在倾斜监测所使用到的仪器中，导轮式固定测斜仪的应用非常广泛，可进行深部的水平位移监测。导轮式固定测斜仪与测斜管是配套使用的。所以在安装上也有这讲究的。今天就给大家介绍在安装仪器时的操作要点。

钻孔埋设测斜管的操作要点：
      1）将连接好的测斜管用人力或机械拉住两根安全绳，对正施测方向，缓缓地沉放入孔底。当钻孔中有水或泥浆时，沉放过程中应向测斜管内充以适量的水。将测斜管上端用夹具固定在钻孔中间，并将导槽严格对准施测方位。
      2）钻孔的回填材料依测斜管周围介质、地下水情况及测斜管与钻孔间的间隙来选择。如测斜管周围为砂、砾石，一般采用灌浆方式将测斜管周围回填密实。如测斜管周围为岩石，一般可用M15～M20水泥砂浆回填。

  3）应仔细保护好测斜管及其接头，不得挤压弯折和践踏，也不得接触高温物体。
      4）埋设完成后，应用测斜仪模具从管口往管底试放一次，测斜仪模具应在管内上下运行自如。
      5）在施工过程中，管口应设临时保护措施。固定式测斜仪是将测斜仪固定在测斜管内设定测点，一般采用遥测或自动测量的方式，监测被测点水平位移的连续变化。

测斜管埋设的操作要点为 

1）坝体填筑前钻孔埋设坝基部分测斜管的，其埋设操作要点同本条的2-1）～3）。直接坐落在基岩或基础上测斜管，首节测斜管预埋于长、宽、高约50cm×50cm×40cm的C20混凝土ZX，按设计要求定位。
2） 坝体填筑过程中，测斜管随填筑面升高接续，保持管口高于填筑面1m以上。接长测斜管时，应使导槽严格对正，不得偏扭，每节管沉降伸缩段长度不大于10cm～15cm。当预计预留沉降量不满足要求时，应缩短单节测斜管长。管接头应有密封措施和反滤保护。测斜管周围设醒目标志，并严加防护，避免施工损坏。
3）施工过程中管周围1m内应避免机械直接碾压、振冲。当填筑面升高50cm～100cm后，清除管周围填料至上次填筑面以下约10cm，底面操作面不小于方圆1.1ｍ，放坡1：0.5～1：1，按设计填料和密度人工填筑至略高于大坝填筑面。依此类推。
4）施工过程中管口应设临时保护措施。观测前应先用测斜仪模具从管口往管底试放一次，模具应在管内上下运行自如；观测时应同时测记管口高程。
5）埋设完成后管口应设保护装置，观测时应测记管口高程；若坝体沉降致使管上露过长，影响保护装置，应及时截除多余部分，并记录。

武汉中地恒达科技有限公司是工程监测仪器 www.zdhdkj.cn，地灾监测系统，环境监测系统及各类监测项目解决方案的供应商和服务商。主营产品有：普适型gnss接收机、倾角加速度计、导轮式固定测斜仪，液压静力水准仪、无线低功耗倾角计、磁致伸缩式静力水准仪、数字信号采集仪、双轴倾角计等

　vocs在线监测系统是对我们人身健康的有力保障。说到这有的人会疑问了：到底什么是vocs，它会对我们人身健康造成哪些危害，有那么吓人吗？哈哈，别着急下面小编就为大家介绍了。

　　vocs就是挥发性有机物，它是指在室温下饱和蒸气压大于70.91Pa,常温下沸点小于260℃的有机化合物。从环境监测的角度来讲，指以氢火焰离子检测器检测出的非甲烷烃类检出物的总称，主要包括烷烃类、芳烃类、烯烃类、卤烃类，酯类、醛类、酮类和其他有机化合物。

　　vocs是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物，主要来源于化工生产、溶剂使用、溶剂及涂料生产等过程，部分VOCs具有致癌、致突变、致畸作用，可直接对人体健康造成危害。

　　所以我们要通过vocs在线监测系统设备来处理这一类的有害物质，要想处理好这个艰巨任务，设备安装是关键，下面小编就为大家介绍几点关于该设备安装的注意事项，希望对大家会有所帮助。

　　1、应优先选择在垂直管段和烟道负压区域，确保所采集样品的代表性。测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，对于新建排放源，采样平台应与排气装置同步设计、同步建设。

　　2、安装位置应保证不漏风，位于固定污染源排放控制设备的下游和比对监测断面上游， 不受环境光线和电磁辐射的影响， 烟道振动幅度尽可能小且安装位置应尽量避开废气中水滴和水雾的干扰，如不能避开，应选用能够适用的检测探头及仪器。

　　3、应合理布置采样平台与采样孔。比如采样或监测平台长度应≥2m，宽度应≥2m或不小于采样枪长度外延1m，周围设置1.2m以上的安全防护栏，有牢固并符合要求的安全措施，便于日常维护和比对监测；等等这些基本的工作一定要做到位。

　　4、安装NMHC-CEMS的工作区域应设置一个防水低压配电箱，内设漏电保护器、不少于2个10A插座，保证监测设备所需电力。

　　好了，以上便是关于vocs在线监测系统设备安装的注意要点了。

硬X射线光电子能谱(Hard X-ray photoelectron spectroscopy, HAXPES)：近些年，硬X射线光电子谱已经崭露头角，成为了众多分析方法中常用的实验技术。如图1所示，HAXPES已经广泛应用于薄膜材料/器件、能源环境、凝聚态物理和催化等科学研究领域。早期的HAXPES主要是基于同步辐射装置发展起来，伴随着同步辐射光源、光束线和能量分析器的发展，HAXPES相关装置得到了快速发展，目前世界上有着20多条HAXPES专用同步辐射线束线/实验站。在过去的3-4年，由于实验室硬X射线光源的发展，实验室HAXPES设备也得到了新发展，比如PHI Quantes，展现出了独特的优势。借助HAXPES实验方法所发表的学术文章在数量和引用率保持着持续增长。在本期表面分析技术漫谈中，我们一起回顾一些HAXPES相关基础知识。

图1. HAXPES应用领域[1]

图2. Web of Science检索HAXPES发表文章情况^[1]

Part 1

什么是HAXPES?

首先，依据X射线的能量大小，X射线通常分为软X射线（soft X-ray）、中能X射线（Tender X-ray）和硬X射线（Hard X-ray）。具有较低光子能量（~100 eV-3 keV）的X射线通常称之为软X射线，而具有较高的光子能量（~5-10 keV）称之为硬 X射线，光子能量在3-5 keV范围的X射线有时也被称之为中能X射线。硬X射线可以通过中/高能同步辐射光源获取，也可以通过高能电子束轰击Cu、Ga或Cr阳极靶产生。

图3. 不同能量的X射线所对应的能量范围^[2]

其次，高能量的硬X射线激发源具有什么独特优势？众所周知，X射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)是实验中常用的表面分析方法，其原理是基于光电效应，如图4所示：X射线照射固体表面时，原子内部的电子吸收X射线能量被激发成自由电子，通过能量分析器可以获得出射电子的动能和计数，ZZ得到XPS谱图。根据光电效应方程：

式中，KE 是XPS中出射光电子的动能，由入射X射线的能量hν、光电子的结合能BE 和仪器功函数Φsp 来决定的。已知常规XPS采用单色化Al Kα X射线能量是1486.6 eV，所出射光电子的动能在0-1400 eV范围内。依据非弹性平均自由程普适曲线，在这一能量范围电子的IMFP值最小，所以说常规XPS非常表面灵敏，一般认为探测深度小于10 nm。

图4. XPS中光电效应示意图[3]

图5. 非弹性平均自由程（IMFP）普适曲线

对于特定元素的芯能级电子的结合能是固定值，通过光电效应方程可见随着激发X射线能量增加，出射电子的动能也会增加，从图5的非弹性平均自由程（IMFP）普适曲线可以看到高动能电子有较大的非弹性平均自由程(IMFP)。HAXPES采用硬X射线作为激发光源，相应的出射电子的动能增加，可以获取的取样深度更大。PHI Quantes 硬X射线光电子能谱仪不仅具备了高能硬X射线源Cr Kα (hν=5414.7 eV)，同时还结合了传统的单色化软X射线源Al Kα (hν=1486.6 eV）。如图6中垂直线标记所示，使用Cr Kα作为X射线激发源时，Si 2p电子的非弹性平均自由程是9.5 nm ，而使用Al Kα作为X射线激发源时，Si 2p电子的非弹性平均自由程仅是3.3 nm。一般认为XPS的探测深度是相应非弹性平均自由程的3倍，可见对于Si 2p，Al Kα XPS的探测深度约为10 nm，而Cr Kα XPS的探测深度接近30 nm。

图6. 不同能量的光电子在Si/Ti/Cu/Ag材料中的非弹性平均自由程^[2]

小结：

硬X射线光电子能谱(HAXPES)是采用高能量X射线（~5-10 keV）激发的XPS谱学技术，由于出射的高动能光电子具有更大的非弹性平均自由程，所以HAXPES可以将常规XPS的探测深度（<10 nm）扩展到近30nm，在不损坏样品的情况下得到更深层的样品资讯。

*参考资料：

[1]Curran Kalha et al 2021 J. Phys.: Condens. Matter 33 233001 

[2]https://www.phi.com/surface-analysis-techniques/surface-analysis-spotlight.html#haxpes

[3]http://bl8.lbl.gov/staff/Yang.html

撰写：鞠焕鑫博士

上两节分享了硬X射线光电子能谱(HAXPES)的相关知识和优势，可以看到HAXPES采用更高能量X射线，不仅在界面结构的探测上展示了独特的优势，还将探测信息延伸至更深的芯能级，这些优势将为科学研究和产业应用提供强有力的支撑。错过上面两节内容的小伙伴，可以通过本节内容下方的链接进行回顾。X射线作为探测物质结构的探针，而同步辐射在X射线波段具有高亮度和能量连续可调的优势，促进了HAXPES相关技术的发展，所以本节内容将和大家分享基于同步辐射的HAXPES (synchrotron-based HAXPES) 的相关知识。

Part 3基于同步辐射的HAXPES(synchrotron-based HAXPES)

1. 同步辐射原理：

首先同步辐射光本质上是一种电磁辐射，也可以说是一种“光”。如图1动画所示，同步辐射装置一般由电子枪（Electron Gun）、电子直线加速器（Linear Accelerator）、增能环（Booster Ring）、储存环 (Storage Ring)、光束线 (Beamline) 和实验站 (Experimental Station) 等构成。电子枪产生的电子束团经由直线加速器加速注入到增能环，再经由增能环加速至趋近光速然后注入储存环。接近光速运动的电子在弯转磁铁的作用下，在环形的储存环中做回旋运动。根据电动力学定理，当电子运动方向发生改变时，在运动切线方向会产生电磁辐射。由于这种辐射最初是在电子同步加速器上观测到的，因而被命名为“同步辐射”。产生的同步辐射光经由光束线进行聚焦和单色化后引入到实验站。

图1. 同步辐射光产生原理示意图

2. 同步辐射优势：

与常规光源相比，同步辐射装置产生的同步辐射光具有独特的优点：

高亮度：同步辐射光源具有很高的辐射功率和功率密度。如图2所示，第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍，因此可以用来做许多常规光源所无法进行的工作。例如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。

宽波段：如图3所示，同步辐射光的波长覆盖面大，具有从红外线、可见光、紫外线、软X射线一直延伸到硬X射线波段范围内的连续光谱，并且能通过单色化获得特定波长的光。

高准直：同步辐射光的发射度极小，利用光学元件引出的同步辐射光具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，从而进行极小样品和材料中微量元素的研究。

脉冲性：同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程和生物细胞的变化等。

偏振性：储存环发出的同步辐射光具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。

图2. 同步辐射光源亮度与常规光源比较

图3. 各种光源的能量和波长分布范围

光是人们进行观察及研究自然的重要工具，其中X射线作为探测物质结构的探针为科学研究提供了丰富的探测和分析手段。同步辐射提供的优质光源，可以在能量、空间和时间等维度上获得更好的分辨能力和更高的实验效率。同步辐射装置作为高品质 “巨型X光机”，通过探究同步辐射光和物质相互作用（包括了散射、衍射、折射、反射、吸收和荧光过程等）(图4)，推动了实验方法不断发展，成为了探测微观世界的“超级显微镜”。

图4. 同步辐射光与物质的相互作用

3. 同步辐射的发展

自1947年在电子同步加速器上首次观测到同步辐射以来，同步辐射光源经历了四代发展阶段：

DY代同步辐射光源“寄生”在用于高能物理实验的对撞机，是高能物理实验为主的兼用光源。

第二代同步辐射光源是为同步辐射应用专门建造的，使用了少量的插入件，加速器的设计也是以优化同步辐射光性能为基础。

第三代同步辐射光源对电子束发射度进行优化设计，同时使用大量插入件，得到亮度更高的同步辐射光。 

第四代是以衍射极限环为代表的同步辐射光源，具有极低的水平发射度和极高的空间相干性，亮度相对三代光源提升了2—3个量级。

同步辐射光源已经成为前沿科学研究中最为有力的综合研究平台，世界各国都在加大对同步辐射装置的建设投入。如图5所示，目前世界上有超过50台同步辐射光源处于运行状态，使得同步辐射成为世界上数目最多的大科学装置。例如国际上的欧洲同步辐射装置（ESRF）、美国先进光子源（APS）和日本超级光子环（SPring-8）等第三代同步辐射光源，瑞典MAXIV 光源第四代同步辐射光源，为科学研究和工业应用提供了强大的支持能力。目前国内的同步辐射装置包括北京同步辐射装置（BSRF，DY代同步辐射光源）、合肥同步辐射光源（NSRL，第二代同步辐射光源）、上海光源（SSRF，第三代同步辐射光源）以及正在建设的北京高能同步辐射光源（HEPS，第四代同步辐射光源）。

图5. 世界同步辐射装置分布图[1]

4. 基于同步辐射的HAXPES

尽管硬X射线光电子能谱(HAXPES)理论上具有很多优势，但是HAXPES要得到充分应用的前提是谱图信号的强度和能量分辨率必须要满足组分和化学态分析要求。在HAXPES发展初期的实验室硬X射线光源存在亮度低和线宽大的问题，限制了该技术的适用性和发展。同步辐射光具有亮度高和能量连续可调的优势，特别是第三代同步辐射光源可以为HAXPES提供优质硬X射线源。如图6所示，基于同步辐射的HAXPES线站的数量逐年增加，能为用户提供的机时也在逐年增加，但是面对广大的需求而言还是杯水车薪。图7总结了截至2020年11月全.球在运行的24 条HAXPES 光束线的详细参数。可以看到，绝大多数硬X射线都是由插入件（ID）引出，因此可以获得较大的光通量。大光通量有助于提高了XPS信号强度，这是同步辐射硬X射线的一个优势，但应该引起注意的是，在研究容易受到辐射诱导损伤的材料时，较低的通量密度可能是优势。另外，表中的所有光束线都是使用双晶单色器 (DCM)，这样可以实现高能量分辨率。由于同步辐射光具有能量连续可调的优势，不同光束线的X射线能量范围有较大不同，大部分光束线的ZD能量是从4 keV开始，也有部分光束线的ZD能量覆盖到了软X射线波段。由于同步辐射光具有高准直性，这些同步辐射HAXPES的束斑尺寸以小束斑为主，这为小尺寸样品的测试提供了便利。同时相应实验站提供了多种样品处理设施，例如溅射、退火和样品沉积功能，部分实验站还具备原位（operando）实验条件，可以实现固气界面或固液界面原位动态测量。

图6. 在运行的同步辐射HAXPES 线站的增长情况[2]

图7. 基于同步辐射的HAXPES 实验站汇总[2]

同步辐射装置还在不断新建或者升级中，未来将有更多的HAXPES线站建成。上海光源(SSRF) 目前正在调试BL20U能源材料线(Energy material beamline, E-line)，光子能量范围为130 eV-18 keV，结合了软、硬 X 射线技术。如图8所示，E-line采用两线三站布局，其中软、硬X射线合支线光子能量设计范围为130 eV 至 10 keV，逃逸电子动能范围为100 eV 至 10 keV，探测深度从亚纳米到百纳米，将是国内同步辐射光源中的DY条HAXPES 光束线，具备开展真空HAXPES和近常压XPS的能力。正在建设的北京高能同步辐射光源 (HEPS)属于第四代光源，具有更高的亮度和相干性，将为 HAXPES 带来了新的发展机遇。

图8. 上海光源(SSRF) E-line光束线总体布局图[3]

小结：

同步辐射装置作为高品质“巨型X光机”，被誉为探测微观世界的“超级显微镜”。在同步辐射技术的加持下，硬X射线光电子能谱（HAXPES）的发展逐步加速，在界面结构的探测上展示了独特的优势，必将迎来科学研究和产业应用中的巨大的需求。但是遗憾的是，目前世界上仅有的20多条HAXPES专用同步辐射线站所提供的机时远远不能满足用户的需求，所以发展实验室硬X射线光电子能谱（Lab-based HAXPES）势在必行。

撰写：鞠焕鑫博士

HAXPES (Cr Kα & Al Kα)

-Beyond the Top Surface Analysis

请锁定我们的公众号更新，下一节，将分享Lab-based HAXPES相关设备技术信息。

*参考资料：

[1] M.E. Couprie, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 196, 3-13 (2014)  

[2] Curran Kalha et al., J. Phys.: Condens. Matter. 33, 233001(2021) 

[3] Chen, ZH et al., Nuclear Science and Techniques. 29, 26 (2018).