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中国科学院高能物理研究所吴忠华团队Photon Science | 高能同步辐射光源粉光小角X射线散射线站精选

已有 319 次阅读 2026-8-28 10:39 |个人分类:Photon Science文章|系统分类:论文交流

英文原题：Pink-Beam Small-Angle X‑ray Scattering Beamline at the Extremely Brilliant High Energy Photon Source

通讯作者：默广，中国科学院高能物理研究所；李志宏，中国科学院高能物理研究所；吴忠华，中国科学院高能物理研究所，中国科学院大学

作者：Yunpeng Liu (刘云鹏)，Guang Mo* (默广)，Chenxi Yang (杨辰希)，Zhaoqiang Cui (崔照强)，Zongyang Yue (岳宗仰)，Zina Ou (欧自娜)，Ye Tian (田野)，Fugui Yang (杨福桂)，Xueqing Xing (邢雪青)，Zhongjun Chen (陈中军)，Quanjie Jia (贾全杰)，Ming Li (李明)，Zhihong Li* (李志宏)，Zhonghua Wu* (吴忠华)

背景介绍

小角X射线散射（SAXS）是一种精确、无损、制样简便的技术，被广泛用于表征材料的孔隙率、形貌及多级结构。随着同步辐射光源的发展，SAXS与其相关技术（如广角X射线散射（WAXS）、超小角X射线散射（USAXS））的应用范围不断扩大。近年来，多种散射技术（如SAXS/WAXS、WAXS/SAXS/USAXS）的组合联用成为重要发展方向，能够实现从亚纳米到微米尺度、且时间分辨率低至亚毫秒级的同步表征，揭示复杂体系中的动力学过程。

基于多弯铁消色差磁铁（MBA）结构的第四代同步辐射光源，相比第三代光源在X射线亮度和相干性上提升了超过一个数量级。中国首台第四代同步辐射光源——高能同步辐射光源（HEPS）于2025年底建成，其束流能量为6 GeV，束流强度为200 mA，水平自然发射度小于60 pm·rad，在典型硬X射线区域的辐射亮度高达1×10²²phs⋅s⁻¹⋅mm⁻²⋅mrad⁻²⋅(0.1%bw)⁻¹。为满足绝大多数SAXS用户的核心需求，HEPS建成了专用的粉光小角X射线散射线站（HEPS-ID08）。该线站充分利用第四代光源的高通量优势，采用波荡器辐射的“粉光”（Pink-beam）作为基础光源。与单色光相比，粉光强度通常高出1-2个数量级，能显著提高散射实验的时间分辨率和信噪比。其科学目标旨在实现材料在工况条件下从埃到微米空间尺度、微秒到毫秒级动态结构演化的实时追踪。

HEPS-ID08线站的能量覆盖范围为8-12 keV（基频能量12 keV），能量分辨率约为0.95%。在200 mA、12 keV条件下，光子通量高达3.2×10¹⁵ phs/s/0.1%bw，样品处光斑尺寸可通过狭缝调节，变化范围为0.2 mm × 0.2 mm 至 0.5 mm × 0.5 mm。当前布局下可测量的q值范围为 0.0105–6.68 nm⁻¹，对应可探测的粒子尺寸范围为 1–600 nm。结合三台先进的Eiger像素阵列探测器，该线站已具备毫秒级时间分辨能力，可支持静态及动态多尺度结构表征。

文章亮点

近日，中国科学院高能物理研究所吴忠华团队在Photon Science上发表了题为“Pink-Beam Small-Angle X‑ray Scattering Beamline at the Extremely Brilliant High Energy Photon Source”的研究论文。该文系统报道了HEPS-ID08粉光小角X射线散射线站的光学设计、核心性能参数、探测器、控制及数据采集系统，并结合原位毫秒级散射实验展示了其在时间分辨、原位动态捕捉材料结构方面的应用潜力。

图1. HEPS-ID08光束线光学布局与粉光特性。(对应原文Figure 1)

(a) ID08线站主要光学元件布局，包括真空外波荡器、V型偏转镜、三狭缝系统、真空飞行管道及三台探测器；(b) 波荡器辐射通量随光子能量的变化关系；(c) 偏转镜对高次谐波的抑制效果；(d) 三狭缝准直系统的几何示意图；(e) 实验站 Hutch 布局的正视图 (上) 与俯视图 (下) 。

亮点一：高通量“粉光”——为毫秒级动态追踪按下“加速键”

传统同步辐射线站通常需要单色器滤除多余能段，虽然能量分辨率极高，但大量光子被白白牺牲。HEPS-ID08线站直接利用真空外波荡器产生的基波辐射——这种能量带宽约为0.95%的准单色光被称为“粉光”，光子通量高达3.2 × 10¹⁵phs/s/0.1%bw。相比传统单色光，粉光的强度通常高出1到2个数量级，这意味着采集同样质量的散射数据，曝光时间可以大幅缩短至毫秒甚至微秒级别，研究人员得以捕捉材料在反应过程中的瞬态结构变化。

图2. 真空飞行管道与探测器系统 (对应原文Figure 2)

(a) ID08线站真空管道布局，包括14米长粗管和9米长细管；(b) WAXS探测器 (Eiger2 S 4M) 及其四维运动机构；(c) SAXS探测器 (Eiger2 S 4M-thin) 及其精密移动小车；(d) USAXS探测器 (Eiger2 X 1M) 及其真空腔体。

亮点二：三探测器联合作战——从原子到微米，一网打尽

HEPS-ID08线站同时在光路上布置了三台Eiger2混合光子计数探测器，分别负责广角（WAXS）、小角（SAXS）和超小角（USAXS）散射信号的采集。SAXS探测器可以在1至15米的范围内精确移动，通过调整样品到探测器的距离灵活覆盖不同的散射角度范围。值得一提的是，这三台探测器不仅可以独立工作，还能实现WAXS/SAXS/USAXS联合测量——一次实验同时获取从埃到亚微米级的结构信息。

图3. 线站控制、数据采集与实时可视化系统 (对应原文Figure 3)

(a) ID08线站终端站控制与数据采集系统架构 (包含电机控制、数据采集、同步控制、数据存储四大子系统) ；(b) 基于Mamba框架开发的数据采集图形用户界面，支持实时二维图样显示与在线一维I-q曲线转换。

亮点三：软硬协同——Mamba控制系统让海量数据“采得稳、存得快、看得清”

面对时间分辨动态实验带来的海量高通量数据，HEPS-ID08线站构建了一套完整的控制与数据采集体系。底层采用EPICS（实验物理与工业控制系统）实现全站可靠通信，上层基于Bluesky框架自主开发了Mamba数据采集软件。在时间分辨实验中，PandaBox负责外部触发同步控制，向快门、电离室、金刚石探测器和Eiger探测器发送纳秒级延迟的脉冲信号，确保毫秒级数据采集的精准时序。与此同时，Mamba数据工作流（MDW）可直接从探测器实时抓取数据，同步传输至存储系统、前端界面、分析模块和科学元数据库。用户图形界面集成了实时二维图样显示和在线一键转换为一维I-q曲线的功能，研究者现场就能评估数据质量，告别了过去依赖FIT2D等离线软件“等实验结束再处理”的麻烦。

图4. 入射X射线能量标定、光斑尺寸测量及标准样品散射图谱 (对应原文Figure 4)

(a) Au箔L₃边X射线吸收近边谱及其一阶导数 (确定吸收边能量为11919 eV) ；(b) Si (111) 晶体衍射测得的粉光能谱 (中心能量12008.3 eV，带宽0.95%) ；(c) 刀口扫描法测量光斑尺寸的扫描曲线；(d) 扫描曲线的一阶导数及半高宽 (FWHM) 确定光斑尺寸；(e) 标准CeO₂粉末的二维WAXS图样；(f) 标准硬脂酸银 (C₁₈H₃₆AgO₂) 的二维SAXS图样；(g) 标准SBA-15介孔材料的二维SAXS图样；(h) (i) (j)分别为 (e) (f) (g)对应的一维I-q积分曲线，用以标定实际可达q范围。

亮点四：关键性能实测——能量、光斑、通量悉数“对表”

线站建成后，团队系统测试了核心性能指标。利用金箔L₃吸收边（11919 eV）作为能量参考，通过Si(111)晶体的摇摆曲线标定出粉光中心能量为12008.3 eV，带宽ΔE/E约为0.95%。采用刀口扫描法测得样品处光斑尺寸可在 0.2×0.2 mm 至 0.5×0.5 mm 范围内灵活调节，通量实测值达到设计指标。此外，团队用标准样品CeO₂（WAXS标样）、硬脂酸银和SBA-15介孔材料（SAXS标样）对q范围进行了验证——SAXS探测器（Beamstop位于探测器中心时）置于管道最远端时得到最小散射矢量qmin，置于最前端时得到最大散射矢量qmax，从而完整覆盖了从1 nm到600 nm的检测尺度区间。

图5. 一代、三代和四代同步辐射光源下AgB标样的SAXS数据对比 (对应原文Figure 5)

(a) HEPS-ID08 (四代光源) 采集的二维SAXS图样 (0.5 s曝光) ；(b) SSRF-BL16B (三代光源) 采集的二维SAXS图样 (5 s曝光)；(c) BSRF-1W2A (一代光源) 采集的二维SAXS图样 (5 s曝光) ；(d) 对应的三种数据一维积分I-q曲线对比，HEPS-ID08以最短曝光时间获得最高散射强度和信噪比。

亮点五：原位毫秒级散射技术首次捕捉到电流驱动下催化剂的晶格畸变

HEPS-ID08线站的亮点成果是对MnO₂/NF（泡沫镍负载MnO₂）催化剂在电流驱动催化反应中的原位追踪。团队以 300 ms采集、200 ms间隔的高速模式，在丙酮氧化反应中实时跟踪MnO₂ (001)晶面的衍射峰演化。实验发现：单纯升温至130 °C几乎不影响MnO₂晶格；但一施加6 W电功率、引入电流，衍射峰位置和强度在 3~4 秒内发生急剧变化，表明晶格发生了显著畸变。定量分析显示，这种畸变削弱了Mn–O键、促进了晶格氧释放，从而提升了低温催化活性。这是国际上首次利用毫秒级时间分辨WAXS技术直接捕获外电场驱动催化反应中晶格动态演化的实验证据，填补了该领域瞬态结构表征的空白。

图6. 原位毫秒级WAXS追踪MnO₂/NF在电/热场下的晶格动力学 (对应原文Figure 6)

(a) ID08线站原位WAXS实验装置示意图 (上) 及反应条件 (丙酮+空气，500 ppm，流速100 mL/min) ；(b) 空气气氛下单纯外加热的原位一维WAXS瀑布图；(c) 对应 (b) 中衍射峰强度与q值随时间的变化 (无变化) ；(d) 空气气氛下电流驱动 (6 W) 的原位一维WAXS瀑布图；(e) 对应 (d) 中峰强与q值随时间的变化 (3~4 s内急剧变化) ；(f) 丙酮气氛下外加热的原位瀑布图；(g) 丙酮气氛下电流驱动的原位瀑布图。外加热条件 (130 °C，升温速率20 °C/min) 几乎无晶格响应，而电流驱动下衍射峰快速漂移，证实了晶格畸变的电场主导机制。

总结/展望

本文系统介绍了HEPS-ID08粉光小角X射线散射线站在设计、性能及应用方面的核心成果。该线站基于第四代光源的高通量优势，实现了0.95%的能量分辨率与高达3.2×10¹⁵ phs/s的光子通量，覆盖8-12 keV能量范围，结合先进探测器，能够支撑毫秒级时间分辨的静态与动态多尺度散射研究。展望未来，线站将加装单色器、复合折射透镜（CRL）和高精度样品台，进一步拓展微焦SAXS（μSAXS）和掠入射SAXS（GiSAXS）等技术，并配备拉伸、剪切、高低温及光/电/热等多样化的原位环境。同时，针对粉光实验对软物质和生物样品可能造成的辐射损伤挑战，未来将通过引入单色器、优化束流参数以及发展快速扫描或脉冲照射等手段加以防护，以确保实验结果的可靠性，为非平衡态和瞬态材料结构研究开辟更广阔的应用前景。

相关论文发表在Photon Science上，刘云鹏副研究员为文章第一作者，默广副研究员、李志宏研究员和吴忠华研究员为论文的共同通讯作者。

通讯作者信息

吴忠华研究员

中国科学院高能物理研究所研究员、博士生导师，北京同步辐射装置（BSRF）衍射散射线站负责人。在BSRF-衍射站发展了衍射异常精细结构技术、高低温样品环境系统；在BSRF-小角散射站发展了掠入射小角散射技术、样品原位散射系统。负责并完成了重大改造项目“BSRF-4B9A光束线单色器的改造”、“BSRF-4B9A光束线升级改进”、“BSRF-1W2A实验站新建”等任务。对固溶体、熔体、纳米材料、生物有机材料等进行过结构研究，在知名学术刊物上发表署名学术论文300多篇。曾获中国科学院自然科学奖二等奖一项（署名第3）和北京市科学技术二等奖一项（署名第1）。

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Photon Sci. 2026

https://doi.org/10.1021/photonsci.6c00026

Publication Date: August 11, 2026

关于Photon Science

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