基于固体探测器SDD的XAFS数据获取系统

石　泓　常广才　郑黎荣

1（中国科学院高能物理研究所　北京　100049）2（中国科学院大学　北京　100049）

基于固体探测器SDD的XAFS数据获取系统

石泓1,2常广才1郑黎荣1

1（中国科学院高能物理研究所北京100049）2（中国科学院大学北京100049）

X射线吸收精细结构谱学（X-ray Absorption Fine Structure, XAFS）的发展，提出了对低浓度（痕量）元素研究的需求，高灵敏度的固体探测器纷纷被应用到XAFS技术中来。硅漂移探测器（Silicon Drift Detector, SDD）是一种高计数率、高能量分辨率、采用半导体制冷的小型荧光探测器，其商业产品渐趋成熟。北京同步辐射装置1W2B实验站装备了这种小型SDD，并开发了相应采谱软件供用户使用。经过对含Cu 100 mg·L-1浓度的CuSO4溶液的测试，结果证明这套新的采谱系统可以满足1W2B实验站XAFS实验荧光模式的需求。

同步辐射，SDD，XAFS，LabVIEW

北京同步辐射（Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF） 1W2B光束线的光源是扭摆器（wiggler）［1］，可供使用的光谱能量范围5-18 keV，双晶单色器的能量分辨率（ΔE/E）好于4×10-4，设计光通量2×1011photons·s-1·mm-2（13 keV、2.5 GeV、200 mA）［2］，于2007年夏季安装调试后投入使用。在2012年完成了X射线吸收精细结构谱学（X-ray Absorption Fine Structure, XAFS）实验系统的装备和兼用模式下的调试［3］，是继BSRF-1W1B XAFS光束线［4］之后，北京同步辐射装置中第一条可以在高能物理对撞模式下工作的XAFS实验线站。

XAFS技术能够在原子尺度上给出目标原子周围几个邻近配位壳层的结构信息，不要求样品的晶体条件，适用于研究固态、液态和气体等几乎所有凝聚态物质的局域结构［1］，是一种强有力的材料结构探测手段［5］。随着同步辐射光源发展，XAFS技术同时也得到了极大的发展。近年来，XAFS在物理、化学、生物、材料和环境科学等多个科学领域中解决了许多重大的科学问题［6］。XAFS技术除了常规的样品透射的吸收方式外，利用荧光信号的XAFS荧光模式可以检测浓度只有百万分之一量级的低浓度样品或只有几个原子层厚度的薄膜样品［7］。目前，随着功能性材料制备技术的发展，有越来越多痕量元素周边原子配置信息的探测需求。传统的Lytle气体电离室由于无能量分辨能力，其检测限约为千分之一，已无法满足这些需求。更高的XAFS技术需要装备更好信噪比的X射线荧光检测系统。固体探测器（高纯Ge、硅漂移等）虽然价格昂贵，在距样品相同距离可以接收的计数率不如Lytle电离室，但是其具有很高能量分辨率，通过仅对样品荧光信号进行计数，可以大幅提高信噪比，因此成为测量低浓度样品时标准的XAFS配备。

早在1983年，Gatti和Rehak提出了硅漂移探测器（Silicon Drift Detector, SDD）的基本设计［8］。其阳极的结构使得探头的电容值很小，并且不随探头有效面积而变大。因此SDD相对于传统的Si（Li）探测器［9］具有更快的响应时间，非常适合高计数率的实验［10］。20世纪90年代后，SDD的商业产品逐渐成熟。SDD具有以下特点：1） 体积小易实施电子冷却；2） 能量分辨率高；3） 可以制成阵列探测器覆盖更大的立体角和更高的计数通量。因此对于某些特殊实验，比如高温、高压、共聚焦等需要近距离探测或出光角度有限等的情况，采用SDD探测器的XAFS技术具有极大的优势。对比同类的高纯锗探测器，SDD也有不需要液氮冷却、体积小、维护成本低的优点。

本文将介绍装备在BSRF-1W2B实验站上的包括软、硬件系统结构在内的SDD荧光XAFS实验采谱系统。

1　束线与实验装置

BSRF-1W2B光束线的wiggler光源是7周期的永磁结构，峰值场强1.26 T，周期长度228 mm。前端区距光源7.7 m处有一个固定光阑，限制束线接收角为1.5 mrad （H）×0.15 mrad （V）。如图 1所示，束线主要光学元件包括：准直镜、双晶单色器和聚焦镜。准直镜中心距光源21.71 m，镜体（长1000mm、宽60 mm、高70 mm）为满足束线设计能量（5-18 keV）采用硅基底表面镀铑，平面镜压弯（压弯半径12058 m），入射角3.6 mrad。双晶单色器中心距光源23.88 m，采用Si（111）作为能量调节晶体，调节角度范围6º-24º，双晶为T型结构以固定出射高度［11］。聚焦镜中心距光源25.46 m，镜体（长1000 mm、宽60 mm、高70 mm）同样采用硅基底表面镀铑，超环面镜压弯，其水平最大接收角2 mrad，弧矢方向固定曲率半径4.966 cm，子午方向压弯半径5300 m。在XAFS扫谱时，只有双晶单色器的角度变化。

图1　1W2B光束线示意图Fig.1　Schematic diagram of beamline 1W2B.

XAFS实验系统（图2）中包括：控制（采谱）计算机、32通道RS232C串口服务器（北京康海时代科技有限公司）、电机控制器PM16C-04 （Tsuji Electronics Co. LTD）、五相步进电机驱动器（北京四通工控技术有限公司）、双晶单色器（1W2B束线非标）、轴角编码器数显表ND281b （Heindenhein）、SDD探测器XR-100SDD及其电子学PX5（Amptek）、电离室、微电流放大器428 （Keithly）、V/F转换器和计数器 ORTEC 974 （ORTEC）。计算机通过局域网连接串口服务器（Serial port server）扩展了RS232C通讯口，由其中一路RS232C连接PM16C-04驱动单色器第一晶体转动，一路连接显示转角位置的编码器数显表ND281b，一路连接测量光子强度的计数器ORTEC 974。计算机通过局域网直接连接SDD的数据处理器PX5，获取荧光的强度信号。

图2　硬件系统结构图Fig.2　Block diagram of system hardware.

实验中采用的SDD为Amptek公司的XR-100FAST SDD型X射线硅漂移探测器。探头尺寸25 mm×25 mm，硅晶体厚度500 μm，能量分辨率优于140 eV（@55Fe，5.9 keV，11.2 μs峰化时间），计数率可达1×106s−1，峰本比（Peak to background）20000:1（5.9 keV和1 keV计数比），铍窗厚12.5 μm，温飘小于0.02‰·ºC−1［12］。

2　实验软件结构

采谱软件采用美国NI公司的LabVIEW平台开发，使用事件响应的状态机构架［13］实现硬件的过程控制。高度自动化的XAFS实验程序前面板如图 3所示，主要功能包括：实验参数设置（Experiment Setup）、实验状态提示（Status）、操作命令（PRESET、START、STOP、QUIT）、采谱数据显示（Mu、I0、Dead Time等）。实验流程如图 4所示，在设置好实验参数后按下“START”按钮，程序会自动完成预设的实验过程，实时显示采样的数据并自动保存实验数据（文件名和地址显示在“Status”中）。

图3　基于SDD的XAFS实验采谱程序前面板Fig.3　Front panel of DAQ for the SDD based XAFS.

图4　实验程序流程Fig.4　Flow chart of XAFS experiment.

程序采用状态机结构，主要状态包括：程序初始化、主程序界面、采谱循环初始化、能量调节、数据采集、采谱循环终止判断、采谱循环退出、数据记录和退出程序。采用这种事件触发的状态机结构的好处是，在保持程序可拓展性的同时可以快速响应用户的指令，也就是说将来程序需要扩展功能时只需要增加“状态”和“触发事件”即可。各个状态之间的跳转与切换如图5所示。

系统首先“初始化”，初始化程序前面板、临时变量并配置各个通讯接口；然后进入“主程序界面”，等待用户进一步操作，这里可以选择实验模式（荧光或是透射），配置采谱参数（例如：分段、步长、积分时间等）；当用户按下“PRESET”预扫描按钮时（图5中虚线所示），系统会转动单色器第一晶体将能量调整到“EdgeEnergy（eV）”，之后采集荧光谱并显示出来供用户选择感兴趣的荧光峰；当用户选择好需要的荧光峰并按下“START”按钮，程序就进入了“自动采谱循环”（图5中实线所示），按照“ExperimentSetup”中的设置完成采谱，随后返回“主程序界面”等待下一步指令；采谱期间，当用户按下“STOP”按钮，程序会自动记录数据并返回“主程序界面”等待命令；当用户按下“QUIT”按钮时，程序关闭前面板、释放计算机内占用的资源、停止运行。

图5　主要状态之间的切换图Fig.5　Inter-connection between main states of the program.

3　数据及分析

为验证束线、SDD探测器及采谱软件的性能，在1W2B实验站的同步辐射兼用模式时，对含Cu 100 mg·L−1浓度的CuSO4水溶液（125 mg CuSO4溶于500 mL去离子水）的样品进行测谱和分析。使用气体电离室作为前探测器，SDD探测器作为样品荧光探测器。气体电离室使用纯氮气，吸收约10%的入射光强；SDD探测器的“Peakingtime”设置为1 μs，采样时间都设置为5 s。实验前，将入射能量调整至8990 eV（白线峰最高点附近），通过调整SDD与样品间的距离，保证探测器的死时间（Dead Time）不超过10%。实验中记录SDD的Dead Time以及样品前电离室的I0，并做归一化处理。实验结果的能量空间数据和实空间数据如图6（a）、（b）所示。实空间谱图反应Cu离子周围局域环境。该数据说明通过SDD测得的数据可以在短时间里获得低浓度样品的XAFS信号，从而获得Cu离子周围第一配位氧的局域结构信息。

图6　100 mg·L-1CuSO4溶液能量空间（a）和实空间（b）Fig.6　100 mg·L-1CuSO4E-space （a） and R-space （b）.

4　结语

通过对100 mg·L-1CuSO4Cu吸收边的测试，可以看出单探头SDD探测器可以满足低浓度样品的荧光XAFS实验需求。在不久的将来，这种体积小、维护方便并具有高立体角覆盖率的阵列式SDD探测器将被装备在荧光XAFS实验系统当中，在更短的时间内测得更低目标元素浓度样品的吸收谱线。

致谢感谢张小威博士和BSRF 1W2B光束线工作人员的大力支持。

1 麦振洪, 刘祖平, 乔山, 等. 同步辐射光源及其应用（上册）［M］. 北京: 科学出版社, 2013

MAI Zhenhong, LIU Zuping, QIAO Shan, et al. Synchrotron radiation source and application （Vol.I）［M］. Beijing: Science Press, 2013

2 刘鹏. 北京同步辐射装置生物实验线、站扩建项目——初步设计技术报告［R］. 北京: 中国科学院高能物理研究所, 2004

LIU Peng. The extension project of biological beam line and station at BSRF - preliminary design report［R］. Beijing: Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, 2004

3 常广才, 王文佳, 郭娴, 等. 北京同步辐射装置1W2B生物大分子光束线兼用模式［J］. 原子能科学技术, 2012, 46（10）: 1259-1263. DOI: 10.3969/j.issn.0253-2778.2012. 002

CHANG Guangcai, WANG Wenjia, GUO Xian, et al.Parasitic mode of macromolecular crystallography beamline 1W2B at BSRF［J］. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46（10）: 1259-1263. DOI: 10.3969/ j.issn.0253-2778. 2012. 002

4 谢亚宁, 胡天斗, 刘涛, 等. BSRF 1W1B-XAFS光束线研制［J］. 核技术, 2004, 27（12）: 881-884

XIE Yaning, HU Tiandou, LIU Tao, et al. The 1W1B-XAFS beam line at BSRF［J］. Nuclear Techniques, 2004, 27（12）: 881-884

5 Schwinger J. On the classical radiation of accelerated electrons［J］. Physical Review, 1949, 75（12）: 1912-1925. DOI: 10.1142/9789812795694_0016

6 Fricke H. The k-characteristic absorption frequencies for the chemical elements magnesium to chromium［J］. Physical Review, 1920, 16（3）: 202-215. DOI: 10.1103/ PhysRev.16.202

7 Oyanagi H, Sakamoto K, Shioda R, et al. Ge overlayers on Si（001） studied by surface-extended X-ray-absorption fine structure［J］. Physical Review B, 1995, 52（8）: 5824-5829. DOI: 10.1103/PhysRevB. 52.5824

8 Gatti E, Rehak P. Semiconductor drift chamber - an application of a novel charge transport scheme［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research Section A, 1984, 225（3）: 608-614. DOI: 10.1016/0167-5087（84）90113-3

9 Lechner P, Stefan E, Robert H, et al. Silicon drift detectors for high resolution room temperature X-ray spectroscopy［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research Section A, 1996, 377（2）: 346-351. DOI: 10.1016/0168-9002（96）00210-0

10 Strüder L, Soltau H. High resolution silicon detectors for photons and particles［J］. Radiation Protection Dosimetry, 1995, 61（13）: 39-46

11 姚婧, 曹冲振, 高雪官, 等. 双晶单色器晶体间位置关系及尺寸的确定方法［J］. 核技术, 2005, 28（9）: 649-653

YAO Jing, CAO Chongzhen, GAO Xueguan, et al. A method of deciding ubiety and dimensions of crystals in double-crystal monochromator［J］. Nuclear Techniques, 2005, 28（9）: 649-653

12 FAST SDD® high performance silicon drift detector（SDD） specifications［OL］. 2016. http://amptek.com/ products/fast-sdd-silicon-drift-detector/#8

13 LabVIEW design patterns - standard state machine［OL］. 2011. https://decibel.ni.com/content/docs/DOC-14959

DAQ system of XAFS based on solid detector SDD

SHI Hong1,2CHANG Guangcai1ZHENG Lirong1

1（Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

2（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Background: Put forward the demands for low concentrations of elements in the X-ray absorption fine structure （XAFS） study on synchrotron radiation facility requires high sensitive solid state detectors. Silicon Drift Detector （SDD） is a small fluorescence detector that can be equipped with semiconductor refrigeration to achieve high count rate and high energy resolution. Its commercial products are becoming gradually mature. Purpose: This study aims to develop a small SDD based data acquisition （DAQ） system for XAFS beamline 1W2B experimental station at Beijing Synchrotron Radiation Facility （BSRF） and programmed the corresponding DAQ software for users. Methods: A XR-100FAST SDD from Amptek Inc was employed together with related electronics and ORTEC 974 counter for 1W2B experiment station. Corresponding DAQ software for user was developed using LabVIEW on the back-end control computer. CuSO4solution containing Cu 100 mg·L-1is prepared as a sample for testing this DAQ with SDD as detector, and Fourier transform of the radial distribution function is applied to experimental data analysis. Results: The final data shows information on the local structure of the first coordination of oxygen around Cu atoms. Conclusion: The test results of CuSO4solution with concentration of 100 mg·L-1proved that the new DAQ system equipped at 1W2B experimental station could satisfy the requirements of XAFS experiment fluorescence mode.

Synchrotron radiation, SDD, XAFS, LabVIEW

ZHENG Lirong, E-mail: zhenglr@ihep.ac.cn

TL814

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.100102

国家自然科学基金（No.11305197）资助

石泓，男，1981年出生，2004年毕业于北京工业大学，现为硕士研究生，研究领域为同步辐射光束线技术

郑黎荣，E-mail: zhenglr@ihep.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China （No.11305197）First author: SHI Hong, male, born in1981, graduated from Beijing University of Technology in 2004, master student, focusing on synchrotron radiation beam line technology

2016-08-03，

2016-09-07