同步辐射X射线光子关联谱和X射线偏振检测实验方法研究

The X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS) and X-ray polarization measurement will be conducted in the Soft X-ray Scanning Microscopy beamline of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). A comprehensive experimental setup is designed to mounted. Meanwhile, some related research works will be carried out in this setup. XPCS function will be achieved first in SSRF, the dynamic process observing of non-equilibrium state in single crystal (including ferroelectric, magnetic material etc.) , and dynamic process research in nano particle in polymer, solution, sol-gel system etc. will be achieved. In combination with the research base of applicant, in the first research period, the relaxation time measurement of polarization clusters near the phase transition temperature of the ferroelectrics, e.g., BaTiO3, (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 （0<x<1）will be carried out. The relationship between the dynamic characteristic of nano polarization clusters and material performance will be proved by the direct experimental results. Meanwhile, the X-ray polarization feature data will be provided for the Magnetic Circular/ Linear Dichroism experiment. In the previous experimental research of applicant, the applicant has set up the He-Ne laser based PCS experimental system, and has applied the PCS method in the dynamic process research on the non-equilibrium state of single crystal. The dual relaxation feature of nano polarization clusters in ferroelectrics has been first observed. The applicant has experience in synchrotron radiation beamline designing, construction, operation and user’s work, and has deep understanding of user’s needs. This experimental setup has combined sufficiently the research base of applicant and experience accumulation in synchrotron radiation, and will be opened to the domestic users, and provides services to the domestic users in related areas.

在上海光源X射线谱学显微线站开展X射线光子关联谱(XPCS)和X射线偏振特性检测实验方法研究，搭建一套综合实验装置，并开展相关科学研究。在上海光源首次实现XPCS实验功能，可实现单晶非平衡态动力学（包括铁电、磁性材料等）和聚合物、溶液、溶胶凝胶体系中纳米颗粒的动力学研究。结合申请人的研究基础，在研制初期可研究BaTiO3、(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3（0<x<1）等铁电体样品中纳米极化团簇在相变点温度附近的弛豫过程，通过直接实验数据验证极化团簇的动力学特性和材料性能的关系。并为磁圆/线二色(MCD/MLD)实验提供光的偏振特性数据。该实验装置充分结合了本人的科研基础和同步辐射经验积累，将在研究较为充分的基础上对用户开放，为国内广大用户在相关领域研究提供服务。

针对复杂无序材料中nm~μm尺度下的诸多科学问题，如相位分离、组织或分子结构变化等动力学过程，逐步发展出一门新兴的实验技术：X射线光子相关谱（X-ray Photon Correlation Spectroscopy，简称XPCS）技术。XPCS技术是一种能在微观尺度上观测大的分子或粒子集团等动态过程的新技术。XPCS不仅在软物质如溶液扩散动力学、聚合物平衡态转变上得到诸多应用，人们同时也在积极探索硬物质如半导体、铁电体、磁性材料中纳米级尺度的动力学行为。.在国内，基于先进X射线光源的光子科学技术正如火如荼展开，这得益于越来愈多先进光源的建设和运行。第三代同步辐射光源上海光源已运行近10年，近第四代的北京高能光源马上启动建设，世界领先的上海高重频硬X射线自由电子激光正在紧张地建设，但是，XPCS方法尚未建立。本项目的研究目的是基于上海光源对XPCS技术展开初步探索：包括装置设计、研究体系探讨及噪音抑制方案等，为后续发展XPCS实验站积累必要的经验。.在本项目的支持下，针对XPCS装置在应用领域、系统集成和匹配、理论分析等进行了一些创新性设计：.1.利用上海光源高相干性的X射线光束线（相干度94%）进行反射式光子相关谱实验，首次发展了利用光的二次相干建立的XPCS方法学及其应用，可针对上述铁电体、铁磁体和半导体材料等硬物质开展微观动力学研究。.2.完整设计并建设了软X射线PCS实验装置体系，包括真空、样品准备和传样、样品测试和信号处理等系统。.3.在装置系统集成中，实现了探测、信号处理和真空等各系统之间的匹配。.4.对装置设计及样品应用进行了探测尺度等理论分析。.在完成装置设计和搭建的基础上，对信号处理系统，包括放大器、转换器、数字关联仪进行了离线测试实验，采集了系统中各装置的离线测试信号，证实各仪器连接后可正常工作；对加热系统，利用红外测温仪对室温条件下和腔体环境内的加热片进行了温度对比测试，得到其在样品真空测试腔内所能承受的最大温度为547.9K，并能长时间保持，可满足实验基本温控范围与精度要求。.在本项目的支持下，首次完成了XPCS装置的设计和搭建，并对其研究体系进行了初步理论研究。目前正在进行上线测试，为真正达到用户实验装置要求奠定基础。