Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Анализ дальней тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в конденсированных средах

Диссертация: Анализ дальней тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в конденсированных средах
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Предложена процедура выделения плавной и осциллирующей составляющих EXAFS, основанная на применении вариационного принципа. В ходе процедуры создается функционал, зависящий от обрабатываемого спектра EXAFS и его осциллирующего компонента и принимающий минимальное значение при искомом виде осциллирующей составляющей. Искомая осциллирующая составляющая EXAFS определяется из решения уравнения… Читать ещё >

Анализ дальней тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в конденсированных средах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Литературный обзор
    • 1. 1. Физические основы спектроскопии поглощения рентгеновского излучения
      • 1. 1. 1. Интерференция фотоэлектронных волн на атомах вещества
      • 1. 1. 2. Особенности спектров рентгеновского поглощения
      • 1. 1. 3. Основы обработки спектров рентгеновского поглощения
    • 1. 2. Экспериментальное получение спектров рентгеновского поглощения
      • 1. 2. 1. Методики получения спектров рентгеновского поглощения, основанные на прохождении фотонов сквозь образец
      • 1. 2. 2. Поверхностно-чувствительные экспериментальные методики регистрации ХАРБ
    • 1. 3. Особенности обработки спектров рентгеновского поглощения
      • 1. 3. 1. Определение осциллирующей части спектра рентгеновского поглощения
      • 1. 3. 2. Определение значения энергии края фотоионизации
      • 1. 3. 3. Определение интервала обработки спектра рентгеновского поглощения
    • 1. 4. Выводы
    • 1. 5. Цель и задачи работы
  • Глава 2. Определение осциллирующей составляющей спектра рентгеновского поглощения вариационным методом
    • 2. 1. Применение вариационного принципа для выделения осцилляций спектра рентгеновского поглощения
    • 2. 2. Выбор существующего метода выделения осцилляций ЕХАБв для сравнения результатов его применения с результатами использования методики, основанной на вариационном принципе
    • 2. 3. Общий вид осциллирующих составляющих спектра рентгеновского поглощения
    • 2. 4. Фурье — анализ осциллирующей части спектров рентгеновского поглощения
    • 2. 5. Основные достоинства разработанной методики выделения осцилляций рентгеновского спектра поглощения
    • 2. 6. Выводы
  • Глава 3. Определение пороговой энергии фотоионизации
    • 3. 1. Фундаментальные проблемы определения величины края фотоионизации
    • 3. 2. Зависимость результатов обработки ХАРБ от значения энергии края фотоионизации
    • 3. 3. Анализ существующих методов определения величины энергии края фотоионизации
    • 3. 4. Выводы
  • Глава 4. Определение параметров окна Фурье-преобразования осциллирующих компонентов спектров рентгеновского поглощения
    • 4. 1. Описание алгоритма поиска области Фурье-анализа спектра рентгеновского поглощения
    • 4. 2. Оптимизация окна Фурье-преобразования
    • 4. 3. Выводы
  • Глава 5. Анализ спектра рентгеновского поглощения человеческого белка церулоплазмина на основе разработанной методики
    • 5. 1. Критерии выбора параметров анализа спектра рентгеновского поглощения
    • 5. 2. Спектр ЕХАРБ церулоплазмина вблизи К-края Си
    • 5. 3. Сравнительный анализ спектров ЕХАРЭ церулоплазмина, металлической меди, оксида меди-1 и нитрата меди-П
    • 5. 4. Выводы

Актуальность.

Современный этап развития нанотехнологий и биотехнологий требует применения методов диагностики конденсированных сред с субатомным разрешением. Одним из наиболее точных инструментов является EXAFS-спектроскопия — спектроскопия дальней тонкой структуры поглощения рентгеновского излучения (Extended X-Ray Absorption Fine Structure). В отличие от метода рентгеновской дифракции, спектроскопия EXAFS анализирует не дальний, а ближний порядок атомной структуры в веществе. Данный метод позволяет определять межатомные расстояния с точностью до тысячных долей нанометра. Другое преимущество спектроскопии EXAFS состоит в том, что она чувствительна к типу атомов, окрестности которых анализируются. Наконец, этот метод применим не только к кристаллам, но и к аморфным, а также жидким и газообразным веществам.

При ионизации атома вещества рентгеновским фотоном образуется фотоэлектрон. Когда энергия фотоэлектрона меньше или порядка 1 кэВ, его состояние описывается сферической волной, формирующейся вокруг атома-поглотителя. Распространяясь в веществе, электронная волна рассеивается на атомах. Поскольку рассеянные волны интерферируют с первичной фотоэлектронной волной, вокруг атома-поглотителя возникает интерференционное поле, которое модулирует колебания линейного коэффициента рентгеновского поглощения. Период осцилляций линейного коэффициента рентгеновского поглощения связан с расстоянием от атома-поглотителя до ближайших к нему атомов. Амплитуда этих осцилляций связана с амплитудами рассеяния фотоэлектронной волны атомами — соседями атома-поглотителя и зависит от количества атомов ближайшего окружения атома-источника и их химической принадлежности. Поскольку источник фотоэлектронной волны совпадает с ее приемником в пространстве, межатомные расстояния в веществе могут быть определены с высокой точностью (до сотых и тысячных долей нанометра).

Задача анализа осциллирующей части требует определения, во-первых, собственно осциллирующей частиво-вторых, пороговой энергии фотоионизациив-третьих, области обработки спектра рентгеновского поглощения. В настоящее время для решения первых двух задач используется большое количество методов, обладающих определенными достоинствами и недостатками. Детальное исследование вопроса о нахождении диапазона обработки спектров рентгеновского поглощения практически отсутствует в литературе.

Поэтому создание комплекса методов обработки спектров рентгеновского поглощения является актуальным.

Цель работы.

Целью данной работы является разработка методик обработки спектров на краях рентгеновского поглощения конденсированных сред на основе физических и математических принципов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач.

1. Разработка способа определения осциллирующего компонента спектров рентгеновского поглощения, основанного на решении вариационной задачи.

2. Анализ существующих методик определения края фотоионизации и связанных с этим проблем.

3. Исследование влияния диапазона Фурье-преобразования осцгошяций EXAFS на результаты определения атомной структуры и выявление оптимальных ограничений промежутка Фурье-анализа EXAFS.

Научная новизна и практическая ценность.

Впервые разработан метод выделения осципляций EXAFS, основанный на решении вариационной задачи второго порядка, и проведен анализ зависимости результатов Фурье-анализа осцилляции EXAFS от окна преобразования Фурье.

Предложена процедура выделения плавной и осциллирующей составляющих EXAFS, основанная на применении вариационного принципа. В ходе процедуры создается функционал, зависящий от обрабатываемого спектра EXAFS и его осциллирующего компонента и принимающий минимальное значение при искомом виде осциллирующей составляющей. Искомая осциллирующая составляющая EXAFS определяется из решения уравнения Эйлера-Лагранжа для построенного функционала, которое имеет второй порядок. В функционал введены два параметра оптимизации, позволяющие варьировать решение уравнения Эйлера-Лагранжа.

Проведен анализ методов определения энергии края фотоионизации. Классифицированы методики определения энергии края ионизации внутренних оболочек атома в рентгеновском спектре энергий.

Проведена процедура обработки спектров рентгеновского поглощения при разных диапазонах Фурье-окна. Доказано, что анализ осциллирующей функции, снятой в интервале протяженности менее 300 эВ, не подлежит обработке.

Для изучения конденсированных сред с помощью методов спектроскопии XAFS (X-Ray Absorption Fine Structure, тонкая структура рентгеновского спектра поглощения) на основании работы сформулированы рекомендации по методике получения спектров XAFS и их обработке. Рекомендовано регистрировать спектр XAFS в диапазоне, верхняя граница которого имеет значение от 300 до 700 эВ выше энергии края фотоионизации. Предложено проводить выделение осцилляций спектра EXAFS с помощью методики, основанной на вариационном методе, на как можно большем диапазоне аргументов. Предлагается проводить определение энергии края фотоионизации одним из общепринятых методов, например, с помощью дифференцирования коэффициента поглощения рентгеновских фотонов по энергии фотонов. Выбор диапазона Фурье-преобразования рекомендовано проводить внутри промежутка от 40 до 700 эВ выше пороговой энергии фотоионизации.

Разработанная методика применена к исследованию биологической молекулы, изучение которой другими методами затруднено, — человеческого белка церулоплазмина. Подтверждено предположение о существовании треугольника из атомов меди в церулоплазмине. Сформулирована гипотеза о структуре церулоплазмина в окрестности атомов меди.

Положения, выносимые иа защиту.

1. Разработан новый метод выделения осциллирующей части спектра рентгеновского поглощения, который основан на вариационном принципе и приводит к достоверным результатам анализа спектра рентгеновского поглощения.

2. Показано, что величины нижней и верхней границ окна Фурье-преобразования i осциллирующей части спектра рентгеновского поглощения, находящиеся соответственно в интервале от 40 до 80 эВ и от 300 до 700 эВ выше энергии края фотоионизации, обеспечивают наиболее корректные результаты при анализе спектра рентгеновского поглощения.

3. На примере анализа белка церулоплазмина показано, что метод спектроскопии EXAFS при использовании разработанной методики анализа позволяет получать новые данные о структуре биологических объектов.

Апробация работы.

По результатам работы были сделаны доклады: на VI Национальной конференции по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов РСНЭ-2007 (Москва, 2007) — на 11-й Зимней школе по физике полупроводников (Зеленогорск, 2006) — на конференции The 8Л International Workshop on Beam Injection Assessment of Microstructures in Semiconductors (Санкт-Петербург, 2006) — на Харьковской Нанотехнологической Ассамблее — 2008 (Харьков, Украина, 2008), на конференции Advanced Research Workshop «ЫапоПитер 2008»: Fundamentals of Electronic

Nanosystems, (Санкт-Петербург, 2008) — на Российском совещании по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фотоника-2008» (Новосибирск, 2008) — на Международном семинаре по оптои наноэлектронике «ОЭ — 35 лет» (Санкт-Петербург, 2008) — на Симпозиуме «Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, 2008), на конференции The 8th Pharmaceutical Powder X-ray Diffraction Symposium (Глазго, Великобритания, 2009) — на конференции The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации.

По материалам диссертации опубликованоработ, список которых приведен в конце диссертации.

Объем работы.

Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения (страниц, рисунков

49, таблиц 2, библиография включает 50 наименований).

5.4. Выводы.

На примере анализ спектра ЕХАРБ церулоплазмина показано, что рассматриваемый метод спектроскопии является эффективным инструментом изучения биологических объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИТОГИ РАБОТЫ.

1. Разработан новый метод выделения осциллирующей части спектра рентгеновского поглощения, который основан на вариационном принципе и приводит к достоверным результатам анализа спектра рентгеновского поглощения.

2. Показано, что величины нижней и верхней границ окна Фурье-преобразования осциллирующей части спектра рентгеновского поглощения, находящиеся соответственно в интервале от 40 до 80 эВ и от 300 до 700 эВ выше энергии края фотоионизации, обеспечивают наиболее корректные результаты при анализе спектра рентгеновского поглощения.

3. На примере анализа белка церулоплазмина показано, что метод спектроскопии ЕХАРБ при использовании разработанной методики анализа позволяет получать новые данные о структуре биологических объектов.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Б о р н М. Атомная физика. Пер. с англ. 3-е изд. М.: Мир, 1970. — 484 с.
  2. Ф е й н м, а н Р. Теория фундаментальных процессов. Пер. с англ. М.: Наука, 1978. -199 с.
  3. И.Б. Физические основы рентгеноспектральных исследований. М.: Изд-во МГУ, 1956. — 463 с.
  4. Б л о х и н М. А. Методы рентгеноспектральных исследований. М.: ГИТЛ, 1959. -386 с.
  5. Б о р о в с к и й И. Б., В е д р и н с к и й Р. В., К р, а й з м, а н В. Л., С, а в ч е н к о В. П. EXAFS-спектроскопия новый метод структурных исследований. // Успехи физических наук. -1986. — № 149. — Вып. 2. — С. 275−323.
  6. М, а р е н к о в О. С., Комков Б. Г. Таблица полных массовых коэффициентов ослабления характеристического рентгеновского излучения: методические рекомендации. Под ред. Н. И. Комяка. Л.: ЛНПО «Буревестник», 1978. — 274 с.
  7. S t г u t i n s k у V. M., Ivanjuk F. A. A New Definition of Shell Corrections to the Liquid Drop Energy. // Nucl. Phys. A. 1975. — Vol. 255. — Pp. 405−418.
  8. К г a p p e H. J., R о s s n e r H. H. Bayesian Approach to Background Subtraction for Data. from the Extended X-ray-absorption Fine Structure. // Phys. Rev. B. 2004. — Vol. 70. — P. 104 102.
  9. Ravel B. EXAFS Analysis with FEFF and FEFFIT. Part 2: Commentary. -http://feff.phys.washington.eduA~{}ravel/
  10. Cook J. W., Sayers D.E. Criteria for Automatic X-Ray Absorption Fine Structure Background Removal. // J. Appl. Phys. 1982. — Vol. 52. — Pp. 5024−5031.
  11. К1 e m e n t e v К. V. Extraction of the Fine Structure from X-ray Absorption Spectra. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. — Vol. 34. — Pp. 209−217.
  12. Boland J. J., Halaka F. G., Baldeschwieler J. D. Data Analysis in Extended X-ray Absorption Fine Structure: Determination of the Background Absorption and the Threshold Energy. // Phys. Rev. B. 1983. — Vol. 28. — Pp. 2921−2926.
  13. В е д р и н с к и й Р. В. EXAFS-спектроскопия новый метод структурного анализа. // Соросовский образовательный журнал. -1996. — № 5. — С. 79−84.
  14. Mustre de Leon J., Rehr J. J., Zabinsky S. I., Albers R. C. Ab Initio Curved-Wave X-Ray Absorption Fine Structure. // Phys. Rev. B. -1991. Vol. 44. — Pp. 4146−4156.
  15. Ankudinov A., Ravel В., Rehr J.J. FEFF8. Seattle: The FEFF Project, Department of Physics, University of Washington, 2002.
  16. Zabinsky S.I., Rehr J.J., Ankudinov A., Albers R.C., Eller M.J. Multiple-Scattering Calculations of X-Ray-Absorption Spectra. // Phys. Rev. B. 1995. — Vol. 52. -Pp. 2995−3009.
  17. Filipponi A., Di Cicco A. X-Ray-Absorption Spectroscopy and w-Body Distribution Functions in Condensed Matter. II. Data Analysis and Applications. // Phys. Rev. B. 1995. -Vol. 52.-Pp. 15 135−15 149.
  18. D i Cicco A. Multiple-Edge EXAFS Refinement: Short-Range Structure in Liquid and Crystalline Sn. // Phys. Rev. B. -1996. Vol. 53. — Pp. 6174−6185.
  19. M.Д. Выделение плавной составляющей EXAFS-спекгра с помощью вариационного принципа. // Международная зимняя школа по физике полупроводников -2006: Научные сообщения молодых ученых. 24—27 февраля 2006. СПб.-Зеленогорск, 2006. С. 19−20.
  20. M. Д., Погребицкий К. Ю., Конников С. Г. Применение вариационного принципа с целью определения осцилляций дальней тонкой структуры рентгеновского поглощения. //ЖТФ. -2007. -№ 77. Вып. 8. — С. 131−134.
  21. М.Д., Погребицкий К. Ю., Конников С. Г. Вариационный принцип в применении к анализу дальней тонкой структуры рентгеновского поглощения. // Письма в ЖТФ. 2007. — № 33. — Вып. 14. — С. 72−79.
  22. Sharkov M.D., Pogrebitsky К. Ju., Konnikov S. G. Method for Extracting of EXAFS Oscillation Function Based on the Variation Principle. // ФТП. 2007. — № 41. — Вып. 8. -С. 904−907.
  23. Л.Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. В 10 т. Изд. 5-е, стереотипное. Под ред. Л. П. Питаевского. М.: Физматлит, 2001. Т. 1 «Механика». — 224 с.
  24. Stern Е. A., S, а у е г s D. Е., L у 11 е F. W. Extended X-Ray-Absorption Fine Structure. III. Determination of Physical Parameters. // Phys. Rev. B. 1975. — Vol. 11. — Pp. 4836−4846.
  25. Bearden A. J. X-Ray Wavelengths. // Rev. Mod. Phys. 1967. — Vol. 39. — Pp. 78−124.
  26. Bessy Annual Report 2002. — Berlin, 2002.
  27. H e г г e г о E., L i J., A b r u n a H. D. Electrochemical, In Situ Surface EXAFS and CTR Studies of Co Monolayers Irreversibly Adsorbed onto Pt (lll). // Electrochimica Acta. 1999. -Vol. 44.-Pp. 2385−2396.
  28. Annual Report: Pohang Light Source. Daejon, Republic of Korea, 2004.
  29. Lee P. A., P e n d г у J. В. Theory of the Extended X-Ray Absorption Fine Structure. // Phys. Rev. B. 1975. — Vol. 11. — Pp. 2795−2811.
  30. Lee P. А., В e n i G. New Method for the Calculation of Atomic Phase Shifts: Application to Extended X-Ray Absorption Fine Structure (EXAFS) in Molecules and Crystals. // Phys. Rev. B. -1977. Vol. 15. — Pp. 2862−2883.
  31. Martens G., Rabe P., Schwentner N., Werner A. Improved Extended-X-Ray-Absorption Fine-Structure (EXAFS) Studies Applied to the Investigation of Cu-O, Cu-N, and Cu-Br Bond Lengths. // Phys. Rev. Lett. 1977. — Vol. 39. — Pp. 1481−1488.
  32. Newvi 11 e M., Livins P., Yacoby Y., Rehr J. J., Stern E. A. Near-Edge X-Ray-Absorption Fine Structure of Pb: A Comparison of Theory and Experiment. // Phys. Rev. B. -1993.-Vol. 47.-Pp. 14 126−14 131.
  33. S t e r n E. A., H e a 1 d S. M., В u n k e r B. Amplitude of the Extended X-Ray Absorption Fine Structure in Bromine Molecules. // Phys. Rev. Lett. 1979. — Vol. 42. — Pp. 1372−1375.
  34. Li G. G., В r i d g e s F., В г о w n G. S. Multielectron X-Ray Photoexcitation Observations in X-Ray Absorption Fine Structure Background. // Phys. Rev. Lett. 1992. — Vol. 68. — Pp. 16 091 612.
  35. В r i d g e s F., В о о t h С. H., L i G. G. An Iterative Approach to «Atomic Background» Removal in XAFS Data Analysis. // Physica B. -1995. Vol. 208&209. — Pp. 121−124.
  36. Bielli P., Calabrese L. Structure to Function Relationship in Ceruloplasmin: a 'Moonlighting' Protein. // Cell. Mol. Life Sci. 2002. — Vol. 59. — Pp. 1413−1427.
  37. Zaitseva I., Zaitsev V., Card G., Moshkov К., Bax В., Ralph A., L i n d 1 e у P. The X-ray Structure of Human Serum Ceruloplasmin at 3.1 A: Nature of the Copper Centres. // JBIC. 1996. — Vol. 1. — Pp. 15−23.
  38. Ruiz E., Alvarez S., Alemany P., Evarestov R. A. Electronic Structure and Properties of Cu20. // Phys. Rev. B. 1997. — Vol. 56. — Pp. 7189−7196.
  39. Evarestov R. A. Quantum Chemistry of Solids. The LCAO First Principles Treatment of Crystals. Berlin: Springer-Verlag, 2007. — 557 p.
  40. А. Структурная неорганическая химия. В 3 т. Пер. с англ. М.: Мир, 1988. Т. 3. — 564 с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!