同步輻射技術(shù)及應(yīng)用同學(xué)-xafs課程2-athena軟件介紹

ATHENA軟件在XAFS

數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用閆文盛中國科大國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室

2011年3月27日上海基本內(nèi)容ATHENA簡(jiǎn)介EXAFS數(shù)據(jù)處理在ATHENA的作圖EXAFS數(shù)據(jù)預(yù)處理簡(jiǎn)單應(yīng)用

ATHENA簡(jiǎn)介

ATHENA簡(jiǎn)介雅典娜是一個(gè)處理EXAFS數(shù)據(jù)的專用工具

具有互動(dòng)、即時(shí)圖形顯示特點(diǎn)雅典娜可以直接處理在一些常用的光束線上采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雅典娜可以處理單組數(shù)據(jù)也可以同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)

精確控制數(shù)據(jù)處理、繪圖ATHENA簡(jiǎn)介將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成μ(E)曲線同時(shí)處理單個(gè)和多組數(shù)據(jù)校準(zhǔn)能量平滑μ(E)數(shù)據(jù)自動(dòng)背底扣除（AUTOBK）線形擬合XANES和EXAFS數(shù)據(jù)對(duì)XANES的邊前峰進(jìn)行初步分峰擬合具有工程文件-----------------

ATHENA簡(jiǎn)介基本功能

圖1:athena主窗口

ATHENA簡(jiǎn)介圖2:輸入了數(shù)據(jù)的athena主窗口

ATHENA簡(jiǎn)介XAFS數(shù)據(jù)處理求-E曲線歸一化背底扣除

E→k轉(zhuǎn)換求(k)及加權(quán)和加窗快速Fourier變換Fourier濾波-E曲線

透射

熒光數(shù)據(jù)輸入圖3在Athena中讀入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入-E曲線歸一化的原因：由于設(shè)備、數(shù)據(jù)采集模式、入射光強(qiáng)度、樣品厚度等等的不同，一系列的原始數(shù)據(jù)的吸收譜記錄下來的吸收強(qiáng)度會(huì)有所不同，不具有可比性。為了對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，需要將它們歸一化，統(tǒng)一成可比數(shù)據(jù)。歸一化的目的：是研究一組數(shù)據(jù)的區(qū)別和聯(lián)系，單獨(dú)對(duì)某一數(shù)據(jù)的歸一化并無實(shí)際意義。歸一化的方案：不唯一，例如可以在邊后選取兩點(diǎn)，其連線與吸收邊的交點(diǎn)定為1，或者取邊后兩點(diǎn)，計(jì)算這一段數(shù)據(jù)圍成的面積（以該段數(shù)據(jù)最低點(diǎn)作x軸平行線為該圖形的底），然后找到將這個(gè)圖形面積一分為二的橫線，定其縱坐標(biāo)為1。歸一化扣除本底的方法很多，例如迭代低次多項(xiàng)式、傅立葉變換過濾法、外推法等等。一般使用外推法，應(yīng)用維克多林公式（μ(λ)=Cλ3-Dλ4）擬合吸收邊前的吸收曲線，將它延長(zhǎng)到吸收邊以后，作為本底部分扣除。當(dāng)然也可以使用多項(xiàng)式法分別擬合邊前邊后兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，作為本底扣除。歸一化物理基礎(chǔ)是：

物質(zhì)的總吸收系數(shù)的變化在吸收邊前是單調(diào)平滑的。在吸收邊處，某一電子的吸收發(fā)生突變。到了吸收邊后，該電子的吸收波動(dòng)產(chǎn)生了EXAFS,而其它吸收因素的吸收仍然按照原規(guī)律變化，因而可以找到其變化規(guī)律，將其作為本底吸收。當(dāng)然，這只是一種近似，因?yàn)槲者吅蟮谋尘拔詹辉摪斐晌者叺碾娮拥奈?，而邊前的吸收中總是包含這個(gè)電子的吸收的。還有，探測(cè)器和電子學(xué)儀器的相應(yīng)差別，高次諧波、彈性吸收和多電子激發(fā)等的影響也有不同，使得探測(cè)到的I0只是實(shí)際I0的一部分。歸一化和本底扣除對(duì)于一般的測(cè)量數(shù)據(jù)來說，通過程序中缺省的參數(shù)都可以進(jìn)行很好的歸一化和本底扣除對(duì)于信噪比較差、白線峰較高以及出現(xiàn)了鄰近的另一個(gè)吸收邊的數(shù)據(jù)，需要我們改變程序中相應(yīng)的參數(shù)來進(jìn)行合理的歸一化和本底扣除歸一化在ATHENA中：歸一化

圖4:在athena中歸一化的參數(shù)圖5:(左)具有邊前和邊后延長(zhǎng)線的Cufoil吸收曲線μ(E)(右)歸一化的Cufoil的吸收曲線μ(E)歸一化邊后歸一化范圍選擇不當(dāng)帶來的影響：歸一化

圖6:(左)歸一化范圍選擇不當(dāng)?shù)腂aTiO3

譜(右)相應(yīng)的歸一化BaTiO3

譜TiKedgeBaL3edgeBaTiO3圖7:(左)在水合鈾的吸收譜中選擇了不同的歸一化范圍(右)歸一化后吸收譜之間的比較歸一化UL3edge42eV75eV影響對(duì)U化學(xué)價(jià)的判斷硫醇樹枝狀大分子弱相互作用得到電子強(qiáng)相互作用失去電子歸一化AuAu圖8:含有鈾和釔的沉淀物歸一化YKedgeUL3edge邊前范圍的不當(dāng)選取扭曲臺(tái)階高度和XAFS信號(hào)背底扣除背底扣除背底扣除背底扣除圖9:輸入了fe.300數(shù)據(jù)的athena界面Rbkg參數(shù)的影響背底扣除圖10:(左)fe.300的吸收譜和背底函數(shù)

(右)fe.300的χ(k)曲線.(下)

fe.300的χ(R)曲線背底扣除圖11:利用不同Rbkg（0.2和1）獲得的χ(R)和χ(k)的比較紅色Rbkg=0.2藍(lán)色Rbkg=1Rbkg=0.2背底扣除紅色Rbkg=2.5藍(lán)色Rbkg=1

圖12:利用不同Rbkg（1和2.5）獲得的χ(R)的比較Rbkg通常選擇為第一近鄰配位殼層的一半為好！Rbkg=2.5疊加了一個(gè)低頻信號(hào)背底扣除K-weight對(duì)背底扣除的影響對(duì)信噪比較好的數(shù)據(jù)：K=2，3較好對(duì)信噪比較差的數(shù)據(jù)：K=1較好

圖13:在背底扣除中k-weight參數(shù)圖14:在噪音較大的數(shù)據(jù)中，當(dāng)k-weight為3時(shí)獲得的背底函數(shù)背底扣除背底扣除

圖15:在背底扣除中K的不同取值范圍對(duì)Aufoil的χ(k)曲線的影響圖16:顯示了額外背底參數(shù)的athena主窗口背底扣除E至k空間轉(zhuǎn)換圖17:E至k空間轉(zhuǎn)換得到χ(k)之后，還要對(duì)其進(jìn)行加權(quán)變換。公式中的散射振幅Fj（k）在高k部分基本上反比于k2，由此可以看出，EXAFS信號(hào)的振幅隨著k的增加衰減的很快，這對(duì)高k部分的數(shù)據(jù)處理非常不利。高k部分的振蕩包含了極多的結(jié)構(gòu)信息，為了補(bǔ)償這一損失，常用kn去乘χ(k)，kn是一個(gè)權(quán)重因子，隨著k的增加，權(quán)重因子以指數(shù)形式增長(zhǎng)。E至k空間轉(zhuǎn)換n取1，2，或3，它不僅與吸收原子、散射原子種類有關(guān)，而且與具體體系有關(guān)，與原始數(shù)據(jù)信噪比有關(guān)，要依據(jù)knχ(k)－k曲線的情形來判斷。通?？梢砸罁?jù)吸收原子的原子序數(shù)來定。1979年，Lee等人提出一個(gè)建議：在原子序數(shù)Z<36，36<Z<57及Z>57三種情況下，n分別取3，2，1。公式中本身就還有1/k因子，由有Fj（k）對(duì)k的影響，乘上k3后就基本消滅了這兩個(gè)使振幅隨k增大而變小的因素，使EXAFS信號(hào)的振蕩比較均勻。此外，EXAFS受化學(xué)效果的影響主要表現(xiàn)在低k部分，加權(quán)可以很大程度上抹去這種影響的效果E至k空間轉(zhuǎn)換快速Fourier變換圖18:Fourier變換的參數(shù)選擇可以看出，χ(k)是由不同Rj處各配位層對(duì)散射波的共同調(diào)制疊加形成的，從公式可以看出，χ(k)是對(duì)各殼層χj(k)的求和。它不僅是k的函數(shù)，也是Rj的函數(shù)，不同Rj處的配位層對(duì)EXAFS振蕩的貢獻(xiàn)不同。可以想象，將各Rj配位層對(duì)EXAFS的貢獻(xiàn)求出，即從公式中分解出各個(gè)殼層單獨(dú)的信息ρ（Rj）（即確定Rj對(duì)k積分），作ρ（R）－R圖，則各配位殼層對(duì)應(yīng)的Rj位置上必然有所表示，而其它R處只有本底。這種ρ（R）－R圖表征的函數(shù)稱為徑向結(jié)構(gòu)函數(shù).快速Fourier變換以Cu的χ(k)和χ(R)函數(shù)來闡明之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系快速Fourier變換傅立葉變換法具有頻譜分析的功能，可以很好地將χ(k)從頻域變換到空間域，單獨(dú)研究各殼層。按照傅立葉變換的定義，這個(gè)操作應(yīng)當(dāng)在-∞到∞的范圍內(nèi)進(jìn)行，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可能達(dá)到這個(gè)要求，低k部分的截取除去了XANES部分，使得所有慢變成分全都消失，高k部分的有限長(zhǎng)度限制了變換結(jié)果的分辨率。如果將χ(k)兩端強(qiáng)行設(shè)置為0，會(huì)給傅立葉變換帶來邊瓣，因此要在變換中加入一個(gè)窗函數(shù)ω（k），使其兩端緩慢變?yōu)?，減少干擾。加窗這一操作在許多科學(xué)計(jì)算中都有使用，因?yàn)榇昂瘮?shù)可以去除部分噪音，選取需要的分立數(shù)據(jù)，等等優(yōu)點(diǎn)。在EXAFS的傅立葉與反傅立葉變換中都需要用到。

快速Fourier變換快速Fourier變換Kmin取離y=0最近的一個(gè)點(diǎn)，但值最好大于3Kmax取離y=0最近的一個(gè)點(diǎn)，且其值要使振蕩為一完整周期，周期越多越好，但要避免噪音較大的情況圖19:在Fourier變換中加窗的χ(k)不同窗函數(shù)之間的比較漢寧(hanning)凱澤--貝塞爾窗(Kaiser-bessel)韋爾奇(welch)正弦(Sine)漢寧(hanning)漢寧(hanning)dk=1dk=3快速Fourier變換圖20:Fourier變換后的Cufoil的χ(R)快速Fourier變換圖21:顯示了實(shí)部、虛部以及包絡(luò)線的χ(R)

考慮相位校正快速Fourier變換在Fourier變換中，選擇不同窗口的比較正弦漢寧快速Fourier變換.

Fourier變換的解釋Fourier變換復(fù)數(shù)形式為Fourier變換的模很像“徑向分布函數(shù)”。但它完全不是、也不能把它俗稱為“徑向分布函數(shù)”。Fourier變換的模是非線性的。Fourier變換的模中，兩峰之間低到零時(shí)，不一定兩峰會(huì)分得很開，很可能是有干涉存在。Fourier變換函數(shù)的峰位與配位距離有關(guān);峰高與配位數(shù)、無序參量2、k權(quán)重、k空間窗口選取等有關(guān)。對(duì)于中等和大無序系統(tǒng),無序會(huì)導(dǎo)致峰位位移。不同溫度下Sb樣品的Sb的χ(k)和χ(R)快速Fourier變換快速Fourier變換圖22:具有不同k范圍的Fefoil的χ(R)Fourier濾波圖23:Fourier濾波的參數(shù)選擇Fourier濾波圖24:Cufoil的x(R)的Fourier濾波如何選擇變換范圍？數(shù)據(jù)的輸出圖25:在athena中的數(shù)據(jù)輸出圖26:在能量空間中作圖的面板在ATHENA中作圖在ATHENA中作圖K空間R空間q空間圖27:在R空間利用stack面板平移Au氯化物的x(R).在ATHENA中作圖

圖28:利用Ind面板在k空間標(biāo)示出需要對(duì)比的特殊點(diǎn)在ATHENA中作圖

圖29:利用PF面板讀出某一特定點(diǎn)的坐標(biāo)在ATHENA中作圖EXAFS數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖3