同步辐射元素成像技术说课讲解

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同步辐射技术及其应用ppt课件

32
透光元件(窗)
铍是常规的透光窗口材料，缺点是有剧毒。近年来，采用人工合成金刚石薄膜，作为透光材料，取得较为理想的效果。
反光元件(镜)
选择合适材料及合适掠入射角，可得到较大的反射率。多层薄膜反射镜，除了改变光束的方向外，还有滤波的作用。把反射镜作成曲面则具有聚焦的作用。
33
聚光元件
目前常用的聚光元件有菲涅尔波带片和毛细管族X射线透镜等。
•••
纳米材料复合材料磁性材料超导材料 ••• 材料
同步辐射技术及其应用
1
1、什么是同步辐射
同步辐射是速度接近光束的带电粒子，在作曲线运动时，其轨道切线方向上发出的一种电磁辐射。
同步辐射
电子运行轨道
2
由于是1947年在美国通用电气公司的一台 70MeV的同步加速器中首次被观察到，故命名为同步辐射。
3
同步辐射装置小的有一个礼堂大，大的其周长可达两公里。这种装置的投资很大。
20
时间结构
常规X光为连续发射同步辐射为脉冲发射脉冲宽度ns(10-9s)- ps(10-12s) 脉冲间隔ns-ms 可作单脉冲快速时间分辨实验
21
辐射光谱
单电子同步辐射并非单一波长，是由回转频率为基频的高次谐波组成。由于电子束团中包含许多电子，这些电子速度即能量是有差异的，实际上构成了一连续谱。
9
注入器
注入器是由发射电子及给电子加速的加速器组成，其功能是将电子加速到同步辐射源要求的额定能量。然后将电子注入到电子储存环中。
10
加速器由直线加速器和增强加速器（同步加速器）两部分构成。
11
电子储存环
电子储存环其作用是让具有一定能量的电子在其中作稳定回转运动并发出同步辐射。

同步辐射光源与技术介绍-BIG

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。

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_一_

理化检验- 物理分册专题综述
PT CA ( P ART : A P H YS. T EST . )
2008 年第 44 卷 3
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( 一)
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)
diffractometer in synchr otr on radiatio n, using both v ertical and hor izo nt al Soller slits
同步辐射 X 射线粉末衍射有如下优点: ( 1) 高的衍射强度和短的试验数据收集时间。记录一衍射花样所需的时间由试样的衍射能力、结晶度、要求的分辨率、精度和扫描的角范围决定。当采用波长为 0. 075 nm 的 X 射线, 步长为 0. 02b, 每步记录时间为 0. 25 s, 对于 0. 6~ 0. 15 nm 的晶面间距( 包括物相鉴定的检索/ 匹配所要求的绝大多数反射) 能在几分钟完成衍射花样的记录, 因此在结构动力学、化学反应和相变的适时研究中广泛应用。 ( 2) 高分辨率和波长的选择性。把测角仪 D1 的分阶扫描至要求的单色器角 HM 就可选择波长。所选的波长能用试样中或置于光束中薄膜的一种元素的吸收限来测定。高度单色的准直入射光束以及 Soller 光阑和晶体分析器的使用, 使得整个衍射花样具有很高的分辨率, 已能探测得到 0. 000 1b 的 Brag g 峰的漂移。图 3a 和 b 给出同一样品分别用 CuK A 辐射、D 500 粉末衍射仪和 K= 0. 158 nm 的同步辐射 X 射线粉末衍射仪的衍射花样, 比较可知, 后者的衍射峰窄、分辨率高、衍射强度大及弱峰的探测能力强, 因此测量精度也高。 ( 3) 除峰宽随t anH增加外, 整个花样中的衍射

同步辐射应用概论-光源和光束线-1(课堂讲课)

• 这些就是第一代光源：从高能物理用的加速器转为同步辐射应用。
特选课堂
19
• 1980年代以后，出现了专门用于同步辐射研究的加速器，立刻成为引人注目的大科学装置，多学科的研究平台。
• 英国的SRS、美国的NSLS/Aladin、日本的 PF/UVSOR、德国的BESSY、法国的Super ACO、中国的NSRL。
特选课堂
4
一个形象但不准确的描述：电真实的情况是在储存环中电子
子好像雨伞一样进行高速圆周高速运动，其速度接近光速，
运动，同步辐射像雨点一样从经过一个磁场，运动方向产生
圆周的切线方向发射出来。
偏转，发出电磁辐射，这就是
图片来自SSRL
特选课同堂步辐射。
5
电磁波的波谱：不同波长（能量）的电磁波适合于不同尺度上
特选课堂
3
什么是同步辐射？
• 同步辐射是由接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动时沿切线方向产生的电磁波，具有强度高、准直性好、能量范围广（从深紫外到硬X光）等优异特性，是研究物质结构和电子结构的高性能光源，具有宽波段、高准直、高偏振、高纯净、高亮度、窄脉冲、高稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。
特选课堂
38
Wiggler的特征能量
c (q ) cmax 1 (q / )2
wcmax 0.665 (EGev)2 B(T)
中心部位特征能量最高（越硬的X射线），越偏离中心，特征能量越低（越软）。
特选课堂
39
Wiggler插入件的用途
• 在第一代和第二代机器上，用于提高强度，因为这些机器电子发射度很大，使用 undulator不是很现实。
的中心锥束，周围还围绕着一些比较弱的“边瓣”。

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_八_

收稿日期: 2007-10-22 作者简介: 程国峰( 1977- ) , 男, 工程师。 # 588 #
或者两种铜原子位置都被部分取代, 它是不随人的意志为转移的, 因此把研究的注意力集中在对 T c 的影响及原子占位问题上, 一些研究的结果总结于表 15 中, 从取代元素对 T c 的影响来看可分两类: 一类对T c 影响不大, 如钛、铬、钒、银和铂; 另一类是
与此类似, 用镧、钕、钐、铕、钆、镝、锬和铥部分或全部取代钇。当为全部取代时, 刚制备的样品的点阵参数 a, b, c 及晶胞体积 V 都随原子序 Z 增加而降低, 这与稀土原子的离子半径随 Z 增加而减小相对应, 超导转变温度 T c 也随之降低, 且随电流增加 T c 也向低温方向漂移。
由于这种元素( 部分或全部) 取代在实际中, 无论就材料而言, 或就取代元素而言, 其种类繁多, 故无法系统地进行研究和小结, 这里仅介绍笔者曾关心或研究的几个材料体系中的某些问题。 7. 1 高 Tc 超导体中的原子有序和氧空位有序
在 Y Ba2 Cu3 O7- x 中, 用某些元素取代或部分取代其中的阳离子后, 在这种新的超导体中, 取代原子在晶胞中位置不随人的意志为转移。比如, 设想部分取代 Y Ba2 Cu3 O 7- x 中的铜, 通式可写为 YBa2 ( Cu1- y M y ) O 7- x , M 原子是否全部取代铜的部分位置, 即使全部取代铜的位置, 那么究竟取代 Cu1( 0 0 0) 的位置, 还是取代 Cu2( 0 0 0. 359) 位置,
还有用锶和钙取代钡, 人们还考虑可否用 Ó B 族的铊取代 ÓA 的钇, 同时还考虑用铋和铅的可能性。Maeda 和 T anaka 等深信为了寻找更高 T c 的超导体, 重要的是去研究不含稀土元素的其他类型的氧化物, 并着重研究 ÕB 族三价元素铋和锑, 这导致他们首先发明了 T c 达 105 K 的新型超导体 BiSrCaCu2 O x , 然后获得一系列高 T c 的超导体:

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_四_

2 dsinθ = nλ
(28)
由图 17 可见 , 由于整个厚度都参与衍射 ,透射
衍射线严重宽化 ,还会引起衍射线的重叠。
如果使用多色 X 射线 ,对于处在相同方位不同
d 值的晶面 ,入射线的方向不变 ,则不同 d 值各晶面
对多色 X 射线中的不同能量入射线的衍射线方向
相同 ,因此探测器必须固定在一选定的 2θ位置 ,各
表 4 波长色散衍射和能量色散衍射的比较
Tab. 4 The Co mpariso n of wave dispo sive
and energy dispo sive diff ractions
比较项目透射式波长色散衍射
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
透射式能量色散衍射
入射线
单色的特征辐射一定能量范围的连续 X 射线
衍射线
BA SIC KNO WL ED GE O F S YNC H RO TRON RAD IA TION ———L EC TU R E No . 2 D IFFRAC TION T EC HN IQ U E AND ITS A PPL ICA TION S
IN S YNC H RO TRON RAD IA TION ( Ⅳ)
中图分类号 : O434. 11 文献标识码 : A 文章编号 : 100124012 (2008) 0620327203
4 能量色散衍射
4. 1 波长色散衍射和能量色散衍射前面讨论的衍射都使用单色 X 射线的 ,其透射
式的衍射几何实质示于图 17a 中 ,处于不同方位的不同 d 值的晶面在同时刻给出衍射线 , 探测器作 2θ 扫描逐步接收各衍射线。如果使用平面探测器或多丝位敏探测器 ,可同时接收和记录各衍射线 ,这称为波长色散衍射。各衍射线服从 Bragg 定律 :

《同步辐射应用基础》PPT课件

E

Ek

p2
2
2 2 E 2
i 2 2
t 2
考虑势函数的一般表达式
i
t

2
2
2

V

r,
t

态的迭加原理：如果1、2、3n描写的都是体系可能的状态，那么它们的线性迭加描写的也是体系可能的状态
H
' 22

E'

H
' 1
f
H
' 2
f
0

H
' f
1
H
' f
2

H
' ff
E'
解此久期方程，我们可以得到f个根E’，即 f个能量的一级修正。一级微扰可以将f度简并完全或部分消除
含时微扰与量子跃迁

体系原来处于不显含时间t的H0 的本征态上,它的包含时间因子的本征函数系为

n

同步辐射应用领域凝聚态物理、材料科学、原子分子物理、
生命科学、信息科学、环境科学、光化学、催化、医学、农学、微电子、微机械
量子力学的产生

十九世纪末和二十世纪初，物理学的发
展进入了研究微观现象的新阶段，这时许多物
理现象无法用经典理论给以解释。主要有两类，
一类是光（电磁波）的量子属性问题，另一类

i

Gh

Rn

1

Gh Rn 2m

全部 Gh 端点的集合，构成该布拉维格子（正格子）的倒格子，Gh 称为倒格矢

《同步辐射应用基础》课件

监督与考核
安全规定的
行为进行纠正和处罚。
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
对社会发展的影响
01
科技进步
同步辐射技术的发展将推动相关领域的技术进步，促进科技创新。
产业升级
02
03
人才培养
同步辐射技术的应用将带动相关产业的发展，促进产业升级和经济增长。
同步辐射领域的研究和应用将培养一批高水平的科技人才，为未来的科技发展提供人才支持。
2023
PART 05
同步辐射的安全与防护
医学影像技术
总结词
同步辐射在医学影像技术中具有重要应用，为疾病诊断和治疗提供了高分辨率的图像。
详细描述
通过将同步辐射技术与医学影像技术相结合，可以生成人体内部的高清晰度图像，有助于医生精确诊断病情。例如，在肿瘤诊断和治疗中，医生可以利用同步辐射技术进行精确的定位和监控，提高治疗效果。
其他领域
同步辐射过程中，带电粒子的动能转换为电磁能，释放出来。
同步辐射的特点
高亮度
同步辐射的亮度比常规光源高多个数量级，具有极高的光子
通量密度。
宽波段
同步辐射的波段覆盖了从远红外到硬X射线的宽广范围，可用于多种实验研究。
准直性好
同步辐射的发射方向沿带电粒子运动轨迹，具有良好的准直性。
脉冲时间结构可控
同步辐射的来源
同步辐射主要来源于高能物理实验中的粒子加速器。
同步辐射的特点
同步辐射具有高亮度、宽波段、准直性好、脉冲时间结构可控等优点。
同步辐射的产生
01
02
03
带电粒子的加速
带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，被加速到高能状态。

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_

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”。

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_

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。

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E. coli OP50+ PBS (A), E. coli OP50 + nano Cu (B), and E. coli OP50 +Cu2+ (C).
JAAS, 2008, 23, 1121–1124
Quantitative 3D elemental microtomography of
Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution
240,000 single-point
24 projections
36 h (0.1 S/pixel)
XRF microprobe at beamline 2-ID-E of the Advanced Photon Source
Following monochromation the X-ray beam was focused to a spot of approximately 270 nm diameter using a Fresnel zone-plate objective. Fluorescence spectra were recorded at 150 nm intervals as the specimen was raster scanned through the focus of the X-ray beam to obtain 2D projection images. The flux transmitted by the sample was monitored using both an ion chamber and a configured detector. A rotation series was obtained by acquiring such images with the specimen oriented at 24 different angles with respect to a vertical rotation axis.
元素成像原理
荧光产额较低的原子序数Z的元素，荧光产额较低
原则上，可测元素Z>4
实际工作中
Z>11 （空气吸收）
光线能量
同步辐射元素成像设备
光学部分
成像设备
样品测试部分
信号处理部分
Detection limit: 10-18 g， ~103 atoms Nat Phys,2006, 2:101–104 lateral resolution: 50 nm Anal Chem, 2003, 75:3806–3816
Spring-8 大储存环直径457米，周长约1436米，电子能量3.5GeV 。直线加速器部分长140米
同步辐射的发展
第一代同步辐射光源. 在核物理/粒子物理研究的空挡，利用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方式。北京高能所同步辐射装置(BSRF) 。
第二代同步辐射光源. 第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步辐射装置。
模式动物 2D
3.5×5.0 μm at BL-4A in, KEK Schematic drawing of anatomical structures of an adult hermaphrodite C. elegans
1 mm
Elemental distribution in C. elegans which was fed by
XRF spectra
Typical energy dispersive XRF spectrum for a multi-element standard
E: qualitative analysis
peak eara: quautification
生物样品中微量元素的空间分布
吸收、转运、蓄积、代谢生理生化功能作用机制实例
制样细胞悬液滴加在电镜栅网上，自然风干定量 XRF standards NIST 1832 ,1833
Quantitative 3D elemental microtomography of
Cyclotella meneghiniana at 400-nm resolution
PNAS, 2010，107，15676-15680
宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段。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。
高准直：同步辐射的发射度极小，准直性可以与激光相媲美。
BSRF
BSRF ：直线加速器 200米储存环周长 240 米，电子能量-2 GeV
SSRF 储存环周长432米，光子能量为0.1~40 keV ，电子能量3.5GeV
同步辐射元素成像技术在环境科学研究中的应用

元素成像：样品内元素的空间分布
同步辐射：电子运动的方向发生变化时在切线方向产生电磁辐射
1947年, 在电子同步加速器上首次观察到，命名为
synchrotron radiation
同步辐射的特点
高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。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几秒。
PNAS, 2010，107，15676-15680
Cyclotella meneghiniana account for 20% of
global carbon fixation. facilitate the transport of photosynthetically fixed CO2 from the surface ocean to deep water , 10μm
第三代同步辐射光源. 科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入件。上海光源（SSRF）。
元素成像原理
XRRFF Auger electr on
Primary X-ray
An electron in the inner shell (e.g. K shell) is ejected from the atom by an external primary excitation x-ray, creating a vacancy. An electron from outer shell "jumps in" to fill the vacancy. In the process, it emits a characteristic x-ray unique to this element and in turn, produces a vacancy in the outer shell.