材料“光明頂”之同步輻射的原力覺醒

材料牛注：在材料王國，有一位習得“六脈神劍”的俠士，傳說他領悟“散、衍、映”的真諦后，可以洞察萬事萬物的本質。今天，這位俠士將激發材料王國的原力，締造新的光明。

圖1 典型的2D高能X射線衍射裝置

圖注：來自右邊一個小光束被樣品散射成Debye–Scherrer錐，在平板探測器上映射為衍射環。四個方向的強度徑向分布曲線疊加在2 D探測器圖像上。鹵素燈加熱的樣品放在一個機械載荷框中；但可以設計出變化多端的樣品環境，如原位電池和反應室。

Materials Research Society (MRS)的特刊編輯提出，未來材料表征的研究趨勢在于利用互補原理—將使用不同量子束的多種技術應用于更加快速有效的材料特性表征中去。

Klaus-Dieter Liss教授是ANSTO的高級研究員和儀器科學家，合編了最近出版的《材料科學同步輻射研究的發展和趨勢》。他說：“雖然材料表征技術的發展可能已接近技術和光學的限制，但將多種方法結合可能為技術的進一步發展開拓新的方向。因為ANSTO使用的3 GeV 的同步加速器，是利用高強度X射線進行研究的主要設備，也是澳大利亞許多其它主要科學研究的基礎設施，所以它可作為一個選擇讓研究者將其與其它方法結合。”

許多不同的散射，衍射和成像技術可以應用于探測先進材料。例如，利用X射線和中子對相同的樣品進行表征可以得到復雜材料全面的結構信息以及它們在外在條件下的行為。光散射設備，同步X射線和中子束加速器可以闡明材料在原子尺度的動態特性。中子散射和μ介子自旋技術則對于磁性研究非常有用。正電子湮沒譜學和X射線康普頓散射可以用來測量電子動量密度。離子傳輸技術與X射線衍射圖譜結合可以揭示晶體的結構缺陷。多晶樣品的晶向或結構，可以由電子背散射衍射，X射線衍射和中子衍射表征得到。而中子和同步輻射對機械工程中局部原子應變/應力分析都是非常重要的。所有方法都有其獨特的優勢，如局部高分辨率、深層衍射或系綜平均等。

《材料科學同步輻射研究的發展和趨勢》的作者指出，樣品環境的實用性，高壓設備，化學反應堆和熱機械處理器允許研究人員分析極端環境中的材料。同時，自動化、智能和全面的計算能力的發展促進了數據的分析。

Liss和來自中國西安交通大學的合作編輯Kai Chen在本書前言部分強調利用同步輻射表征材料在資源、設備及應用方面的巨大進步。這個主題的深入研究也得到了多位受邀作者的大力支持。

圖2 材料示波器采集的2 D原位數據

圖注：(a)熱機械處理器狹口間灼熱的鈦鋁基合金試樣(圓柱體、8毫米長和4毫米直徑)的偽色照片。熱電偶由底部的兩條紅線所示。插圖中添加了入射光束和背景上衍射環的草圖。鋯合金在加熱條件下的30衍射模式(b)α相，(c) (α+β)相,和(d)在熱塑壓縮流的β相。

包括澳大利亞的同步加速器在內的新型設備，具有能夠產生形貌像和衍射圖(衍射環和衍射斑的圖形圖像)的光學系統，也具有幾乎與儀器理論極限相一致的角分辨率(區分小細節的能力)，能夠在極短的時間內實現光束同步。

利用X射線進行表征的方法主要基于幾種重要的理論相互疊加，如衍射、光譜和成像，這些又包括吸收光譜、非彈性散射、表面散射和深層衍射等專業技術。

當白色勞厄衍射光束與微米及納米尺寸的光束結合，可用于確定晶體局部微觀結構的晶向并重現晶體取向圖。

Liss說：“對比電子衍射方法，X射線更具優勢，因為它高的內稟角分辨率可以識別材料的局部應變和應變梯度成分”

衍射、光譜和成像可以交織結合于一些形貌表征方法中，如衍射襯度成像，這些技術能產生暗場X射線顯微技術的新方法。

試樣在實驗時出現的主要問題，如一些樣品產生的衍射斑點少，現在可通過在產生X射線衍射的通道放置光學系統放大器進行映射來解決。通過X射線形貌分析獲得的襯度分辨圖可以揭示晶體扭曲、晶界和亞晶粒的取向。

不同能量范圍的X射線有其特定的應用。能量超過80 KeV的高能X射線能夠滲入塊體材料，如超過1厘米深的鋼鐵。

X射線可以調節到原子光譜的水平，比如用吸收光譜方法研究復雜材料的特定化學電離狀態和局部原子環境，包括電化學應用和高壓下化學成分時所用的X射線。

兩維和三維探測器可以同時記錄衍射環和位置，并提供精確的結構分析和微觀結構圖。

在ANSTO，Liss已提出了材料示波器的概念,即實時獲取二維衍射環；創建樣品在熱機械處理下的動態圖像。

衍射圖中的特征點有助于區分各種變形和退火過程，如晶粒粗化、細化、亞晶粒的形成、晶粒轉動、滑移、孿生、動態回復和重結晶。

據報道，高能X射線結合原位時間分辨及原位實驗對負極合成,載荷循環，充電和放電過程的分析和儲能材料夾層的研究很重要。

對此，Liss表示，隨著同步輻射技術輔以中子散射的改良和發展，材料科學研究和工業應用的未來是非常光明的。

原文鏈接：Frontiers of synchrotron research suggest even brighter future for materials science and engineering

本文由糯米提供素材，段慧超編譯，丁菲菲審核。

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