Описание Рентгеновский спектрометр поглощения (XAFS)

XAFS-спектроскопия (сокр. англ. X-ray absorption fine structure) является методом рентгеновской спектроскопии исследующей состояния атомов в веществе по картине осцилляций коэффициента поглощения вблизи края поглощения.

XAFS- спектроскопия является одним из самых мощных инструментов для изучения атомных состояний ближнего порядка. Рентгеновская спектроскопия тонкой структуры поглощения позволяет проводить исследования на очень небольших количествах вещества.

Принцип работы XAFS/XANES спектрометра

В основе метода лежит эффект взаимодействия соседних атомов c  электронной оболочкой вокруг атома, поглощающего рентгеновское излучение, состояние которого определяется ближним порядком и не зависит от кристаллической структуры вещества (дальним порядком).

Упрощенная схема явления: (a) рентгеновское излучение с длиной волны равной или большей чем край поглощения конкретного атома поглощается им с испусканием фотоэлектрона(b), этот фотоэлектрон рассеивается на электронных оболочках соседних атомов и возвращается в исходный атом(c), моделируя картину поглощения.

XAFS-спектроскопия основывается на измерении коэффициента поглощения атома вещества в двух областях: вблизи края поглощения (XANES) и в области за краем поглощения (EXAFS).

XAFS-спектр с областями XANES(англ. X-ray absorption near edge structure) и EXAFS(англ.  Extended X-ray absorption fine structure)

Преимущества XAFS-спектроскопии

Благодаря XAFS-спектроскопии можно получить полную информацию об электронной структуре атомов вещества, включая количество ближних атомов и их позиции, длины связей, валентные углы и многое другое. XANES спектр позволяет получать информацию о валентном состоянии и геометрии ближнего окружения атомов, в то время как EXAFS спектр предоставляет информацию о длинах связей, координационных числах, типах соседних атомах и др.

XAFS-спектроскопия может использоваться для изучения в том числе кристаллических материалов: активных центров катализаторов, металлопротеинов в биологических ферментах или аморфных материалах, поверхностных и приповерхностных слоях материалов, а также жидких и газообразных сред.

Механизм сканирования XAFS-спектрометра

Запатентованный механизм XAFS-спектрометра, на основе изогнутого кристалла-монохроматора, обеспечивает высокое спектральное разрешение и интенсивность рентгеновского излучения во время получения  XAFS-спектров.

Особенности XAFS-спектрометра:

• Поддержка функции быстрого сканирования вблизи края поглощения;
• Запатентованное программное обеспечение с предварительно заданными экспериментальными параметрами для проведения быстрых измерений;
• Переключение в один клик между различными режимами измерения и простое переключением между исследуемыми образцами;
• Отображение в реальном времени хода эксперимента и предварительных результатов;
• Наличие программно-аппаратных защитных блокировок, сертификатов безопасности и другой разрешительной документации;

XAFS  и XES режимы работы

Рентгеновская XAFS-спектроскопия	Рентгеновская эмиссионная спектроскопия –  XES(англ. X-ray emission spectroscopy)

Изогнутый кристалл-монохроматор

Для разложения рентгеновского излучения в спектр и его фокусирования используется предварительно откалиброванный на заводе изогнутый кристалл-монохроматор.  Высокая точность изготовления и обработки поверхности открывает возможности проведения XAFS-спектроскопии в лаборатории, а не на синхротроне.

Примеры XAFS-спектров

Сравнение спектров железной фольги, полученных на синхротроне и на лабораторном XAFS-спектрометре

XAFS-спектр железной фольги полученной на синхротроне и лабораторном спектрометре XAFS	Производная XAFS-спектра железной фольги полученной на синхротроне и лабораторном спектрометре XAFS

Спектр в пересчете на волновое число k фотоэлектрона	Модуль результата Фурье-преобразования зависимости от волнового числа

Образцы с низкой концентрацией вещества

XAFS-спектр образца с массовым содержанием PtO2 менее 1%	Модуль результата Фурье-преобразования зависимости от волнового числа фотоэлектрона

Край поглощения Zr-K (элемент с высокой энергией края поглощения – 18 кэВ)

XAFS-спектр циркониевой фольги	Модуль результата Фурье-преобразования зависимости от волнового числа фотоэлектрона

Идентификация веществ по XAFS-спектру

XAFS-спектры различных оксидов марганца (Mn, Mn3O4, Mn2O3) полученные на XAFS-500A	XAFS-спектры различных оксидов марганца (Mn, Mn3O4, Mn2O3) полученные на синхротроне

EXAFS-спектр оксида меди Cu2O	Производная EXAFS-спектра оксида меди Cu2O

Рентгеновские эмиссионные спектры (XES) Cu, Fe Kβ-спектр (Kβ1,3 и Kβ2,5)

XES-cпектры различных соединений с содержанием меди	XES-cпектры различных соединений с содержанием железа