金属单晶内部中程原子三维结构的X射线荧光全息研究
X射线荧光全息术(XFH)是一种新型的、能够直接确定晶体内部某特定元素周边局域原子三维排布的实验方法。不同于X射线衍射方法(XRD)测定长程有序结构，也不同于X射线吸收精细结构方法(XAFS)测定晶体内部某特定元素周边邻近原子结构，XFH可测定晶体内部特定元素周边几十埃范围的实空间原子结构，是一种介于两者之间的晶体内部中程结构研究手段。同时，XFH也是一种晶体内部三维(3D)结构的可视化实验方法，可测定材料内部的未知结构，因此在研究新型材料结构，辅助改进新材料性能方面提供了依据，有巨大的发展潜力和应用前景。近年来随着光源和实验技术的不断发展，尤其是第三代同步辐射装置的发展使得XFH技术的推广和应用实验研究成为可能。论文利用XFH方法数值模拟和重构的同时，实验验证了XFH方法的正确性和有效性，三维再现了形状记忆合金Ti50Ni44Fe6温度相变前后的晶体内部结构。论文研究中取得了主要成果和创新点包括：
1、建立了一套完整的X射线荧光全息的数值模拟程序，包括荧光全息图的数值模拟及全息图的数字重构。分别采用Matlab和Visual FORTRAN编写了模拟和重构程序，通过模拟和实验结果验证并优化了程序。
2、以体心立方结构的Fe单晶和面心立方Cu单晶为模型，利用单能量与多能量X射线荧光全息方法模拟了少原子和多原子两种晶体模型，重构得到具有原子分辨率的三维原子像。模拟结果显示，拓展全息图和采用多能量重构算法可大幅提高重构原子像质量，清晰地再现所建模型内部中程原子的三维排布。
3、以Fe单晶为样品，开展了X射线荧光全息术的初步实验研究，分别用内源全息术和内探测器全息术两种方法进行了实验测定，得到了Fe单晶内部原子三维重构像，与理论结构一致，验证了XFH方法的正确性及有效性。
4、首次将XFH方法推广应用到相变材料研究中，重点开展了形状记忆合金Ti50Ni44Fe6随温度变化相变过程的实验研究，分别在母像(225K)及公度相(100K)对掺杂Fe元素和主要元素Ni进行了测定，成功再现了晶体内部Fe元素和Ni元素周边的实空间三维原子排布，重构原子像尺寸>20A。
5、利用XFH方法，首次揭示了Ti50Ni44Fe6材料在母相时围绕中心原子Fe的第一邻近原子Ti不稳定，而在低温公度相呈现稳定状态；另外，此种材料在公度相时呈现出一种特有的近似团簇结构，这些动力学结构变化的发现为理解TiNi系列合金马氏体相变的前期变化提供了关键信息。
6、针对上海光源生物医学成像光束线站的单色器，提出并完成了一种新型劳厄双弯晶单色器设计方案，有望克服高功率光源导致的热形变，同时还可完成聚焦功能。
- 作者：
- 胡雯
- 学位授予单位：
- 中国科学院上海应用物理研究所
- 专业名称：
- 粒子物理与原子核物理
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2009年
- 导师姓名：
- 肖体乔
- 中图分类号：
- TG139.6
- 关键词：
- 弯晶单色器；金属单晶；三维结构；X射线荧光全息；形状记忆合金；数值模拟
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