色光角散衍射實(shí)驗(yàn)均可以在2 000 t 壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)。用戶可以利用2 000 t 壓機(jī)和同步輻射X 射線開展原位高壓相變、狀態(tài)方程、物性測量和流變實(shí)驗(yàn)等。

圖18 2 000 t 壓機(jī)示意圖（圖片來源：Max Voggenreiter）Fig. 18 Schematic diagram of 2 000 t LVP(Image source：Max Voggenreiter)

2.4 輔助設(shè)施

超硬線將在環(huán)外建筑設(shè)立專用的輔助實(shí)驗(yàn)室，為用戶提供大壓機(jī)實(shí)驗(yàn)所需的各種輔助設(shè)施，主要包括桌面型加工車床、精密打孔機(jī)、精密切割機(jī)、壓片機(jī)（組裝件與樣品成型）、恒溫除濕柜、高溫干燥箱、高溫爐（1 200 ℃）、熱臺和體式顯微鏡等。

3 展 望

SSRF 首批建造的7 條光束線站除了BL15U1 線站外，還包括：軟X 射線譜學(xué)顯微及光刻線站、X 射線成像與醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站、X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）線站、衍射線站、小角散射線站以及生物大分子晶體學(xué)線站6 條光束線站。在上述線站中，X 射線成像線站、XAFS 線站、衍射線站和小角散射等線站經(jīng)過簡單改進(jìn)均已開展過DAC 高壓相關(guān)研究，如：高壓成像、小角散射、PDF、高壓衍射等。

SSRF 二期16 條在建線站中除了可開展大壓機(jī)實(shí)驗(yàn)的BL12SW 線站外，其他如通用譜學(xué)線站、納米三維成像線站、快速X 射線成像線站、動力學(xué)研究線站等均有開展高壓下譜學(xué)和成像等實(shí)驗(yàn)的潛力。希望高壓科學(xué)研究用戶提出更多寶貴的建議，使SSRF 在高壓科學(xué)研究中發(fā)揮更大、更全面的作用。

感謝上海光源線站科學(xué)家的辛勤工作，感謝上海光源光學(xué)、控制、機(jī)械和建安等系統(tǒng)對線站設(shè)計(jì)和建設(shè)工作的支持與配合。感謝北京光源、合肥光源、APS、Diamond、NSLSⅡ等光源相關(guān)線站科學(xué)家的大力支持和幫助。感謝國內(nèi)外高壓研究用戶的建議和支持。