同步辐射科普.

1、同步辐射及其应用一、同步辐射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 因此原子是呈中性的。 原子中的电子以很 原子的尺寸是很小的， 只有一亿分之一 但原子的绝大部分质量都集中在原子核世间万物都是由原子组成的，电子带负电荷， 并且正电荷和负电荷的数值相等， 快的速度绕原子核旋转， 如同行星绕太阳运动一样。 厘米； 原子核的尺寸更小， 只有十万亿分之一厘米， 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

2、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

3、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）

4、。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。 速度随能量的变化很明显；但电子的能量很高时 量增长很快而速度变化不大。 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） 在储存环中每回旋一圈要辐射 16.3keV 的能量， 补充 16.3keV 的能量， 使它的能量始终维持不变。常用电子伏作单位来表示， 表示， keV（ 103 电子伏） 子伏）表示吉电子伏。台、当电子的能量很低时 （几十 keV 到 1MeV ）， （几百 MeV 以上），电子在加速过程中， 能 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 。我们

5、的合肥光源，电子 因此在储存环中有一个高频加速腔给它每圈1 电子伏为电子经过 表示千电子伏， MeV在加速器和高能物理领域中，粒子的能量1 伏特的电位差所获得的能量， （ 106 电子伏）表示兆电子伏，用符号 eVGeV（ 109 电17一般都是由几台加速器串联组成的。 如我们合肥光源，是由电子直一台能量较高的加速器， 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

6、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， 从电子直线加速器到电子储存环之间就有一条长 88 米的束流输运线。电子枪是由阴极、 栅极和阳 如钨、钼、硼化镧、 氧化钡、 使电子获得足够大 阳极的作用是把电子电子直线加速器主要由电子枪、加速管、微波功率系统、真空系统等组成。电子枪是产生被 加速电子的电子源； 加速管是加速电子的地方， 沿着加速管的轴线方向有微波电场， 电子在 微波电场中得到加速， 获得能量； 微波功率系统由速调管和调制器组成， 它的作用是产生微 波功率， 并通过波导饋送到加速管中建立起微波电场， 供

7、加速电子之用； 真空系统由真空泵 及其电源组成， 它的功能是抽掉加速管中的气体， 使加速管处在高真空状态， 以便电子在其 中作加速运动不致丢失。 因为在电子直线加速器中电子是走直线轨道的， 所以人们称它为电 子直线加速器。电子直线加速器中被加速的电子是从一个电子枪中发射出来的。 极构成的电子源。 阴极用发射电子好、 并能耐高温的材料做成， 氧化鍶等。 因为要使阴极发射电子， 需要把它加热到上千度甚至几千度， 的动能以克服逸出功从阴极表面释放出来； 栅极是用来控制电子束的； 从阴极表面拉出来，并使电子加速到合适的初始速度，以便注入到直线加速器的加速管中。我们合肥光源所用的电子枪中，阳极和阴极之间

8、的电位差是 80 千伏（ kV ）。也就是说，电 子从电子枪出来时已被加速到能量为80keV 。实际上电子枪也可看成是一台小小的加速器。电子储存环是储存高速运行的电子束流的设备。 它主要由磁铁系统、 真空系统和高频系统等 组成。磁铁系统由电磁铁及其电源构成。储存环的磁铁主要有二极磁铁（弯转磁铁） 、四极 磁铁。 所有的二极磁铁、 四极磁铁都被安装在一个环形的轨道上。 二极磁铁的二极磁场用来 弯转电子束， 使电子束走环形的闭合轨道； 四极磁铁的四极磁场用来聚焦电子束， 使电子束 沿着设计的电子轨道运动。 所有的二极磁铁、 四极磁铁都有相应的电源供电， 以产生相应的 磁场。 真空系统由真空室和抽气

9、泵组成。 真空室是环形的管道， 也被安装在设计的电子轨道 上，插入磁铁的间隙中。真空室是电子束运行的通道，如同运动场上的跑道一样，运动员只 能在跑道上跑步， 电子也只能在束流轨道上运动。 为了使束流在真空室中运动不会因为与真 空室中的气体碰撞而丢失， 要把真空室中的气体抽掉， 使真空室成为超高真空状态。 一般要 求储存环真空室中的气压达到 1 万亿分之一的大气压。 真空室中的气体是靠沿真空室安装的 超高真空泵抽掉的。 高频系统由高频腔和高频发射机组成。 高频腔也是安装在束流轨道上的， 它在沿电子轨道方向产生高频电场用来加速电子。 当电子束流储存时， 用来补充电子由于同 步辐射而损失的能量。 高

10、频腔中的高频电场是由高频发射机馈送到高频腔中的高频功率建立 起来的。光是我们认识世界的重要手段。人们认识世界是靠他们的观察、聆听、触摸、嗅闻、品尝， 其中用眼睛的观察得到的信息最多。 人们借助光来观察世界， 首先是用波长为 400 纳米 -800 纳米（ 1纳米 =10-9米）的可见光来观察世界， 最常用的就是太阳光了。 人的肉眼借助太阳光 在远处能看到山峦、河流、房舍、车船；近处能看见桌椅、书画、文字，最细小也只能看到 毛发。 1609 年望远镜的发明，使人类能把视野延伸到广袤的宇宙空间； 1590 年显微镜的发 明，使人们把视觉深入到微生物世界。 无论是望远镜， 还是显微镜， 所使用的光都

11、是可见光。 一个重要的原理是： 人们使用光来观察微小物体时， 所用光的波长应当大致与被观察的对象 的尺度相同。可见光的最短波长为0.4 微米（ 1 微米=10-6 米），这就是说人们利用可见光，最小的也只能看见微米量级的物体。 生物细胞的尺度是 20-30 微米， 细胞里的细胞核的尺度 是 5 微米， 细胞器的尺度是 1 微米。 因此人们用光学显微镜也只能看到细胞的结构。 如果要 深入到分子、原子领域，可见光就无能为力了。 X 光的发现，使人们能够把视野扩展到微观 世界，人们借助仪器利用 X 光可以观察到分子的结构、生物遗传基因及其结构。因为生物 大分子的尺度是几十纳米， X 光的波长为纳米的

12、量级甚至更短，所以用 X 光可以研究生物 分子。/、人类文明的进步使得光源经历了几次重大的变革。1879年爱迪生发明了白炽灯，出现了电光源；1895年伦琴发现了伦琴射线（X光），出现了 X光光源；1960年梅曼制成了第一台 激光器，出现了激光光源。当人们仔细分析这些光源的波长时，就会发现它们的波长几乎都是不连续的，并且是固定不变的，因为它们的发光几乎都是由于光源的原子状态发生改变而 引起的，或者说由于原子的能级跃迁而产生的。这对我们用这些光源的光来观察和研究物质时就有许多局限性。自从1947年波洛克在美国通用电器公司的一台70MeV的电子同步加速器上发现同步辐射后，同步辐射光源出现了。 这是一

13、种历史上带来革命性影响的新光源。和以往的各种光源相比，同步辐射具有很多优异的性能。同步辐射的波长分布是连续的口速器的磁场作用下发出的。它的光谱的形状是由加速器中的电子的能量和弯转半径决定的。同步辐射光子的特征能量（特征能量是指光谱中光通量接近最大处的光子能量）与电子能量的3次方成正比，或者说同步辐射的特征波长与发射它的 电子的能量的3次方成反比。电子的能量越高，同步辐射的特征波长越短。同步辐射的波谱不但连续，而且范围宽广，从红外线、可见光、紫外线、真空紫外线、X射线，直到伽傌射线，波长跨越9个数量级。同步辐射光源的这种性能在现有的光源中是绝无仅有的。同步辐射光谱的连续性，使我们可以方便的取用所

14、需要的波长的光束来研究我们需要观察的事物。同步辐射的亮度很高一个光源的亮度定义为每秒钟从单位光源面积，向单位立体角发射的波长范围在光子波长的千分之一以内的光子数目。同步辐射光源的亮度比最强的X光管的特征线的亮度大千倍以上，比最强的 X光管的连续谱的亮度大一百万倍以上。这种高强度的光源使我们进 行观察和研究的时间大大缩短，本来要几个星期的实验几分钟就可以完成。同步辐射的准直性很好因为同步辐射是电子在加速器中沿着环形轨道的切线方向，在一个很小的角度范围内发射出来的。电子的能量越高，发射的角度越小。如我们的合肥光源，同步光在垂直方向的张 角只有1毫弧度，它已经可以和激光的发射角相比较了，能量更高的同

15、步辐射光源的同步光的发射张角更小。同步辐射是有时间结构的脉冲光在储存环中作回旋运动的电子束是一团一团的。因此观察者看到的是有周期性的脉冲 光。束团的长度只有几个厘米，甚至只有几个毫米。如合肥光源的束团长度为8厘米左右，因此光脉冲的宽度只有 0.3纳秒（1纳秒=10-9秒）。合肥光源储存环周长为 66米，全环有均 匀分布的45个束团，所以每两个光脉冲之间的时间间隔是5纳秒。如果储存环里只有1个束团，那么每两个光脉冲之间的时间间隔是220纳秒。利用同步辐射的脉冲时间结构可以为动态过程的研究提供极好的条件。而在轨道平面两侧的同步光分可以非常有效地研X射线荧光分析同步辐射是很好的偏振光在电子轨道平面内

16、发出的同步光是百分之百的线偏振的， 别是左、右旋椭圆偏振光。利用不同偏振方向的同步辐射圆偏振光激发, 究一些具有结构不对称的生物大分子的结构或一些磁性材料的磁性。而在 中，则可利用同步光的偏振性抑制散射光的影响而提高分析的灵敏度。同步辐射是一种极为干净的光我们日常使用的普通光源都不是非常“干净”的光源：灯泡中灯丝会蒸发钨；气体放电 灯需要稀薄的气体；而 X光管中电子轰击金属靶中的杂质或管内的残余气体时，也会产生 这些杂质或残余气体的特征谱线。同步辐射是高速电子在超高真空环境中产生的，因此它是一种十分洁净的光源。这样就可以使用它来做一些要求极高的研究，如进行材料的表面研究或含量极低的元素分析。因

17、此它可以作同步辐射的光谱分布及亮度可以准确计算根据电子储存环的物理参数，可以准确计算同步辐射的光谱分布及亮度, 为标准光源来校准光学仪器或标定其它光源。产生和使用同步辐射的装置是很复杂的。主要包括储存环（加速器）、光束线、实验站三个部分。储存环储存高速运动的电子并产生同步辐射光；光束线的任务是把光源中某些特定波长的光挑选出来，并输送到实验站；实验站就是放样品做实验的地方了。同步辐射光源发展到今天已经经历了三代。第一代同步辐射光源是寄生在高能物理用的对撞机储存环上的，它们出现在上个世纪的60年代；第二代同步辐射光源是专门为同步辐射应用建造的，它们出现在上个世纪的 70-80年代；第三代同步辐射光

18、源出现在上个世纪的 80年代末90年代初，它是性能更好的同步光源。目前我国一、二、三代光源各有一台，中 国科学院高能物理所的北京同步辐射光源是第一代的，中国科学技术大学的合肥光源是第二代的，台湾新竹的同步辐射研究中心的光源是第三代的。目前世界上正在运行的大部分光源更多的同步光是来自储存环它们各是一组具有空间周 沿一条近似正弦或螺旋曲线轨道运动。 所以把它们叫做插入元件。插入元件可以在储是第二代的。第一代、第二代同步光源的光是电子经过二极磁铁的弯转磁场时发射出来的； 而第三代同步辐射光源， 除了从弯转磁铁处发出来的同步光外， 中的插入兀件，并且亮度特别咼。所谓插入元件是指安装在储存环的长直线节中

19、的扭摆器和波荡器， 期性磁场结构的磁铁装置， 电子在周期磁场的作用下， 它不属于储存环中使电子回旋和聚焦的磁铁， 存环建成后再插入而不影响储存环的运行。扭摆器是一组正、负极性交替变化的磁铁，电子在扭摆器里作近似正弦曲线的扭摆运动。 扭摆器的磁场一般比储存环的弯转磁场强，因此它发出的同步光的波长比从弯转磁铁处发出来的同步光的波长短。 为了得到更短波长的同步光，通常使用超导磁体做成扭摆器。如合肥光源的扭摆器就是用 6万高斯的超导磁体做成的超导扭摆器，它发出的同步光的特征波长只有弯转磁铁（1.2万高斯）发出的同步光的特征波长的五分之一（弯转磁铁发出的同步光的 特征波长为2.4纳米，超导扭摆器的同步光

20、的特征波长为0.48纳米）。波荡器也是一组正、负极性交替变化的磁铁，它与扭摆器不同的地方是它的磁场弱、 期长度短而周期数多，通常用永磁材料做成。电子在波荡器里也作近似正弦曲线的扭摆运动， 不过它的振幅很小，有如微微的波荡，所以叫它波荡器。由于波荡器的磁场较弱，所以它产 生的同步光的特征波长较长，但是它的周期很多， 从不同周期上产生的光是部分相干地叠加在一起的，因此使得同步光的亮度成百上千倍的增加。如合肥光源的波荡器的磁场为 600-4560高斯，同步光的波长为 10-162纳米，亮度比弯转磁铁处发出来的同步光高三个数 量级。自由电子激光器有可能成为第四代同步辐射光源。自由电子激光（FEL）是电

21、子在波荡器中同时与周期磁场和光场相互作用产生的受激辐射。由于电子和光场相互作用位相不同，一些电子失去能量，速度变慢，另一些电子则获得能量，速度变快，即电子产生能量调制从而形 成以光波波长为周期的群聚。群聚的电子束和光场相互作用加强，适当选取电子能量可使电子束把能量交给光场，对光场进行放大。光场可以是波荡器的两端加上反射镜构成的谐振腔 存储的辐射光产生的；也可以是外加的激光产生的； 或者可以是长波荡器中的辐射光产生的。 相应的自由电子激光器分别称为振荡器自由电子激光器；放大器自由电子激光器；自放大自发辐射自由电子激光器。虽然自由电子激光名为激光， 但它与通常所说的激光的工作原理是不同的， 只是因

22、为两 者产生的都是相干光。 常规的激光是由于原子的能级跃迁产生的， 而自由电子激光则是自由 电子与波荡器的磁场和辐射光场相互作用使电子的动能转换成激光能量的结果。 此外自由电 子激光器比起普通的激光器来， 还有它的波长连续可调、 调谐范围宽的优点， 波长可从远红 外到硬 X 射线；而普通的激光器因为受原子能级跃迁的限制，只能工作在某些特定的波长 上。二、同步辐射的应用我们已经知道， 电子沿着储存环的圆形轨道运动时， 在它的切线方向会产生同步辐射。 同步 辐射光是包含从红外到硬 X 射线的各种波长的光，这种光通常是不能直接使用的。为此我 们需要采用一种叫做“光束线”的装置。它能通过各种光学元件，

23、把储存环发出的原始的同 步辐射光在真空室中“加工”成具有一定波长的单色光，来满足不同的科学实验的要求。将储存环中产生的 它的第二个功能是提供真空保护， 即实 安装在光束线上的传感器便会发出信号， 令前端 前端的第三个功能便是利用安装在它里面的安全光 并对光束线的光学元件和真空元件进行热屏蔽和光束线是一种特殊设计的安装有各种光学元件和真空部件的设备， 它包括前端、 光学系统（前 置光学系统，单色器，后置光学系统）和真空部件。光束线的一端与储存环相接，另一端与 实验站相连。 因为与光束线连接的储存环工作在超高真空状态， 再者真空紫外和软 X 光波段 的光子必须在真空中才能有效传输， 此外还为了防止

24、光学元件的表面污染， 因此光束线也必 须工作在超高真空中，这样光束线就包含了大量的真空获得和测量设备。与储存环直接连接的部分叫前端。 前端的第一个功能是规范光束线窗口， 同步辐射光按需要分开， 送到不同光束线的管道里。 验站或光束线的任何部件发生真空漏气时， 的快速真空阀关闭， 保护储存环的真空。 闸，阻挡同步辐射逸出管道伤害实验人员， 保护。光学系统是光束线的核心。 同步辐射光从储存环中出来， 经过前端后， 首先要进入一个前置 光学系统。 前置光学系统的主要功能是对同步辐射光进行聚焦、 准直或者偏转， 它是由反射 镜及相应的传动机构组成的。在同步辐射实验中使用最多的波长范围是X光，软X光和真

25、空紫外光。 因为在这个波长范围内， 我们十分熟悉的透镜对光的吸收很强， 已经不可能使用了， 只有反射镜才可以胜任。 在波长很短的情况下， 反射镜还必须掠入射放置， 以便提高反射率。 因此光学元件长度尺寸会成倍增加， 光束线的长度也相应地增加。 光束线一般都在几米到几 十米的长度。 同步辐射波长短， 要求相应的表面粗糙度小和面型精度高。 这就增加了光学元 件加工和检测方面的困难。经前置反射镜出来的同步辐射光仍然是连续谱。为了将特定波长的光由连续谱中挑选出来， 人们采用一种称为“单色器”的设备。 “单色器”是光束线光学系统的心脏，它包括入射狭 缝、 分光元件和出射狭缝。 经过入射狭缝的连续光， 在

26、具有周期性结构的分光元件上产生衍 射，把不同波长的光在空间上分开，再通过出射狭缝成为单色光。通过分光元件的运动，就 能在出射狭缝后得到不同波长的单色光。在真空紫外或软 X 射线波段，单色器的分光元件 主要是用光栅做成的，人们称它为“光栅单色器” ，它利用光栅衍射原理分光。与可见光的 单色器不同， 同步辐射光的单色器中所有的光学元件的运动和调节都是在真空中进行的。 它 在光学元件的制备、 光路及结构设计中比可见光单色器要复杂得多， 尤其是当入射光很强时，单色器还必需有冷却装置。在硬 X 射线波段，由于波长更短，我们则仅能使用单晶作为分 光元件，它利用晶体布喇格反射定律进行分光，故称其为“晶体单色

27、器” 。 由单色器经出射 狭缝出射的单色同步光， 一般要经过一个后置光学系统聚焦到实验站样品处。 后置光学系统 也是由反射镜构成的。光束线的出口与实验站相连。 实验站是光束线的终点。 实验站是为特定的科学实验而设计的 实验装置。 一般说来， 同步辐射实验实际上是利用同步辐射光作为探针来探测物质的结构信 息。物质在同步辐射的作用下，产生二次粒子，如光电子、光离子、荧光光子等。通过检测 二次粒子去探测我们需要研究的对象的化学组成、 原子结构和电子状态信息。 我们研究的物 质可以是固体，也可以是液体、气体或生物样品。在同步辐射实验中，根据探测到的不同的二次粒子，可以把它们分为光电子谱、光离化谱、 光

28、谱等不同的实验方法。 如出射粒子为电子则称为同步辐射光电子谱； 出射粒子为离子， 则 称为同步辐射光电离质谱；出射粒子为光子（或 X 射线）则称为同步辐射光谱（或 X 射线 谱）。在光谱（ X 射线）的实验中，又可分为光（ X 射线）吸收、光（ X 射线）荧光、光（ X 射线）衍射和光（ X 射线）散射等。在实际的实验中，同步辐射光还有可能激发处于电场、 磁场、 加热或冷却状态下的样品。 要真正懂得这些实验方法并知道如何利用同步辐射开展研 究工作，我们第一步还是需要了解光与物质的相互作用。让我们首先来了解当光入射到物质上时会发生什么现象。 根据我们在光学中学到的知识， 我 们自然会想到， 可能

29、会产生光的吸收， 也可能会产生光的散射。 在可见光中存在的这两种现 象，在同步辐射光中同样存在。只不过同步辐射光的波长更短，光子能量更大，其产生机理 也更复杂罢了。 我们最感兴趣的是波长比紫外光短的光， 因为同步辐射光的最有用的波段是 真空紫外光到 X 射线。为了把同步光入射到物质上时所发生的现象讲清楚，我们必须在原 子、分子的水平上来谈论光与物质的相互作用。首先我们来讨论光的吸收。 同步辐射光被物质吸收后， 组成物质的原子的某一壳层的电子会 被激发到较高的能级。 当被激发的电子的动能足够高时， 它可能脱离原有的原子和分子或逸 出固体表面而成为自由电子，通常称为光电子，这就是所谓的“光电子发射

30、” 。如果我们测 量发射出的光电子的能量分布， 就可以得到原有物质中电子状态的信息， 这就是 “光电子能 谱”。当电子从原子或分子中离化后，原子或分子就变成离子，其过程称为“光离化” 。如果 我们测量离子，就可得到原子分子结构或其激发态的信息，这就是“光电离质谱”。另壳层电子处于高激发态的原子、分子或失去电子的原子、分子处于激发状态，是不稳定的。 它会把多余的能量释放出来才能回到稳定的基态。 一种方式是激发态的壳层电子又回到基态 并发射光子，这就是所谓的“荧光发射” 。对发射的荧光进行分析，就称为“光发射谱” 一种方式是激发态的壳层电子回到基态后并不直接发射光子， 而是将能量传递给另一壳层的

31、电子，使它受激发并发射出来，这种电子称为“俄歇电子” ，这个过程称为“俄歇电子发射 过程”。测量俄歇电子的能量分布， 可得到组成物质的元素的信息， 这就是 “俄歇谱”。当然， 物质受激发后，也可能将能量转变为分子或晶格内部的振动能并以热能的形式放出。光被物质吸收后， 光的强度就要下降， 可用一个叫做吸收系数的量来描述它。 X 射线通过样 品后也会被吸收，样品对 X 射线的吸收系数随入射的 X 射线的能量而改变。在经过某些特 定能量时， 吸收系数会有突然的变化， 这些特定的能量被称为吸收边。 吸收边的产生是因为 当光子的能量正好等于物质的原子内某一壳层电子的束缚能时， 会发生共振吸收， 光子把能

32、量全部交给电子，这样光子便消失，而电子得到光子的能量后， 就会离开原子而成为光电子, 这就是物质对 X光的吸收和光电子的发射过程。现在我们来讨论光的散射。光的散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种。在弹性散射过程中，光子的能量不会变化，而只有运动方向的改变。在非弹性散射过程中，光子不但改变它 的运动方向，而且也改变它的能量。对于同步辐射光来说，光的散射主要是指X射线的散射。X射线入射到物质上时，大部分被物质吸收，但也有部分X射线在受到物质中的原子或电子碰撞后，会改变方向，其能量、相位都可能发生变化，这就是X射线的散射。如果入射的X射线与物质产生弹性散射，其散射光就能发生干涉，此类散射就称为相干散

33、射。 若入射的X射线与物质产生非弹性散射，其散射光就不能发生干涉，此类散射就称为非相 干散射。当点阵型周期排列的晶体受到X射线的散射后，如果满足布喇格反射定律，其产生的相干散射即为 X射线衍射。由于X射线的衍射效应，使散射光强度大大增强。在搞清了光与物质相互作用的基本过程后，我们可以介绍同步辐射的应用。 与常规光源比较，同步辐射具有无可比拟的优越性，因此它在物理学、化学、生命科学、材料科学、信息科学、能源和环境科学以及许多高科技领域都有广泛的应用。下面我们选择几个具体的例子，向大家说明我们是如何利用同步辐射开展研究工作的。同步辐射在晶体学研究中的应用方法。在X射线发现之后不久,始了 X光在晶体

34、学研究中的应用，并取得了辉煌的成就。 当一束X光入射到晶体表面时，如果满足布喇格反射条件，就会产生强烈的衍射光。由此 发展了研究晶体结构的 “X射线衍射”技术。它是测定晶体的结构类型和结构参数的唯一有 效的方法。如果仔细分析衍射光斑中复杂的衬度明暗变化，我们又可以分析晶体内部的微细结构，如位错、应变、断裂、杂质等。这就是现代研究晶体微结构的“X射线形貌学”同步辐射的出现，把 X射线形貌学方法推进到一个新的阶段。同步辐射的准直性，大大提 高了观察的空间分辨率；同步辐射的高通量，使得测量的时间变得很短，并可对晶体的生长 过程中内部结构变化的动态过程作实时的观察研究。当前，生物大分子和蛋白质晶体的空

35、间结构及其与生物功能关系的研究，已成为揭开生命现象的关键，并成为生命科学中最活跃的研究领域。然而，蛋白质晶体的结构要比普通晶体材料的结构复杂得多。由于蛋白质晶体分子量大、结晶困难、颗粒小，因此衍射强度弱、 空间分辨率差。利用普通 X射线研究蛋白质晶体结构，需要很长的时间。但长时间的X射线照射，会引起蛋白质晶体的损伤并影响其活性。而同步辐射X射线的高强度和高分辨率则大大推进了这方面的研究。以前数天或一星期才能完成的实验，利用同步辐射则仅需几分钟或几十分钟。由于同步辐射的优越性，它在结构生物学中得到越来越广泛的应用。X射线吸收精细结构谱的研究前面我们提到，对于某种元素，如果连续增加入射的单色X射线

36、的能量，在经过某些特定能量时，吸收系数会产生突然的增加，这些特定的能量被称为元素的吸收边。在测量实验样品中任意一种元素的某个吸收边附近的吸收谱时，容易发现吸收系数随能量的增加并非是在吸收边上产生一个简单的陡变，而是在吸收边位置的前后1000电子伏特能量范围里有着很复杂的结构。在吸收边高能一侧，吸收系数并不是单调下降，而是出现若干个振荡峰， 这就是所谓的X射线吸收谱的精细结构，人们把这种X射线吸收谱称为“ X射线吸收精细结构谱” （XAFS ）。为什么X射线吸收谱会有精细结构呢？原因是样品中的某种原子吸收X射线后，会出射光电子。按照量子力学的观点，电子具有波粒二象性，因此，电子也是一种 波，出射

37、的光电子波与邻近原子作用后又会产生背散射波，出射的光电子波与背散射的光电子波会发生干涉，从而使吸收系数产生增强和减弱的振荡现象。元素的XAFS谱主要是反映了吸收X射线原子周围环境的结构信息，包括邻近原子的种类（原子序数）、数量（配位数）及邻近原子与吸收 X射线原子的距离（键长）。为了获得物质的结构信息，需要对采集的XAFS谱进行适当的数学分析处理。前面提到的X射线衍射技术仅能研究晶体的结构，但对于非晶态或无序度较大的物质，它就无能为力了。而XAFS技术就没有受到这样的限制，它能够研究几乎所有凝聚态物质的局域结构，因此XAFS技术在材料结构的研究中得到广泛的应用。二十世纪七十年代前，XAFS研究

38、只能在实验室的旋转靶 X光机上开展，这种机器提 供的连续X射线谱亮度较弱，导致测量得到的XAFS谱信噪比低，并且一次实验需要数小时甚至几天的时间才能完成，这在很大程度上限制了 XAFS方法的应用。随着同步辐射光源的出现，其光源亮度增加几个数量级，使得进行XAFS实验的时间大大缩短。 从同步辐射光源的出现直到今天，XAFS技术一直是同步辐射研究的一个重要研究领域。同步辐射软X光显微术的应用十七世纪光学显微镜的发明和使用，使人类能深入到微生物的世界。但光学显微镜的空间分辨率与使用的光的波长有关，波长越短，分辨率越高。在可见光(400nm-800nm)范围内，最好的空间分辨率也只能达到微米的量级。为

39、了提高显微镜的分辨率，则必须将波长缩短。由于电子波的波长很短，1932年人们设计出可使电子聚焦的“电子透镜”，并利用光学显微镜的原理发明了电子显微镜。电子显微镜的空间分辨率比光学显微镜好一千倍以上，可以达到十分之几纳米。 光学显微镜和电子显微镜在生命科学中的应用是划时代的。可以说没有显微镜就没有现代生命科学中的实验研究。但是光学显微镜和电子显微镜都有它们先天性的缺点。光学显微镜的分辨率较低，且由于水和细胞中其它成分对可见光的吸收差别较小， 要在大量的水的背景下观察细胞的结构很困难。因此通常需要对细胞染色， 从而增加细胞其它成分和水的反差。 电子显微镜虽然有很高的分辨率，但由于电子的特性使得所观

40、察的样品必须超薄，而且需要在真空环境成象，因此含水量很高的活体生物样品是不能直接用电子显微镜来观察的，必须采取脱水的办法，把生物体中的水分去掉，这样生物也就变成死物了。随着同步辐射的广泛应用而迅速发展起来的软X射线显微术从根本上克服了这一缺点。人们发现波长在2.3纳米到4.4纳米之间的软 X射线照到生物样品后， 将主要被细胞中的有机 物吸收，而水对它的吸收却很小。 这就是说水分子对于这个波段的同步光来说几乎是透明的， 生物物理学家把这段波长称为“水窗口”。软X射线显微术具有比光学显微镜更高的分辨率，其观察的生物样品厚度可以达到10微米，更重要的是它可以对自然状态下的含水的生物样品进行直接成象。另外，由于不同元素对同一波长X射线吸收存在明显的差异，因此可以利用同步光的 X射线的吸收差成象进行样品微区元素分析。这在生命科学和材料科学研究 中都具有重要的应用价值。同步辐射心血管造影术 -同步辐射在医学中的应用同步辐射心血管造影是利用碘的K吸收边进行的。首先把造影剂碘通过静脉血管注入人或动物的血液中，通过血液循环，在心血管中就有含碘的血液流过。这时用同步光照射人的心脏部位，在透过人体的后方用仪器测量同步