阴极发光辅助仪

2018年3月， 我们成功获得阴极发光系统SPARC的重要订单。在丹麦，联合TESCAN公司获得南丹麦大学（University of Southern Denmark）的订单。南丹麦大学使用我们的先进阴极发光系统，应用于纳米光子学的研究。纳米光子学（Nanophotonics)是研究光在纳米范围内行为的科学。它是光工程的一分支。它研究光学，光和粒子或物质在亚波长长度范围的相互作用。另外一台订单来自德国Braunschweig University of Technology，这套系统除了基本系统功能外， 还特别配置了time-resolved时间分辨功能，包含超快扫描相机。时间分辨阴极发光系统，是delmic今年最新发布的产品，全球领先。项目开发来自delmic公司、赛默飞FEI和Hamamatsu战略合作。

p　　2月19日，科技部网站发布关于发布重大科学仪器设备开发专项2016年度指南的通知，本指南共设置了关键核心部件、高端通用科学仪器和专业重大科学仪器3类任务，下设10个重点方向。其中核心关键部件开发与应用中包括：源部件、探测器与传感器、分析分离与控制部件。而空心阴极灯项目列于源部件项目的第一位, 为原子吸收光谱仪和原子荧光光谱仪等仪器提供核心部件。据业内人士说，该考核指标稍高于进口产品的指标，对于目前国产空心阴极灯相关企业来说，具有一定难度，但是，是完全可以达到的(具体指标详见文后)。/pp　　回顾历史，在上世纪60年代，中国已经研制出自己的空心阴极灯，与国外基本同时起步。如今，HCL国产厂商主要是有色金属研究院、曙光明、河北衡水宁强光源等，国外厂商主要有贺利氏、珀金埃尔默、安捷伦(原瓦里安)等。近年来，中国市场HCL年销售量约为10万支，其中国产产品占据了95%左右的市场份额。/pp　　但是，在高端空心阴极灯方面，国产产品还存在一定差距。“与进口HCL比较，国产HCL在外观、一致性方面有一定的差距，但是，性能方面的差距非常之小，而长期稳定性已经完全没有问题。” 生产工艺或生产技术方面是否还存在一些难点?对此，有色院李中建说，“HCL生产过程中手工作业的比例较大，但是，我们已经在不断改进，尝试投入更多的自动化生产设备。在生产工艺上还需要继续提高，以克服一致性、噪音问题，以及整体的设计工艺。所以说，今年国家科学仪器重大专项支持的到来，对于促进国产HCL产业发展是一个非常好机遇。”/pp　　strong空心阴极灯产品概况/strong/pp　　空心阴极灯(HCL)是原子吸收、原子荧光光谱仪必不可少的组成部分。原子荧光的灯和原子吸收的灯原理是一样的，但是结构上有一定的区别。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/37ad5e5a-c896-45ae-826f-65e38938e022.jpg" title="HCL.jpg"//pp　　原子吸收的空心阴极灯有单元素灯、多元素灯、高性能灯和多阴极灯。最常用的空心阴极灯由一个钨(W)棒阳极和含金属元素或其合金的空心圆柱杯阴极组成。两极之间充满低压的惰性气体(Ne或Ar气)，密封在一种特性玻璃筒里，应用辉光放电和阴极溅射原理将HCL点亮。充Ne气的HCL呈橘红色，充Ar气的HCL呈浅蓝色。/pp　　单元素灯阴极由1种金属元素或其合金构成。多元素灯阴极由2～7种金属元素合金或混合物构成 优点是可以在不换灯情况下连续测定多种元素，缩短预热时间和换灯的麻烦 缺点：比单元素发射强度弱，有些元素搭配不当会造成相互影响，并可能降低寿命。多阴极灯由一个阳极放置中间位置，其周围放置6种金属元素6个阴极。其原理与单元素(HCL)相同，其价格昂贵。/pp　　高性能灯除了和普通HCL一样有1个阴极和1个阳极外，还增加了一对辅助电极。辅助电极间通过几百mA的低压直流电，使其产生电离的气体原子流，使从空心阴极溅射出来的金属原子与之碰撞后进一步激发，从而提高共振线的强度。这种灯光强度比普通HCL强几倍到几十倍，不产生谱线变宽，适用于As、Sb、Bi、Se、Ag、Cd、Pb或某些稀土元素。/pp　　strong难以替代的空心阴极灯/strong/pp　　空心阴极灯是原子吸收、原子荧光光谱仪的关键核心部件，而原子吸收、原子荧光光谱仪的市场规模都相对较大，仪器生产商数量非常多。其中，原子吸收光谱仪器是现代分析检测实验室必备的重要检测手段，有着广泛的应用。据现有不甚完整的资料显示，近年来中国市场原子吸收光谱仪器年销售量约为5000多台。据初步统计，目前全国有AAS生产厂家达20家，国外在华厂商近10家。如普析通用、东西分析、上海光谱、北京海光、北京瑞利，岛津、珀金埃尔默、德国耶拿、安捷伦、赛默飞、日立等。/pp　　而原子荧光光谱仪是我国少数具有自主知识产权、技术水平超过进口的分析仪器。目前国内外生产AFS的主要仪器厂商有10多家，有北京海光、北京吉天、北京瑞利、普析通用、廊坊开元、东西分析、金索坤、江苏天瑞、卓信博澳、欧罗拉等。近年来，原子荧光光谱仪每年销售量大致在2500~3000台。/pp　　原子吸收、原子荧光光谱法是元素分析领域现行标准方法的主力军。现有各国颁布各类原子吸收光谱分析的标准共计2600多个，中国颁布的国家标准和行业标准近800个。原子荧光光谱法在各个领域中先后建立了相关的国家标准、行业标准和地方标准，截至2011年5月为止已建立的各项标准己达111项。正是这些标准的建立，有力推动了原子吸收、原子荧光光谱仪的推广和普及，现已成为众多实验室常规的分析仪。/pp　　未来对HCL的需求与国家经济的发展状况息息相关。“目前，采购、使用原子吸收、原子荧光光谱仪的用户多是基层单位和工业企业。”对于基层单位和工业企业，日常检测的元素比较固定，且数量不多，对这样的用户原子吸收光谱仪器具有最好的性价比。而对于As、Hg等元素的检测，原子荧光具有ICP-MS都不具有的优势，方法简便、灵敏度高，并且在仪器价格和使用成本上具有很大的优势，适合地级市等小型实验室及检测中心的使用，符合中国经济发展的现状，是元素分析非常必要的补充仪器。/pp　　由于原子吸收、原子荧光光谱仪在未来的不可替代性，这样大的一个‘用户群’也为HCL打下了坚实的基础，使得HCL也同样具有了不可替代性。可预见，未来20年内HCL行业都会平稳发展。/pp style="text-align: right "撰稿：刘丰秋/p

近期，西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者一起，发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超传统的光阴极材料，且无法为现有理论所解释，为光阴极研发、应用与基础理论发展打开了新的天地。3月8日，相关论文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前线上发表于Nature期刊。西湖大学博士研究生洪彩云、邹文俊和冉鹏旭为共同第一作者，西湖大学理学院长聘副教授何睿华为通讯作者。全部实验和理论工作都在西湖大学完成。摄影师镜头下，首例具有本征相干性的光阴极量子材料：钛酸锶。光阴极：辉煌的出身，沉寂的领域，现代科技的基石之一1887年，德国物理学家赫兹在实验中意外发现，紫外线照射到金属表面电极上会产生火花。1905年，爱因斯坦基于光的量子化猜想，提出了对该现象的理论解释。这标志着量子力学大门的正式开启，因为这个贡献，爱因斯坦于1921年被授予诺贝尔物理学奖。由此，将“光”转化为“电”的“光电效应”，以及能够产生这个效应的“光阴极”材料，正式进入了人类的视野。伴随着对光电效应理解的加深，人们后来发展出了更完善的理论，能够解释所有光阴极材料的基本性能，并成功预言了当时未知的光阴极材料。这些光阴极材料基本上都是传统金属和半导体材料，大多数在60年前被发现。它们已经成为当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。这类高精尖设备除了常见于实验室，还被应用在大众生活中，如粒子加速器已被用于治疗癌症、杀灭细菌、开发包装材料、改进车辆的燃料注入等。简单说来，光阴极材料是否“好用”，直接关系着这类设备的性能。然而，这些传统的光阴极材料存在固有的性能缺陷——它们所发射的电子束“相干性”太差，也就是电子束的发射角太大，其中的电子运动速度不均一。这样的“初始“电子束要想满足尖端科技应用的要求，必须依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性，而这些特殊工艺和辅助技术的引入极大地增加了“电子枪”系统的复杂度，提高了建造要求和成本。钛酸锶：量子材料之光，光阴极领域的潜在重启者尽管基于光阴极的电子枪技术最近几十年来有了长足的发展，但它已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量级上的提升，而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了，只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。长期深耕材料物理性质研究的西湖大学理学院何睿华团队，意外在一个同类物理实验室中“常见”的身影——钛酸锶上实现了突破。近年来兴起的一大类新的材料——量子材料，以其复杂多变的性质和丰富多样的功能而著称。具有钙钛矿结构的钛酸锶（SrTiO3）是这类材料的重要代表之一。被誉为“钛酸锶之父”、高温超导发现人、诺贝尔物理学奖获得者K. A. Muller教授称钛酸锶为“固体物理中的果蝇”，因为很多重要的固体物理现象都是首先从该材料上发现的，其中还包括许多尚未被理解的现象。然而，以钛酸锶为首的氧化物量子材料研究，其主流是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究，主要关注的是它们独特的电子学相关性质。但何睿华团队却在实验中发现，这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力——它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能：相干性（见图1说明），从而极大地弥补了现有光阴极材料的缺憾。图1. 钛酸锶和其他材料的初始电子束能谱分析对比。前者具有更高的初始电子束相干性，具体体现为：电子发射动能能量发散度小于0.01 eV（a），发散角小于2°（b），相比普通材料的约0.5 eV和20°有了数量级上的提升。Nature论文匿名审稿人指出：“与类似实验条件下的其他现有光阴极相比，钛酸锶光阴极最重要的性质是它所发射的初始电子束所具有的相干性有了数量级上的提升。这种性能上的巨大飞跃允许（人们）完整获得具有本征相干性的电子束，而无需为了提高相干性而牺牲电子束流强度。这一发现可能会导致光阴极技术发生范式转变，该技术长期以来一直受困于（电子枪）电子束不能同时具有高相干性和高束流强度的矛盾，（这个矛盾的）根源就在于初始电子束的本征非相干性。”超快电镜专家、论文合作者、西湖大学理学院研究员郑昌喜认为，合作团队发现的重要性“不在于往钛酸锶的神奇性质列表增添了一个新的性质，而在于这个性质本身，它可能重启一个极其重要、被普遍认为已发展成熟的光阴极技术领域，改变许多早已根深蒂固的游戏规则”。角分辨光电子能谱：以子之矛，攻子之盾图片设计师：林晨科学探索常常在意外中触碰出新的火花。为什么何睿华团队能在“常见”的材料上获得新的发现？这得归功于一种强大的、但很少被应用于光阴极研究的实验手段：角分辨光电子能谱技术。以往，由于大部分具有较高性能的传统光阴极材料其表面具有多晶或非晶结构，光阴极领域的主流研究方法依赖的主要是光电流探测，这个135年前已开始使用的实验手段。这也使得一大类新近发展出来的研究单晶量子材料的实验利器无用武之地，其中包括角分辨光电子能谱技术。究其本质，角分辨光电子能谱技术这个技术的工作原理，就是光电效应。它被用于探测材料的电子结构，即了解电子如何在材料里运动。在过去的几十年里，角分辨光电子能谱技术主要用于研究跟材料的光学、电学和热学性质相关的那部分电子结构。受这种强烈的科学关注的驱使，现有大多数实验设施针对相关能量区域内的电子结构测量进行了相应的配置和优化。谁能想到，这个运用了光电效应原理的技术，竟然能“以子之矛，攻子之盾”，挖掘出光电效应中新的物理——在实验中，西湖大学何睿华团队使用了这个源自光电效应的量子材料研究利器，出乎意料地捕捉到了单晶量子材料的独特光电发射特性。通过对角分辨光电子能谱仪进行“非常规”配置，以实现对非常规能量区域内、与光电效应相关的电子结构测量，他们发现钛酸锶优越的光阴极性能来自于其独特的光电发射性质（图2），而这些性质明显不同于所有已知的光阴极材料。可以说，它们几乎在每个主要方面都超出了已有光电发射理论的预期。图2. 普通光阴极材料（a）和光阴极量子材料钛酸锶（b）所发射的初始电子束的区别。关于西湖大学团队的以上结论，角分辨光电子能谱理论权威、论文合作者、美国东北大学教授Arun Bansil进行了理论确认，他指出：“（这个发现）表明我们对光电效应相关物理过程的完整理解缺少一些很基本的东西，而这个缺失的元素可能成为开启整个光阴极量子材料家族之门的钥匙，（这些材料）具有独特的、不为现有材料所具有的光阴极性能。”展望：从理论到应用的待解之谜而发现，往往只是驶向未知浩瀚海洋的第一步。在激动人心的发现过后，何睿华实验室立刻投身于下一步的探索之中。据本成果的第一作者、西湖大学理学院2019级博士生洪彩云介绍，接下来，他们将进一步在理论和应用方面展开对钛酸锶材料的研究工作。在理论方面，既然现有理论失灵了，那就意味着需要建立新的理论，来解释观察到的钛酸锶光阴极性能。何睿华对此给出了一个非常大胆的猜想，跟Bansil组合作提出了一个全新的光电发射机制。按照这个新的理论，他们预测了一大类由此新机制主导的候选光阴极量子材料，实验团队正计划对这些材料预测进行一一验证。在应用方面，既然钛酸锶材料比已有的光阴极材料表现都要更理想，团队也计划与相关领域的团队合作，挖掘这种材料的实际应用价值。何睿华在西湖大学的个人介绍页面上，写着对这所学校的心愿：“希望西湖大学能成为一个具有独特定位，鼓励学科交叉和大胆创新的冒险家乐园”。事实上，首个光阴极量子材料钛酸锶的发现，也正开花于他带领团队进行的长达数年的沉浸式“冒险”探索之中。原本，实验室所进行的一个“小”研究项目是研究量子材料的逸出功（注：在光电效应中，电子跃出材料表面需要付出一定的能量“代价”，即逸出功）。依托物质科学平台的超高真空互联系统，以“高通量”手法批量测量各材料的逸出功时，他们偶然发现钛酸锶有些“与众不同”，并且抓住了这个“意外”，这才得以有了后面的发现。有趣的是，何睿华实验室“无心插柳柳成荫”的发现，似乎在冥冥中，也呼应了人类与光电效应意外“相遇”的起始点——1887 年，赫兹为了证明麦克斯韦的电磁波预言，进行了火花放电实验，而偶然发现了这种神奇的现象。探索前人未达之境。热爱“冒险”的西湖科学家们，将进一步挖掘光阴极材料的更多奥秘。