Chemische Analyse von Materialien mit hohen Ordnungszahlen (Z) mit unserm Labor-XAS-System
Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ist eine leistungsfähige Methode für die Untersuchung chemischer Zustände und die koordinierten Umgebungen ausgewählter Elemente. Seit einigen Jahren ist XAS auch für den Laborbereich kommerziell erhältlich. In diesem Bericht demonstrieren wir die außergewöhnliche Leistungsfähigkeit des QuantumLeap H2000 von Sigray für hochenergetische XAS an einer Zr-Probe bei 17998 eV.
Viele Labor-XAS-Systeme haben Schwierigkeiten mit Energien >12 keV aufgrund von zunehmenden sagittalen Fehlern für Johann-Geometrien bei hohen Energien. Das ist problematisch, da viele wichtige Katalysatoren (Pt und Zr) und Actinoide (U, Pu, Th, etc.) L- und K-Kanten im Bereich 12 bis 25 keV (s. Abb. 1) haben.
Sigray‘s QuantumLeap Röntgenabsorptionsspektroskopie-Systeme sind die ersten XAS-Laborinstrumente mit Synchrotron ähnlichen Fähigkeiten. Die QuantumLeap Systeme vereinen mehrere patentierte Eigenschaften, z. B.
- ultrahelle Röntgenquellen,
- die Aufnahmetechnologie und
- das Systemdesign.
Die QuantumLeap H-Serie ist für einen breiten Energiebereich von 4.5 und 25 keV optimiert. Insbesondere die Kapazitäten im hochenergetischen Bereich zwischen 12 und 25 keV sind von großer Bedeutung für zahlreiche nukleare Anwendungen sowie in der Katalyse.
Experimente und Ergebnisse
Wir haben das QuantumLeap an einer Zr-Folie mit einer Dicke von 7,5 µm eingesetzt, um die Möglichkeiten aufzuzeigen, die das System bei hochenergetischer Röntgen-Nahkanten-Absorptionsspektroskopie (XANES) und Röntgenabsorptionsfeinstruktur-Analyse (EXAFS) bietet.
Abb. 1: Periodensystem der Elemente mit Hervorhebung der Elemente mit L- und K-Kanten zwischen 12 und 25 keV. K-Kanten sind in grün dargestellt, L-Kanten in türkis.
Abb. 2: Zr K-Kante (17998 eV) XANES und EXAFS einer Zr-Folie, gewonnen mit QuantumLeap (schwarz), mit komparativen Synchrotron-Daten (rot).
Methode
Mithilfe der intuitiven Software wurde die K-Kante von Zr aus dem Periodensystem der Elemente ausgewählt. Das System hat automatisch den geeigneten Kristall ausgewählt - einen zylindrisch gebogenen Johansson Kristall Ge (800). Ein Energiespektrum von 17,8 - 18,7 keV (Wellenzahl k=~13 Å-1) wurde innerhalb von sieben Stunden erstellt (s. Abb. 2). Die XAS-Daten wurden mit den Programmen Athena und Artemis des IFEFFIT Pakets [1] verarbeitet und analysiert.
Ergebnisse und Diskussion
Die quantitative Analyse der Zr K-Kanten EXAFS wurde durchgeführt, indem theoretische EXAFS-Spektren an die Versuchsdaten im R-Space gefittet wurden, um Strukturparameter zu erhalten (s. Tabelle 1). Darin enthalten waren die Koordinationszahl N, die Bindungslänge R, und der Störfaktor σ2. Die Streubeiträge der kürzesten Zr-Zr-Verbindung von 3,21 Å sind ebenfalls enthalten.
Die Korrelation zwischen Bindungslänge und Störfaktoren zwischen Synchrotron und QuantumLeap-Daten ist hervorragend. Die Fehlerbalken aller Parameter sind klein, was die Zuverlässigkeit der Ergebnisse unterstreicht.
| Strukturparameter | Synchrotron | Sigray QuantumLeap |
|---|---|---|
| N | 12 | 12 |
| R (Å) | 3,23 ± 0,01 | 3,21 ± 0,01 |
| σ2 (Å2) | 0,009 ± 0,001 | 0,012 ± 0,002 |
Synchrotron und Sigray QuantumLeap Zr Spektren (17,8 bis 18,7 keV) wurden mit Artemis analysiert. Die Ergebnisse zeigen exzellente Übereinstimmung miteinander, was die außergewöhnlichen Hochenergie-XAS-Fähigkeiten des QuantumLeap demonstriert
Zusammenfassung
Wir haben gezeigt, dass Labor-XAS mit dem QuantumLeap System von Sigray synchrotron-ähnliche Ergebnisse für hochenergetische XAS-Analyse liefern kann. Mithilfe bewährter Software wurden die Messungen an einer Zr-Folie in quantitative Ergebnisse überführt (Bindungslänge, Koordinationszahl und lokale atomistische Unordnung).
[1] B. Ravel and M. Newville, ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT, Journal of Synchrotron Radiation 12, 537–541 (2005).
