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同步辐射透射模式和荧光模式怎么选?

说明:本文华算科技系统阐述了同步辐射X射线吸收谱中透射与荧光两种核心探测模式的原理、优劣与选择准则。读者可学习如何根据样

说明:本文华算科技系统阐述了同步辐射X射线吸收谱通过扫描入射光子能量、记录吸收系数μ(E)随能量的变化,在近边区(XANES)和延伸区(EXAFS)分别表征局域电子态与近程原子几何。

实验上,μ(E)的获取依赖探测通道:其一是透射模式(transmission),以电离室测量入射光强It,由比值给出μt=ln(I/I);其二是荧光模式(fluorescence yield, FY),在样品出射侧能量非分辨或能量分辨地收集特征荧光,构造与μ(E)单调相关的信号(TFY/PFY/HERFD)。

在同步辐射平台,单色器、束流稳定性与探测器学的发展(SDD、晶体分析器、QEXAFS等)共同决定了两类模式的计数统计、能量分辨与系统误差谱系,从而影响数据的可比性与定量可靠性。

综述性文献对各探测链路及能量过滤、HERFD等技术路径已有明确总结,可作为下述讨论的理论与实践依据。

透射模式的信号形成、优点与局限

1、信号形成

透射模式直接服从比耳–朗伯定律:μ(E)=(1/t)ln[I(E)/I(E)]。当样品厚度t与线性吸收系数匹配至边跳Δμt~SuperXAS QEXAFS光学系统示意。DOI:10.1107/S1600577515018007

2、优点

)(2EXAFS振荡。

)快扫描友好(1)厚样与强吸收体不适配:/(2稀释体系被测元素浓度过低时,边跳过小导致信噪不足

XTFY)以带通滤波(如Ni滤波器)配合“莱特尔(Lytle)探测器”收集近边下方的特征线;部分荧光产额(TFY/PFY/HERFD)示意。DOI:10.1038/s41467-023-42370-8

2、失真机理

荧光通道的单调相关性会被自吸收(/立体角差异、像素响应不均一及死时间等系统效应破坏,表现为谱线边后上扬、振幅压缩、像素间色散等失真。

对多像素SDD,像素间固有增益与视场差异进一步放大谱间离散;若不校正,将明显影响XANES解析与EXAFS振幅定量。

近年来通过物理建模与反演(如SeAFFluX)对自吸收与衰减项进行像素级纠正,可将荧光谱恢复为与透射μ(E)可比的形状与标度。

图3:荧光模式自吸收与透射谱对比。DOI:10.1107/S2052252519005128

3、灵敏度与选择性

/背衬强吸收、原位电化学PFY)与晶体分析器(HERFD),可以有效压制杂散与相邻元素发射线串扰,提高光谱解析度与区分能力。

图4:软综合样品—光学—探测三要素,可构建如下“自上而下”的选择流程:

EXAFS拟合,优先选择透射;若目标为痕量PFY/HERFD)。

光子能区与窗口约束:软干扰谱线与杂散压制:邻近元素时间分辨与辐照敏感性:毫秒级QEXAFS原生匹配透射;对辐照敏感样品,需降低通量并监测损伤,荧光模式应严格进行死时间与像素均一化校正;两模式均应纳入损伤在线评估与纠正流程。

图5:低能软标定与对准:双电离室增益匹配、单色器能标与漂移跟踪是透射质量的前提;荧光通道需进行像素响应标定、能量窗选择与死时间校正。

:Z能量分辨与选择性当价态自旋/配位信息被近边多峰细节承载时,优先考虑 PFY/HERFD;若主要目标为配位壳层距离与配位数等EXAFS参数,透射的稳健性更具优势。

图6:稀释金属位单原子催化体系:以荧光为主,先高吸收厚样/封装器件:荧光优先,并进行自吸收反演与几何修正;在软快速动力学原位反应:透射基础参比与跨平台对比:透射的绝对性与低系统误差使其成为光谱库与机器学习训练集的首选来源;荧光数据应完成标准化与自吸收校正后再入库或交叉比对。

图7:荧光