高壓下同步輻射XRD研究概述

劉明坤 王紅宇 王浩 何亮

摘要：本文對同步輻射光源的發展歷程做了簡要的介紹，對高壓下的同步輻射XRD裝置和原理也進行了概述，同時也介紹了作者在同步輻射XRD研究中取得的一些成果。

關鍵詞：同步輻射;金剛石對頂砧;X射線衍射

高壓下同步輻射XRD的研究意義

物質存在的狀態可以用三個基本狀態參數來定義，分別是壓力，溫度和成分。單就壓力而言，物質在壓力的作用下，最直觀的表現就是物質的原子間間距會縮小，進而導致原子的結構和電子殼層狀態發生改變。因此在高壓環境下，常壓下的物質會在結構，性能上出現新的表達。高壓科學打開了材料研究中一扇新的大門。對于物質結構的研究來說，X射線衍射（XRD）是最直接的一種研究手段。其中，在高壓學科中，由于特殊的高壓裝置和樣品量的限制，在高壓的極端條件下對物質結構進行研究就需要利用同步輻射光源中的X射線光源。因此高壓下同步輻射XRD研究一直以來都被人們作為一種重要的技術手段，用以對高壓下的物質結構進行探測研究。

同步輻射光源的發展

對于高壓條件下的物質研究而言，要利用到特殊的高壓實驗裝置——金剛石對頂砧裝置。其裝置示意圖如圖1 所示。對于金剛石對頂砧裝置來說，樣品填裝的區域由圖1 中5 所示，這個區域的體積很小，一般為幾百微米。因此，由于樣品量很小，如果使用普通的X光機對樣品進行結構的測定，那么在信號的強度，測試的時間以及X光的發散度上都會為測試帶來極大的不便。同步輻射光源，由于其良好的發射度，亮度，相干性等性能，可以完美地解決上述問題。并且，隨著同步輻射裝置的不斷發展，同步輻射光源在發射度，亮度，相干性等方面得到了不斷地完善，進而導致同步輻射X射線光源也都具備了愈加優異的性能，能夠滿足研究上越來越多的目的。

同步輻射光源的發展由最初的第一代同步輻射光源，經歷了第二代和第三代的優化改進后，目前已經發展到了現今的第四代同步輻射光源。我國的第四代同步輻射光源，中國最新型的同步加速器——高能同步輻射光源（HEPS）正在建設當中。其中第一代同步輻射光源是“寄生”于高能物理研究的加速器上，其光束線較少。第二代同步輻射光源配備了查斯曼

-格林磁鐵陣列，大大地提高了電子束光源的亮度。而第三代同步輻射光源則開始大量地使用插入件，以得到發射度低，亮度高的光源。其中X射線的亮度要比常規的X射線源高八個數量級以上。而最新一代的第四代同步輻射光源，則使用了更先進的磁鐵陣列，這種磁鐵陣列作為一種“多彎消色差透鏡”，可以獲取更高亮度的光束。

同步輻射光源中還涉及到一個重要的構造——儲存環。儲存環是一個環狀的閉合管道。它分為圓弧形軌道和直線段軌道。在軌道上配備有高精度的磁鐵系統，這次磁鐵系統是儲存環的主要部件，用于改變帶電粒子束的運動狀態。例如，在圓弧形管道的位置，放置二極磁鐵，使帶電粒子束流轉彎;在一些直線管道的位置上，放置四極磁鐵和六極磁鐵，四極磁鐵用于聚焦帶電粒子束，六極磁鐵用于校正帶電粒子束。除此之外，儲存環上還帶有供電設備，加速腔，真空盒，束流注入，引出，測量以及高頻系統等設備1。

測試原理

高壓研究中的的X射線衍射的測試原理與常規的X射線衍射測試原理并沒有區別，都符合Bragg方程。

λ=2dsinθ

λ是入射光波長，d是待測物質的晶面間距，θ是入射X射線與所發生衍射的晶面間的夾角。

測試手段

高壓研究中的X射線衍射主要用到兩個基本的衍射技術，能量色散X射線衍射技術（Energy Dispersive X-Ray Diffraction，EDXD）和角度色散X射線衍射（Angle Dispersive X-ray Diffraction，ADXD）下面分別對其各自的原理進行簡要的介紹。

EDXD測量原理：

能量色散同步輻射的光源采用波長連續的同步輻射光，當入射光與衍射晶面的夾角不變時，對于晶體中不同的晶面，在一個不變的衍射角內，就可以得到整個衍射圖像。

ADXD測量原理：

角度色散同步輻射的光源采用波長固定的同步輻射光，對于晶體中不同的晶面，衍射線束在空間上分布可近似看為一個圓錐體。用二維探測器接收，得到的是一組衍射環。

同步輻射XRD在高壓研究中的應用

在同步輻射裝置中，X射線衍射（XRD）是研究晶體結構最直接的手段，也是同步輻射裝置中最常見的一種應用。在高壓科學領域，XRD探測手段為高壓實驗提供了強有力的幫助。例如，在國內吉林大學的崔田教授課題組，針對硫化氫高壓超導這一課題，在理論和實驗上同時對其進行了深入的研究。在對（H2S）2H2進行結構判定時，采用了X射線衍射的實驗手段，為深入探究富氫化物超導體的超導機制提供了重要支撐2。在作者進行溴化氫在高壓下相變的研究工作中，借助了同步輻射XRD的測試手段3。通過對溴化氫在加壓過程中的XRD譜的分析可知，溴化氫在壓力的作用下會發生相變和分解，在18GPa時，由Fm3m結構轉變為Cmc21結構。隨著壓力的增加，在39.3GPa時，探測到分子相的溴，隨后在不同的壓力條件下，分子相的溴陸續轉變為非公度相的溴和單原子相的溴3。

目前我國正在北京建設一臺高性能的高能同步輻射光源——北京光源。建成后的高能同步輻射光源將是我國第一臺高能同步輻射光源、世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。我們期待這一新光源裝置建成后，能夠為眾多基礎學科的研究提供更多的幫助。

參考文獻：

[1]?? 冼鼎昌.北京同步輻射裝置及其應用[M].廣西科學技術出版社，2016.（1）.

[2]?? Duan，D.;Liu，Y.;Tian，F.;Li，D.;Huang，X.;Zhao，Z.;Yu，H.;Liu，B.;Tian，W.;Cui，T.，Pressure-Induced Metallization of Dense（H2s）2h2with High-Tc Superconductivity.Scientific reports2014，4，6968.

[3]?? Liu，M.-K.;Duan，D.-F.;Huang，Y.-P.;Liang，Y.-F.;Huang，X.-L.;Cui，T.，Reexploration of Structural Changes in Element Bromine through Pres-sure-Induced Decomposition of Solid Hbr*.Chinese Physics Letters2019，36.