同步辐射元素成像技术说课讲解

1 同步辐射概括同步辐射(synchrotron radiation)是速度接近光速的带电粒子在磁场中做变速运动时放出的电磁辐射，一些理论物理学家早些时候曾经预言过这种辐射的存在。

这些预言，大多是针对其负面效应而作出的。

以加速电子为例，建造加速器令电子在其中运行，通过磁场增加电子的速度，从而得到高能量，视为正面效应；然而在加速器中转圈运行的电子一定要放出辐射，从而丢失能量，视为负面效应。

通过得失的平衡，给出了加速器提速的限制。

1947年，位于美国纽约州Schenectady的通用电气公司实验室(GE lab)在调试新建成的一台70MeV电子同步加速器时首次观测到了同步辐射的存在。

同步辐射是加速器物理学家发现的，但最初它并不受欢迎，因为建造加速器的目的在于使粒子得到更高的能量，而它却把粒子获得的能量以更高的速率辐射掉，它只作为一种不可避免的现实被加速器物理学家和高能物理学家接受。

但同步辐射的能量高、亮度大、发射度低、脉冲时间短、能量连续可调等的相对于台式光源所不具有的部分优异特性却吸引了固体物理学家的注意，将其引用于X射线谱学研究领域。

而20年后随着第一代同步辐射光源的纷纷建立，同步辐射摆脱了作为加速器负效应的形象，基本确立了同步辐射及其相关谱学技术在固体物理研究领域的学术地位，并且在最近50年的发展中将同步辐射的应用领域大大扩展，成为现代科学研究前沿的不可或缺的工具，同时也是衡量一个国家是否具有学科研究领军能力的少数几个大型科学装置之一。

目前在中国现在共有4个同步辐射光源装置：1991年开始运行的北京光源(BSRF)属第一代同步辐射光源；1992年开始运行的合肥光源(NSRL)属第二代同步辐射光源；1994年建成的台湾光源(SSRC)以及2007年开始运行的上海光源(SSRF)属第三代同步辐射光源。

同时预计“十三五”期间内建设在北京光源所在地的高能光子源（HEPS）将成为亮度、发射度超越世界目前同步辐射光源先进水平的第三代光源，而在上海光源所在地规划建设的X射线自由电子激光（XFEL）将拥有更高的亮度和完全的相干性成为新一代光源。

理化检验2物理分册P TCA(PA R T:A P H YS.TEST.)2008年　第44卷　7　专题综述同步辐射的基本知识第二讲　同步辐射中的衍射术及其应用(五)程国峰1,杨传铮2,黄月鸿1(1.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;　2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050)BASIC KNOWL ED GE O F S YNC HRO TRON RADIA TION ———L EC TU R E No.2　DIFFRAC TION TEC HN IQU E AND ITS A PPL ICA TIONSIN SYNC HRO TRON RADIA TIONΦCHENG G uo2feng1,YANG Chuan2zheng2,HUANG Yue2hong1(1.Shanghai Institute of Ceromics Chinese Academy of Sciences,Shanghai200050,China;2.Shanghai Institute of Micro2System and Information Technology,Chinese Academy of Science,Shanghai200050,China)中图分类号:O434.11 文献标识码:A 文章编号:100124012(2008)07203912045　纳米材料中微结构的表征和研究纳米材料是一个不十分明确的概念,可能是纳米大小、纳米尺度、纳米颗粒或纳米晶粒材料的通称,所谓纳米级材料是大小、尺度、颗粒或晶粒在1～100nm范围的材料。

纳米材料的结构表征方法有传统的透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和粒度分布测量仪。

20世纪80年代以后,扫描探针显微镜(SPM),包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(A FM)在纳米材料研究中获得应用,有人甚至把SPM视为纳米科技的“眼”和“手”。

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(三)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 Applicationsin Synchrotron Radiation(Ó)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)06-0389-044俄歇电子能谱上节已提到用俄歇(Aug er)电子信号测定表面EXAFS谱,那是就特定能量的俄歇电子强度随入射X射线或电子能量变化的关系谱,是研究表面局域结构的重要方法。

俄歇电子能谱则是能量约几千电子伏特的入射线(可为电子束,也可为X射线)轰击试样表面,使试样表面逸出俄歇电子,再用电子能量探测器、锁相放大器等接收和放大,最后给出能量分布曲线[N(E)-E]或能量分布微分曲线[d N(E)d E-E],见图10,各种逸出的俄歇电子在分布曲线上对应于一个谱峰,它的形状、位置和强度与表面几个原子层内的成分、浓度、价态和价态密度有关,图10是用1keV 电子束激发银的俄歇电子能谱曲线,除俄歇电子峰外,还包括弹性电子峰和等离子损失电子峰,用X 射线激发的俄歇电子谱要简单得多。

第一课时核医学成像特点和成像类型介绍示踪技术，我想请大家能够重点关注示踪技术的两个条件，这两个条件同样的也是核医学成像的两个基础条件。

我们把同位素间化学性质相同、物理性质不同叫做物理条件，把同位素合成的放射性药物在人体组织内新陈代谢的规则，也就是药物的定位机制叫做生物条件。

两个条件缺一不可，当两个条件都具备了，我们就可以对症下药了。

不同的放射性药物、针对不同的组织特点、设计出来不同的药物定位方案、最后根据放射性药物所放射出的射线，通过检测仪器进行检测分析和诊断。

根据核医学成像的基础条件和原理，并且与CT、MR和超声显像进行对比，可以得出四个显著的特点。

1.之前学习的成像都是对目标脏器和组织进行了解剖的结构的成像，我们说是结构性成像，人体器官的功能和解剖结构是相互依存的。

人体器官的功能活动是以其解剖结构为基础，而解剖结构的存在又必须依赖其正常的功能活动(血供和代谢)。

解剖结构的变化必然伴有功能的改变,而持久的功能活动异常也终将导致解剖结构的损伤,这就决定了功能性和解剖性显像两者之间的关系只能是相辅相成、互为补充、互为一体。

这种成像的优点一般图像的分辨力比较高，但是从病例上讲，器官都是先出现功能性变化，再出现形态上的变化，也就是说等结构性成像发现有问题了，可能问题已经比较大了。

这些成像的弊端就是在于诊断的滞后性。

我们说核医学成像可以把药物从入口到排泄整个新陈代谢的过程的都记录下来，这样如果在代谢过程的任何环节上相对应的组织脏器有问题了，都会被及时的发现。

2.定量分析（见书）3.显像特异性（找例子）4.安全无创。

γ相机最常用的放射性探测仪器就是γ相机，可以用来探测、记录放射性核素所放出的射线的种类、数量和能量。

可以将人体内放射性核素分布快速、一次性的现象。

既可以提供静态图像、又可以进行动态观测。

每一种放射性核素都有自己特有的辐射能量，也就是说放射出的γ粒子的能谱是不同的。

闪烁体引入放射性药物的人体放出的γ射线一般是各向同性的，记录γ射线的闪烁计数器就会接受到2π立体角的γ射线，这样所形成的核素现象就是模糊混乱的，不可能形成反映放射性核素数量在人体内的分布图像。

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 Applicationsin Synchrotron Radiation(Ñ)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。

同步辐射X射线荧光（sXRF）成像戴维·瑟罗古德（David Thurrowgood）1.分类同步辐射X射线荧光（synchrotron X-ray fluorescence，sXRF）成像是对平面上的元素进行定性和定量测量的技术，用的是电磁频谱中的X射线，属于非侵入式成像技术。

不同于传统的X射线照相，这种方法提供的不是重元素的密度分布图，而是通过对元素的精确鉴定，用波谱数据生成平面上的元素分布图。

2.说明X射线荧光（XRF）测量的是特定原子对高能光子照射的反应方式。

X射线光子发射到对象表面，引发光子与待测元素间的相互作用。

探测器通常与样品表面成角度放置，以测量X射线与样品中元素相互作用后性质的变化。

不同的元素对入射辐射的反应不同，因此探测器接收到的辐射也会有专属于每种元素的特性。

根据对（微观或宏观）表面上各种元素的检测结果，可绘出一套不同元素在样品中的浓度分布图。

可将这种分布图当作图片来查看，但它是由样品表面许多单个分析点位排列成的点阵。

sXRF只有在使用同步辐射源的情况下才能取得最佳效果，不过人们正在开发更为有效的实验室方法和便携方法。

3.应用XRF既可进行宏观水平的检测，也可进行微观水平的检测。

光斑大小可从纳米级到毫米级。

这种灵活性意味着它既可以测量一个颜料层断面上颜料颗粒的分布变化，也可以测量整幅画面上的元素分布。

这项技术主要适用于较重的金属元素，不过在某些实验配置下也可检测较轻的元素。

XRF是针对绘画作品在创作过程和复绘过程中所发生变化的最有效检测工具之一，也可以有效地验证一件作品上是否存在与推定的艺术技法和创作时代相符的元素。

此外，这种方法对痕量元素的检测也非常有效。

这种技术最近在处理采集数据的能力方面有了进步，已可进行数字解构与重建，可对绘画的分层结构进行电脑着色，包括对底色层的色彩重建。

这种技术在分析颜料层断面时，可以提供颜料颗粒级的成分细节，包括氧化态信息，这些信息对艺术品的劣化机制评估和作者归属都有价值。

同步辐射软x射线谱学显微技术同步辐射软X射线谱学显微技术是一种先进的材料分析方法，它利用同步辐射光源和X射线技术，以显微尺度观察材料并进行化学成分的分析。

本文将对同步辐射软X射线谱学显微技术的原理、应用领域和未来发展进行介绍。

一、原理同步辐射光源是一种高亮度、高能量的光源，能够产生连续、稳定的X射线束。

通过同步辐射光源，可以获得高分辨率的X射线光谱，在微米尺度下进行观察和分析。

同步辐射软X射线谱学显微技术主要包含两个部分：X射线显微镜和能谱仪。

X射线显微镜用于观察样品的显微结构，它利用X射线透射和散射的方式，在纳米和亚纳米尺度下揭示材料的微观结构。

能谱仪用于记录和分析X射线的能谱信息，通过能量分析，可以获得材料的化学信息。

二、应用领域同步辐射软X射线谱学显微技术在材料科学、生物医学、环境科学等领域有广泛的应用。

1. 材料科学：同步辐射软X射线谱学显微技术可以在微米尺度下观察材料的晶体结构、成分分布和缺陷等信息，对材料的制备和性能进行研究和改进。

例如，可以通过观察金属合金中的晶界和孪晶，研究材料的力学性能和耐腐蚀性能。

2. 生物医学：同步辐射软X射线谱学显微技术在生物医学研究中可以揭示生物样品的微观结构和元素分布。

例如，可以研究细胞内金属离子的转运和分布情况，了解其对细胞功能的影响；还可以研究药物在组织和细胞水平的分布情况，优化药物的治疗效果。

3. 环境科学：同步辐射软X射线谱学显微技术可以用于研究环境样品中的微观结构和化学成分，例如土壤中的微生物和有机物分布情况，水中的微小颗粒物等。

这对于环境监测和环境污染源的追踪具有重要意义。

三、未来发展同步辐射软X射线谱学显微技术在分析和观察领域具有独特的优势，但目前还存在一些挑战和改进的空间。

1. 分辨率的提高：目前的同步辐射软X射线谱学显微技术分辨率已经很高，但对于一些特殊材料和纳米尺度结构的观察仍有限制。

未来可以通过光源和仪器的改进，进一步提高分辨率，实现更精细的观察和分析。

同步辐射成像技术在新材料研发中的应用研究材料是现代科技和工业发展的重要基石，随着技术进步，对材料性能的要求越来越高，传统的材料研究已经无法满足现代制造业的需要。

因此，新材料的研发成为了当今世界科技研究的热点之一。

同步辐射成像技术在新材料研发中的应用研究已经引起了广泛的关注。

本文将介绍同步辐射成像技术的基本原理、应用现状及其在新材料研发中的应用前景。

1. 同步辐射成像技术基本原理同步辐射源是一种极强、极短、极亮的光源，能够产生出极短的电磁波，光子的波长非常短，可以达到纳米甚至子纳米级别。

同步辐射成像技术（SRS）是一种高分辨率的成像技术，通过SRS技术可以获取材料的元素组成、化学状态和微结构信息。

SRS技术的原理是利用同步辐射源产生的极亮光束对样品进行辐射照射，材料吸收部分能量并向空间释放出相干辐射信号，再通过接收器接收到辐射信号并进行处理，从而得到样品的成像信息。

2. 同步辐射成像技术应用现状SRS技术在多个领域中得到广泛应用，例如材料科学、化学、生物医学等领域。

在材料科学领域，SRS技术被广泛用于技术性研究、质量控制、生产过程监测等方面。

SRS技术还被广泛应用于产品研发、新材料成分识别以及超硬材料制造等领域。

3. 同步辐射成像技术在新材料研发中的应用前景新材料的研究对于现代工业的发展至关重要，同步辐射成像技术可以提供一种高精度的分析方法，从而促进新材料的研发。

例如，在超硬材料研发中，SRS技术能够提供非常灵敏的材料成分分析和表面型貌描述功能。

此外，SRS技术还可以用于控制材料的温度、压力和化学成分等物理和化学参数，从而获得高品质的材料。

因此，同步辐射成像技术在新材料研发中具有非常广阔的应用前景。

总之，同步辐射成像技术的研究和应用为新材料的研发提供了很好的技术支持，也为人类的生产和生活提供了更加先进、精细的材料。

未来，SRS技术有望在新材料研发中扮演越来越重要的角色。