mphy_ParticlePhysics_PeiYJ_141118-SR3

1、同步辐射应用及新光源发展同步辐射应用及新光源发展同步辐射应用同步辐射应用 科学的进步与人类对光的认识紧密相关。在人类科学的进步与人类对光的认识紧密相关。在人类进化的漫长岁月中，光的各种奇异现象使人类认识了进化的漫长岁月中，光的各种奇异现象使人类认识了自然，也发展了自己。在这认识自然的文明史中，人自然，也发展了自己。在这认识自然的文明史中，人的视觉器官也达到了高度的完善，并凭借着视觉器官的视觉器官也达到了高度的完善，并凭借着视觉器官和光发现了自然规律和征服自然。光在人类生活中已和光发现了自然规律和征服自然。光在人类生活中已不可缺少，以致于在人类历史上产生了种种与光相关不可缺少，以致于在人类历史上

2、产生了种种与光相关的神话故事和传说，这也促使人们对光进行多方面的的神话故事和传说，这也促使人们对光进行多方面的科学探索和研究并加以利用。最早研究光现象的是我科学探索和研究并加以利用。最早研究光现象的是我们中国人。据文字记载，我国古代伟大的物理学家墨们中国人。据文字记载，我国古代伟大的物理学家墨翟（约公元前翟（约公元前468-382年）在所著的墨经上就讲到光年）在所著的墨经上就讲到光沿直线行进和针孔造像原理。这比古希腊欧几里德关沿直线行进和针孔造像原理。这比古希腊欧几里德关于光的反射律的记载早于光的反射律的记载早100 多年。在以后的年代里，多年。在以后的年代里，对光的属性不断深入研究，发现了光

3、的各种特性，并对光的属性不断深入研究，发现了光的各种特性，并利用其特性发明了各种光学仪器。利用其特性发明了各种光学仪器。人们借助于这些仪人们借助于这些仪器不断扩大了人的视觉器官的功能，深化了人类对物器不断扩大了人的视觉器官的功能，深化了人类对物质世界的认识质世界的认识。 为了更广泛、深入地为了更广泛、深入地认识自然，人们已意识到认识自然，人们已意识到自然光源限制了认识范围，自然光源限制了认识范围，迫使人们发明或发现新的迫使人们发明或发现新的光源，如各种灯、弧光光光源，如各种灯、弧光光源、激光以及同步辐射光源、激光以及同步辐射光源等。这些光源的诞生，源等。这些光源的诞生，使人们的认识不断扩大，使

4、人们的认识不断扩大，小至基本粒子大至宇宙。小至基本粒子大至宇宙。每一种新的光源的出现，每一种新的光源的出现，不但开拓了新的研究领域，不但开拓了新的研究领域，而且还导致重大的发现。而且还导致重大的发现。右图是不同方法产生的辐右图是不同方法产生的辐射（电磁波辐射）所对应射（电磁波辐射）所对应的可观测的物体简表的可观测的物体简表。 应用概述应用概述 同步辐射光照射在样品上会产生各种效如右图所示。利同步辐射光照射在样品上会产生各种效如右图所示。利用这些应可进行各种研究。用这些应可进行各种研究。 同步辐射光照射在样品上会产生同步辐射光照射在样品上会产生各种效应，如右图所示。利用这些效应可进行各种研究。各

5、种效应，如右图所示。利用这些效应可进行各种研究。 SR 散射 反射 次级发射 透射、折射、吸收 次级发射次级发射 散射散射 化学效应化学效应 辐射效应辐射效应 加工加工光电子光电子 弹性散射弹性散射 沉积沉积 辐射损伤辐射损伤 光刻光刻LIGA俄歇电子俄歇电子 非弹性散射非弹性散射 反应反应 CVD萤光萤光 x-ray衍射衍射 x-ray 激发加工激发加工 磁散射磁散射 光电子衍射光电子衍射 应用举例应用举例 同步辐射的应用范围之广是前所未有的，同步辐射的应用范围之广是前所未有的，几乎所有的现代科学领域都可以利用它进行几乎所有的现代科学领域都可以利用它进行研究。如她在物理学、化学、生物学、材料

6、研究。如她在物理学、化学、生物学、材料科学、医学、农学、微机械和电子工业等有科学、医学、农学、微机械和电子工业等有着广泛的应用。这里仅选其一部分内容向大着广泛的应用。这里仅选其一部分内容向大家介绍。家介绍。SR-02.AVI1、光电子能谱学 物体受到光源照射后所激发出来的电子称为物体受到光源照射后所激发出来的电子称为光电子。从这些光电子的能量及动量的分布情况，光电子。从这些光电子的能量及动量的分布情况，可以了解许多物理和化学现象，这一门科学被称可以了解许多物理和化学现象，这一门科学被称为光电子能谱学（为光电子能谱学（Photoelectron Spectroscopy)。它不仅可探测固体内以及

7、表面或界面的电子能带它不仅可探测固体内以及表面或界面的电子能带结构，而且还可以探测原子与分子的电子组态以结构，而且还可以探测原子与分子的电子组态以及它们在固体表面所形成的化学结构。因此光电及它们在固体表面所形成的化学结构。因此光电子能谱学在固体物理、表面物理以及化学等方面，子能谱学在固体物理、表面物理以及化学等方面，如半导体物理、金属材料、磁性薄膜、化学吸附、如半导体物理、金属材料、磁性薄膜、化学吸附、催化反应以及超导体等，将起着重要作用。催化反应以及超导体等，将起着重要作用。PL of S-passivated GaAsPL of S-passivated GaAs0 2 4 6 8 10

8、12 14 Effective Magnetization(kOe)0 5 10 15 20 25 30 Coverage (A) Fe on S-passivated GaAs Fe on non-passivated GaAsMagnetic overlayer Fe on S-GaAsMagnetic overlayer Fe on S-GaAs2、光吸收能谱学、光吸收能谱学 从光的反射与透射来计算光吸收时的光吸收能谱学从光的反射与透射来计算光吸收时的光吸收能谱学(Photon Absorption Spectroscopy)除了研究原子、分子除了研究原子、分子的振动、转动及电子能级的跃

9、迁外，借以同步辐射的可调的振动、转动及电子能级的跃迁外，借以同步辐射的可调性，已发展出一个极为重要的分析方法：广延性，已发展出一个极为重要的分析方法：广延X射线吸收精射线吸收精细结构细结构EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)，这种方法能鉴别非晶格物体或浓度甚低时，原，这种方法能鉴别非晶格物体或浓度甚低时，原子与周边原子间的距离（精度可达子与周边原子间的距离（精度可达0.10.02）。该方法应）。该方法应用于生物的金属蛋白质用于生物的金属蛋白质(metalloproteins)结构研究，远优结构研究，远优于其他方法。吸收边于其他方法。吸

10、收边(absorption edge)形成的原因是由于形成的原因是由于SR光源的波长光源的波长(能量能量)通过单色仪逐渐精细地调到某一特定通过单色仪逐渐精细地调到某一特定波长时，样品原子中某一特定能级的电子因获得高于其束波长时，样品原子中某一特定能级的电子因获得高于其束缚能的能量而被游离出来，而且会吸收大量的照射光源，缚能的能量而被游离出来，而且会吸收大量的照射光源，这就是吸收边缘，通常以电子壳层这就是吸收边缘，通常以电子壳层K，L，M，等表示。等表示。XAFS for GaN Photo-absorption,-ionization,and Photo-absorption,-ionizat

11、ion,and -dissociation of -dissociation of Mo(CO)Mo(CO)6 6 moleculemolecule3、XRAY心血管照相术心血管照相术(Coronary Angiography) 利用利用X-Ray血管照影可以观察心脏血管阻塞情血管照影可以观察心脏血管阻塞情形。普通形。普通X-光源强度较弱。需把注射碘的导管直接光源强度较弱。需把注射碘的导管直接导入到心脏，病人较痛苦，而其注射的碘较多，具导入到心脏，病人较痛苦，而其注射的碘较多，具有一定的危险性。若用同步辐射观察，只需将少量有一定的危险性。若用同步辐射观察，只需将少量的碘注射到血液中，用不同的波

12、长的两束同步辐射的碘注射到血液中，用不同的波长的两束同步辐射光（一束光的能量略高于碘的吸收边的能量光（一束光的能量略高于碘的吸收边的能量（33.3keV），另一束光略低于吸收边的能量）照），另一束光略低于吸收边的能量）照射心脏，它们经过心脏后，因软组织和骨骼对两束射心脏，它们经过心脏后，因软组织和骨骼对两束光的吸收是一样的，但碘对较高能量的光吸收较多，光的吸收是一样的，但碘对较高能量的光吸收较多，因此在图象处理系统中得到的图象是不一样的，再因此在图象处理系统中得到的图象是不一样的，再利用图象减除技术，便可得到清晰的心脏动脉及其利用图象减除技术，便可得到清晰的心脏动脉及其它血管的影象。所得图象的

13、时间仅几秒针，病人不它血管的影象。所得图象的时间仅几秒针，病人不会感到不适之处。会感到不适之处。 4、XRAY 衍射衍射 利用利用XRAY衍射来探测晶体中原子的排列，衍射来探测晶体中原子的排列，是一项业经证明且被广泛应用的技术。是一项业经证明且被广泛应用的技术。X-光光光光波经晶体中各个原子散射后，产生不同强度的波经晶体中各个原子散射后，产生不同强度的干涉光点，它们在底片上形成复杂的图案，根干涉光点，它们在底片上形成复杂的图案，根据这些图案不仅可了解物质的结晶情形，而且据这些图案不仅可了解物质的结晶情形，而且因同步辐射光的强度和波长可调，可将研究领因同步辐射光的强度和波长可调，可将研究领域拓展

14、到肌肉纤维和蛋白质晶体学域拓展到肌肉纤维和蛋白质晶体学(protein crystallography)等。特别是在某些特定频率等。特别是在某些特定频率下所发生的不规则散射现象，常能补充其他方下所发生的不规则散射现象，常能补充其他方法对几何结构难以鉴定的不足。另小角散射对法对几何结构难以鉴定的不足。另小角散射对非单晶材料几何结构的鉴定，非单晶材料几何结构的鉴定， 更具威力。更具威力。 Recent results on Macromolecular crystallographyPreliminary Structural Determination of Atratoxin-b, A Sho

15、rt-chain -neurotoxin From Naja atra Venom Figure 1 Photomicrography of a crystal of atratoxin The crystallized atratoxin-b belongs to the tetragonal space group P41212 with unit-cell parameters a=49.28 and c=44.80, corresponding to one molecule in each asymmetric unit and a volume-to-mass ratio of 1

16、.963Da-1 Space groupP41212Unit cell parametersa () 49.28 c () 44.80 Resolution limits () 16.57-1.56 Observations 87491 Independent reflections8305 Rmerge$ 0.082 (0.39)& Completeness (%) 99.9 (99.9) & $ Rmerge = hjI(h)j - / hj I(h)j, where I(h)j is the observed intensity of jth reflection and

17、 is the mean intensity of reflection h. Completeness is the ratio of the number of reflections to that of possible reflections.& Values in parentheses are for the highest resolution shell (1.64-1.56).Statistics of data collection and reductionFigure 2 A diffraction pattern from an atratoxin-b cr

18、ystalFigure 3 Amino acid residues from 55 to 61 superimposed on 2Fo-Fc map (contoured at 2.0 ) to show the quality of preliminarily refined structure of atratoxin-b. The drawing was performed using the program O.Figure 4 Stereo-pair of molecular dimer in atratoxin-b crystalsFigure 5 The close packin

19、g of atratoxin-b molecules in crystals5、XRAY显微术显微术 X-Ray显微术（显微术（X-Ray microscopy）是利用）是利用X-光（软光（软X-光）透过物质时产生的萤光、电子时形成的影像。由于不光）透过物质时产生的萤光、电子时形成的影像。由于不同元素所产生的结果不同，调整波长可使不同元素在复杂的同元素所产生的结果不同，调整波长可使不同元素在复杂的成分中突显出来。如将细胞置于成分中突显出来。如将细胞置于X-光底片上，然后用同步辐光底片上，然后用同步辐射光照射，因为射光照射，因为X-光透过不同的细胞部位，其被吸收的程度光透过不同的细胞部位，其被吸

20、收的程度不同，该底片经处理后，其结果如同细胞的浮雕。不同，该底片经处理后，其结果如同细胞的浮雕。X-Ray显显微术所得的结果并不是细胞本身的照片而是细胞吸收微术所得的结果并不是细胞本身的照片而是细胞吸收X-光的光的部位的图案。使用此方法的优点在于所需暴光时间短（秒量部位的图案。使用此方法的优点在于所需暴光时间短（秒量级），大大减少了样品被光源损坏的可能性，另一特点是可级），大大减少了样品被光源损坏的可能性，另一特点是可将照射光波长调到将照射光波长调到20埃埃50埃范围内（即所谓水窗口），因埃范围内（即所谓水窗口），因此可将活体细胞置于水中，我们将得到活体细胞的信息。此此可将活体细胞置于水中，我

21、们将得到活体细胞的信息。此外，此类实验在大气中或氦气中进行，这是电子显微镜不能外，此类实验在大气中或氦气中进行，这是电子显微镜不能办到的。办到的。 6、时间分辨光谱学、时间分辨光谱学 利用同步辐射光的时间结构可进行利用同步辐射光的时间结构可进行时间分辨光谱学（时间分辨光谱学（Time-Resolved Spectroscopy）研究，测定原子跃迁的）研究，测定原子跃迁的几率、各种激发态的半衰期或生物形体随几率、各种激发态的半衰期或生物形体随时间的变化。原子分子或固体吸收同步光时间的变化。原子分子或固体吸收同步光后被激发，经过一段时间，被激发的电子后被激发，经过一段时间，被激发的电子将发出萤光而

22、回到原来的能级上。我们测将发出萤光而回到原来的能级上。我们测量发出的萤光以及它同同步光的时间差可量发出的萤光以及它同同步光的时间差可得到随时间变化的发光光谱。得到随时间变化的发光光谱。 7、研究燃烧与火焰研究燃烧与火焰燃烧在日常生活、交通运输及工业生产中随处可见。在世界能燃烧在日常生活、交通运输及工业生产中随处可见。在世界能源消耗的总量中，燃烧提供了约源消耗的总量中，燃烧提供了约90%的能源，然而燃烧也会带的能源，然而燃烧也会带来环境污染，燃烧与大气污染息息相关。因此，对燃烧开展实来环境污染，燃烧与大气污染息息相关。因此，对燃烧开展实验及理论研究，提出相关理论模型和机理，将有利于提高能源验及理

23、论研究，提出相关理论模型和机理，将有利于提高能源利用效率、节约能源、降低燃烧产生的大气污染，为实际应用利用效率、节约能源、降低燃烧产生的大气污染，为实际应用提供理论的依据。提供理论的依据。 燃烧化学的研究已经有燃烧化学的研究已经有150150年历史，尽管全世界数以千计的科年历史，尽管全世界数以千计的科学家依然在此领域努力，但直到同步辐射光电离质谱技术应用学家依然在此领域努力，但直到同步辐射光电离质谱技术应用于火焰研究，才使碳氢化合物燃烧过程中的中间体于火焰研究，才使碳氢化合物燃烧过程中的中间体烯醇烯醇的发的发现成为现实。研究证明不完全氧化在碳氢化合物氧化机理的应现成为现实。研究证明不完全氧化在

24、碳氢化合物氧化机理的应用中占有很重要的地位，像燃料电池中发生的气相化学反应主用中占有很重要的地位，像燃料电池中发生的气相化学反应主要就是不完全氧化过程，而不完全氧化的产物是现今大气污染要就是不完全氧化过程，而不完全氧化的产物是现今大气污染物的主要来源之一。物的主要来源之一。 C6H6/O2火焰中产生的火焰中产生的C5H5自由基的光电离效率谱自由基的光电离效率谱 8、软、软XRAY光刻光刻 软软 X - 射 线 光 刻 （射 线 光 刻 （ S o f t - X - r a y Lithography）用于亚微米尺度的加工，超）用于亚微米尺度的加工，超大规模集成电路的制造、微型机械、微型大规模

25、集成电路的制造、微型机械、微型元件的加工等。元件的加工等。 NiNiHeight: 200 m Diameter: 200 m通过倾斜和三次旋转刻蚀出类似脚手架的三维图形（材通过倾斜和三次旋转刻蚀出类似脚手架的三维图形（材料料PMMAPMMA） 圆柱的尺寸为圆柱的尺寸为1616 m, m, 垂直高度垂直高度230230 m m 成功地在室温、空气环境下对运用化学法制造的成功地在室温、空气环境下对运用化学法制造的“几何明星几何明星”凹陷凹陷Escher型硫化铜十四面体微晶进行了三维成像，直观地型硫化铜十四面体微晶进行了三维成像，直观地揭示了该凹陷揭示了该凹陷Escher型微晶由四个相同的六角形的

26、板通过相型微晶由四个相同的六角形的板通过相互交叉构筑成具有互交叉构筑成具有14个腔洞（其中包括个腔洞（其中包括6个正方形和个正方形和8个三角个三角形）的结构。与透视电子显微镜和扫描电子显微镜相比，形）的结构。与透视电子显微镜和扫描电子显微镜相比，X射射线纳米三维成像技术具有更直观解析复杂形态纳米结构的优点。线纳米三维成像技术具有更直观解析复杂形态纳米结构的优点。国内首个国内首个256位分子存储器电路的研制成功，为我国分子电路的高集成度、位分子存储器电路的研制成功，为我国分子电路的高集成度、高速度和低功耗的实现奠定了重要基础高速度和低功耗的实现奠定了重要基础,有力推动了我国分子电子学的发展有力推

27、动了我国分子电子学的发展。 左图为二次掩膜照片，右图为分子存储器的下电极照片，均采用左图为二次掩膜照片，右图为分子存储器的下电极照片，均采用X射线射线曝光得到曝光得到光源发展趋势光源发展趋势近四十年的发展，同步辐射光源已成为科学研究、近四十年的发展，同步辐射光源已成为科学研究、高技术研发的极为重要高技术研发的极为重要 的手段。是不同领域科学的手段。是不同领域科学家、技术人员学术交流和交叉研究的难得场所。家、技术人员学术交流和交叉研究的难得场所。因此，发达国家分别建造了数台同步辐射光源装因此，发达国家分别建造了数台同步辐射光源装置。已有的光源可分为三代：置。已有的光源可分为三代：第一代是寄生在高

28、能加速器上，部分时间用于第一代是寄生在高能加速器上，部分时间用于SR;SR;第二代是专用机器，始于七十年代末；第二代是专用机器，始于七十年代末；第三代是多插入元件的高亮度专用机器；第三代是多插入元件的高亮度专用机器；第四代是基于第四代是基于FELFEL的光源。的光源。另还有专门为超大规模集成电路生产等工另还有专门为超大规模集成电路生产等工业用的小型同步辐射装置，如业用的小型同步辐射装置，如AURARA。右图是不同光源产生的辐射光右图是不同光源产生的辐射光的波长范围，下图是的波长范围，下图是Spring-8Spring-8的谱图，若再提高亮度怎么办？的谱图，若再提高亮度怎么办？第四代光源第四代光

29、源 为进一步提高光源的亮度以适应为进一步提高光源的亮度以适应用户的要求，科学家和工程师们正在用户的要求，科学家和工程师们正在致力于所谓第四代光源的研究。其基致力于所谓第四代光源的研究。其基本框是基于自由电子激光本框是基于自由电子激光 FEL (Free Electron Laser) 来产生高亮度的光。来产生高亮度的光。FEL基本原理基本原理 自由电子激光（自由电子激光（Free Electron LaserFree Electron Laser，简称，简称FELFEL）是使自由电子的电磁辐射受激放大的新一代强相干是使自由电子的电磁辐射受激放大的新一代强相干光源。最典型的自由电子激光产生方法是

30、使相对论光源。最典型的自由电子激光产生方法是使相对论性电子在具有空间周期性的磁场结构（相应的磁铁性电子在具有空间周期性的磁场结构（相应的磁铁装置称为波荡器）中同时与周期磁场和光场相互作装置称为波荡器）中同时与周期磁场和光场相互作用，产生波长由共振条件确定的受激辐射。由于电用，产生波长由共振条件确定的受激辐射。由于电子束团中相对于光场纵向位置不同的电子和光场相子束团中相对于光场纵向位置不同的电子和光场相互作用的位相不同，与光场作用的结果使一些电子互作用的位相不同，与光场作用的结果使一些电子失去能量，另一些电子则获得能量，即产生能量调失去能量，另一些电子则获得能量，即产生能量调制，而能量调制在电子

31、束行进中又转变为密度调制，制，而能量调制在电子束行进中又转变为密度调制，从而形成以光波长为周期的群聚。群聚的电子束和从而形成以光波长为周期的群聚。群聚的电子束和光场相互作用得到加强，大部分电子辐射的位相趋光场相互作用得到加强，大部分电子辐射的位相趋于相同，使辐射相干放大，成为高亮度的相干激光于相同，使辐射相干放大，成为高亮度的相干激光束。束。LCLS(LINAC Coherent Light Source)Nominal System Design Constraints Use existing SLAC linac compatible with PEP-II operation Undu

32、lator located beyond research yardNominal LCLS Linac Parameters for 1.5- FELEmittance and Energy Spread Diagnostics*5 energy spread meas. stations (optimized for small bx)LCLS status1.5- SASE FEL Linac:Requirements Acceleration to 14.1 GeV (3 GeV min.) Bunch compression to 3.4 kA Emittance preservat

33、ion (20% slice of 1-mm-mrad) Final energy spread (0.01% slice, Mail Goal of Phase II Project of NSRL Reducing the Emittance of the HLS Increasing the Brightness of the Ring (27nm.rad and 13.4nm.rad) Improving beam stabilities (300mA, lifetime of 8hrs for GPLS mode Running 150mA, Lifetime of 8hrs for HBLS mode) improving the injection system improving the RF system New RF Generator of 30 kW New RF Cavity Control systen for the RF system Dc power Supplies Microwave Amplifier Improving Control System Vacuum system (NEG pumping) New Beamlines Budget and Schedule Tota