第20卷第2期2006年3月
常熟理工学院学报
Journal of Changshu Institute of Technology
Vol.20No.2
Mar.2006同步辐射光源简介
谭伟石1,蔡宏灵2,吴小山2
(1.南京理工大学理学院应用物理系,江苏南京 210094;
2.南京大学固体微结构实验室,江苏南京 210093)
摘 要:简要介绍了同步辐射概念、同步辐射光源的特点及我国同步辐射光源发展的现状。
关键词:同步辐射光源;同步辐射特点;发展现状
中图分类号:TL8O43 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2006)02-0097-05
著名的物理学家杨福家先生概括了人类文明史上影响人类生活的光源的进展,分为四类[1]:第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。不言而喻,人类现在的生活与文明离不开电光源,它使人类战胜了黑暗。
第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。“X”是“未知”的符号,但是这种神秘莫测的、肉眼看不见的X光从被发现的时候就展现了它的魅力和对人类的巨大影响。
第三类光源是20世纪60年代美国与前苏联一批科学家创造的激光光源。目前激光的应用已经进入千家万户。如我们家庭中的激光唱片,超市的收款机所用的激光扫描器等,当然也有用于激光核聚变的大功率激光设备等,对人类的生活带来了巨大变化。
第四类光源就是同步辐射光源。1947年在美国纽约州Schenectady市通用电气公司实验室的一台能量为70Me V的同步加速器上,首次观察到一种强烈的辐射,这种辐射便被称为“同步辐射”。同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。由于同步辐射消耗了能量,妨碍了高能粒子能量的提高,所以当时一直被认为是个祸害,没有得到重视。但是,人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可用于其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。而现在同步辐射已经成为一个重要的科学研究平台,它的应用领域已经覆盖了物理、化学、生物、材料、医药、地质等众多领域,已经成为衡量一个国家科研水平的重要标准。
1 同步辐射特点
同步辐射的主要设备,包括储存环、光束线和实验站。储存环使高能电子在其中持续运转,是产生同步辐射的光源;光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅,并“裁剪”成所需的状态,如单色、聚焦,等;实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。同步辐射光源是人类发现的第四代光源。与前三种光源相比,它具有诸多优点:
1.1 频谱分布宽广
收稿日期:2005-10-15
作者简介:谭伟石(1970—),男,湖南安化人,副教授。
DOI:10.16101/https://www.doczj.com/doc/2417197019.html, https://www.doczj.com/doc/2417197019.html,32-1749/z.2006.02.020
图1 同步辐射光源光谱分布。图中对比给出了实验室X 射线光源的亮度和国际上不同不同同步辐射装置的能谱分布、亮度分布等。同步辐射的波长分布是连续的,覆盖了红外、
可见、紫外和X 光波段,是目前唯一能覆盖这样宽
的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器
可以随意选择所需要的波长,进行单色光的实验。
同步辐射光谱范围是由加速器中的电子的能量和
弯转半径决定的。电子的能量越高,同步辐射的特
征波长越短。北京同步辐射的电子能量为2.5GeV ,
弯转半径为10.345m ,特征能量为3.31ke V ;合肥同
步辐射的电子能量为0.8Ge V ,弯转半径2.222m ,特
征能量为0.517keV 。
1.2 高亮度
同步辐射与实验室转靶X 光源相比,同步辐射
光源的亮度比实验室X 射线光源连续谱部分强106
-1011倍;比X 射线光源的特征谱强度强103-10
8
倍。自20世纪60年代中期以来,同步辐射光源的
亮度已经增加了10多个数量级。目前我国上海同
步辐射光源设计的亮度位于世界先进行列。在以
往的研究中,如用实验室X 射线光源获得一幅晶体
缺陷结构的形貌照片,通常需要几十小时的暴光时
间,但利用同步辐射光源拍摄同样一幅晶体缺陷结
构的照片仅需几秒至几十秒,工作效率提高了几万
倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来
做许多常规光源所无法进行的工作。
1.3 高准直性
同步辐射基本上是在电子轨道平面中沿轨道
的切线方向引出的,当北京同步辐射装置在2.
2Ge V 运行时,其垂直张角仅为0.5秒(通常实验室
X 射线光源的发散角为0.1°或更高,而高分辨X 射线衍射仪的发散角为10秒。利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光具有高度的准直性,经过聚焦,可大大提高同步辐射光的亮度,可进行极小样品和材料中微量元素的研究。
1.4 高偏振度
在电子轨道平面发出的同步辐射是完全线偏振的,偏振向量在轨道平面中。电子轨道平面上下发出的同步辐射则具有椭圆偏振,可用来研究样品中特定参数的取向问题,如利用同步辐射的偏振特性研究磁性材料中的磁矩或与磁相关的问题。
1.5 时间结构
电子在储存环中是以束团的形式运动的,因此发出的同步辐射不是连续的,而是包含电子运动的时间结构或特定的脉冲结构。脉冲宽度(对应着电子束团的长度)约为ps 量级,脉冲间隔(对应电子束团之间的距离)约为ms 量级。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、生物细胞的变化等。
1.6 洁净的光源
同步辐射是在10-11托的超高真空环境中产生的,没有灯丝、隔离物质等带来的污染。这一性质对于从事表面科学、计量学研究与应用特别重要。从1947年第一次发现同步辐射到现在,同步辐射装置的建造及其研究、应用,经历了三代的发展。98常熟理工学院学报 2006年
第一代同步辐射光源是在20世纪70年代世界各国为高能物理研究建造的储存环和加速器上“寄生的”运行的。很快地,不仅物理学家,而且化学家、生物学家、冶金学家、材料科学家、医学家和几乎所有学科的基础研究及应用研究的专家,都从这个新出现的光源看到巨大的机会。然而,在对储存环性能的要求上,同步辐射的用户与高能物理学家的观点是矛盾的,主要表现在由电子束的发射度所决定的同步辐射的亮度上。它使同步辐射的用户们要求建造专门为同步辐射的应用而设计的第二代同步光源。发射度由第一代装置的几百nm .rad 降低到第二代同步光源的50-150nm .rad 。北京同步辐射实验室就属于第一代同步辐射光源,它的水平发射度为390nm .rad 。20世纪80年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加速器,储存环的磁结构以Chasman -Gr een lattice 为特征。合肥国家同步辐射实验室就属于第二代专用光源。20世纪90年代开始大量出现的第三代光源则以小发射度及采用大量的插入件为特征。第三代同步辐射光源的储存环的发射度一般为10nm .rad 量级,借助于安装大量的插入件(波荡器和扭摆器),产生准相干的同步辐射光,这不但使光谱的耀度再提高几个数量级,而且可以灵活地选择光子的能量和偏振性(左旋圆、右旋圆、水平线、垂直线,等等)。第三代同步辐射光源的亮度比最亮的第二代光源至少高100倍,比通常实验室用的最好的X 光源要亮一亿倍以上。它使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段,这就为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。日本的Spring -8是目前世界上能量最高的同步辐射光源,达到8Ge V 。目前我国在建的上海光源就属于第三代光源。2 同步辐射的主要运用
目前,同步辐射主要研究热点有:
2.1 同步辐射在生物学中的应用。
建立和发展应用同步辐射的生物大分子晶体结构数据采集,多波长反常散射实验和多光束同步辐射X 射线衍射实验所需的数据分析方法及相应的分析软件;
利用同步辐射光源进行结构生物学研究,包括晶体衍射数据的收集;应用单波长和多波长收集晶体的衍射数据;生物大分子晶体结构的测定和分析;
以真空紫外圆二色实验站为依托建立研究蛋白质二级结构的条件和实验方法。
2.2 对新型功能材料及光化学过程开展多种谱学研究;重点开展以下几个研究方向的工作。
稀土发光材料研究。重点研究稀土离子在VUV 区的高激发态,以及通过“量子剪裁”探索高量子效率,高能量效率的新稀土材料。
短波段信息功能材料和宽禁带(紫光-紫外光)材料与材料物理。对电子结构与原子几何结构开展综合研究。
纳米结构研究。通过分子束外延技术、化学气相传输等方法制备纳米材料,并利用同步辐射光源研究纳米材料结构和性能。
氧化物铁电性和巨磁阻现象的内在联系及物理本质。如研究电子强关联相互作用及电子态,特别是电子自旋态。
磁性薄膜材料研究。用SXMCD 研究稀土、过渡金属薄膜多层结构中指定元素的磁学性质,电子自旋和轨道磁矩及相互作用。
环境科学研究。利用同步辐射研究燃烧机理与大气污染;开展含氯氟烃及含溴甲烷真空紫外光电离研究,以期获得大气臭氧层破坏的机理。
2.3 用于微电子机械系统(ME MS )的新材料和相关基础研究。
微电子机械系统的研究具有极大的学科交叉性,微型元器件的制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等技术。同时还涉及到材料学、物理学、化学、生物学、微光学和微电子学等学科。ME MS 技术对现代工业的发展具有极大的挑战性。重点研究:微电子机械制作技术及新方法研究;
99第2期 谭伟石,蔡宏灵,吴小山:同步辐射光源简介
100常熟理工学院学报 2006年
用于环境科学、化学工业的ME MS(lab-on-chip)研制及相关材料研究;
微器件的微摩擦学、自润滑机理及表面特性研究。
2.4 开展发现和优化新材料集成组合技术(combinatorial技术)研究。
集成组合技术旨在把大量不同的材料“集成”在一块“材料芯片”上,并进行快速的物性检测,而同步辐射能够很好地满足这种快速物性检测的要求。重点针对以下几种材料,发展材料芯片制备新技术和材料芯片物理性能(光、磁、介电性能)的快速筛选。
2.5 发展同步辐射光束线技术和光学元件、新实验方法、新型探测器。
中国大陆地区目前有北京同步辐射实验室(B SRF),合肥国家同步辐射实验室(NSRL),在建上海光源(SSRF),分别属于第一、第二和第三代光源。
北京同步辐射装置(B SRF)是北京正负电子对撞机国家实验室的一部分,是一个向社会开放的大型公共科研设施。B SRF拥有11个实验站,可提供从真空紫外到硬X波段的同步辐射光,提供形貌术、衍射、小角散射、漫散射、微量微区荧光分析、吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、刻度和计量、X射线微细加工等分析和加工技术,可以为物理学、化学化工、材料科学、生物学、医学、地学、环境科学、微电子学、计量学等学科的基础研究和应用基础研究提供强有力的实验研究手段。北京同步辐射装置贯彻“开放、联合、开拓、创新”八字方针,对全国科研单位、高等院校和企业全面开放。1991年以来,接待了200多个用户单位的800多个研究课题。研究项目涉及凝聚态物理、材料科学、化学化工、环境科学、高压物理、生物医学、地球科学、剂量学、地质资源和考古、软X光学、微电子技术等领域。
国家同步辐射实验室坐落在安徽合肥中国科技大学西校园中,这是国家计委批准建设的我国第一个国家级实验室。实验室拥有的同步辐射光源是目前国内高校中唯一一台大科学装置和国家级实验研究平台。国家同步辐射实验室建有我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源。其主体设备是一台能量为800Me V、平均流强为100-300m A的电子储存环,用一台能量200MeV的电子直线加速器作注入器。来自储存环弯铁和扭摆磁铁的同步辐射特征波长分别为2.4nm和0.5nm。国家同步辐射实验室现建有X射线光刻、红外与远红外、LI GA、X射线衍射与散射、扩展X光吸收精细结构、燃烧、X射线显微术、原子与分子物理、表面物理、软X射线磁性圆二色、光电子能谱、真空紫外光谱、光声与真空紫外圆二色光谱、光谱辐射标准与计量等14条光束线和相应的实验站。国家同步辐射实验室是向国内外用户开放的国家级共用实验室,现有注册用户150余家。
上海同步辐射装置由中科院和上海市政府共同向国家建议并将在张江高科技园区内落户,建成后为中能第三代同步辐射光源,其电子束能量为3.5GeV,仅次于美、日和欧洲共同体的3台高能光源。上海同步辐射装置除了具有第三代同步辐射光源共同的特性之外,还具有:(1)高效性:总共将建设近50条光束线和上百个实验站,所有这些实验站都是为准确探测同步辐射光与实验样品的各种相互作用而精心设计的。首批拟建的7条光束线、实验站和4个后备实验站已于1999年底通过了国内外的专家评审,它们是:硬X射线生物大分子晶体学、硬X射线吸收精细结构(X AFS)、硬X射线高分辨衍射与散射、硬X射线微聚焦及应用、医学应用、软X射线相干显微学、L IGA及光刻,以及红外等后备实验站。今后,上海同步辐射装置将陆续向广大用户提供扫描光电子能谱、扫描透射X射线显微、X射线荧光显微、X射线非弹性散射等实验站。向用户的供光机时将超过5000小时/年,每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师,日以继夜地在各自的实验站上同时使用同步辐射光。(2)灵活性:上海同步辐射装置可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式,可依据用户需求快速变换运行模式,以满足用户的多种需求。
(3)前瞻性:上海同步辐射装置的科学寿命至少30年,电子直线加速器同时用于发展深紫外区高增益自由电子激光。上海光源预计2010年前建成、交付用户使用。它的建成必将大大提高我国同步辐射的研究和应用水平。
参考文献:
[1] 马礼敦,杨福家.同步辐射应用概论[M ].上海:复旦大学出版社,2001.A Brief Introduction of Synchrotron Radiation
TA N W ei _shi 1,CA I H ong _ling 2,W U Xiao _shan
2(1.Department of Applied Physics and M aterials Chemis try Laborat ory ,Nanjing University of Science and Tec hnology ,Nanj ing 210094,China ;
2.National Laboratory of Solid State Micros tructures ,Nanj ing Uni vers ity ,Nanjing 210093,China )A bstract :In this paper ,we have described the conception ,the features of synchrotron radiation .The development of syn -chrotr on radiation in our countr y is also introduced .
Key words :Synchrotron radiation source ;Features of synchrotron radiation ;development of synchrotr on radiation (上接96页)
用X 射线荧光光谱法可较好的测量分析出粉煤灰样品中有非六价的S
+6的存在,S 价态变化峰位的变化较明显、灵敏,效果较好,也很直观,是一种简单快捷的办法。
本实验结果从另一方面说明用X 射线荧光光谱法在价态领域也能起到好的作用,还可以与电子能谱、X
射线衍射等仪器相互补充,取长补短。
参考文献:
[1] 李瑞城.X 射线光谱分析与应用[M ].国防工业出版社,1983.
[2]
扬.二氧化硫减排技术与烟气脱硫工程[M ].冶金工业出版社,2004.
[3] 吉昂,陶光仪.X 射线荧光光谱分析[M ].科学出版社,2003.The introduction of several X _ray diffraction techniques
LI U Di ,W U Suo _zhen
(Nanjing University ,Res Ctr Anal &Measurements ,Nanjin g 210093,China )
A bstract :W e instroduce X _ray diffraction is one of the most important research techniques which can alanyze the material structures .In this article we emphatically introduce several developing X _ray diffraction techniques rencently .Key words :introduction ;X _ray diffraction ;techniques 101
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原子能科学技术990108 原子能科学技术 Atomic Energy Science And Technology 1999年 第33卷 第1期 Vol.33 No.1 1999 第三代同步辐射光源HELS的设计研究 金玉明 刘祖平 田宝瑛 贾启卡 赵爱华 周安奇 李永军 叙述了第三代同步辐射光源HELS的设计研究，包括1台能量为7 GeV的光源储存环，1台7 GeV的电子同步加速器注入器和1台450 MeV的电子直线加速器预注入器。光源储存环的束流发射度达到2.33 nm*rad，是目前世界上现有的同样能量的光源储存环的发射度的三分之一左右。从储存环的插入元件波荡器(Undulator)引出的同步光的亮度达到1020(即在s-1*mm-2*mrad-2/0.1 %带宽内的光子数)，比目前国际上同样能量光源的亮度高1～2个数量级。 关键词 同步辐射光源 储存环 束流发射度 亮度 中图法分类号 TL503.3 DESIGN STUDY FOR HELS, THIRD GENERATION SYNCHROTRON RADIATION LIGHT SOURCE Jin Yuming Liu Zuping Tian Baoying Jia Qika Zhao Aihua Zhou Anqi Li Yongjun (National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei, 230029) ABSTRACT The paper discribes design study of third generation synchrotron radiation light source, high energy light source (HELS). It includes a light source storage ring of 7 GeV, an electron injector synchrotron of 7 GeV and a preinjector linac of 450 MeV. The beam emittance of the storage ring is 2.33 nm*rad, that is about one third of the existing light source of similar energy in the world. The brilliance of the synchrotron radiation from undulators can reach 1020(photons*s-1*mm-2*mrad-2/0.1 %BW); 1～2 orders higher than the existing light sources. Key words Synchrotron radiation light source Storage ring Beam emittance Brilliance 80年代末到90年代初世界上陆续建成了8台第三代同步辐射光源(第三代同步辐射光源指束流发射度低、出光主要靠双插入元件的辐射)。到本世纪末，全世界将会有10余台第三代同步辐射光源运行［1，2］。这些光源可分为两类：一类能量范围为0.8～2 GeV，属于真空紫外和软X射线的同步辐射光源；另一类能量范围为6～8 GeV，属于硬X射线的同步辐射光源［3］。我国在80年代末相继建成了北京正负电子对撞机BEPC (2.5 GeV，第一代光源)和合肥光源HLS(0.8 GeV，第二代)，90年代初又有台湾省的SRRC(1.3 GeV，第三代)开始运行。加上正在设计的上海的SSRF(2.2 GeV，第三代)，到下世纪初我国将有4台2.5 GeV以下的储存环光源，其中两台为第三代光源。1983年美国file:///E|/qk/yznkxjs/yznk99/yznk9901/990108.htm（第 1／8 页）2010-3-23 14:09:23
第十五章 同步辐射原理与应用简介§ 周映雪 张新夷 目 录 1. 前言 2．同步辐射原理 2.1 同步辐射基本原理 2.2 同步辐射装置：电子储存环 2.3 同步辐射装置：光束线、实验站 2.4 第四代同步辐射光源 2.4.1自由电子激光（FEL） 2.4.2能量回收直线加速器（ERL）同步光源 3. 同步辐射应用研究 3.1 概述 3.2 真空紫外（VUV）光谱 3.3 X射线吸收精细结构（XAFS） 3.4 在生命科学中的应用 3.5 同步辐射的工业应用 3.6 第四代同步辐射光源的应用 4．结束语 参考文献 §《发光学与发光材料》（主编：徐叙瑢、苏勉曾）中的第15章：”同步辐射原理与应用 简介”，作者：周映雪、张新夷，出版社：化学工业出版社 材料科学与工程出版中心；出版日期：2004年10月。
1. 前言 同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好、有时间结构等一系列优异特性，已成为自X光和激光诞生以来的又一种对科学技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源，它的应用可追溯到上世纪六十年代。1947年，美国通用电器公司的一个研究小组在70MeV的同步加速器上做实验时，在环形加速管的管壁，首次迎着电流方向，用一片镜子观测到在电子束轨道面上的亮点，而且发现，随加速管中电子能量的变化，该亮点的发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时，在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图1是当时看到亮点的电子同步加速器的照片，图中的箭头指出亮点所在位置。那时，科学家还没有意识到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源，高能物理学家抱怨，因为存在电磁辐射，同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫长时间，科学家（非高能物理学家）才真正认识到它的用处，但当时还只是少数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调，且亮度极高等特性，对固体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发展，越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来，同步辐射的优异特性得到了充分的展示，尤其是在红外、真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研究工作，有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领域，当然也包括发光学的基础和应用基础研究，得到了极为广泛的应用。目前，无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上，对生命科学和材料科学的研究都具
第20卷第2期2006年3月 常熟理工学院学报 Journal of Changshu Institute of Technology Vol.20No.2 Mar.2006同步辐射光源简介 谭伟石1,蔡宏灵2,吴小山2 (1.南京理工大学理学院应用物理系,江苏南京 210094; 2.南京大学固体微结构实验室,江苏南京 210093) 摘 要:简要介绍了同步辐射概念、同步辐射光源的特点及我国同步辐射光源发展的现状。 关键词:同步辐射光源;同步辐射特点;发展现状 中图分类号:TL8O43 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2006)02-0097-05 著名的物理学家杨福家先生概括了人类文明史上影响人类生活的光源的进展,分为四类[1]:第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。不言而喻,人类现在的生活与文明离不开电光源,它使人类战胜了黑暗。 第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。“X”是“未知”的符号,但是这种神秘莫测的、肉眼看不见的X光从被发现的时候就展现了它的魅力和对人类的巨大影响。 第三类光源是20世纪60年代美国与前苏联一批科学家创造的激光光源。目前激光的应用已经进入千家万户。如我们家庭中的激光唱片,超市的收款机所用的激光扫描器等,当然也有用于激光核聚变的大功率激光设备等,对人类的生活带来了巨大变化。 第四类光源就是同步辐射光源。1947年在美国纽约州Schenectady市通用电气公司实验室的一台能量为70Me V的同步加速器上,首次观察到一种强烈的辐射,这种辐射便被称为“同步辐射”。同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。由于同步辐射消耗了能量,妨碍了高能粒子能量的提高,所以当时一直被认为是个祸害,没有得到重视。但是,人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可用于其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。而现在同步辐射已经成为一个重要的科学研究平台,它的应用领域已经覆盖了物理、化学、生物、材料、医药、地质等众多领域,已经成为衡量一个国家科研水平的重要标准。 1 同步辐射特点 同步辐射的主要设备,包括储存环、光束线和实验站。储存环使高能电子在其中持续运转,是产生同步辐射的光源;光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅,并“裁剪”成所需的状态,如单色、聚焦,等;实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。同步辐射光源是人类发现的第四代光源。与前三种光源相比,它具有诸多优点: 1.1 频谱分布宽广 收稿日期:2005-10-15 作者简介:谭伟石(1970—),男,湖南安化人,副教授。 DOI:10.16101/https://www.doczj.com/doc/2417197019.html, https://www.doczj.com/doc/2417197019.html,32-1749/z.2006.02.020
1 同步辐射光源的原理和发展历史 同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波，因是在电子同步加速器上首次观察到，人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射，由于电子在图形轨道上运行时能量损失，故发出能量是连续分布的同步辐射光。关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard的工作，进一步的理论工作由Schott， Jassinsky， Kerst及Ivanenko， Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年才完成，Blewett的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响，并观察到辐射对电子轨道的影响，Lee和Blewett较详细地给出了发展史的评论。 至今，同步辐射光源的建造经历了三代，并向第四代发展。 （1）第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副产品。 （2）第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的，美国的Brokhaven国家实验室（BNL）两位加速器物理学家Chasman和Green[1]把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成 Chasman2Green 阵列(Lattice，这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。 （3）第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件（Inserction Devices），即扭摆磁体（Wiggler）和波荡磁体（Undulator）而设计的低发散度的电子储存环。 表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，其中表征性能的指标是同步辐射亮度，发散度以及相干性。 表1 三代同步辐射光源主要性能指标的比较
同步辐射光源及其应用 沈元华 (复旦大学物理教学实验中心上海200433) 摘 要:介绍了同步辐射光源的产生、特点及其应用. 关键词:同步辐射;光源;加速器 Synchrotron radiation source and its applications SHEN Yuan-hua (Central Labo rato ry fo r Phy sics Educatio n,Fudan University,Shang hai,200433) Abstract:The forma tio n,characteristics and applicatio ns of synchro tro n radiatio n so urce are introduced. Key words:synchrotron radiatio n;ligh t source;accelerato r 在著名科学家谢希德、杨福家等院士的倡议下,一座投资十亿的宏伟建筑即将耸立在上海浦东高科技园区,它就是世界瞩目的第三代同步辐射光源——上海光源. 什么是同步辐射光源?它与普通光源有什么区别?它有什么重大的科学意义和应用价值?本文将做一简要介绍. 1 同步辐射光源的产生 同步辐射光源是由同步加速器的发展而产生的.著名原子物理学家尼·玻尔说过,高速粒子与物质相互作用时发生的各种效应,是获取原子结构信息最主要的来源之一.事实上,科学家们往往要用高速运动的粒子去轰击原子核,观察撞击时发生的种种变化,才能了解原子的结构和原子内部的各种秘密.各种加速器正是为获得这种高速运动的粒子而建造的.早期的加速器是直线型的,要获得的粒子速度越快,其长度也要越长.为了缩短加速器的长度,可用磁场使带电粒子发生偏转而作回旋运动,这就是回旋加速器.这种加速器利用强大的磁场,使带电粒子作回旋运动而不断加速.由于在一定的磁场作用下,粒子的回旋轨道半径随其速度的增加而增加,故磁场空间必须很大.因此,这种高能回旋加速器的磁铁是极其笨重的. 为了减轻磁铁的重力,并进一步提高粒子的速度,人们设计出采用环形电磁铁并不断改变磁场强度,使粒子的轨道半径保持恒定的加速器.这种固定轨道、用调变磁场的方法实现电场对粒子的同步加速的加速器,就称为同步加速器.带电粒子在同步加速器中按同一轨道作圆周运动,可以大大提高粒子的能量和速度.然而,当粒子的能量越来越大时,人们发现要进一步加速却越来越困难了.其根本原因之一就是带电粒子改变运动方向(转弯)时,必然伴随着电磁波的辐射,即光波的发射;粒子的能量越大,辐射就越强.虽然早在1898年理论物理学家Lienard就预言带电粒子作圆周运动时会产生辐射而发光,但是直到本世纪四十年代末,才由Pollack等人在美国通用电气公司的一台同
上海光源实验室 ——中国国家重大科学工程 工程投资额：12亿元 工程期限：2004年—2009年 上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。 上海光源工程总投资约12亿元人民币,其中国家安排投资4亿元,上海市和中科院各出资4亿元。工程座落在浦东张江高科技园区的张衡路239号，于2004年12月启动，目前已开工近4年，按节点顺利进入最后1/4工期。2008年内，在这座体育场大小的圆形建筑内，直线电子加速器、小环增强器、大环储存器"三大件"都将完成安装，预计再经过一个调试周期，这一光源工程可于后年初正式建成投运。工程用地范围约20万平方米，相当于28个足球场。 这种先进的同步辐射光源装置，可同时提供从"硬X射线"到"远红外波段"的高亮度光束。自1974年同步辐射现象被首次观察到，这类光源装置至今已发展出第三代。各国家和地区现有同步辐射光源50多台，像上海光源这样的第三代光源，已建成11台，在建和设计中的有13台。预计2010年前后，全球每天都有上万名科学家和工程师利用这些光源产生的不同波长的光，从事前沿学科研究和高新技术开发。据悉，上海光源建成后总能量可跻身世界四强，成为我国新世纪必不可少的大科学平台。 该工程主体结构分为三部分，外圈为432米周长的大环储存器，与之相切的内圈是一个180米周长的小环增强器，它连接着中心位置上的直线电子加速器---这一整条"光电隧道"的能量传送方向为"直线－小环－大环"。目前，"直线"、"小环"内的设备均已安装到位，并且完成了调试，进度比预期快很多，创造出了光源建设领域的世界级速度。同时，工程确保了光束流的轨道稳定在千分之二到千分之五毫米之间，达到国际高精尖水平。年底前，"大环"
专题综述 同步辐射的基本知识 第一讲杨传铮1,22 (1.中国科学院,;上海硅酸盐研究所,上海200050) FSYNCHROTRONRADIATION ———LRE1PRINCIPLE,CONSTRUCTIONANDCHARACTERS OFSYNCHROTRONRADIATIONSOURCE YANGChuan2zheng1,CHENGGuo2feng2,HUANGYue2hong2 (1.ShanghaiInstituteofMicro2SystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSci ence,Shanghai200050,China; 2.ShanghaiInstituteofCeramicsChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China) 中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编 号:100124012(2008)0120028205 1同步辐射光源的原理和发展简史 同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波,因是在电子同步加速器上首次观察到,人们称这种由接近光速的带电粒子在磁 场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射,由于电子在图形轨道上运行时能量损失,故发出能量是连续分布的同步辐射光。关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard的工作,进一步的理论工作由 Schott,Jassinsky,Kerst及Ivanenko,Arzimovitch和Pomeranchuk 等直至1946年才完成,Blewett的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响,并观察到辐射对电子轨道的影响,Lee和Blewett较详细地给出了发展史的评论。 至今,同步辐射光源的建造经历了三代,并向第四代发展。 (1)第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副产品。 (2)第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的,美国的Brokhaven 国家实验室(BNL)两位加速器物理学家Chasman和Green[1] 收稿日期:2007209217 作者简介:杨传铮(1939-),男,教授。 把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成Chasman2Green 阵列(Lattice),这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。
https://www.doczj.com/doc/2417197019.html,/wiki/%E5%90%8C%E6 %AD%A5%E8%BE%90%E5%B0%84%E5%85%89%E6%BA %90 同步辐射光源 目录 ??名称 ??简介 ??特点 ??发展 同步辐射光源-名称 同步辐射光源——神奇的光 同步辐射光源-简介 人类文明史是利用和开发光资源的历史 人类生存和发展从来就离不开对“光”的利用和开发，人类的文明史是一部利用和开发“光资源”的历史。“光”是一个很大的家族，其中“可见光”只是“光家族”中的一员。 光可依其波长不同，分为无线电波、微波、红外、可见光、紫外、真空紫外、软 X射线、硬 X射线和伽马(γ)射线等。 光的波长或能量决定了它与物质的相互作用类型，如“可见光”照射人体时，会被反射到我们的眼睛，并被视网膜/视神经所感觉而“看到”人体；而当 X射线光照射人体时，则会穿透过人体，并在 X光底片上留下透过程度的影像纪录，医院里给病人做 X光透视就是这样。 光波具有衍射现象，用光探测物体或分辨两物体时，光的波长应当与物体的大小或两物体的间距相近或更短。因此，天文学家要探测宇宙星球，可以选用无线电波；航空管理者要跟踪飞机，可以选用微波(雷达)。而科学家要研究比“可见光”波长更短的物体，要“看清” 病毒、蛋白质分子甚至金属原子等微观物体，必须选用与这些微观物体大小相近或更短的波长的光束，来照射微观物体，利用光束在物质中的衍射、折射、散射等能够检测到的特性，或者利用光束与物体相互作用产生的光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性，来探究未知的微观世界。
新人工光源带来人类文明的新进步 光是由光源产生的，如太阳、蜡烛和电灯。其中太阳是天然光源，蜡烛和电灯是人工光源。由于可利用的天然光源所产生的光仅占整个光家族的很小部分，所以人类一直在努力开发和利用各种各样的人工光源。任何一种新人工光源的发明和利用，都标志着人类文明新的进步，如伦琴发明?X射线、爱迪生发明的电灯、二次大战中发明的微波、20世纪60年代发明的激光等，都是人工光源发展史上的重大里程碑，它们都极大地促进了人类文明的进步。20世纪60年代末出现的同步辐射光源，是被誉为“神奇的光”的又一种人工光源，它在基础科学研究和高技术产业开发应用研究中都有广泛的用途。 同步辐射光源的发展历史 电磁场理论早就预言：在真空中以光速运动的相对论带电粒子在二极磁场作用下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光，并称产生和利用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。 30多年来，同步辐射光源已经历了三代的发展，它的主体是一台电子储存环。第一代同步辐射光源的电子储存环是为高能物理实验而设计的，只是“寄生”地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，故又称“兼用光源”；第二代同步辐射光源的电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的，主要从偏转磁铁引出同步辐射光；第三代同步辐射光源的电子储存环对电子束发射度和大量使用插入件进行了优化设计，使电子束发射度比第二代小得多，因此同步辐射光的亮度大大提高，并且从波荡器等插入件可引出高亮度、部分相干的准单色光。第三代同步辐射光源根据其光子能量覆盖区和电子储存环中电子束能量的不同，又可进一步细分为高能光源、中能光源和低能光源。凭借优良的光品质和不可替代的作用，第三代同步辐射光源已成为当今众多学科基础研究和高技术开发应用研究的最佳光源。 同步辐射光源-特点 同步辐射光的特性 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。
云南大学学报(自然科学版),2008,30(5):477～483CN53-1045/N ISSN0258-7971 Journal of Yunnan U niversity Ξ 同步辐射光源及其应用研究综述 曾昭权 (云南大学实验中心,云南昆明 650091) 摘要:简要回顾了同步辐射研究的历史,较详细介绍了同步辐射光源的频谱特性、光源结构、实验方法及国内外应用研究的发展状况及研究亮点. 关键词:同步辐射光源;应用研究;频谱特性;光源结构 中图分类号:O433 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2008)05-0477-07 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运行时发出的电磁辐射. 早在19世纪末,经典电动力学研究运动电荷的电磁场时,导出了运动电荷产生的李纳-谢维尔势,亦称推迟势[1].从推迟势的计算中,可以证明作匀速直线运动的点电荷不辐射能量,但加速运动的电荷将产生电磁辐射.这为马可尼发明的无线电报、赫兹发明无线电振子天线和伦琴发现的X射线提供了理论解释的基础.无线通讯和无线电广播的天线就是利用电子沿直导线作简谐运动时产生的电磁辐射,而伦琴射线则为真空中高能电子轰击金属靶时速度骤减发出的韧致辐射. 1912年肖特(G1A1Schott)发表专著[2],论述了作圆周运动电子的辐射理论.1947年哈伯(F1Haber)等在美国通用电气公司70MeV电子同步加速器上首次观察到这种辐射,由于它是在电子同步加速器上被观察到的,故称做同步辐射,英文名为Synchrotron radiation,简称SR. 1949年美国的施温格(J1Schwinger)测定了同步辐射的性质[3].此后,还有索科洛夫(A1A1Sokolov)、杰克逊(J1D1Jackson)及其他许多人,相继展开了更深入的研究.然而,直到1970年以前,电子同步加速器仅只作为高能物理学家产生高能粒子,用以研究高能物理学的工具,同步辐射作为它的伴生副产物,并未得到真正应用.相反,由于同步辐射耗费了电子的能量,使被加速粒子能量难于进一步提高;另外,为防护同步辐射对人体的危害,还加重了实验室的劳保负担. 1970年以后,人们认识到,必须对同步辐射充分加以利用,否则无异于一种极大的浪费.因此, 1970年以后新建造的电子同步加速器,一般在存储环上都备有专门的同步辐射束线输出口,沿弯转磁铁的切线方向输出辐射. 为了进一步提高光源亮度,1980年发明了扭摆器和波荡器,新建造的电子同步加速器普遍安装了扭摆器和波荡器等新型插入件,作为同步辐射的束线输出装置,使同步辐射光源亮度在原有基础上又提高了上1000倍.目前世界上运行着的大型同步辐射光源均属于这一类.电子同步加速器也因此成为专用的同步辐射光源. 扭摆器是一组极性交替变化并按周期排列的磁铁,用以产生垂直方向周期变化的磁场,电子在扭摆器中做近似正弦曲线的扭摆运动,由于扭摆磁场比电子存储环的弯转磁场高许多,输出同步辐射频谱呈连续分布,且强度也大为提高. 波荡器与扭摆器的结构类似,它与扭摆器的主要区别是磁场比弯转磁场低,磁场变化的周期短,周期数多,电子在波荡器中运动轨迹也为近似的正弦曲线,但振幅小.在一定条件下,由于光的相干效应,使输出的同步辐射亮度更进一步提高,比扭摆器的输出提高1000倍,且频谱的短波部分由原来的连续谱变为许多离散的峰组成的线状频谱. Ξ收稿日期:2007-05-08 作者简介:曾昭权(1936- ),男,四川人,教授,主要从事原子分子物理和光谱学研究.
同步辐射技术应用及发展 摘要：同步辐射是圆周运动和蛇行运动时高速电子发射的亮的电磁波，分别有连续和准单色的光谱。真空紫外软X射线、硬X射线和红外线波段是优秀的光，被应用在基础科学、工程学、生物学、医学和环境科学。本文叙述了同步辐射的特点、发生的方法及其应用实例，通过介绍其在生命科学、生物医学、高分子结构分析等领域的应用研究，说明同步辐射广泛的应用。 关键词：同步辐射，生命科学、生物医学、高分子结构分析 1 绪论 1947年，美国纽约州通用电气公司实验室的电子同步加速器首次在可见光范围内观察到了强烈的辐射，从此这种辐射被称为“同步辐射。同步辐射是强度高、覆盖频谱范围广、可以任意选择所需波长，而且连续可调，是继激光光源之后的又一种新型光源。同步辐射发现9年后，美国康奈尔大学用真空紫外波段同步辐射对稀有气体的吸收进行了系统研究，并取得了重要成果，从而使人们认识到同步辐射可作为真空紫外波段和X射线光源。直到1974年，美国斯坦福直线加速器中心的研究小组在SPEAR对撞机上用同步辐射开展物理、化学、生物学方面的研究，使同步辐射的应用得到了迅猛的发展。 1.1 同步辐射的发现 1947年4月16日，在美国纽约州通用电气公司的实验室中正在调试一台新设计的能量为70MeV的电子同步加速器，这台加速器与其他类型的电子加速器的一个重要不同点是它的真空室是透光的，原想这样可方便地观察到真空室里的装置(如电极位置)情况，但竟导致了一个重大发现。就在这一天的调试中一位技工偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”。经仔细分析，说明不是气体放电，而是加速运动的电子所产生的辐射，被称为同步辐射。试验指出，这种辐射光的颜色随电子能量的变化而变化。当电子能量降到40MeV时，光的颜色变为黄色;降到30MeV时，变为红色，且光强变弱;降到20MeV时，就看不到光了。同步辐射的发现在当时科学界引起了轰动，不少科学家着手研究这种辐射的性质。但在当时，这种辐射阻碍了加速粒子能量的进一步提高，使科学家感到头痛，直到同步辐射发现后约20年，科学家才逐步认识
学术干货|同步辐射光源和中子衍射在材料研究中的应用 一、什么是同步辐射光源 同步辐射(Synchrotron Radiation)是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿 弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射”。长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同步辐射是具有从远红同步辐射外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。于是在几乎所有的高能电子加速器上，都建造了“寄生运行”的同步辐 射光束线及各种应用同步光的实验装置。
图1 同步辐射装置示意图 二、同步辐射光源特点 与XRD相比，同步辐射的光强强很多，可以做很精细的扫描，高温或高压条件下同步辐射的优势比常规X光机衍射明显很多。尤其在超高压下，百万大气压，同步辐射的光斑可以聚焦到亚微米级别，直接测量高压下的衍射，如果同时再加高温，那就可以研究高压高温下的融化，这是常规衍射不可企及的。其特点总结如下： 1、高亮度：第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍。 2、宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱。
3、窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在10-11~10-8秒之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。 4、高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲美。 5、高纯净：同步辐射光是在超高真空(储存环中的真空度为10-7～10-9帕)或高真空（10-4～10-6帕）的条件中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。可精确预知：同步辐射光的光子通量、角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量，特别是真空紫外到X射线波段计量的标准光源。 6、其他特性：高度稳定性、高通量、微束径、准相干等。 三、同步辐射光源在材料研究领域的应用 以下以纳米材料为例，介绍同步辐射在材料研究中的应用 纳米材料由于尺寸小、结构复杂，其单体产生的测量信号往往不足，此外纳米材料往往不像块体材料那样具有良好的长程有序性，所以某些常规实验室用于表征块体材料的手段在表征纳米体系时可能失效。因而同步辐射技术可以在纳米体系的结构和性能表征方面发挥重要作用。 (1) 快速X射线精细谱 同步辐射快速Ｘ射线吸收精细结构（QXAFS）谱学方法具有高时间分辨的特征，不仅具备XAFS在纳米结构研究中的优势，而且由于高时间分辨的特征，极大地扩展了XAFS在纳米结构研究中的应用。利用QXAFS的时
建址区域水、电、气、通讯等基础设施齐全。张江园区可供两路互为独立的供电电源， 便于联系与设备的运输；
正常运行。建安工程只需少量装置队伍参与，以保证建安工程满足装置的需求和未来可能的改扩建工作。 作为法人单位的上海应用物理研究所，为支持上海光源建设一支高水平的装置队伍，启动了人才队伍建设计划，并提供了相关的支撑条件，从国内外招聘工程急需的科技人员。其次，通过与国内科研、教育单位密切合作，采用长期借调、短期聘用等项目聘任的方式解决工程急需的科技力量。此外，计划在线站工程、公用设施工程中部分采用合作研制的方式，重点解决工程技术人员的短缺。返聘退休的科技人员，不但发挥了他们丰富的工作经验，而且降低了工程结束后的人员分流压力；建安工程将与上海市密切合作，其中甲方的技术和管理人员将采用大部分从上海市相关部门借调的方式解决；需要大量人力的研制工作将尽量通过合同方式委托社会力量完成。人员费用由院、所共同解决。 工程科技委和顾问组 工程科技委 主任: 方守贤(中科院高能物理研究所) 副主任：冼鼎昌(高能所)、杨福家(复旦大学)、陈森玉(高能所) 成员： 加速器及综合领域—— 方守贤、冼鼎昌、杨福家、陈森玉、钱文藻、何多慧、陈佳洱、魏宝文、林郁正、樊明武、刘国治（西北核技术所）、张维岩（工程物理院） 光学工程领域—— 曹建林、阎永廉、朱健强、赵卫 材料、凝聚态物理、化学、微电子领域—— 白春礼、卢柯、候建国、王恩哥、封松林、包信和、金晓峰、洪茂椿 生物、药物、医学领域—— 陈竺、李家洋、牛立文、饶子和、陈凯先、徐学敏、凌峰 环境、地球科学及工业应用领域—— 陈同斌、许志琴、谢在库 工程总顾问——陈森玉 工程进展 1993年12月，丁大钊等三位院士建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。 1995年2月，上海市政协八届三次会议期间，谢希德等7位著名科学家联名提出在上海建造第三代同步辐射光源工程的提案，受到了国家计委、国家科技部和上海市委、市政府的高度重视。
PT CA(PART:A PH YS.TEST.)2009年第45卷4专题综述 同步辐射的基本知识 第四讲同步辐射中的光谱术及其应用(一) 杨传铮1,程国峰2,黄月鸿2 (1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050; 2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050) Basic Knowledge of Synchrotron Radiation )))Lecture No.4Spectrum Technique and Its Applications in Synchrotron Radiation(?) YANG Chuan-zheng1,CHENG Guo-feng2,HUANG Yue-hong2 (1.Shang hai Institute of M icro-Sy stem and Info rmation T echnolog y,Chinese A cademy o f Science,Shanghai200050,China; 2.Shang ha i Inst itute of Ceromics,Chinese A cademy o f Sciences,Shang hai200050,China) 中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编号:1001-4012(2009)04-0248-05 按照光谱术一般定义,同步辐射光谱术就是用同步辐射轰击样品,激发样品各元素的特征X射线,或与样品发生交互作用时产生各种信号,接收探测和分析各种信号,以获得被击样品的化学组成、原子价态及有关结构的信息。由于同步辐射光源包括从红外、可见光、紫外、软X射线到硬X射线的范围,故同步辐射光谱术包括多种光谱术,主要有X 射线衍射谱、X射线非弹性散射谱、X射线发射谱、光电子能谱、X射线吸收谱和近限结构、红外吸收谱和紫外吸收谱、软X射线磁园二色、扩展X射线吸收精细结构、Ram an谱以及Auger电子能谱。其中,X射线衍射谱和X射线非弹性散射谱已分别在第二讲和第三讲中介绍,下面分别就材料(组分和原子价态)分析所关心的问题做简要介绍。 1X射线发射谱及其精细结构 1.1同步辐射X射线发射谱 激发X射线可用高能电子束,也可以用X射线等其他高能离子。实验室用X射线源就是用加速电压获得电子束激发金属元素靶(钨、金、银、钼、铜、钴、镍和铬)的K系辐射的。此外还有初级X射线分析仪、电子探针、扫描电子显微镜和透射电镜中的 收稿日期:2007-11-22 作者简介:杨传铮(1939-),男,教授。X射线能谱分析都是用电子束激发样品中原子的特征X射线。 用钨靶发出的X射线激发样品的常规荧光X 射线分析已经成熟;用同步辐射X射线激发样品的荧光X射线分析[1-2]始于20世纪70年代,与常规荧光X射线相比较有如下特点: (1)选择激发,用于激发的入射线波长不受靶元素的限制,用晶体单色器选择波长小于待测元素吸收限和/或均小于试样中各元素吸收限的单色X 射线来激发样品,后者能对样品作全元素分析,若是前者,可以提供待测元素与其他元素荧光强度的相对比值,可简化结构,降低谱本底。 (2)由于同步辐射的亮度高,以及利用同步辐射的特点而采取降低背景的措施,大大提高了检出限,系统检测已超过百万量级到几十个百万量级,目前已向10-9量级发展,比电子探针检测限10-4高许多量级。 (3)由于同步辐射X射线准直性好,尺寸小,能实现微区荧光X射线分析,空间分辨率已能达到L m量级,随着第三代同步辐射光源的应用,空间分辨率能做到50nm。 (4)同步辐射的光源的各种参数可以通过计算获得,这对荧光分析来说就可以精确计算入射光的强度和能谱结构,有利于提高无标样分析的精确度和准确度。 # 248 #
同步辐射及其应用 一、同步辐射 世间万物都是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。原子核带正电荷，核外电子带负电荷，并且正电荷和负电荷的数值相等，因此原子是呈中性的。原子中的电子以很快的速度绕原子核旋转，如同行星绕太阳运动一样。原子的尺寸是很小的，只有一亿分之一厘米；原子核的尺寸更小，只有十万亿分之一厘米，但原子的绝大部分质量都集中在原子核中。 原子的激发会产生光。红外光、可见光、紫外光，是原子的外层电子受到激发后产生的；X 光是原子的内层电子受到激发后产生的；伽傌光是原子核受到激发后产生的。由于每一种元素的原子发出的光都有它自己的特征光谱，因此可以根据物体发射的光谱来分析它的化学组分。 运动着的电子具有加速度时，它会放出电磁辐射，或者说它会发光。因为光也是一种电磁辐射。当电子在磁场中作圆周运动时，因为有向心加速度，所以也会发光。电子在同步加速器中绕着磁场作圆周运动时发出的电磁辐射叫同步加速器辐射，简称同步辐射，或叫同步光。其实电子在电子感应加速器，或电子回旋加速器中作圆周运动时也会发出这种电磁辐射。但是因为这种辐射是1947年在美国通用电器公司的一台70MeV的电子同步加速器上首先发现的，所以大家都叫它同步辐射，而不叫它感应辐射，或回旋辐射。 现代的同步辐射光源是一台电子储存环。电子储存环也是一种同步加速器，因此它也能发出同步辐射，而且是一种更稳定、性能更好的同步辐射。接近光速的电子在储存环中作回旋运动，同时不断的发出同步光。电子储存环并不能直接把电子从很低的速度加速到接近光速，而需要一台、有时需要两台较低能量的加速器把电子的速度提高到接近光速，然后注入到储存环中。譬如我们合肥光源（HLS）就有一台200MeV的电子直线加速器作为注入器，把电子从80keV（速度为0.5倍的光速，光速为每秒30万公里）加速到200MeV（速度达到0.999997倍的光速），再注入到储存环中，然后电子再在储存环中从200MeV加速到800MeV（速度达到0.9999998倍的光速）。加速器其实是加能器，速度越高的电子能量也越高。粒子的速度可以无限地接近光速，但永远不会等于光速。当电子的能量很低时（几十keV到1MeV），速度随能量的变化很明显；但电子的能量很高时（几百MeV以上），电子在加速过程中，能量增长很快而速度变化不大。因此人们常常喜欢用能量代替速度来表示电子加速的情况。电子在储存环中运行时，能量是保持不变的（也就是速度保持不变）。我们的合肥光源，电子在储存环中每回旋一圈要辐射16.3keV的能量，因此在储存环中有一个高频加速腔给它每圈补充16.3keV的能量，使它的能量始终维持不变。在加速器和高能物理领域中，粒子的能量常用电子伏作单位来表示，1电子伏为电子经过1伏特的电位差所获得的能量，用符号eV 表示，keV（103电子伏）表示千电子伏，MeV（106电子伏）表示兆电子伏，GeV（109电子伏）表示吉电子伏。 一台能量较高的加速器，一般都是由几台加速器串联组成的。如我们合肥光源，是由电子直线加速器和电子储存环组成的。有时在电子直线加速器和电子储存环之间还有一台增强器（增强器也是同步加速器）。在同步辐射加速器中，增强器的最高能量（通常说加速器的能量都是指它的最高能量）和储存环的能量是相同的，这样就可以做到满能量注入，以提高同步辐射光源的性能。此外在每两台加速器之间还有一段束流输运线，它的作用是把电子束从一台能量较低的加速器传输到一台能量较高的加速器中去。如合肥光源，从电子直线加速器
XPS同步辐射光源应用 原论文:《Nucleation and growth of Ni-LIGA layers》 在半导体TiO2~x表层上电镀Ni已经成功应用于LIGA技术，目前已经获得了在微米尺度范围的不同高宽比的镍的结构。然而，粘附，结晶以及镍的生长过程了解的还不够成熟。这篇论文旨在综合应用ARXPS,STM和DTS的技术来获得在纳米尺度的电镀成果。Ni-LIGA 镀层的品质和它粘附于TiO2的能力主要取决于它的表面形态和化学性质，本文主要研究在多孔渗透的TiO2表层，TiO2~x(OH)yNiOzNi表面Ni在结晶和生长时的形态和化学性质。论文分以下几个部分：1.TiO2-x的制备和电镀的准备;2.ARXPS的测量方法和数据;3.STM/DTS的测试结果;4.讨论实验结果并得出结论。 论文的第二部分用到了XPS。此次实验使用的XPS光谱仪是Darlinski and Halbritter 介绍过的AEI ES 200 ESCA光谱仪，激发源为能量1486eV的Al的Kα辐射光子，为了得到较高的分辨率和足够多的数据，将制备好的样品进行旋转，使得收集到的光电子为接收角与曲面法线的张角在10°到70°之间的范围内，并且每次旋转角度为10°。选取最上面5—10nm厚度的表面层，来鉴别不同的化合物。背景中的非弹性散射由Shirley背景扣除来除去。图1为Si/Ti/TiO2/Ni在Ni逐渐沉积的过程中的XPS survey scans.由图中显示的Ti/Ni峰值比可知，随着更多的Ni沉积在表面，对TiO2的屏蔽作用越明显。 图1 图2 图2为Ni-2p3/2峰在接收角为10°和60°时的XPS-narrow scans. 不同接收角的线型不同是因为化学计量是依赖于深度的。随着接收角的增加，在结合能为856ev时，因为金属Ni的屏蔽作用，NiO和更高价态的Ni的氧化物的含量在降低。 这些随角度变化的曲线为拟合提供了大量的数据，也为依赖于深度的化学计量分析提供了精确的数据。同时，使得ARXPS成为一种高灵敏度，没有破坏性的分析表面形态和化学性质的方法。 我们以1-2.5nm厚的在金属镍下的氧化镍层和金属镍上0.4nm的薄层氧化镍为模型（如图4所示），来描述O-1，Ni-1和Ni-3,4+5的分布函数F(θ)(如图3所示)，其中的化学计
同步辐射技术及应用 X 射线小角散射光束线站面向化学、材料科学、生命科学等领域，以聚合物、纳米材料、生物分子、液晶等为主要研究对象，提供一个以常规小角散射为主、兼顾反常小角散射、掠入射小角散射、小角散射和广角散射同时测量以及动态过程研究等技术的实验平台：(1) 通过测量 X 射线相干散射在小角度范围内的强度分布，获得物质内部较大尺度 (300nm 以下 ) 的结构信息。如高分子材料和各种聚集体的分形数、生物大分子的长周期和形貌、生物蛋白及分子团簇的回转半径、纳米颗粒的粒度分布和比表面、平衡固溶体原子偏聚状态中的态密度涨落以及其他各种结构参数等；(2) 可以测量较大角度范围内的散射信号，得到有关晶格的结构信息。对于一些相变过程中发生较宽尺度范围 ( 如几个埃到几百纳米 ) 内结构变化的情况，要求广角散射与小角散射实验能同时进行。如非晶合金的晶化过程，聚合物从熔体到晶体的转变等；(3) 同步辐射波长连续可调，原子散射因子中的色散项在其吸收边上下有分显著的改变，利用某一元素吸收边附近进行 X 射线散射实验，可以“标定” 物质中不同元素；(4)
掠入射小角散射是近年来发展起来的一种新技术，用于研究薄膜表面和近表面内部的纳米尺度的结构。如与反常散射技术相结合，将可从散射信号中得出某种特定元素的贡献，如多孔硅中的金属团簇，以及纳米碳管中的金属囊等等；(5) 高亮度的 X 射线将使我们能够开展时间分辨散射实验，可进行生物大分子活性研究和各种相变过程的动态研究等。3应用实例硅光电子学的应用前景以及对量子点的自组织生长机制的探讨吸引着人们广泛开展硅单晶衬底上自组织生长锗量子点微结构的研究课题，中国科学院高能物理所的姜晓明研究员在北京同步辐射装置上利用X射线掠入射衍射实验方法对Si表面生长的Ge/Si量子点及其在Si表层产生的应变进行了成功测量。此方法可以有效地抑制体结构的信号，从而提取表面层的微弱信号。实验结果表明，表面Ge/Si量子点的晶格在与样品表面平行的横向也偏离了衬底的晶格，并向Si衬底传递在，Si衬底小于100埃的浅表层中形成了横向晶格的膨胀区域和压缩区域。图1是不同掠入射角下Si（220）衍射峰附近的径向扫描，从图中可以看到，掠入射角为0、05时在衬底衍射峰的两侧各有一个衍射峰。高角度位置的衍射峰S2随着掠入射角度的增加很快消失，而低角度位置的衍射峰S1随掠入射角度的增加变化的相对较慢，并且，峰位向衬底峰的方向移动。然后利用常规的X射线衍射测量了衬底Si（004）衍射峰附近的径向扫描（图2），在衬底峰前（66，76处）出现一个小的衍射峰。通过分析得到Si衬底上的量子点结构模型。图1中衍