同步辐射技术及其应用

1、同步辐射技术及其应用同步辐射技术及其应用 姜传海姜传海 上海交通大学材料科学与工程学院上海交通大学材料科学与工程学院 1、什么是同步辐射、什么是同步辐射 同步辐射是同步辐射是速度接近光束的带电粒子，在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作曲线运动时，其轨道切线方向上发出的一 种电磁辐射种电磁辐射。 电子运行轨道电子运行轨道 同同 步步 辐辐 射射 由于是由于是1947年在美国通用电气公司的一台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，故命的同步加速器中首次被观察到，故命 名为同步辐射。名为同步辐射。 同步辐射装置小的有一个礼堂大，大的其周同

2、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。长可达两公里。这种装置的投资很大。 目前，世界上已经建成、正在在建射和目前，世界上已经建成、正在在建射和 计划建设的中同步辐射装置有近百台。计划建设的中同步辐射装置有近百台。 人类历史上的四个革命性光源人类历史上的四个革命性光源 (1)电光源：使人类战胜了黑暗消灭了白电光源：使人类战胜了黑暗消灭了白 天与黑夜的差别。天与黑夜的差别。 (2) x光源：使人类看到了物体内部及微光源：使人类看到了物体内部及微 观领域。观领域。 (3)激光源：波长单一、准直、相干、高激光源：波长单一、准直、相干、高 亮度，在各领域中作用巨大。亮度

3、，在各领域中作用巨大。 (4)同步光源：高强度的综合光源。同步光源：高强度的综合光源。 对同步辐射的评价对同步辐射的评价 美国建于芝加哥的电子能量美国建于芝加哥的电子能量7gev的的advance photo source (aps)在在 1998年建成运转，被美年建成运转，被美 国国“science”杂志评为当年杂志评为当年世界十大发明之第世界十大发明之第 三，三，排在多利羊及登陆火星之后。排在多利羊及登陆火星之后。 2、同步辐射源的构造、同步辐射源的构造 同步辐射装置虽同步辐射装置虽 然是一庞大而复然是一庞大而复 杂的设备，但其杂的设备，但其 主要由三部分组主要由三部分组 成，即注入器、成

4、，即注入器、 电子储存环及其电子储存环及其 它附属设备。它附属设备。 注入器注入器 注入器是由发射电注入器是由发射电 子及给电子加速的子及给电子加速的 加速器组成，其功加速器组成，其功 能是将电子加速到能是将电子加速到 同步辐射源要求的同步辐射源要求的 额定能量。然后将额定能量。然后将 电子注入到电子储电子注入到电子储 存环中。存环中。 加速器由直线加速器和增强加速器（同步加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。速器）两部分构成。 电子储存环电子储存环 电子储存环其作用电子储存环其作用 是让具有一定能量是让具有一定能量 的电子在其中作稳的电子在其中作稳 定回转运动并发出定回

5、转运动并发出 同步辐射。同步辐射。 储存环占重要的地储存环占重要的地 位，是主角，也是位，是主角，也是 各项设备中投资份各项设备中投资份 额最高的设备。额最高的设备。 电子在储存环中是电子在储存环中是 以束团的形式存在以束团的形式存在 和运行。一个环中和运行。一个环中 可以有数十以至数可以有数十以至数 百电子束团同时存百电子束团同时存 在和运行，也可以在和运行，也可以 只存在一个束团。只存在一个束团。 储存环中包含许多磁聚焦，磁聚焦结构与磁储存环中包含许多磁聚焦，磁聚焦结构与磁 聚焦结构之间孔隙称为直线段，可以用来引入聚焦结构之间孔隙称为直线段，可以用来引入 束流，安装高频加速谐振腔，各种插入

6、件。束流，安装高频加速谐振腔，各种插入件。 插入件是由一组沿电子的轨迹周期排列的磁铁插入件是由一组沿电子的轨迹周期排列的磁铁 组成的，电子进入插入件中后，由于受到磁场组成的，电子进入插入件中后，由于受到磁场 的作用而偏离原轨道，故从它发射的同步辐射的作用而偏离原轨道，故从它发射的同步辐射 的性能将发生变化。的性能将发生变化。 电子在离开插入件时又回到原轨道。总之，插电子在离开插入件时又回到原轨道。总之，插 入件是用来获得高质量同步辐射的装置，其数入件是用来获得高质量同步辐射的装置，其数 量的多少与功能的强弱已成为评判同步辐射装量的多少与功能的强弱已成为评判同步辐射装 置优劣的标志。置优劣的标志

7、。 真空系统真空系统 直线加速器、增强器、储直线加速器、增强器、储 存环和连接管道等，都为存环和连接管道等，都为 真空设备。真空设备。 电源设备电源设备 同步辐射装置不仅耗电量同步辐射装置不仅耗电量 大，而且要求电源不受其大，而且要求电源不受其 它负载的干扰。它负载的干扰。 3、同步辐射的重要特性、同步辐射的重要特性 空间发散角空间发散角 常规常规x射线管为半球面发射射线管为半球面发射 同步辐射为圆锥形发射同步辐射为圆锥形发射 时间结构时间结构 同步辐射具有一定时间结构。由于电子速度接同步辐射具有一定时间结构。由于电子速度接 近光速，两个辐射脉冲间隔实际是非常近的。近光速，两个辐射脉冲间隔实际

8、是非常近的。 时间结构时间结构 常规常规x光为连续发射光为连续发射 同步辐射为脉冲发射同步辐射为脉冲发射 脉冲宽度脉冲宽度ns(10-9s)- ps(10-12s) 脉冲间隔脉冲间隔ns-ms 可作单脉冲快速时间分辨实验可作单脉冲快速时间分辨实验 辐射光谱辐射光谱 单电子同步辐射并非单电子同步辐射并非 单一波长，是由回转单一波长，是由回转 频率为基频的高次谐频率为基频的高次谐 波组成。由于电子束波组成。由于电子束 团中包含许多电子，团中包含许多电子， 这些电子速度即能量这些电子速度即能量 是有差异的，实际上是有差异的，实际上 构成了一连续谱。构成了一连续谱。 典典 型型 同同 步步 辐辐 射射

9、 的的 光光 谱谱 曲曲 线线 高强度、宽频谱的好处高强度、宽频谱的好处 可严格单色化，提高分辨率可严格单色化，提高分辨率 可微束，同步可微束，同步nm，常规，常规100 m 可用于微区衍射，可用微小样品可用于微区衍射，可用微小样品 可透过器壁作在位研究可透过器壁作在位研究 可快速实验可快速实验 偏振性偏振性 在圆形的平面轨道上运行的电子发射的辐射电在圆形的平面轨道上运行的电子发射的辐射电 矢量总是在该轨道平面上指向圆心，所观察到矢量总是在该轨道平面上指向圆心，所观察到 的辐射是具有偏振性的。的辐射是具有偏振性的。 同步辐射是同步辐射是准平行光准平行光 可提高分辨率可提高分辨率 ，提高亮度，提

10、高亮度 可作掠入射，表面衍射可作掠入射，表面衍射 高角度分辨 单晶：以可测衍射的单晶：以可测衍射的 最小最小d值值 常规：常规：2； 同步：同步：1 多晶：以标准多晶：以标准si(111) 的半峰宽衡量的半峰宽衡量 常规：常规：10-110-2度；度； 同步：同步：10-210-3度度 高空间分辨 有效光束尺寸有效光束尺寸 常规：常规：100m 同步：若干同步：若干nm 高时间分辨高时间分辨 常规：亚秒常规：亚秒 同步：同步：10-12秒秒 高灵敏度高灵敏度 可检出可检出 低含量、弱衍射、高角衍射低含量、弱衍射、高角衍射 4、同步辐射装置中的光路、同步辐射装置中的光路 和光学器件和光学器件 前

11、端区前端区从储存环的光束出口到屏蔽墙的一段从储存环的光束出口到屏蔽墙的一段 光路称为前端区。光路称为前端区。 光束线光束线光线从储存环屏蔽墙中射出并进入各光线从储存环屏蔽墙中射出并进入各 实验站的光路称为光束线。实验站的光路称为光束线。 同步辐射装置中的光学器件同步辐射装置中的光学器件 为了把同步辐射改造成所需的光束，必须在光为了把同步辐射改造成所需的光束，必须在光 束线中加入各种类型的光学元件。包括用透光束线中加入各种类型的光学元件。包括用透光 元件元件(窗窗)、反光元件、反光元件(镜镜)、聚光元件、分光元件、聚光元件、分光元件 以及偏光元件等。以及偏光元件等。 透光元件透光元件(窗窗) 铍

12、是常规的透光窗口材料，缺点是有剧毒。近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。料，取得较为理想的效果。 反光元件反光元件(镜镜) 选择合适材料及合适掠入射角，可得到较大的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。具有聚焦的作用。 聚光元件聚光元件 目前常用的聚光元件有目前常用的聚光元件有 菲涅尔波带片和毛细管菲

13、涅尔波带片和毛细管 族族x射线透镜等。射线透镜等。 分光元件分光元件 把同步辐射中所包含的各种波长连续分布的电把同步辐射中所包含的各种波长连续分布的电 磁波按波长分开，从而成为单色性较好的光。磁波按波长分开，从而成为单色性较好的光。 偏光元件偏光元件 可以对任何一束光线进行偏振态的分析，也可可以对任何一束光线进行偏振态的分析，也可 以把任何一种入射光改造成所需的偏振光。以把任何一种入射光改造成所需的偏振光。 5、同步辐射装置的计算机控制、同步辐射装置的计算机控制 同步辐射是一个大科学研究系统，包括许多同步辐射是一个大科学研究系统，包括许多 功能不同的子系统，设备中的成千上万个设备功能不同的子系

14、统，设备中的成千上万个设备 和部件的启动及关闭、这些设备和部件有关参和部件的启动及关闭、这些设备和部件有关参 数的测量和调整都是无法用人工同时完成的。数的测量和调整都是无法用人工同时完成的。 这样一个庞大的系统只用一台计算机控制也这样一个庞大的系统只用一台计算机控制也 是不够的，必须用多台计算机组成一个控制系是不够的，必须用多台计算机组成一个控制系 统才能完成系统的既定功能，使系统各部分协统才能完成系统的既定功能，使系统各部分协 调地工作。调地工作。 6、同步辐射应用概况、同步辐射应用概况 人类社会、经济可持续 人类社会、经济可持续 发展对同步辐射的需求发展对同步辐射的需求 生命生命/健康健康

15、 材料材料/信息信息 资源资源/环境环境 探索未知世界的奥秘 神经生物学 生 命 健 康 生命科学 生物技术 主要科技支撑 细胞生物学 分子生物学 病毒学、免疫学 药物设计 医学诊断与 治疗 毒理学 结 构 生 物 学 生物大分 子结构 细胞、组 织结构 同同 步步 辐辐 射射 应应 用用 医药学 医药技术 生物医学成像 射线治疗 病理、药理 材料 信息 高新 科技 重要支柱 信息技术 新材料 石油化工 钢铁冶金 金属制造 传统支 柱产业 复合材料 集成电路 磁性材料 超导材料 mems nems 超微光刻 微纳加工 催化剂 无损检测 疲劳分析 凝聚态物理 材料科学 材料 同同 步步 辐辐 射

16、射 应应 用用 纳米材料 资源 环境 能源 地质成因、勘探 石油 煤炭 太阳能 分子环境科学 能 源 高 效 利 用 环境污染监测 分析与治理 稀土金属利用 地球科学 矿产 燃烧反应 光化学反应 电化学反应 同同 步步 辐辐 射射 应应 用用 生命科学应用生命科学应用 生物大分子结构研究是同步辐射应用用户发生物大分子结构研究是同步辐射应用用户发 展最快、重大成果最多的领域；展最快、重大成果最多的领域； 蛋白质科学是当代生命科学研究的前沿，是蛋白质科学是当代生命科学研究的前沿，是 生物技术与生物产业的源泉。生物技术与生物产业的源泉。 1998年诺贝尔化学奖：atp蛋白酶结构与功能 2003年诺贝

17、尔化学奖：离子通道蛋白结构与机理 利用同步辐射获得的二项诺贝尔奖均在此领域利用同步辐射获得的二项诺贝尔奖均在此领域 材料科学与凝聚态物理材料科学与凝聚态物理 先进材料（合金、陶瓷、纳米材料、复 合材料、激光和其他光学介质、液晶和其 它软物质、聚合物、磁性合金和化合物、 半导体、超导体等）影响到现代世界的每 一个方面；新技术的突破总是可以追溯到 对凝聚态物质基本性质的基础研究和利用 这些性质（结构、物理、化学、电学、磁 性、光学等）的应用研究。 凝聚态物理与材料科学是同步辐射应用最为广泛的领域， 几乎所有的同步辐射技术方法都得到了广泛应用： x射线衍射：单晶衍射、粉末衍射、表面衍射 x射线散射：

18、漫散射、磁散射、非弹性散射、小角散射、 反射率、驻波法 sr吸收谱： xafs、荧光谱学、 mcd、光电子能谱 成像技术： x射线显微、软x射线显微、光电子显微 x射线全息（荧光全息、吸收全息）、 x射线相干衍射 利用多种组合方法进行研究是新一代光源上一个明显的趋势利用多种组合方法进行研究是新一代光源上一个明显的趋势 分子环境科学分子环境科学 在分子尺度上研究环境中污染物的形态、污染物 的迁移和转化的复杂化学过程的新兴前沿学科。 目前分子环境科学科主要研究污染金属元素和 放射性核素等人类活动造成的污染及其治理方法。 地球科学应用地球科学应用 地球科学的根本目的是了解地球演变的过程， 预测未来的

19、发展，了解金属、矿石、化石燃料 在地壳中的聚集情况，这些都是与人类的生存 环境和资源密切相关的。 利用高亮度同步辐射装置能分析周期表上所有利用高亮度同步辐射装置能分析周期表上所有 稳定的或长寿命的矿物元素，可研究处于极端稳定的或长寿命的矿物元素，可研究处于极端 高温、高压条件下物质结构、状态变化，弄清高温、高压条件下物质结构、状态变化，弄清 地壳深处和地幔中矿物的相变和状态方程，了地壳深处和地幔中矿物的相变和状态方程，了 解矿物的物理特性与原子尺度结构的关系等。解矿物的物理特性与原子尺度结构的关系等。 同步辐射的产业应用同步辐射的产业应用 同步辐射具有重要应用前景的产业领域： 生物技术与制药生

20、物技术与制药 化工化工: 催化剂研究催化剂研究 半导体工业半导体工业: 超微光刻工艺与检测技术超微光刻工艺与检测技术 mems/nems：微纳加工：微纳加工 上海光源上海光源( (ssrf) )建设目标和科学目标建设目标和科学目标 建造一台高性能价格比的中能第三代同步辐射光源，包括一台建造一台高性能价格比的中能第三代同步辐射光源，包括一台 100mev100mev的电子直线加速器、一台的电子直线加速器、一台3.5gev3.5gev增强器、一台增强器、一台3.5gev3.5gev的的 电子储存环。电子储存环的最高流强为电子储存环。电子储存环的最高流强为300ma300ma，最低发射度为，最低发射度为 约为约为3nm3nm radrad，配以先进的插入件后，可在用户需求最集中的，配以先进的插入件后，可在用户需求最集中的 光子能区（光子能区（0.10.140kev40kev）产生高通量、高耀度的同步辐射光，）产生高通量、高耀度的同步辐射光， 最高光谱亮度可超过最高光谱亮度可超过101020 20 phs/(s phs/(smmmm2 2 mradmrad2 20.1%0.1%bw)bw)； 成为生命科学、材料科学、物理学、地球与环境科学、医药学、成为生命科学、材料科学、物理学、地球