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首发于“研之成理”微信公众号，我是原作者。

同步辐射吸收光谱 （X-ray Absorption Spectroscopy）是一项常见的结构表征技术，可以提供中心原子的邻近信息，例如配位原子和数量。虽然在网上有很多介绍同步辐射的理论知识，但用于数据处理的软件教程相对较少。今天来跟大家分享下如何使用 Demeter 软件中的 Athena 来处理同步辐射吸收谱数据。

1. Demeter 软件简短介绍

Demeter 软件是由 Bruce Ravel 教授发布免费数据处理软件，在这里可以下载到 Demeter 最新版本。在安装过程中需要注意路径必须为全英文，因为默认路径是 C盘中用户名下的一个子文件夹。如果你的用户名是中文，请换一个路径安装。

安装好后，会有三个软件：Athena，Artemis 和 Hephaestus。其中 Athena 主要功能是对实验数据的处理得到 XANES 和 EXAFS；Artemis 是对 EXAFS 数据进行拟合得到配位数等一系列信息；Hephaestus 是与同步辐射实验相关的数据库。

对于大部分的数据处理，Athena 是最为重要的。除得到并展示 XANES 和 EXAFS 数据以外，还可以进行线性拟合（Linear Combination Fitting）、主成分分析（Principle Component Analysis）等更高阶的数据处理。可以帮助大家从数据中挖掘出更多的信息。

更多常见的 EXAFS数据处理教程放在了B站“担子菌的担担面”账号上，包含但不限于数据拟合，小波变换等等，欢迎有需要的同学观看。

图1. Demeter 官方网站，左侧为下载链接。

2. Athena 界面介绍

打开软件后，可以看到软件在 Main window窗口下大致可以分为左右两区域：左为参数区，右为数据展示区。

在左方的参数设置区域，从上到下分别是：

1. Main window （主窗口）：用于切换不同的数据处理功能；
2. Current Group （当前数据）：包含数据路径，对应的元素 (Element) ，边 (Edge) 和能量移动值 (Energy Shift) 等基本信息；
3. Normalization and background removal parameters （归一化和背景移除参数）：对原始数据的基本处理得到XANES 和 k 空间图像；
4. Forward Fourier transform parameters （傅里叶变换参数）：从 k 空间到 R 空间变换；
5. Back Fourier transform parameters （反傅里叶变换参数）：从 R 空间到 q 空间变换；
6. Plotting parameters （画图参数）：对图像展示进行放大或缩小等。
   右方空白部分是数据所在的几何位置，右下方用于不同形式的数据展示。

图 2. Athena 主界面。

注：以下演示数据来源于 Demeter 官网教程，由 Bruce Ravel 教授提供。

3. 数据加载

我选用了演示数据包中铁纤矿样品 (Fe_lepidocrocite) 来演示。原始数据数据可以直接用鼠标拖入到 Athena 中空白区域得到加载数据对话框如下：

图 3. 加载原始数据界面。

首先我们需要先从实验中知道哪些数据是入射光、透射光还有荧光。左上方选择的是样品谱图。Energy 是 x 轴，y 轴是 μ(E) 通常由两组或两组以上的数据进行简单加减乘除得到。由于各个线站录入数据的格式会有所不同，请大家结合具体情况分析。我以这套数据为例，我们希望得到样品透射谱 (transmission spectrum)，那么会根据公式 ln(入射光I₀ /透射光 I₁) ，选择分子为 I₀，分母为 I_t 并且勾选上 Natural log。由于这套数据中还有参考谱图 (reference)，在左下方勾选上 import reference channel，勾选上分子为 I_t，分母为 I_f。

点击 OK ,三张 Fe_lepidocrocite.(000, 100, 200)原始数据就加载好出现在了右上方的空白区域。通常来说，Athena 软件在加载好数据后就会自动选择参数粗略处理好数据，大部分参数不需要过多改动。

图 4. 加载数据后大部分参数 Athena 已经自动给出。

图 5. 加载数据后就可以大致看到 E, k, R, q 空间的样子。

4. 能量校正和汇合

点击 Main window 会看到一系列可选功能窗口。进行能量校正，选择 Calibrate data。

图 6. 点击 Main Window 出现菜单，选择 Calibrate data。

能量校正的原理是通过校正参考谱图 (Reference) 到正确能量位置来校正样品谱图。所以先选择带 Ref 的谱图，以 deriv(E) 形式展示。点击 select point，用鼠标在图像中取最高峰顶点（黄色十字圈处），点击 Calibrate 就完成了对第一张谱图 (.000) 能量校正。对剩下的 .100 和 .200 数据做同样操作。

图 7. Calibrate data 界面。

图 8. 利用一阶微分 XANES 来矫正谱图

接着回到 Main window，到右上方数据区域勾选上所有样品数据。点击上方工具栏中的 Merge ，使用 Merge norm(E) 得到由这三张实验数据图共同得到的一张同步辐射吸收图。这么做的主要原因是为了提高数据信噪比。在这里选择 Merge norm (E) 仅仅是基于这一套数据。不同的数据处理方式会略有不同。

图 9. 在 Athena 上面工具栏中 Merge 选项的位置。

图 10. 点击 Merge norm(E) 后出现新的图，名字为 “merge”。

5. 展示 XANES, k 空间和 R 空间

在 Merge 谱图后，通常我只会对这一张图进行更多参数上的微调，比如 E0 的数值还有 k-range, R-range 选择。但就大部分情况而言，数据质量本身不错的情况下，软件自动给出的参数就已经比较合适了。

在 Athena 界面右下方可以选择谱图展示为归一化后的 μ(E)，也就是 XANES 以及 k 空间和 R 空间。点击黄色按钮是只展示我选择某一数据的谱图（蓝色高亮），而紫色按钮是展示所有我勾选上的数据（数据前有方框打勾）。k 的权重也可以通过 Plotting k-weights 选择。在 E, k, R 空间中有不同的展示，以 E 空间为例可以 Plot in energy。里面我可以选择展示原始数据，背景函数 (background)，归一化数据 (normalized) 等等，如果只是想给其他人粗略展示数据，就到 Athena 的图像软件中选择第一个图标 (Copy plot to clipboard) 再直接 Ctrl + V 到自己文档里。

对于展示数据的区域选择，第一个方法是可以在右下方里面输入，以 E 空间为例，有 Emin 和 Emax。这是以吸收边能量 E0 为参照，展示 (E0 – Emin, E0 + Emax) 区间内的数据。如果想放大到 XANES 区间，就可以改成 Emin -20, Emax 100 等略小的数值，再点击 E 就可以刷新。另一个办法是直接倒图像界面中使用按住鼠标右键不动，拖动鼠标就可以选择一部分先要展示的区域，点击鼠标左键，就可以放大到之前的区域。

图 11. 利用右下方 Emin, Emax 调整数据展示区间。

图 12. 利用鼠标直接框选想放大的区域。

图 13. 点击紫色 k 按键可展示所有的 k 空间数据。

图 14. 点击紫色 k 按键可展示所有的 k 空间数据。

6. 保存和输出数据

对数据处理好后，如果我想把数据转到 OriginLab 等作图软件画图时，点击左上方 File，常会用到两种保存数据方式：Save current group as… 和 Save marked group as… 。前者是仅保存蓝色高亮的单独一组数据，后者是保存所有勾选上的数据。根据自己需求可以保存为有 XANES 等不同的数据形式，点击对应的选项即可。

图 15. 保存数据的多种选项。

Athena 软件会根据不同的数据形式使用不同的后缀名来命名。例如我想保存这四张勾选上的图为 k 空间，依次选择 File → Save marked groups as → k3χ(k)，跳出保存窗口看到数据会被保存为 .chik3 的文件形式。不用惊慌，可以直接保存后用笔记本 Notepad打开看到所有数据以及备注信息，十分方便。若要加载到 OriginLab 里面，可以删掉所有文本信息只留下数列，拖入 OriginLab 窗口中即可。

图 16. 保存为 .chik3 格式，也可以直接在后面改为 .txt 后缀方便打开。

图 17. 保存好的文件包含了数据和一些文本信息便于记录。

7. 结语

这一篇只是非常简单地介绍基本功能处理，还有更多有关参数选择的讨论已经发布在 Bilibili 上，搜索“担子菌的担担面”就可以找到我，也欢迎你通过邮件和我交流 (licouplings@gmail.com)。

感谢你的阅读