同步輻射高壓衍射技術

劉 景

（中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

同步輻射是接近光速運動的帶電粒子在磁場中發生偏轉時產生的電磁輻射。由于這種輻射最早是在電子同步加速器上觀察到的，因此被命名為同步輻射。同步輻射光源能夠產生、優化并利用這種電磁輻射進行科學研究，是目前世界上數量最多的大型科學裝置。同步輻射具備寬光譜、高亮度、低發散等優異性能，在物理、化學、材料科學、地球科學、生命科學、能源、環境等學科領域的研究中發揮了重要作用。在過去的幾十年，高壓極端條件下的科學研究取得了長足進步，這在很大程度上得益于同步輻射光源和X 射線探測技術的發展。目前，同步輻射光源已經發展了多種適用于高壓研究的X 射線探測技術，如X 射線衍射、X 射線成像、X 射線光譜測量等。其中，X 射線衍射（XRD）是最基本也是應用最多的實驗技術，并且在未來高壓研究中仍會充當重要的角色。高壓衍射技術可以研究單晶、多晶、納米晶和非晶材料的基本結構和密度，研究壓力導致的結構相變、狀態方程、彈性、流變和織構等性質。高壓衍射與加溫技術結合可以研究材料的溫壓相圖、p-V-T狀態方程、熔化曲線等。目前，在現有的同步輻射光源中，高壓X 射線衍射技術已經得到了廣泛應用，包括金剛石壓砧（DAC）、大體積壓機和沖擊波加載條件。隨著同步輻射光源和X 射線探測器性能不斷提高，基于DAC的高壓衍射技術，從最初的能量色散衍射（EDXD）到角色散衍射（ADXD），發展了多種衍射方法，不僅擴大了高壓晶體學的研究范圍，也使晶胞參數的測量精度和探測效率得到大幅提升。本文將以DAC 衍射為主線，介紹目前同步輻射光源發展的多種高壓衍射技術和實驗方法。

1 同步輻射光源介紹

1.1 同步輻射光源的結構

同步輻射光源主要由加速器、光束線和實驗站組成。圖1 為典型的電子加速器產生同步輻射示意圖。加速器包括直線加速器、增強器和儲存環。加速器用于產生高速運動的電子束，并使電子束按照設計軌道做偏轉運動，沿運動的切線方向產生同步輻射光。分布于儲存環上的磁結構致使電子發生偏轉，磁結構主要有彎轉磁鐵（Bending magnet）、扭擺磁鐵（Wiggler）和波蕩器（Undulator）。扭擺磁鐵和波蕩器也被稱作儲存環上的插入件。同步輻射光的性能主要取決于儲存環中電子束的參數和發光部件的結構。

光束線裝置能夠對加速器產生的輻射光進行截取、轉換和傳輸[1]，主要由單色器、聚焦鏡、光闌、狹縫等光學元件和傳輸管道組成。通過光學處理，使到達實驗站的光束具有特定的能量范圍、光斑尺寸、能量分辨率或其他性能。一個同步輻射光源一般有數十條甚至上百條光束線，根據不同的實驗需求進行設計，例如：可以利用單色器對連續的光譜進行分光，選取所需要的波長進行單色光實驗，也可以直接引出多色光（也稱作白光）到實驗站；可以利用聚焦系統將光束聚焦到微米或納米量級，以滿足微束實驗的要求，也可以使用分布均勻的大光斑進行特殊的實驗。根據光束線能夠提供的光譜范圍，可以將光束線分為硬X 射線光束線、軟X 射線光束線、真空紫外光束線、紅外光束線等；從能量分辨的角度可以分為白光光束線、單色光光束線和粉光光束線；在同步輻射裝置上，也常根據光束線的功能和實驗方法區分光束線，如小角散射光束線、光電子能譜光束線等。

儲存環引出的輻射光經光束線截取、轉換后，傳輸至實驗站中的樣品，入射光子與物質中的原子或分子發生相互作用會發生反射、散射、吸收等，通過探測相互作用產生的光子和電子等形態，可以得到物質的晶體結構、電子結構、分子結構、聲子和表面界面結構等微觀信息，從而研究物質的宏觀性質形成機理。實驗站的主要設備有樣品調整機構、探測器系統以及樣品環境輔助配套設施等。樣品調整機構用于樣品的精確定位和光路準直。多數實驗樣品和光斑都很小，甚至在微米、納米量級，對調整精度有極高的要求。探測器是實驗站的核心設備，作為實驗數據收集的儀器，其性能直接決定著實驗數據的質量和探測效率。目前，同步輻射領域常用的探測器主要有氣體探測器、固體探測器（SSD）、閃爍探測器、成像板探測器（IP）、電荷耦合探測器（CCD）、硅微條探測器和像素陣列探測器（PAD）等[2]。不同的實驗站和測試目標對探測器的類型、探測效率、能量分辨能力、空間分辨能力等有不同的要求。隨著同步輻射光源性能的不斷提高，探測器也經歷了跨越性的發展，僅高壓研究最常用的角色散X 射線衍射中接收衍射信號的探測器就經歷了從IP、CCD 到PAD 的發展歷程，探測器的空間分辨能力、讀出時間以及降噪音能力等都有了極大的提高。

1.2 同步輻射光的性能

同步輻射光具有寬光譜、高強度、低發散（高準直）、天然偏振、脈沖時間結構等諸多優異的性能。

1.2.1 光譜分布

同步輻射光是連續的平滑波譜，光譜覆蓋范圍從遠紅外到硬X 射線。通常用光子通量隨光子能量的變化描述光源的光譜分布，能夠形成一個基于貝塞爾函數的普適曲線，如圖2 所示。定義光子特征能量 εc表征光源的輻射特征，其與儲存環電子的能量和偏轉半徑有關[3]。以特征能量為界，在譜分布的低能區和高能區，輻射功率各占電子輻射總功率的一半。通常認為，同步輻射光可用的光譜范圍從5 倍 εc向低能方向延伸至紅外。

在同樣的偏轉條件下，電子能量越高，特征能量也越高。在同步輻射領域常常聽到高能環、中能環、真空紫外環等說法，意指這些光源的儲存環電子能量的高低，也隱含了可利用的主要輻射光譜范圍。目前世界上具有代表性的第三代光源包括APS（美國）、ESRF（法國）和SPring-8（日本）都是高能光源，電子能量為6～8 GeV，且使用的發光部件主要是插入件，有很高的特征光子能量，這些光源上的應用以硬X 射線為主。目前國內正在設計建造的高能同步輻射光源（HEPS），電子能量為5～6 GeV。

1.2.2 輻射角分布

同步輻射光源中，接近光速的電子在儲存環中作偏轉運動時，產生的電磁輻射光具有很小的發散角，集中在沿運動軌道切線方向的一個極小橢圓錐體內，如圖3 所示，E為電子能量，m為電子質量，c為光速。同步輻射光具有高準直性，其垂直發散角與儲存環電子能量有關，能量越高，發散角越小。由圖3 可知，當電子能量大于1 GeV時，輻射光集中在垂直張角1 mrad 以內。在輻射光截面上，角分布還與光子能量有關，高能量的光子集中在光束的中心錐內。同步輻射光天然的高準直性，使得光束能夠傳輸到幾十米遠，自然光斑大小為毫米量級，這是常規光源遠不能比擬的。

圖3 接近光速的電子偏轉運動時產生輻射的角發散Fig. 3 Radiation angular divergence of relativistic electron in circular motion

1.2.3 輻射強度

描述同步輻射光的強度有多種表達方式，常用的有光子通量和光譜亮度。光源的亮度可定義為每秒鐘從單位光源面積向單位立體角發射的能量帶寬為千分之一光子能量內的光子數目。圖4給出了不同發光部件引出同步輻射的光譜亮度[4]。扭擺磁鐵與彎轉磁鐵的光譜形狀相同，由于前者的磁場更強，因此產生的光子具有更高的特征能量和亮度。波蕩器的光譜形狀與彎轉磁鐵和扭擺磁鐵不同，由若干相干峰疊加形成，故而亮度更高。圖4 同時給出了實驗室常規X 射線光源的譜亮度，可以看出同步輻射光源的亮度比轉靶X 射線管高出5～10 個數量級，意味著普通實驗室需要幾十小時甚至幾天獲取的數據，在同步輻射光源上只需要幾秒鐘甚至更短的時間。

1.2.4 偏振性

圖4 同步輻射光源和常規X 光源的光譜亮度[4]Fig. 4 Spectral brightness of synchrotron radiation and conventional sources[4]

同步輻射光具有天然的偏振特性，在電子束軌道平面內是線偏振光，在軌道平面上方及下方是手性相反的橢圓偏振光。偏光元件可以將任意一種入射光轉換成所需的偏振光。利用同步輻射光的偏振性質可以研究材料的磁性質。利用圓偏振光和外加磁場，采用X 射線吸收譜的方法可以獲得X 射線磁圓二色譜（XMCD），從而研究磁性材料中特定元素的磁矩變化。在高壓下，通過磁圓二色測量可以研究材料在壓力誘導下磁性變化與結構變化的關系，如在低溫高壓下用XMCD 和XRD 對稀土摻雜錳氧化物（La0.75Ca0.25MnO3）進行鐵磁基態穩定性研究，發現了MnO6八面體單軸壓縮性質的反常變化，與壓力導致的鐵磁性-反鐵磁性的轉變有關[5]。

1.2.5 脈沖時間結構

在同步輻射光源中，電子在儲存環中的運動是以束團的方式進行的，因此發出的輻射在時間上不是連續的，而是具有周期性的脈沖時間結構。儲存環通常為多束團模式運行，幾十個或數百個束團分布在軌道中，以接近光速的速度同時旋轉。在特定的應用中，也可以采用單束團模式運行。脈沖寬度和時間間隔取決于電子束團的長度和束團間的距離。北京同步輻射裝置在單束團運行時，脈沖時間間隔約為800 ns，脈沖寬度約為50 ps。APS 電子束團繞儲存環旋轉一圈為3.68 μs，在標準模式運行時儲存環中同時有24 個束團，每個束團間隔約為150 ns。

利用脈沖時間結構可以進行超快實驗，研究動態過程，非常適合于納秒時間分辨的沖擊波高壓實驗研究[6]。利用多束團的納秒時間分辨XRD，可以得到沖擊壓縮過程中的結構演化。單束團模式下的高分辨X 射線照相術可以觀察沖擊前沿、界面和材料的運動狀態。針對不同束團運行模式下的脈沖時間結構，APS 的動態壓縮線站（Dynamic compression sector，DCS）設計了不同的實驗棚屋，采用多種光束模式以適應不同的動態壓縮驅動裝置[7]。

1.3 北京同步輻射裝置（BSRF）

同步輻射光源的出現已有近半個世紀的歷史，其建造和應用經歷了三代發展。早期的同步輻射光源依附于為高能物理研究建造的電子加速器和儲存環，以一種寄生或兼用的模式運行，被稱作第一代同步輻射光源。第二代光源專門為同步輻射應用設計，對儲存環的結構進行了優化，有效降低了發射度，使光源的亮度得到提高。由于是專用光源，不再受限于寄生模式運行帶來的困擾。第三代光源的特征是在低發射度的儲存環上使用了大量的插入件，光源的亮度得到了跨越式提高，與第二代光源相比提高了數個量級。

BSRF 屬于第一代光源，依托北京正負電子對撞機（BEPC）而建，部分時間按照專用模式運行。BEPC在同步輻射專用運行時，電子能量為2.5 GeV，流強通常為200～250 mA。圖5 為BEPC 不同發光點的光譜亮度分布，其中B 表示彎轉磁鐵光源點，W 表示插入件扭擺磁鐵光源點[4]。從BEPC 插入件引出的輻射光性能大體能達到第二代光源的水平。圖6 為BSRF 光束線的分布[1]。目前共有15 條光束線由BEPC 引出，其中9 條的發光部件為扭擺磁鐵（以W 表示），其他為彎轉磁鐵（以B 表示）。圖中4W2 光源點具有較高的特征能量和亮度，由此引出的光束線用于高壓科學研究。近期BSRF 建造的8 周期超導扭擺磁鐵替換了原來的3W1，其峰值磁場強度為2.3 T，在BEPCⅡ能量為2.5 GeV 時，其特征能量為9.6 keV，是目前BSRF 上能量最高、亮度最強的光源點。

圖5 BSRF 各光源點的光譜亮度[4]Fig. 5 Spectral brightness of source points in BSRF[4]

圖6 BSRF 光束線分布[1]Fig. 6 Beamline distribution at BSRF[1]

2 同步輻射高壓衍射技術

同步輻射實驗技術的應用大致分為3 大類：光譜、散射（衍射）和成像。這些技術大都能與高壓實驗技術相結合，用于高壓科學研究。目前，在已有的同步輻射高壓研究線站上，用于高壓研究的主要有XRD、X 射線吸收（XAS）、X 射線發光（XES）、非彈性散射（IXS）、X 射線成像等。XRD 是同步輻射光源上應用最多的技術，也是最容易與高壓技術相結合的實驗技術。在早期同步輻射光源上開展的高壓研究基本上都是利用高壓衍射技術，至今仍是同步輻射高壓研究的主要手段。本文主要介紹該技術的發展和應用。

2.1 高壓衍射

式中：E為光子能量。高壓衍射方法在原理上與常規X 射線衍射沒有太多區別，不同的是在衍射幾何上受到高壓裝置的諸多限制，在衍射光路的設計上需要采取一些特殊的措施。實驗室使用的傳統商業多圓衍射儀很難用于同步輻射高壓衍射實驗，同步輻射裝置上的高壓衍射系統需要自行設計和搭建。X 射線衍射的入射光斑尺寸要與DAC 中微米量級的樣品大小相匹配，這一般由光束線的微束聚焦系統提供。由于DAC 樣品很小，與常規樣品相比，衍射信號很弱，因此，采取有效措施消除DAC 背底信號和屏蔽實驗環境中的雜散光是十分必要的。

由布拉格方程可知，入射光能量越高，衍射角范圍越寬，獲得的衍射線條也越多。在高壓衍射中常用的對稱型DAC 的2 θ角通常為30°，在光子能量為30 keV 時，獲得衍射線條的最小晶面間距約為0.8 ?。通過提高光子能量可以獲得更多的衍射線條，但分辨率會有所降低，實驗中可根據需要權衡兩者作出最佳的選擇。

2.2 能量色散和角度色散衍射

根據布拉格方程，衍射可以采取兩種模式，即能量色散衍射（Energy dispersive X-ray diffraction,EDXD）和角度色散衍射（Angle dispersive X-ray diffraction, ADXD）。

EDXD 的入射光是連續的X 射線譜（俗稱白光或多色光），衍射角固定在給定的位置，此時對于不同的晶面間距d，凡是能量滿足布拉格方程的入射線都會產生衍射。在與入射光成2 θ角的方向上放置一個可分辨光子能量的探測器，便可同時獲取不同晶面的衍射線。由多色光產生的衍射信號由固體探測器（SSD）收集，輸出相對強度對應光子能量分布的一維衍射圖譜。圖7 為高壓EDXD 原理示意圖。

圖7 EDXD 原理示意圖Fig. 7 Schematic of high pressure EDXD

ADXD 模式的入射光是單色光，固定在一個特定能量范圍。由同步輻射光源引出的多色X 射線，經單色器分光后輸出波長為 λ的單色光，經過聚焦后照射樣品。出射的衍射線形成一個空間分布的圖像，不同晶面（khl）產生的衍射線對應不同的衍射角。衍射線由具有空間分辨的二維探測器接收，如IP、CCD、PAD 等，得到一個以衍射角2 θ空間分布的衍射圖像。圖8 所示為高壓ADXD 原理圖，圖中二維衍射圖像由MAR-345 成像板探測器獲得，由于DAC 采用槽型出光口，獲得的圖像不是完整的衍射環。經過專用的圖像處理軟件，可以將二維圖像轉化成以衍射角 θ或晶面間距d為橫坐標、衍射強度I為縱坐標的一維譜圖。

基于DAC 技術的高壓衍射研究，針對不同的實驗目標，可以選取EDXD 或ADXD。EDXD 方法在探測光路上，通過準直孔可以對衍射信號進行空間約束，獲取DAC 樣品腔中有效區域的衍射信號，這可以屏蔽樣品環境產生的背底信號，尤其適應于衍射因子較低的樣品以及徑向衍射實驗等。EDXD 的最大缺點是能量分辨率低，由于固體探測器的本征分辨能力使得EDXD 方法的系統分辨率很難達到10?3量級，因而引起較大的測量誤差[8]。另外，不可避免的熒光峰和逃逸峰也會對衍射信號造成干擾。

ADXD 采用單色的X 射線，系統分辨主要取決于單色器的能量分辨、探測器的像素大小以及入射光的角色散。在高壓衍射的能量范圍采用雙晶單色器時一般能達到10-4量級的分辨率。目前光源上普遍使用的高壓衍射系統，分辨率都能達到10-3量級，與EDXD 相比，測量精度得到很大提高。近年來，隨著探測器的發展，PAD 探測器不僅提高了采集速率，探測器本征的零背底性能也使衍射信號的信噪比獲得很大改善。在DAC 高壓衍射發展的初期，同步輻射光源上的高壓衍射系統多為EDXD 方法，隨著光源性能的提高和二維探測器的發展，近年來國際上用于DAC 高壓研究的XRD 系統逐漸由ADXD 取代了EDXD。然而，在一些特殊的高壓研究中，如非晶、液體和低Z材料等弱散射樣品，EDXD仍然有優勢。

圖8 高壓ADXD 原理示意圖Fig. 8 Schematic of high pressure ADXD

2.3 粉末衍射和單晶衍射

高壓研究涉及到不同形態的樣品，如單晶、多晶、非晶和液體等。針對不同的樣品形態，也發展了不同的衍射方法，包括粉末衍射、單晶衍射、非晶衍射、多晶衍射等。粉末衍射是高壓研究中最常用的方法，適用于除單晶外的任何形態樣品，前面所述的EDXD 和ADXD 可以直接用于測量粉末樣品。對于單晶樣品，上述兩種模式的衍射也都適用，但需要樣品作相應的轉動。圖9 為采用兩種衍射模式的單晶衍射幾何示意圖：圖9（a）為EDXD 方法，圖9（b）為ADXD 方法。

圖9 高壓單晶衍射原理示意圖Fig. 9 Schematic of single crystal XRD

另外，也可以用勞厄法進行高壓單晶衍射。勞厄法是最古老的單晶衍射技術，它提供了最簡單的實驗過程。勞厄法采用多色光和二維探測器，不需要旋轉樣品，所有來自DAC 通道的衍射斑點被同時收集。但勞厄法獲得的高壓衍射圖像解析比較困難，目前在同步輻射高壓線站上很少使用。

粉末衍射在同步輻射光源上已廣泛用于樣品的壓致結構相變、狀態方程、熔化曲線等研究，采用DAC 可以達到百吉帕級超高壓力。但粉末衍射存在分辨率低、衍射峰重疊、擇優取向等問題，很難得到完整的結構信息，對于一些相對復雜的未知高壓相很難測定其結構。單晶XRD 可以測量三維數據，不存在衍射峰重疊或擇優取向問題，相比于粉末衍射可以提供更精確的結構信息。單晶衍射可以測量不同指數（hkl）晶面產生布拉格反射的相對強度，可以進行結構精修，準確地確定空間群、原子坐標以及原子占位等信息。用最大熵法對單晶數據作進一步處理，還可以得到電荷密度分布信息[9]。與粉末衍射相比，單晶衍射對于解析非常復雜的晶體結構有很多優勢，但單晶樣品在較高的壓力下經常會被壓碎，這也是制約高壓單晶衍射實驗很難達到百吉帕壓力以上的瓶頸。

2.4 多晶衍射（Multiple grain XRD）

單晶衍射可獲得完整的晶體學信息，但制備適于DAC 實驗的單晶樣品且在100 GPa 壓力以上還能保持微米大小的單晶顆粒不是一件容易的事。而且在很多情況下，許多樣品主要以非同性微結構的多晶形式存在，如單晶在高壓下發生一級相變后的狀態，在DAC 中經過激光加熱后的樣品等。近年來，隨著同步輻射X 射線微束技術的發展，聚焦光斑可以小到微米甚至納米量級，這樣傳統的多晶樣品可作為多個單晶顆粒處理。因此，一種有別于粉末和單晶衍射的新型衍射技術得以發展，即多晶衍射。

多晶晶體學的概念最早在2000 年初提出[10]，此方法是把多晶樣品作為單個晶粒的集合，將其中單個晶體的貢獻分離出來，作為基本的單晶數據來處理。隨著實驗方法和數據處理不斷優化，使得由數十個甚至數百個微小晶體組成的多晶樣品衍射成為可能，獲得的結構精修質量可與單晶衍射媲美[11]。對于一些結構簡單的材料，可以同時采集上千個單晶的衍射信號，與單晶衍射相比可以獲得更高的數據完整性和冗余度。

高壓下的多晶衍射技術是在使用單色光的單晶衍射基礎上發展起來的，即將裝入樣品的DAC 置于旋轉軸垂直于入射光方向的旋轉平臺上，利用二維探測器采集衍射數據。圖10 是APS 高壓線站（HPCAT）搭建的多晶衍射系統示意圖，以及采集到的典型多晶衍射譜[12]。多晶衍射數據的處理方法也是基于單晶方法發展而來的，從取向不同的多套晶粒衍射數據中分離出一套單晶衍射數據，用單晶的方法去處理。一個成功的多晶衍射實驗，可以提取數十套較好的單晶數據，并獲得能夠與單晶數據媲美的結構精修結果。進一步利用最大熵法計算，同樣可以得到電荷密度分布信息[13]。

圖10 高壓多晶衍射實驗方法和典型的多晶衍射譜[12]Fig. 10 Multigrain XRD method in the DAC and typical spotty diffraction pattern [12]

目前，多晶衍射還處于發展階段，只有較少同步輻射高壓線站使用該技術。除了實驗上的困難，主要挑戰仍是數據分析中的算法和計算的復雜性，有待進一步完善。雖然如此，高壓多晶衍射在一些研究中的初步應用已經證實其用于高壓研究的潛力，且在某些方面較單晶衍射具有一定的優勢。Li 等[13]利用激光加溫和外加溫DAC 技術分別合成了單晶和多晶的β-Ge，并通過高壓單晶和多晶衍射實驗探測了β-Ge 在升/降壓過程中的結構變化以及電子密度分布變化。對比兩種方法測得結果表明，由于多晶衍射數據具有更高的冗余度和完整性，其得到的電子密度分布具有比單晶更加“光滑”的特征。

2.5 徑向衍射（RXD）

在常規DAC 衍射實驗中，X 射線沿DAC 的加載軸方向入射到樣品上，衍射光束從DAC 下游的通光口出射，通常稱為軸向衍射或平行衍射，如圖12 所示。在這種情況下，樣品沿X 射線方向的應力最大，在垂直于X 射線方向時應力最小，X 射線衍射測量被限制在最小應變方向附近，觀測到的晶格應變總是偏小。為了獲得精確的狀態方程和晶體結構數據，通常采用傳壓介質，使壓腔內部的差應力越小越好，但隨著壓力升高，要維持絕對的靜水壓是非常困難的，因此差應力一直是DAC 實驗中令人傷腦筋的問題。20 世紀70 年代，Kinsland 等[14]首次從側向引入X 射線進行衍射實驗，發現差應力不是一個必須消除的因素，而且其對研究物質在高壓下的力學性質非常有用。之后，Singh 等[15-16]提出了線性應變理論，在此基礎上發展了非靜水壓力條件下的RXD 技術。圖14 中，設置入射光與加載軸平面上δ = 0°，垂直于入射光與加載軸平面上 δ = 90°。由式（7）可知

圖11 DAC 樣品在單軸加載下的應力狀態Fig. 11 Stress state of the sample in the DAC under uniaxial loading

圖12 DAC 軸向X 射線衍射示意圖Fig. 12 Schematic geometry of conventional XRD

圖13 采用EDXD 模式的DAC 徑向衍射幾何示意圖Fig. 13 Schematic geometry of DAC radial diffraction using EDXD technique

θ ≤ ψ ≤ 90°。

圖14 角色散徑向衍射幾何示意圖Fig. 14 Schematic geometry of DAC radial diffraction using ADXD technique

RXD 提供了DAC 中樣品的應力和應變信息，結合晶格應變理論，可用于研究物質的彈性、流變和織構等[18-19]。不同 ψ角測量得到的晶面間距dψ(hkl)，根據式（6）進行線性擬合可以得到斜率Q(hkl)。對于彈性各向同性的材料，Q(hkl) 為常數；而對于彈性各向異性的材料，Q(hkl) 則隨(hkl)變化。由此可以測定材料的彈性各向異性性質。此外，不同角度測得衍射的相對強度揭示了多晶樣品的擇優取向，這些數據的反極圖可以用來測定樣品的變形和滑移機制[20]。由式(6) 可知，在ψ=54.7°時，dψ(hkl) =dp(hkl)。因此在非靜水壓條件下，通過RXD 可以得到靜水壓的狀態方程[21-22]，而相對于靜水壓實驗則可以獲得更高的壓力。

3 BSRF 高壓衍射線站

1993 年，在BSRF 搭建了國內第一套簡易的DAC 高壓衍射設備[23]，有限的機時需要實驗設備進行臨時搭建和拆除。1996 年在3W1A 光束線上建立了可分時共享的高壓衍射實驗站，輻射光由5 周期的扭擺磁鐵引出[24-30]。實驗站發展了外加溫DAC 以及步進電機控制的加載裝置，并建立了四刀光闌掃描系統，實現了調光定位的自動化控制。在3W1A 光束線上，將K-B 聚焦鏡用于入射光的聚焦，獲得了國內第一個微束聚焦結果。實驗站以EDXD 模式向用戶開放，并獲得了國內第一個百吉帕壓力下的同步輻射高壓衍射數據[31-32]。高壓研究專用的光束線和實驗站建立于2000 年初，由當時BEPC 亮度最高的發光部件4W2 提供同步輻射光。實驗站以EDXD 為基礎，并逐步發展了ADXD、激光加溫衍射、單晶衍射、RXD、快速加載衍射等實驗技術，在BEPC 同步輻射專用運行模式下進行高壓實驗[8,33-34]。圖15 為目前4W2 高壓線站主要系統的構成，其中采用ADXD 模式。

圖15 4W2 高壓線站主要系統構成Fig. 15 Schematic layout of 4W2 beamline and station components

3.1 4W2 高壓線站光源

BEPCⅡ儲存環通過永磁扭擺磁鐵4W2 為高壓實驗站提供同步輻射光源，4W2 為真空盒內的插入件，共有11 個周期，周期長度為14.8 cm[34]。磁極間隙可在12～120 mm 范圍內變化，在間隙為18 mm 時的峰值磁場約為 1.5 T。4W2 光束線從扭擺磁鐵中心線引出，在BEPCⅡ工作能量為2.5 GeV、4W2 磁極間隙為18 mm 時，所提供的同步輻射光譜的特征能量約為7.5 keV。在存儲環流強為250 mA 時，提供的光通量在光子能量為20 keV 處約為 1014phs/[s?1·(0.1%B.W.)?1]。圖16 為4W2 扭擺磁鐵中心點的光譜分布。

由于BEPCⅡ為第一代光源，自然發射度在100 nm·rad 量級，所以光源尺寸相對較大。在BEPCⅡ的4W2 光源引出中心點，電子束團的水平尺寸為σx= 1.03 mm， σy= 0.124 mm， σ′x= 0.332 mrad，σ′y= 0.060 mrad。如此大的光源參數使光束線的聚焦性能受到了很大限制。

圖16 4W2 扭擺磁鐵的光譜分布Fig. 16 Spectral distribution of 4W2 Wiggler

3.2 4W2 高壓線站光束線

4W2 光束線是BSRF 上光功率密度最高的光束線，為了減少束線末端光學元件及鈹窗的熱負荷，光束經過多級限光孔和吸收元件衰減。束線主要光學元件為單色器和K-B 聚焦鏡。圖17 為4W2 束線光路。

圖17 4W2 光束線的光路圖Fig. 17 Schematic layout of 4W2 beamline optics

同步輻射光源已經發展了多種微束聚焦技術，包括菲涅爾波帶片（Zone plate）、Kirkpatrick-Baez（K-B）聚焦鏡、多層膜勞厄透鏡（MLL）和復合折射率透鏡（CRL）等，聚焦光斑可以小到納米量級。K-B聚焦鏡是將兩個橢圓柱面鏡一前一后相互垂直排列在光束線中，分別進行水平和垂直方向聚焦。在掠入射模式下，通過的光子能量可達幾萬電子伏，而且具有較高的傳輸效率，因此非常適于高壓X 射線衍射束線。4W2 光束線采用兩個100 mm 長的鍍銠或鉑的平面鏡按照K-B 模式排列，橢圓柱面通過機械壓彎結構獲得。與磨削加工的固定曲面鏡相比，壓彎技術可以獲得更好的面形，且鏡子的位置和曲率可以調整。由于4W2 光源尺寸在水平方向比垂直方向大很多，所以水平聚焦鏡放在下游，以獲得較大的物像比。

K-B 聚焦系統采用反射幾何，聚焦光斑的大小半峰寬（FWHM，△h）與光源的尺寸 σs、物距f1、像距f2以及鏡子的面形有關

式中：D為偏離因子[35]

采用壓彎曲率的K-B 聚焦鏡，可根據實驗需求調整鏡子的位置，主要用于常規DAC 高壓衍射、激光加溫DAC 衍射和天然礦物的微衍射。通常情況下，常規DAC 高壓衍射中，水平和垂直焦距分別為130 和235 mm，相應的物像比為139∶1 和76∶1。在激光加溫DAC 衍射情況下，水平和垂直焦距分別為180 和285 mm，相應的物像比為100∶1 和63∶1。在BEPC 運行初期，4W2 光源大小為 σx= 1.024 mm、 σy=0.264 mm，在不考慮鏡子面形誤差的理想情況下，相應的理論計算FWHM 為17.3 μm（H） × 8.2 μm（V）（常規衍射）和24.1 μm（H）× 9.8 μm（V）（激光加溫衍射）。實際聚焦光斑與K-B 鏡的面形誤差和壓彎調整的優化程度有關，往往大于理論計算值。圖18 例舉了實驗中獲得的微束聚焦結果，水平和垂直焦距分別為140 mm和245 mm。在適于天然礦物的微衍射實驗中，聚焦系統可以更加靠近樣品獲得更小的光斑。聚焦后的高斯分布光束通過限光針孔裁剪，以避免邊緣光束打到封墊上造成大的衍射背底。

圖18 K-B 微束聚焦光斑掃描結果Fig. 18 Micro-focusing profile of 4W2 wiggler beam

在單色光模式下，4W2 采用水冷的Si (111) 雙晶單色器進行分光，能量調節范圍為10～25 keV，能量分辨率為1.8 × 10?4[1]。采用表面鍍鉑的K-B 鏡時，在20 keV 時掠入射角選取2.5 mrad，相應接收角約為10 μrad。此時在儲存環流強為200 mA 時，樣品處提供的光通量約為109phs/s[36]。在采用白光時，調整K-B 鏡的掠入射角，使更高能量的光子通過，能量上限一般選取35～40 keV。

受第一代光源條件的限制以及光束線空間位置的約束，4W2 線站很難提供更高的光強和更小的光斑，即使這樣，進行百吉帕壓力下的衍射測量是沒有問題的[37-38]。

3.3 4W2 高壓線站高壓衍射

4W2 線站具備EDXD 和ADXD 兩種衍射模式的能力，目前主要采用后一種模式。有關EDXD 方法以及實驗細節在文獻[33-34]中已有詳細介紹，本文不再贅述。

根據4W2 的光譜分布，高壓ADXD 實驗選擇20 keV 作為入射單色光的能量。實驗前將單色器晶體轉到相應位置，然后用Zr 和Mo 的吸收邊對能量進行標定。入射光與樣品的準直精度要求在微米量級，在水平和垂直方向通過遙控的二維掃描系統完成，通常采用特殊處理的刀口對光束進行掃描。樣品在沿光路方向應在K-B 焦點位置，通過掃描旋轉中心確定。衍射光由面探測器接收，探測器在沿光軸方向可以移動，以改變探測器與樣品間的距離，適應不同開角的DAC 和不同測量精度的要求。在探測器與樣品間的距離確定后，采集標準樣品如CeO2的衍射譜，用其晶面間距以及入射光的能量對距離進行標定。一旦以上準直和標定完成后，單色器、樣品和探測器的位置不允許再作改變，否則需要重新進行準直和標定。

圖19 為BSRF 高壓站ADXD 系統的實物照片。目前實驗站有兩種面探測器：MAR-345成像板探測器（IP）和Pilatus3-2M 像素陣列探測器（PAD）。一般情況下，粉末衍射采用PAD，單晶衍射和RXD 采用IP。MAR-345 的接收面直徑為345 mm，像素大小為100 μm。Pilatus3-2M 的接收面為253.3 mm ×288.8 mm，像素大小為170 μm。另外，Pilatus 具有快速讀出功能，可做時間分辨的高壓衍射測量。

晶胞參數的測量精度取決于ADXD 系統的分辨能力，其偏差主要來自入射單色光的能量帶寬、入射光的發散角以及探測器的空間分辨

圖19 4W2 高壓線站衍射系統照片Fig. 19 Photographs of high pressure diffraction apparatus with interchangeable detectors

采用Si(111)雙晶單色器時，在10～30 keV 范圍內能量分辨率很容易達到10-4量級，相對于后兩項，其對測量誤差的貢獻很小。探測器的空間分辨取決于探測器的像素以及探測器與樣品間的距離。4W2 在常規高壓衍射模式下，聚焦光束在水平和垂直方向的角發散約為1.4 和0.8 mrad。在探測器位置可接收DAC 開角60°的情況下，采用MAR-345 和Pilatus3-2M 時，在衍射高角的測量誤差Δd/d約為3.0 × 10-3。如有需要，可以后移探測器以提高系統的分辨能力，但同時也會縮小衍射角的范圍，丟失高角部分的衍射線條。從計算結果看，聚焦光斑的發散是影響晶胞參數測量精度的主要因素。可以通過改變聚焦條件減小發散角，但聚焦光斑大小會受到一定的影響。當然，對于DAC 實驗，壓力梯度引起的衍射峰展寬也是不容忽視的。

相對于EDXD，ADXD 可以獲得更高質量的衍射數據。但在ADXD 系統中，衍射光路不容易進行信號約束，因此實驗環境的雜散光會作為背底被探測器接收。面探測器獲得的二維衍射圖像可以通過Fit2D 軟件轉換為衍射光強相對于衍射角的一維譜線，再利用晶體學分析軟件作后繼處理。有關EDXD 和ADXD 實驗數據的處理可參考文獻[33]，這里不再作詳細介紹。

3.4 4W2 高壓線站單晶衍射

如前所述，高壓單晶衍射可以采用EDXD 方法，也可以采用ADXD 方法。單晶ADXD 的光路設置與粉末ADXD 完全相同，只是實驗中需要將樣品在水平方向轉動，如圖9（b）所示。原理上，4W2 配備的兩種面探測器都可用于單色光的單晶衍射。數據陣列探測器Pilatus3 雖然數據采集快、本征背底低，但模塊拼接產生的縫隙對獲取完整的單晶衍射斑點非常不利，因此單晶衍射通常選用成像板MAR-345探測器。另外，相比之下，MAR-345 的空間分辨也要好一些。

為了獲得準確的強度信息，單晶衍射中很重要的一點是在整個數據采集過程中，樣品的受光體積以及對光的吸收保持不變。理想的單晶樣品形狀應為球形，但在實際中很難獲得，DAC 實驗中通常選擇具有規則形狀如長方體、正方體的單晶顆粒。在入射光斑比較小的情況下，可選用較大的單晶顆粒，樣品轉動的過程中保證X 射線通過的空間都有樣品，根據旋轉角度的變化可以計算出樣品在不同角度的受光體積和吸收厚度，在隨后的數據處理中用于強度的矯正；在X 射線光斑較大的情況下，可選用較小的單晶顆粒，樣品在轉動過程中始終被光束完全覆蓋，保證樣品的受光體積不變，同樣吸收厚度可以根據旋轉角度計算。在后一種情況下，通常單晶樣品在水平方向的尺寸與水平光斑大小以及樣品腔孔徑的比例大致為3∶5∶10。當轉動角度 ω=40°時，X 射線仍然可以通過樣品腔，且樣品始終被X 射線所覆蓋，如圖20 所示。

圖20 單晶實驗中的X 射線、樣品腔和樣品Fig. 20 X-ray spot, sample and sample chamber in single crystal experiment

4W2 高壓站發展了基于ADXD 的高壓單晶衍射技術[39]。由于4W2 的光源尺寸較大，即使采用微束聚焦，樣品處的光斑也很難達到幾微米，因此單晶衍射入射光路采用小樣品大光斑的模式。光斑大小一般為50 μm × 50 μm，樣品在水平方向的尺寸通常在20～30 μm，沿旋轉軸方向的尺寸要求不嚴格。光路設計沒有采用K-B 聚焦，單色器輸出的單色光由四刀光闌截取至與樣品匹配的光斑大小，直接照射樣品。這樣做雖然損失了一部分光強，但好處是相比于聚焦光斑，光通量分布相對均勻，同時由于直通光具有較小的發散角，使系統的分辨能力得到提高。再者，單晶衍射信號很強，對光強的要求沒有粉末樣品高。在一些第三代光源上，高壓單晶衍射實驗基本都在彎轉磁鐵光束線上進行。

單晶XRD 的數據采集分為兩個過程。首先是寬區掃描，在實驗確定的 ω角轉動范圍內進行連續掃描和曝光，獲得衍射全譜。快速的寬區掃描可以評估單晶樣品的初始狀態、旋轉參數設定的合理性以及探測器的飽和程度等。然后是分步掃描，在寬區掃描覆蓋的轉角范圍內，以設定的步長進行分段掃描和曝光，獲得一組衍射數據。這組數據將用于后續的晶體結構分析和處理。在4W2 單晶衍射實驗中，寬區掃描的角度范圍一般在?30°～30°范圍內，單步掃描的步長設為2°，實驗過程中可獲得30 張單晶衍射圖像。高壓單晶衍射是一個復雜的過程，詳細的實驗細節可參考文獻[39-40]。

實驗站開發了專用于高壓單晶XRD 實驗的軟件HPSXD，包括設定實驗參數、選擇掃描模式、獲取衍射數據以及初步處理數據。利用該軟件可直接完成整個實驗過程，并輸出可用來作進一步數據分析的hkl文件。圖21 為高壓單晶XRD實驗程序界面。針對DAC 單晶實驗中經常出現的單晶樣品被壓碎成為多個單晶顆粒的情況，實驗站發展了相應的數據處理程序，可以對包含多個單晶衍射的數據進行指標化處理[41]。

與常規衍射不同，高壓單晶衍射光路會受到DAC 的限制。為了獲得盡可能多的衍射斑點，覆蓋足夠大的倒易空間范圍，所用DAC 需要有盡量大的衍射張角。實驗站用于單晶衍射的DAC，在出光端采用了Bohler-Almax 壓砧-支撐結構，最大張角達90°（圖22）。金剛石壓砧與硬質合金載體的這種鑲嵌方式，有效地增加了衍射角的范圍，但對兩顆壓砧的平行度有很高的的要求。BSRF 設計了專用于單晶衍射的DAC 壓機，在通用的對稱型DAC 基礎上增加了金剛石壓砧平行度調整的功能。

圖21 用于高壓單晶XRD 的HPSXD 程序界面Fig. 21 Program interface of HPSXD for high pressure single crystal XRD

圖22 Bohler-Almax 型壓砧和WC 支撐座的裝配Fig. 22 Bohler-Almax diamond and assembly with WC seat

3.5 4W2 高壓線站徑向衍射

在4W2 高壓實驗站進行的RXD 測量采用了EDXD 和ADXD 兩種模式。圖23 所示是EDXD模式的RXD 實驗配置，光路設置如圖7 所示。加壓設備采用對稱型DAC，封墊采用對X 射線透過率比較高的材料，如金屬鈹或非晶硼等。經過K-B 聚焦鏡聚焦的多色X 射線從DAC 側面進入，透過封墊從兩顆金剛石之間穿過照射樣品，并且入射X 射線與金剛石砧面成 θ角。衍射信號由高純鍺固體探測器接收，衍射角2 θ通常固定在18°左右。

實驗中，在每個壓力點，DAC 繞著入射線和衍射線夾角的平分線旋轉改變 ψ角，變化范圍在0°～90°之間。當 ψ = 0°時，測量得到的晶格應變對應最大應力方向；當 ψ = 90°時，晶格應變對應最小應力方向；其他方位的晶格應變對應于這兩個應力軸之間；當 ψ = 54.7°時，對應靜水壓狀態下的晶格應變。在壓力變化過程中，每個壓力點都要經過足夠時間（30～40 min）的應力釋放后再采集衍射譜，以保證應力弛豫可以忽略不計，數據采集時間一般為10 min。

圖23 4W2 線站EDXD 模式DAC 徑向衍射系統：（a） ψ = 0°，（b） ψ= 90°Fig. 23 Photographs of DAC radial diffraction system using EDXD technique at 4W2 station：（a） ψ = 0°，（b） ψ = 90°

通過RXD 測量的不同晶面在最大和最小應力之間的衍射數據，可以得到材料的彈性系數、屈服強度、應變各向異性和靜水壓狀態方程等。利用4W2 能量色散徑向衍射研究了金屬Os 的強度、彈性模量和壓縮性質，發現Os 的屈服強度明顯大于Mo、W、Re 等其他硬質純金屬[42]。利用這項技術還對壓標NaCl 的應力性質進行了研究，通過測量NaCl 在相變前后的應變，發現在B1→B2 相變點之前差應力比Ar 大，而在從B1 相轉變為B2 相的臨界點時，差應力突然下降到接近零，差應力出現了塌陷[43-44]。

角色散徑向衍射實驗配置如圖24 所示。單色光能量為20 keV，經過K-B 聚焦鏡聚焦和準直后進入DAC。探測器采用MAR-345 成像板。實驗采用全景DAC，為了減少X 射線穿過封墊產生過多的衍射背底，DAC 的初始位置在水平方向偏轉角度 α，計算得出ψ

式中： θ為布拉格反射角， δ為衍射線在探測器接收面上的方位角。在最大應力方向δ = 0°，在最小應力方向 δ = 90°。由于設備的阻擋，這種配置不能獲得整個衍射環，但并不影響數據的處理和分析結果。利用角色散徑向衍射技術，在4W2 光束線上對一些硬質材料的壓縮性質、強度和織構進行了研究[45-47]。

圖24 4W2 線站DAC 徑向衍射系統（ADXD 模式）：（a）衍射幾何示意圖，（b）系統實物照片Fig. 24 Schematic geometry （a） and photographs （b） of DAC radial diffraction system using ADXD technique at 4W2 station

3.6 高壓線站激光加溫衍射

在DAC 高溫高壓研究中，主要采用電加溫和激光加溫技術對樣品加熱，這兩種技術結合可使DAC 中樣品溫度從常溫擴展到幾千攝氏度，已廣泛用于結構相變、溫壓相圖、熔化曲線和p-V-T狀態方程研究。電加溫DAC 技術比較簡單，在任一高壓線站上都可以用于衍射測量。激光加溫DAC 技術相對復雜，需要專門設計系統并與同步輻射有效結合，才能進行高溫高壓原位衍射測量，目前在大多數專用的高壓衍射實驗站都已經建立了激光加溫技術。在DAC 中獲得準確的高溫高壓實驗數據，要求激光加溫系統能夠提供足夠高的功率密度、穩定的樣品溫度、均勻的溫度分布（包括徑向和軸向）以及精確的溫度測量，并且在原位實驗中要始終保持激光、X 射線和樣品的精確準直，而這三者的尺度都在微米量級。Shen 等[48-49]發展的雙面激光加溫系統很好地解決了上述問題。

4W2 高壓線站的激光加溫系統采納了Shen 等發展的系統模式[8,50]，圖25 所示為系統配置。系統采用雙面加溫模式，激光器輸出的激光束分為兩束，分別從DAC 兩端進入樣品，樣品受熱產生的熱輻射也由兩路進入測溫光譜儀。

激光加溫實驗可以采用“原位”和“退火”兩種方式。退火實驗適用于樣品高溫高壓相可以退火保留的結構相變研究，以及需要通過加溫釋放樣品腔中內應力的實驗。對于高溫高壓相退火后不能保留的材料，以及p-V-T狀態方程和熔化曲線的測量等，都需要原位激光加溫實驗。在激光加溫原位實驗中，激光光斑要大于X 射線光斑，確保收集到的衍射信號全部來自樣品的加溫區域。4W2 光束線的聚焦光斑在水平方向約25 μm，通常將激光束聚焦到直徑約50 μm 左右。實驗中，兩束激光在樣品上的位置要精確準直，而X 射線光束要對準樣品的加溫區域中心。為了保持溫度的穩定，采用反饋控制調整樣品上激光功率的大小。圖26 是在TiO2和Mg2SiO4的激光加溫實驗過程中觀察到的溫度變化，樣品上的溫度隨時間的波動統計誤差小于3%。通過測量金屬鉑（Pt）熔點的熱輻射光譜以及熱電偶測溫方法檢測了系統的測溫精度，結果顯示，采用黑體輻射測溫方法，系統在1 100～2 000 K 之間的測溫誤差小于5%，而且溫度越高，溫度測量的誤差越小[50]。

在同樣的加溫條件下要獲得足夠高的樣品溫度，DAC 樣品的裝填以及樣品腔中隔熱層材料的選擇非常重要。在石墨的高壓熔化實驗中[51]，對所測試的18 個樣品，分別用了NaCl、MgO 和KI 作為隔熱介質。KI 用作隔熱材料時，溫度很容易升高，且不需要很高的激光加溫功率；而MgO 作為隔熱介質時，在激光功率達到最大值時，溫度也很難超過2 000 K（在4W2 光斑大小條件下），另外從加溫過程觀察到的圖像看，MgO 似與石墨發生了化學反應；NaCl 的隔熱效果介于兩者之間，但溫度很不穩定，維持的時間很短。在樣品壓力為2.7 GPa 下用KI 作為隔熱介質的激光加溫衍射測量中，觀察到石墨衍射峰消失，同時通過顯微成像系統看到石墨熔化的跡象，從退火到常溫時的樣品可以看到典型的熔化后的形貌[8]，表明實驗中樣品溫度已經超過了石墨在常壓下的熔點達到4 000 K 以上。石墨的實驗證實KI 是一種非常好的隔熱材料。

在高溫高壓相可以退火保留的結構相變研究中，激光加溫往往作為一種促進結構相變的手段，用于溫度非原位高溫高壓衍射研究。在4W2 高壓線站上，利用ADXD 和激光加溫退火手段研究了一些ABO3型稀土化合物和稀土石榴石的高溫高壓結構相變[52]。在含鈧釓鎵石榴石(Gd3Sc2Ga3O12,GSGG)的研究中，常溫高壓下立方石榴石結構在約65 GPa 時開始非晶化。而激光加溫研究發現，在24 GPa 壓力下通過激光加溫到1 500～2 000 K 后，GSGG 石榴石從立方結構轉變成正交鈣鈦礦結構，伴隨著約8%的體積減小，并伴有陽離子Ga3+和Sc3+的配位數增加。在此實驗過程中，激光加溫促進了GSGG 石榴石越過非晶態直接轉變為鈣鈦礦結構[53]。類似的現象在EGG（Eu3Ga5O12）和YGG（Y3Ga5O12）實驗中也出現過。在YGG 的兆帕壓力實驗中，立方石榴石結構在85 GPa 時幾乎完全轉化成非晶態，通過對樣品進行激光加溫退火后，非晶態轉化成正交和立方鈣鈦礦結構的混合相，并伴隨著近9%的體積減小[52]。

圖25 4W2 線站用于高壓衍射的雙面激光加溫系統Fig. 25 Double-sided laser heating system for high pressure diffraction at 4W2 station

圖26 TiO2 和Mg2SiO4 在激光加溫實驗過程中溫度的變化Fig. 26 Temperature stabilities of TiO2 and Mg2SiO4 during the laser heating experiment

3.7 高壓線站快速加載衍射

近年來，與時間相關的高壓研究受到越來越多的關注。已有實驗證明，高壓相變過程不僅與壓力大小有關，而且還受到壓力加載速率的影響[54-57]。在靜態加載DAC 基礎上發展起來的快速加載DAC（dDAC）很容易與時間分辨XRD 相耦合，開展壓力快速變化下的結構相變研究[58-60]。借鑒已有的dDAC 結構[58-59]，4W2 高壓站設計了3 種類型的dDAC，三壓電陶瓷促動器（PZT）單向加載、PZT 和氣膜雙向加載以及雙氣膜雙向加載，分別用于不同的用途[61-62]。圖27 顯示了3 種類型dDAC 的結構。后兩種配以外加溫器，可以在高溫下進行快速加載衍射實驗。

圖27 3 種不同類型dDAC 結構Fig. 27 Drawings of the dDAC with three different designs

dDAC 是在傳統DAC 基礎上增加了快速驅動功能，驅動部件有壓電陶瓷和氣膜兩種。前者通過控制壓電陶瓷驅動電壓的快速變化來改變作用在DAC 上的加載力，后者是通過快速改變氣膜內的氣壓實現壓力的快速加載，如圖28（a）所示。壓力快速加載下的XRD 測量，需要精確地控制加載機構驅動信號與探測器門控信號之間的時間延遲和同步。通過設置不同的時間延遲，可以在dDAC 加/卸載過程中選擇感興趣的位置采集衍射信號，在整個壓力變化過程中獲取一系列衍射圖像。圖28（b）為壓力控制和數據采集系統示意圖。

圖28 快速加載驅動及原位衍射測量Fig. 28 Schematic layout of fast loading control and in situ diffraction measurements with dDAC

系統的時間分辨能力主要取決于探測器的響應時間和X 射線的強度。4W2 配備的PILATUS3-2M探測器最小采集周期為4 ms，但受到BSRF-4W2 光通量的限制，在實驗站獲得一張有效衍射譜所需的最短曝光時間接近100 ms。因此，在實驗中通常將探測器的采集周期設為100 ms，每張譜的曝光時間設為90 ms。

在4W2 線站上，對金屬鉍（Bi）和半導體材料硫化鉛（PbS）等進行了快速加載衍射測量。鉍的測量壓力范圍覆蓋了從Bi-I 到Bi-V 5 個常溫高壓相變過程，加載速率從0.2 GPa/s 升至183.8 GPa/s。分析不同加載速率下的相變過程，發現相變激活能隨加載速率的增加而降低，而相變起始壓力隨加載速率的增加而升高，即出現了依賴于加載速率的“過壓”現象[63]。由于4W2 光源強度的限制，Bi 的快速加載衍射實驗無法達到更高的加載速率。另外，Bi 的實驗證明，利用時間分辨衍射測量可在較小的壓力間隔內獲取衍射數據，探測到很窄壓力范圍內發生的不容易被觀察到的相變。Bi-Ⅱ相只在0.2 GPa 左右壓力下存在，在以往的研究中并不總能被觀察到。4W2 上開展的實驗曾在4 s 時間內獲得一組鉍從0.2 GPa到4.6 GPa 的快速加載衍射數據，清晰地捕捉到了Bi-Ⅱ相。

近期4W2 高壓線站發展了在線加壓和測壓系統。在快速加載衍射實驗中，采用雙向氣膜驅動的dDAC 進行加壓或卸壓，同時使用在線的紅寶石測壓系統實時監測樣品腔內的壓力。這兩種技術的結合可以遠程控制樣品的升壓和降壓，在實驗過程中不用頻繁開關實驗棚屋的屏蔽門，不僅給實驗帶來了方便，而且能夠精確地調控樣品的壓力。

4 展 望

同步輻射光源是一個面向多學科研究的大型實驗平臺，涉及到非常廣泛的研究領域，包括物理、化學、材料科學、地球科學、環境科學、能源科學、生命科學乃至工業領域。BSRF 通過專用和兼用兩種運行模式服務用戶，為促進國內多學科研究領域的發展起到了重要的作用。作為國內唯一的高壓專用線站，4W2 自運轉以來已有20 年的歷史。用戶利用實驗站的光源條件和實驗設備，通過XRD 測量研究了不同物質在高壓下的結構相變、狀態方程、彈性、織構、熔化等性質，涉及的材料包括高溫超導體、納米材料、超硬材料、礦物、大塊金屬玻璃、半導體、疊氮化合物、超分子材料、光功能材料以及軟物質等。雖然一些實驗獲得了很好的結果，但由于受到光源條件的限制，很難開展更高水平的實驗研究。目前中國科學院高能物理研究所正在建設的高能同步輻射光源（HEPS）極大地提高了輻射光的亮度和穩定性，將給高壓科學研究帶來新的機遇。

HEPS 是一臺具有極低發射度的第四代高能同步輻射光源，設計電子能量為5～6 GeV，自然發射度為34.2 pm·rad，電子束流為200 mA 時提供的輻射亮度達到1022phs·s-1·mm-2·mrad-2·（0.1%B.W.）-1以上。高壓科學研究作為新光源重要支持的研究領域之一，在HEPS 的一期建設中建有一條專用高壓衍射線站，提供的光子能量可達50 keV，樣品處的光子數比目前的4W2 高出4～5 個量級，X 射線聚焦光斑小到亞微米，這將大幅提高衍射測量的精度和實驗的壓力范圍。結合壓力快速加/卸載以及脈沖激光加溫技術，可在10 μs 的時間尺度開展高溫高壓研究。除此之外，一期建設中的X 射線吸收譜學線站、硬X 射線高分辨譜學線站和X 射線顯微成像線站的設計都考慮了高壓科學的應用。HEPS 建成后專用線站與兼用線站的結合，將極大地擴展高壓研究的溫壓范圍和研究范疇。

感謝中國科學院高能物理研究所的楊棟亮、林傳龍、李曉東對本文寫作的仔細閱讀以及提出的建議，感謝林傳龍為本文格式編輯所作的辛勤付出，感謝楊棟亮提供dDAC 圖片。感謝責任編輯對本文的精心潤色。對BSRF 高壓站李延春、李曉東、楊棟亮以及學生為4W2 高壓衍射線站建設和運行付出的努力表示謝意。感謝閻永廉幫助調試K-B 聚焦系統并提出好的調試方案。感謝李暉為高壓單晶衍射的發展作出的貢獻。感謝BSRF 工程技術組在4W2 光束線建造中的合作和支持。特別感謝沈國寅博士在激光加溫系統調試以及單晶XRD 系統搭建中的給予的指導和幫助。