通过实验方法确定用于X射线光谱学的钠K壳层原子基本参数

《Speech Communication》：Experimental determination of the sodium K-shell atomic fundamental parameters for X-ray spectroscopy

钠K壳层基础参数的实验更新与不确定度降低方法研究。通过物理校准设备和薄NaCl涂层在SiN膜上的实验设计，系统测定了钠K壳层荧光产额、光电离截面及俄歇产额的新数据，显著优于现有数据库，为钠离子电池和精准分析提供可靠参数。

　　

玛丽-路易斯·文茨克（Marie-Louis Venzke）|卡佳·弗伦泽尔（Katja Frenzel）|普亚·帕托维-阿扎尔（Pouya Partovi-Azar）|菲利普·赫尼克（Philipp H?nicke）

柏林亥姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin，HZB），汉-迈特纳广场1号（Hahn-Meitner-Platz 1），14109柏林，德国

摘要

对于钠的精确X射线荧光分析而言，可靠的基本参数至关重要。本文提供了钠K壳层基本参数的更新实验值及其可信的不确定性，包括：荧光产额、光电离截面和奥格效应产额。通过使用经过物理校准的装置以及在氮化硅膜上涂覆薄层NaCl的方法，我们采用了一种全面的测定方法来减少不确定性。这些新数值相比数据库中广泛使用的数值有了显著改进。所有数据均可通过Zenodo平台获取，以支持科学和工业应用中的钠定量分析。

引言

钠是地球上最丰富的元素之一[1]，在许多研究领域中发挥着重要作用，包括生命科学[2]、天文学[3]等[4]。在各种应用中，钠离子电池（SIBs）[5]作为锂基系统的有前景的替代品而受到特别关注，尤其是在固定能源存储方面。钠的自然丰度和地理可获得性使其具有较低的材料成本和更高的可持续性[6]、[7]。随着对SIBs兴趣的增加，对可靠且精确的分析方法的需求也在增加。特别是提高钠定量的准确性对于理解界面过程、降解机制和整体性能至关重要。因此，减少钠检测的不确定性直接有助于推进SIB技术的发展，并支持向可持续能源系统的转变。

准确掌握关键原子基本参数（FPs），如荧光产额和光电离截面，对于各种应用中的精确定量X射线荧光分析（XRF）至关重要。定量结果在很大程度上取决于所使用FP数据的精度，因此获得可靠的FP值尤为重要。不幸的是，现有文献中的许多钠FP数据已经过时，要么是通过邻近元素的插值得出的，要么仅基于理论计算而没有实验验证。此外，这些FP值的不确定性往往未知或仅是估算的[8]。为了解决这个问题，有一些倡议，例如国际基本X射线参数倡议（FPI）[9]，该倡议通过新的实验[10]、[11]和新的高级计算[12]来修订和完善FP数据库。在德国物理技术联邦研究所（Physikalisch Technische Bundesanstalt），使用校准过的仪器[13]进行实验，以评估现有的FP值或重新确定它们[14]、[15]、[16]。最近，为了进一步减少实验不确定性并扩展可获得的FP集合，开发了一种更新的全面实验和数据评估程序，以改进FP的测定[17]。正如我们之前的工作[17]、[18]、[19]所示，与早期采用的策略相比，这种全面的方法提供了对可获取FPs更可靠的了解。本工作重点关注钠的各种FP的测定，包括钠K壳层的荧光产额和光电离截面。我们还提出了对Na-K吸收边缘化合物特定精细结构成分进行理论计算的初步步骤，试图最终找到现有FP表中缺失的化学特定截面数据。所有结果也可通过Zenodo平台以纯文本形式下载[20]。

实验部分

实验部分

为了实验测定钠K壳层的FPs，例如K壳层荧光产额${\omega }_{\text{F}}或K壳层荧光产生截面（FPCS）$${\sigma }_{\text{K}}\left(E_0\right)，需要使用独立的薄箔片或纯钠的薄均匀涂层作为样品。由于钠具有高度反应性，这两种方案都无法实现。因此，我们使用了一种含有钠的化合物——氯化钠（NaCl），并将其涂覆在薄氮化硅（SiN）膜上作为样品。$

结果与讨论

如图3所示，我们测量的Na-K边缘的样品特定衰减与计算结果进行比较后发现，实验观察到的NaCl特定精细结构的主要特征在计算结果中也得到了体现。计算结果是NaCl[38]的能位移质量衰减系数的总和以及对NaCl精细结构的计算结果。后者的位置和高度也进行了调整和重新缩放，以匹配实验结果。

结论

在这项工作中，我们采用了全面的原子基本参数测定方法，针对SiN膜上的薄NaCl涂层中的钠K壳层FPs进行了研究。我们推导出了钠K壳层的荧光产额和奥格效应产额，并验证了多个数据集，这些数据集涵盖了K-(1s)电离阈值以上几百电子伏特范围内的K壳层FPCSs和K壳层光电离截面。

特别是在K壳层荧光产额方面，我们得出了一个可靠的数值。

CRediT作者贡献声明

玛丽-路易斯·文茨克（Marie-Louis Venzke）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，调查，形式分析，数据管理。卡佳·弗伦泽尔（Katja Frenzel）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析，数据管理。普亚·帕托维-阿扎尔（Pouya Partovi-Azar）：形式分析，调查，方法论，资源管理，软件，撰写 – 审稿与编辑。菲利普·赫尼克（Philipp H?nicke）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：菲利普·赫尼克（Philipp Hoenicke）表示获得了欧洲计量合作组织（European Partnership on Metrology）的财务支持；菲利普·赫尼克还获得了Chips联合企业（Chips Joint Undertaking）的财务支持；菲利普·赫尼克还获得了亥姆霍兹Hi-ACTS的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的财务利益或个人利益冲突。

致谢

本工作得到了欧洲计量合作组织的支持，该组织由欧盟的“地平线欧洲研究与创新计划”（Horizon Europe Research and Innovation Programme）和参与国通过资助协议共同资助（项目编号：21GRD01（OpMetBat））。此外，该项目还得到了14ACMOS项目（资助协议编号：101096772）的支持，该项目由Chips联合企业及其成员共同资助，包括比利时和荷兰的额外资金。部分研究工作还得到了其他机构的支持。