ระบบลำเลียงแสงที่ 2.2                   

         ระบบลำเลียงแสง Time-resolved XAS เป็นความร่วมมือทางวิชาการระหว่างระหว่างมหาวิทยาลัยบอนน์สหพันธ์สาธารณรัฐ เยอรมนี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี และสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน โดยมหาวิทยาลัยบอนน์ได้บริจาคเครื่องคัดแยกพลังงาน (Energy dispersive monochromotor) และ ชุดสถานีทดลอง (optical bench) เพื่อใช้ในการสร้างระบบลำเลียงแสงสำหรับศึกษา การดูกลืนแสงของธาตุในย่านรังสีเอกซ์ (X-ray absorption spectroscopy)  เครื่องคัดแยกพลังงาน (Energy dispersive monochromotor, EDM)ประกอบด้วยผลึกทรงโค้ง (bent crystal) ทำหน้าที่คัดแยกรังสีเอกซ์จากแสงซินโครตรอน โดยจะให้รังสีเอกซ์ที่มีพลังงานต่อเนื่องในลักษณะแถบพลังงานและถูกโฟกัสไปรวมไว้ ณ จุดจุดหนึ่ง

                        

การคัดแยกพลังงานของรังสีเอกซ์ด้วยผลึกทรงโค้งอาศัยหลักการเลี้ยวเบนของแสง(Bragg diffraction) โดยทั่วไปธาตุแต่ละชนิดจะมีความสามารถในการการดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นเราจึงใช้ค่าพลังงาน absorption edge ของธาตุที่ต้องการวิเคราะห์เป็นตัวกำหนดมุมตกกระทบระหว่างแสงซินโครตรอนและผลึกในการคัดแยกรังสีเอกซ์ (เช่น โลหะไททาเนียมมีค่าพลังงาน absorption edge เท่ากับ 4966 อิเล็กตรอนโวลต์) ซึ่งการเปลี่ยนพลังงานโฟตอน (อิเล็กตรอนโวลต์, eV) เป็นความยาวคลื่นทำได้โดยใช้ความสัมพันธ์
เมื่อ E และ λ คือพลังงานและความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ตามลำดับ เนื่องจากรังสีเอกซ์ซึ่งถูกคัดแยกโดย EDM จะมีลักษณะเป็นแถบพลังงาน การคำนวณค่า energy bandwidth (DE)สามารถทำได้โดยใช้ความสัมพันธ์ตามสมการที่ (2) – (4)                                        
เมื่อ θ  = Bragg angle n =diffraction order และ d = ระยะระหว่างระนาบของผลึก
                                     
เมื่อ R = รัศมีความโค้งของผลึก p = ระยะทางระหว่างจุดกำเนิดแสงถึงผลึก   q = ระยะทางระหว่างผลึกถึงจุดโฟกัส l = ความยาวผลึก
           
      ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้ผลึก Si(111) (d = 3.135 Å) คัดแยกรังสีเอกซ์ซึ่งสอดคล้องกับ absorption edge ของโลหะไททาเนียม (4966 eV)  โดยสมมุติให้ค่า R = 4m p =10m q = 1.5m และ l =0.25m ผลึกทรงโค้งจะสามารถคัดแยกรังสีเอกซ์ได้ค่าแถบพลังงานประมาณ 600 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งกว้างพอที่จะนำไปใช้ศึกษา XANE และ EXAFS

      เมื่อแถบรังสีเอกซ์ซึ่งถูกคัดแยกโดย EDMส่องผ่านชิ้นงานตัวอย่างจะทำให้พลังงานบางส่วนถูกดูดกลืนไป การตรวจวัดการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของธาตุใช้อุปกรณ์ประเภทเซนเซอร์รับภาพ (NMOS linear image sensor) ทำการบันทึกรังสีเอกซ์ที่เหลือจากการดูดกลืนทุกค่าพลังงานไปพร้อมๆกันทำให้สามารถร่นระยะเวลาที่ใช้ในการบันทึกสเปกตรัมต่อหนึ่งสเปกตรัมลงเหลือต่ำกว่า 100 มิลลิวินาที จากเดิมต้องใช้มากกว่า 5นาทีสำหรับการวัดการดูดกลืนรังสีเอกซ์ทั่วไป

 

โครงสร้าง NMOS linear image sensor(www.hamamatsu.com)

NMOS linear image sensor ใช้ charge integration method ในการอ่านสัญญาณของประจุซึ่งเกิดจาก photoelectric conversion บน photodiode โดยประจุดังกล่าวจะถูกเก็บไว้ชั่วคราวที่ junction capacitance ก่อนจะถูกอ่านผ่าน video line สัญญาณที่อ่านได้จะเป็นสัดส่วนกับความเข้มของแสงและเวลาที่ใช้ในการทำ integration ดังนั้นเราสามารถเพิ่มความชัดของสัญญาณที่อ่านได้โดยการเพิ่มเวลาในการทำ integration

      การใช้ EDM ควบคู่กับ NMOS linear image sensor จึงเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการนำมาประยุกต์ใช้เพื่อศึกษาการดูกลืนรังสีเอกซ์ของธาตุเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของตัวอย่างขณะที่สภาวะแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไป (in-situ measurement)ตัวอย่างเช่น พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell)  หรือแบตเตอร์รี่ เป็นต้น

Technical specification  

• Electron energy: 1.2 GeV
• Operating photon energy : 4 - 12 keV
• Crystal: Si (111, 220) size 250 x 25 x 1 mm3
• Source-to-crystal distance: 9.7 m
• Detector: NMOS linear image sensor (1024 pixels with scintillator, Hamamatzu)
• Optical bench: 2.8 m long

 

การประยุกต์ใช้สำหรับ in situ XANES

 

คุณสมบัติของ in situ cell

• sample form:  pellet
• temperature:  30-700^o C
• gas :  O₂, N₂, He, Ar, H₂, Flammable gas (optional); max. flow rate 100 ml/min (N₂)

การติดตามการเปลี่ยนแปลงของตัวอย่างเมื่อให้ความร้อน

 Ti K-edge XANES of TiO₂

 

 Temperture Programmed Reduction (H₂-TPR)

Co K-edge XANES

 

 การติดตามการเปลี่ยนแปลงของตัวอย่างเมื่อให้ความต่างศักย์

 

Fe K-edge XANES

อ้างอิง

Y. Poo-arporn, P. Chirawatkul, W. Saengsui, S. Chotiwan, S. Kityakarn, S. Klinkhieo, J. Hormes and P. Songsiriritthigul, Time-resolved XAS (Bonn-SUT-SLRI) beamline at SLRI, Journal of Synchrotron Radiation 19 (2012), P. 937-943

W. Limphirat, N. Wiriya, S. Tonlublao, S. Chaichoy, P. Pruekthaisong, S. Duandmanee, P. Kamonpha, D. Kaewsuwan, N. Meethong, R. P. Poo-arporn, P. Songsiriritthigul, J. Hormes, Y. Poo-arporn, The current status of time-resolved XAS beamline at SLRI and application on in situ experiments, Radiation Physics and Chemistry 171 (2020), 108750.

 P. Kangvansura, Hans Schulz, Anwaraporn Suramitr, Yingyot Poo-arporn,Pinsuda Viravathana, Attera Worayingyong, Reduced cobalt phases of ZrO₂and Ru/ZrO₂promoted cobalt catalystsand product distributions from Fischer–Tropsch synthesis, Materials Science and Engineering B 190 (2014) 82–89.

O. Kamon-in, Sunisa Buakeaw, Wantana Klysubun,Wanwisa Limphirat, Sutham Srilomsak and Nonglak Meethong, A Study of Transient Phase Transformation in LFS/C using in-situ Time Resolved X-ray Absorption Spectroscopy, Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014), P. 4257 - 4267

 

ติดต่อ โทร. +66 44 217040 + ext.
ดร.ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์	ext. 1478	This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
ดร.วันวิสา ลิ้มพิรัตน์	ext. 1480	This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Beamline	ext. 1657