同步辐射技术应用及发展
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
到它具有重要的应用价值[1]。
1.2 同步辐射的特性
来自加速器弯转磁铁的同步辐射是连续波长的强光，可以从中获取所需的波长。这个光有理想的偏振特性:在轨道平面内是直线偏振光，在轨道面的上、下方分别是左、右椭圆偏振光，可近似地认为是圆振光。如果利用波荡器，可得到比弯转磁铁的同步辐射更亮的、波长可调的准单色光。这类装置被安装在加速器的直线节上，结构为磁场方向交替变化的磁铁排列。当高能电子通过磁铁排列时，受洛伦兹力作用做蛇行运动。波荡器磁极的间隙可调，可以通过改变间隙选择准单色光的波长。从平面型磁铁排列波荡器可得到直线偏振光，从螺旋型磁铁排列的波荡器可以得到椭圆或圆振光。由于高频谐振腔的作用，电子形成了一系列的束团在储存环内回转，因此放出的同步辐射是脉冲光[2]。经常把同步辐射看作是直流光，也可以把同步辐射作为脉冲光使用，进行时间分辨实验。
2 同步辐射光源的发现及发展
1895 年11 月8 日德国科学家伦琴（Rontgen）发现X射线，开创了科学技术的新纪元。不久，拉莫尔（Larmor，1897），李纳（Lienard，1897）和肖特（Schott，1907）等人出色的工作，奠定了加速运动带电粒子电磁辐射的经典理论基础。他们的研究是在电子发现之后，但大大超前于粒子加速器的发展。粒子加速器的研究开始于20 世纪20年代，但发展缓慢。直至四、五十年代，物理学家应用同步加速器产生高能带电粒子，并应用磁场把带电粒子限制在环形轨道内运动。随着环形加速器问世和人类加速带电粒子的能力不断增强，人们再次注意到这种无名辐射和它引起的能量损失。对于基本粒子物理实验所需要的高能量，对撞前带电粒子的速度接近光速。带电粒子加速期间，能量损失的主要原因是电磁辐射，因此，40 年代同步辐射被认为是限制加速器达到高能量的主要障碍。纵观当年与之有关的研究论文题目，大有冠以“论感应电子加速器的能量获得极限”之类的标题。还推算出这个极限是500 MeV。幸好没过多久，苏联和美国加速器物理学家维克斯列尔（Veksler）及麦克米伦（McMillan）先后独立提出了新的同步加速器原理，突破了这个“限速关”。通用电气实验室建造的那台机器，就是美国人为了检验新原理而建造的[3]。
1944 年布卢伊特（Blewett）试图在电子加速器直接观察同步辐射失败，1947 年埃尔德等人在美国纽约州为美国通用电气公司一台70 MeV电子同步加速器调试过程中，因为担心发生高频电极间的放电，即俗称的“打火”，安排了一位工人站在屏蔽墙外，用反射镜观察，偶然地看见了同步辐射的亮光。这个亮光总是当电子加速到约30 MeV 才出现，随着电子能量升高，颜色有规律地由暗红转黄，再变成很亮的蓝白色光点，光点很小，位置稳定。经过一番思考和争论，波拉克等人才恍然大悟，他们看到的就是会造成被加速粒子能量损失的电磁辐射。这个发现当时引起很大的轰动。由此而得名的同步辐射就这样与20 世纪的物理学家不期而遇。
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（电子每绕加速器一圈辐射掉的能量∝E4，能量越高的电子辐射损失越快），它只作为一种无可避免的现实被加速器物理学家和高能物理学家无奈地接受。但是，固体物理学家对这种辐射相当感兴趣，即使在发现同步辐射的早期，已经有人在构思它在非核物理中可能的重要应用，但真正证实有用还是10 年以后。20 世纪50 年代前苏联和美国的科学家都进行了大量实验，并与理论计算进行比较，60 年代初开始了同步辐射应用可行性的研究，很快同步辐射的应用进入了实用阶段。1956年，坦布里昂（Tamboulian）与哈特曼（Hartman）对康奈尔（Cornell）大学的300 MeV 电子同步加速器产生的同步辐射性质进行了研究，如同理论所预期，该加速器发出的同步辐射最丰富的谱范围在真空紫外（VUV）光波段，对光谱及角分布的实验测量结果与理论预期完全吻合，他们还测量了在铍及铝上的吸收谱，测得Be-K 及Al-L2，3的不连续谱线。这是同步辐射早期应用的先行性工作之一[4]。此间，前苏联莫斯科列别杰夫（Lebedev）研究所的250MeV 加速器上也开展了类似的先行性工作[5-6]。
3 同步辐射技术的应用简介
3.1 同步辐射技术在生命科学中的应用
同步辐射在生命科学中的应用涵盖很多方面，包括结构分子生物学、微生物学、药物学、细胞生物学、生物医学等等。从分子水平研究生命科学是目前生命
科学研究的热点。利用生物大分子晶体学的方法来解析生物大分子的三维空间结构，并由三维空间结构来研究其功能就是目前生命科学研究的重点方向。在同步辐射装置上也还有许多其他方法或者可以用做生物大分子晶体学方法的补充，或者可以单独进行生物大分子结构与功能的研究，如X 射线小角散射法可以测定低分辨的大分子结构，结合高分辨的晶体学数据就可以得到蛋白质分子的精细结构，而且小角散射法还可以单独用来测定蛋白质分子在溶液状态时的分子外形。而利用EXAFS法，结合晶体学方法测定的分子结构，可以更精确地测定蛋白质中所含金属元素的价态、键长等信息，其键长测定精度可达0.1? 以上。其他方面比如软X射线谱学显微技术可以研究自然状态下的细胞结构和功能关系等等。
3.1.1 生命科学研究应用方法[7]
应用于生命科学研究的同步辐射实验方法主要是通过构成生命体的物质对X 光的散射及吸收等相互作用来进行科学研究。散射有两种类型：一种是特殊的散射，即包括衍射和衍射成像；另一种是一般的散射，包括小角散射、广角散射、漫散射、磁散射、非弹性散射、散射(折射)成像等等。吸收主要包括利用吸收谱、吸收成像以及吸收效应、光致发射等等方法。
1）生物大分子晶体学
它主要是利用生物大分子晶体对X光的衍射来进行生物大分子的三维结构研究。高亮度的同步辐射X光能够从很小的大分子晶体采集足够的高质量的衍射数据来进行三维结构解析，极大地加强了生物大分子晶体学的研究功能。同时利用同步辐射能量可调的独特优点，发展出来的反常散射法更是大大提高了生物大分子晶体学三维结构解析的成功率。
2）X射线吸收精细结构谱学(XAFS)
当入射原子上的X光能量高于原子内壳层电子的跃迁能量时，就会有一定几率将原子内壳层电子激发到高能状态，此时内壳层就会有空位，高壳层电子会向下跃迁以降低能量而达到稳定状态，两个壳层能量之差以荧光的形式散出，利用这种光电效应的方法就是X射线吸收精细结构谱(XAFS)谱学。它是随着同步辐射装置的发展而成熟起来且用途十分广泛的实验技术，是研究物质结构非常重要的方法之一。该技术的主要特点是能够在固态、液态等多种条件下研究原子(或离子)的近邻结构和电子结构。射线吸收精细结构谱学在生命科学中的应用
(BioXAS)主要是进行金属蛋白的研究。
3）X射线小角散射(SAXS)
X射线小角散射是指
发生在原光束附近小角度范围内的电子相干散射现象，起源于样品内部电子密度的均方起伏。根据相干散射强度曲线，可获得颗粒的形状信息，其结构尺度为1-1000nm。针对蛋白质结构研究，小角散射实验方法的一个重要优点是可以直接在溶液中测量小角散射谱，以此来得到蛋白质分子或复合物分子的结构信息，将其与晶体学数据相结合可以对晶体结构进行验证、修正及研究蛋白质分子结构中柔性部位的结构等。
4）X射线微探针与软X射线谱学显微技术
硬X射线微探针主要是利用微聚焦系统，将高亮度的同步辐射X光聚焦成微米光束来进行科学研究。同步辐射上的微束X光斑具有极高的亮度以及很小的光斑尺寸，利用能量可调的单色X 射线微束(<2μm)，配备先进的探测系统，X 射线微束系统可以在细胞水平上开展微束X射线荧光分析(μ-XRF)、微束X 射线谱学(μ-XAFS)以及微束X射线衍射(μ-XRD)和微束成像实验研究，具备原位分析样品的元素组分、化学特性、物质结构及其二维分布的能力。
软X射线谱学显微技术结合了扫描透射X射线显微术(STXM)的几十个纳米的高空间分辨和近边吸收精细结构谱学(NEXAFS)的高化学态分辨能力，与电子显微术、TXM 相比样品辐射损伤相对较小，可以在介观尺度研究固体、液体、软物质(如水凝胶)等多种形态的物质。利用“水窗”波段(波长λ=23-44?)的软X 光对水的高穿透性特点，软X射线谱学显微技术可以研究自然状态下的细胞结构和功能关系，以及具有一定活性的生物样品的结构与元素空间分布等。
5）X射线成像
X射线成像主要是利用生物组织对X射线吸收与透过率的不同来测量生物组织的结构。比较常用的方法包括同轴相衬成像及显微CT等。相衬成像类似于传统的透照术。
3.2 同步辐射技术在生物医用领域的应用[8-11]
采用同步辐射红外光源的红外光谱主要用于微小尺寸样品或对样品进行微区分析测试，于是红外光谱成像(Fourier transform infrared imaging，FTIRI)技术
应运而生。红外光谱成像技术是在傅里叶变换红外显微镜和步进扫描干涉仪技术的基础上发展起来的微区分析技术[9]。红外光谱成像技术的发展经历了三个阶段:第一阶段为红外显微镜，或称为红外显微光谱法(Fourier transform infrared microsp-ectroscopy，FTIRM)。它是将光学显微镜配以红外检测器，然后与红外光谱仪联用;或作为红外光谱仪的附件，用来扫描微量物质或微区样品的一个点，得到单点的红外光谱，但不具有扫描样品整个微区的红外图像功能。第二阶段为20世纪80年代发展起来的绘图方式(mapping)，它利用自动显微镜载物台逐点移动样品，逐点测定其红外光谱，然后进行红外图像分析。该技术使用单通道检测器，只能逐点扫描，因此数据采集时间很长，一般需要数小时之久。此外，在数据采集过程中，傅里叶变换红外光谱仪和红外显微镜必须处于稳定的工作状态[7]。第三阶段为1996年推出的与焦平面阵列(focal plane array，FPA)检测器相关的成像技术，它由焦平面阵列检测器、红外显微镜和步进扫描傅里叶变换红外光谱仪组成。它不再需要移动样品载物台来完成红外光谱的采集，且可对较大面积的样品进行红外图像分析。虽然FPA技术极大地提高了红外成像的速率，但成像的空间分辨率却不如使用单通道检测器的成像技术。
3.2.1动物细胞及组织的红外成像
1）骨细胞的化学分析
图1为荧光显微镜与同步辐射红外成像相结合的谱图，通过计算正常的和卵巢切除后的雌猴组织中磷酸盐和蛋白质的红外特征吸收的比值就能得到骨骼矿化程度，结果表明切除卵巢后骨骼的矿化速度较慢，矿化程度较低。
图1切除卵巢易患骨质疏松雌猴同步辐射红外谱图2）神经细胞恶化分析
图2同步辐射分析神经单元成像图
上图是科学家对单个神经单元应用同步辐射红外光谱成像图谱，大致能分析判断神经细胞恶化转变过程。
3.2.2 植物细胞及组织的红外成像
除了在动物组织及细胞的研究中有较多的应用以外，同步辐射红外成像技术也被应用于表征植物细胞的组成。由于植物的根、茎、叶等组织比较脆弱，较难制备符合测试要求的薄切片，因此对植物组织的研究在数量上远不及动物组织，但是其对植物组成的分类(如区分木质素、纤维素和其他的碳水化合物、蛋白质和脂质)还是可以提供许多的生物化学信息，特别是可以在分子层面获得植物蛋白二级结构的信息，这对于指导植物蛋白品质的保证和植物蛋白消化的预期非常
有用。图3显示了植物组织中各种特征结构在化学上的特异性，可以作为我们分析植物组织组成时的一个参考。
图3植物细胞组织同步辐射红外图谱
3.3 同步辐射技术在高分子材料结构研究中的应用[12]
相对于传统金属材料和无机材料，高分子材料还很年轻．年轻的优势使其可以向其他成熟学科学习．高分子物理在理论上借鉴和发展了基于金属建立起来的成核生长和旋结线相分离等理论，采用了物理学中统计力学、重整化群、自洽场等研究方法．在实验上，同步辐射和中子源是高分子材料科学发展的一双翅膀，可以说高分子学科实验中的重大突破很多都来自于这两个大科学装置．随着高分子材料科学的发展，高分子物理研究正呈现“非”（非平衡态、非均匀性和非线性）、“多”（多组分、多分散、多尺度以及多元相互作用）以及与生物学、纳米科技等学科交叉的特点．非平衡态和非线性等特点要求研究手段具备较快的时间分辨；非均匀、多组分等特点则需要有较好的空间分辨；多尺度以及与生物、纳米科技等学科交叉的特点要求研究手段能同时检测材料的不同尺度结构．高时间、高空间分辨和多尺度检测的研究方法只能依赖于高亮度的同步辐射光源．因此，
同步辐射这一大科学装置将是推动高分子学科发展的重要研究手段。
3.3.1 同步辐射X射线散射的应用
同步辐射Ｘ射线散射（小角和广角Ｘ射线散射（SAXS和WAXD））技术是研究材料结构最有效的方法之一。与其他结构检测方法（如电子衍射）相比，X 射线散射对样品检测环境的要求较低。因此，它更容易与其他装置联用，从而实时跟踪和研究材料在外场作用下的结构形成和演化行为。例如研究流动场（外场作用力）如何诱导高分子结晶既是高分子物理非平衡热力学最重要的科学问题之一，也是指导高分子材料加工的基础知识。同步辐射Ｘ射线散射已经并将继续是揭示流动场诱导高分子结晶机理不可替代的重要研究手段。譬如针对流动场诱导原始晶核shish的生成是否需要分子链解缠和无规线团向伸直链（coil-stretch转变这一长期争论的重要科学问题，我们设计研制了一台与同步辐射X射线散射联用的微型伸展流变装置，得到不同拉伸应变和速率下的应力曲线。同时，小角X射线散射检测shish信号与应变相对应，从而获得shish生成所需要的临界应变值。结果显示，分子链解缠结需要的临界应变值通常远大于shish生成所需要的临界应变值，实验上直接回答分子链解缠结不是shish生成的必要条件。由于shish 生成的信号在折叠链片晶生成后将消失，因此需要同步辐射X射线散射具有较高的时间分辨．同时，shish生成的信号靠近直通光(beamstop)位置，也只有同步辐射实验站提供的空间尺度能满足这一要求．
3.3.2 同步辐射X射线微焦点衍射技术的应用
近年来，随着具有高亮度的第三代同步辐射光源和Ｘ射线聚焦器件的快速发展，具有几μm甚至100nm光斑的同步辐射X射线散射方法被逐步用于高分子领域。该方法通过对微米尺度的区域进行逐点扫描（mapping），即可获得纳米尺度（0.1-100nm）的结构分布图像。与传统X射线光源相比，同步辐射微焦点不仅具有（亚）微米尺度的空间分辨，并且具有较高的时间分辨。图4是在上海光源（SSRF）硬X射线微焦点线站上研究等规聚丙烯球晶生长过程的光学显微镜照片。X射线在水平方向逐点扫描，每点曝光时间仅为4.5S。扫描结束后，由于X射线造成损伤，其扫描痕迹清晰可见（箭头所指），足见上海光源Ｘ射线的亮度和通量之高，满足了亚微米的空间分辨和亚秒的时间分辨检测需求。
图4 X射线扫描后的等规聚丙烯球晶
4 结语
同步辐射技术已经成为生命科学、材料科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科领域的基础和应用研究的一种最先进的、不可替代的工具，并且在电子工业、医药工业、石油工业、化学工业、生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用。
本文主要介绍了同步辐射的发现与发展、特点以及在当前众多领域的应用实例。特别介绍了同步辐射技术在生命科学、生物医学、高分子结构分析的应用。参考文献
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X射线在医学上的应用(DOC)
贵州师范学院物理与电子科学学院论文[键入文字] [键入文字] 摘要 x射线的穿透能力极强，由于人体不同的组织对x射线的吸收程度不同，均匀的x线速穿透人体组织后，其不均匀的分布其实就是人体组织的投影。把这种成像技术应用在医学上，就可以得到病灶的位置信息。文章简单介绍了x射线技术自被发现以来的发展史和x射线成像的原理，以及现在x射线在医学上的诊断、治疗和层析摄影治疗，以后x射线技术在医学上的应用将会无处不在。 关键字：诊断；治疗；层析摄影治疗 ABSTRACT strong x-ray penetration, the different levels of different body tissues absorb x-rays, the penetrating body tissue, the non-uniform distribution is actually a uniform tissue projection x line speed. The application of this imaging technique in medicine, you can get the location information of lesions. This paper briefly describes the history of the principle of x-ray technology and x-ray imaging since been discovered, and now the x-rays in medical diagnosis, treatment and tomography treatment, after x-ray technology in medicine will be no Office is not. Keywords:diagnosis ；treatment ；tomography treatment. X射线在生物医学上的应用 1.绪论 1.1 x射线技术在医学上应用的研究背景 X射线自19世纪被伦琴在实验室发现以来，半个世纪后，发展了超声波成像、放射性同位素成像、核磁共振成像等，因为X射线具有强大的穿透能力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们极大的兴趣。许多国家都竞相开展类似的试验。一股热潮席卷欧美，盛况空前。X射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。 放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技
同步辐射原理与应用简介
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
同步辐射光源简介
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.sodocs.net/doc/a8859566.html, https://www.sodocs.net/doc/a8859566.html,32-1749/z.2006.02.020
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。本项目组的成员已于2014年和2015年分别参加了“第三届两岸同步辐射学术研讨会”和“2015年BSRF用户学术年会暨专家会”，紧跟同步辐射技术和应用的前沿，积极与相关领域的领军学者交流学科进展，听取同步辐射应用的相关建议，目前已经有了一套应用同步辐射光源进行生物冶金研究的具体方案，并积极准备申报北京光源的重点课题。 2 同步辐射谱学技术 随着同步辐射光源的快速发展，各国学者探索出了大量常规、原位、超快的紫外、深紫外、软X射线、X射线谱学和成像技术，例如X射线吸收精细结构（XAFS）、X射线吸收近边结构（XANES）、小角X射线散射（SAXS）、同步辐射X射线衍射（SR-XRD）等大量X射线谱学技术，以及纳米、微米计算机断层成像分析技术（CT）、荧光成像技术（XRF）等成像技术。同步辐射在以矿物为研究对象的科学研究领域上已经得到了广泛的应用，例如其在表面科学、生物材料、生物地球化学、地球化学、环境科学与工程、材料科学、矿物学、考古学等诸多学科领域和学科交叉领域上的应用已经得到了长足发展，各个领域发表的与矿物研究相关的高水平文章已达400篇以上。 X射线衍射（XRD）技术是应用最广泛的X射线谱学技术之一，自其于上个世纪初成功地应用于固体晶体结构解析之后，XRD就成为了固体物理材料解析最为重要的工具。在晶体中其空间点阵可以按不同的方向划分为一簇平行而等间距的平面点阵，不同簇的点阵可以用点阵面指标或晶面指标（hkl）表示。不同簇的平面点阵具有不同的面间距d hkl，可以视为具有不同密度的光栅，X射线照射到这些光栅时会发生衍射，根据光栅衍射的公式可以推导出著名的布拉格方程：2d hkl sinθ=nλ；该公式指出了X射线波长、平面点阵间距和衍射角的关系，为应用XRD进行晶体结构解析的基本依据。XRD可以分为粉末衍射和单晶衍射两种应用方式，其中粉末衍射应用较为广泛，它可以给出固体结构在多晶凝聚态结构、晶体结
同步辐射光源的原理、构造和特征.
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
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
同步辐射的基本知识第一讲同步辐射光源的原理_构造和特征.
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。
激光与同步辐射结合技术讲解
激光与同步辐射结合技术 同步辐射与激光结合的实验主要为所谓的双色类型试验，即某一波长的激光(或同步辐射)光子激发样品后由另一波长的同步辐射(或激光)光子进行探测.由于激光和同步辐射都是脉冲光源，实验要求将激光与同步辐射进行同步化。同步辐射光的脉冲性质是由电子储存环中电子的束结构所决定的.对于单一电子束运转情况，脉冲周期t由电子储存环周长L可以估算出：t=L/c，其中c为光速.在大多数第三代同步辐射装置上，由于高辐射亮度要求多电子束运转 同步辐射与激光结合的实验主要为所谓的双色类型试验，即某一波长的激光(或同步辐射)光子激发样品后由另一波长的同步辐射(或激光)光子进行探测.由于激光和同步辐射都是脉冲光源，实验要求将激光与同步辐射进行同步化。 同步辐射光的脉冲性质是由电子储存环中电子的束结构所决定的.对于单一电子束运转情况，脉冲周期t由电子储存环周长L可以估算出：t=L/c，其中c为光速.在大多数第三代同步辐射装置上，由于高辐射亮度要求多电子束运转，这时同步辐射光脉冲周期t相应地缩短n倍(n为电子束数).目前同步辐射光源的典型脉宽是几十皮秒，多束转运脉冲周期多为几个纳秒，占空因子Δt/t约为 10-2—10-3.如果使用一个连续激光光源，一般希望同步辐射的电子存储环内注入较多的电子束运转，使同步辐射光源的重复工作频率尽可能地提高，以产生大的占空因子Δt/t和连续激光相适应.在脉冲激光的情况下，激光脉冲和同步辐射光脉冲的同步是非常关键的.对于像锁模激光器或者飞秒激光振荡器这类工作在高重复率(典型重复率是80MHz)的激光器而言，它的输出光脉冲与高重复频率的同步辐射光脉冲可能产生部分重叠，即发生偶然同步，满足某些实验要求.如果同步辐射光源与一个低重复的激光光源(如准分子激光器或Nd∶YAG激光器)相结合，则需要严格的脉冲同步化以提高实验效率.脉冲同步化的时间基准通常取自同步辐射装置中用于补充电子束能量的射频源.射频源的时间信号往往需要通过一个电子学分频器分频后作为脉冲信号输出，触发激光器振荡.这时同步辐射光脉冲重复频率与激光脉冲频率恰为整数倍，使得某些同步辐射的光脉冲完全和激光脉冲发生重叠.由于同步辐射电子束注入运转一定时间后电子束发散度的变化会带来同步辐射光脉冲结构的变化，实际在实验上还需进一步监测两个脉冲的时间、空间重叠情况.并且为了提高信噪比，测量电子学系统也往往采用时间门电子学计数技术，扣除各种背景噪音。 同步辐射与激光相结合可以应用在光电子能谱、质谱、吸收、发光光谱等谱学中.结合同步辐射和激光的双色实验具有一些其他方法不能比拟的优点.例如，两光子可以达到很宽的激光能量范围，产生与单光子过程完全不同的终态，进而大大扩展了以往的实验研究范围和补充了单一光源的单光子过程所能得到的信息.另外，由于双色实验基本上是一个两步过程，使用的光源都是脉冲的，如果同步两个光源并改变两个光脉冲的相对时间延迟，则可以进行时间分辨激发态过程的研究。
同步辐射光源
https://www.sodocs.net/doc/a8859566.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。
同步辐射技术应用及发展
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
同步辐射光源和中子衍射在材料研究中的应用
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
上海同步辐射光源.
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。
同步辐射技术及应用讲习班日程安排
同步辐射技术及应用讲习班日程安排 2008年8月18日2008年8月19日 2008年8月20日 2008年8月21日 2008年8月22日 上午9:00-9:40 开幕式 9:40-10:00 休息 10:00-11:00 冼鼎昌 “同步辐射及其应用” 11:00-12:00 徐洪杰 “上海光源及其科学目标” 9:30-11:30 安藤政海 “X射线成像技术及应 用” 9:30-11:30 牛立文 “蛋白结构与生命科学” 9:00-10:00何建华 SSRF生物大分子线站 10:00-10:30 休息 10:30-11:30 黎忠 SSRF衍射线站 9:00-10:00 邰仁忠 SSRF软X射线线站 10:00-10:30 休息 10:30-11:30 王劼 SSRF小角散射线站 中午 12:00-13:00 午休+休息11:30-13:00 午餐+休息 11:30-13:00 午餐+休息 11:30-13:00 午餐+休息 11:30-13:00 午餐+休息 13:00-15:00 Mizuki Jun’ichiro “Spring8的同步辐射应用研究” 15:00-15:30 休息 15:30-17:00 参观SSRF 13:00-15:00 韩志超 “小角散射与高分子” 15:00-15:30 休息 15:30-17:30 郭晶华 “软X射线谱学及应用” 13:00-15:00 吴自玉 “X射线吸收谱” 15:00-15:30 休息 15:30-17:30 麦振洪 “X射线衍射技术及应 用” 13:00-14:00 黄宇营 SSRF XAFS线站 14:00-14:30 休息 14:30-15:30余笑寒 SSRF微聚焦线站 15:30-16:00 休息 16:00-17:00肖体乔 SSRF成像线站 13:00-13:40 测验 13:40-14:00 闭幕式 下午 17:30 晚宴17:30 晚餐17:30 晚餐17:30 晚餐会议地址：上海应用物理研究所—张江办公楼大报告厅(上海浦东新区张衡路239号)
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_
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 #
同步辐射科普
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