X射线的物理学基础-

1、 第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础迷人的迷人的X光片光片在在X射线下，射线下，任何东西都会很美！任何东西都会很美！ 当威廉姆当威廉姆-伦琴宣布他发伦琴宣布他发现现X射线时，在他的论文射线时，在他的论文中附有一张其妻子戴戒指中附有一张其妻子戴戒指的手部的的手部的X光照片。伦琴光照片。伦琴的发现得到了科学界的认的发现得到了科学界的认可。在此后的数十年间，可。在此后的数十年间，这张带有金属环的手部骨这张带有金属环的手部骨骼照片成为了骼照片成为了X射线被发射线被发现的标志。现的标志。迷人的迷人的X光片光片在在X射线下，任何射线下，任何东西都会很美！东西都会很美！ 01. 变色龙和海棠变色龙和

2、海棠 02. 郁金香郁金香 03. 八角金盘，杜鹃花和蜥蜴八角金盘，杜鹃花和蜥蜴 04. 蛇和山龙眼蛇和山龙眼 05. 青蛙和睡莲青蛙和睡莲 06. 菊芋和蝴蝶 06. 菊芋和蝴蝶菊芋和蝴蝶 07. 植物还有蜥蜴和蛇植物还有蜥蜴和蛇 08. 兰花兰花 09. 郁金香郁金香 10. 猴子猴子 11. 鸡鸡 本章主要内容本章主要内容 1-1 X射线的产生及其性质射线的产生及其性质 1-2 X射线谱射线谱 1-3 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 1-4 X射线的衰减规律及其应用射线的衰减规律及其应用 1-5 X射线的探测与防护射线的探测与防护 1-1 X射线的产生及性质射线的产生及性质X射线

3、的本质射线的本质X射线和可见光一样，都显示射线和可见光一样，都显示波粒二象性波粒二象性，故两者的本质是相同的，故两者的本质是相同的， 都会产生干涉、都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象，两者的主衍射、吸收和光电效应等现象，两者的主要差别于要差别于波长不同波长不同。X射线是由高能量粒子轰击原子所产生的射线是由高能量粒子轰击原子所产生的电电磁辐射磁辐射，电磁辐射的辐射能是由，电磁辐射的辐射能是由光子光子传输传输的，而光子所取的路径是由的，而光子所取的路径是由波动场波动场引导。引导。X射线的本质射线的本质X射线这种波、粒二象性，可随不同的射线这种波、粒二象性，可随不同的实验条件表现出来。实验条件

4、表现出来。显示其显示其波动性波动性有：以光速直线传播、反有：以光速直线传播、反射、折射、衍射、偏振和相干散射；射、折射、衍射、偏振和相干散射；显示其显示其微粒性微粒性有：光电吸收、非相干散有：光电吸收、非相干散射、气体电离和产生闪光等。射、气体电离和产生闪光等。 X X射线的波长范围射线的波长范围 X X射线是一种波长较短的电磁辐射：射线是一种波长较短的电磁辐射： 波长波长0.01 0.01 10 10nmnm；能量：能量：124 124 keV - keV - 0.124 keV0.124 keV 其短波段与其短波段与射线长波段相重叠，其长波射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重

5、叠。段则与真空紫外的短波段相重叠。g-raysX-raysUVVisual0.0010.01 0.11.0 10.0 100 200 nm X X射线的能量射线的能量 量子理论将量子理论将X射线看成由一种量子或光子组射线看成由一种量子或光子组成的粒子流，每个光子具有的能量为：成的粒子流，每个光子具有的能量为：( (依据依据X X射线的波长即可计算出其能量射线的波长即可计算出其能量) )(24. 1)(nmchhkeVE公式MgKCaKFeKPbLE(keV)1.2533.697.05710.55 (nm) =1.24/ E(nm)0.98950.33600.17570.1175X射线的本质习惯

6、上，称波长短的习惯上，称波长短的X射线为硬射线为硬X射线，射线，波长长的波长长的X射线为软射线为软X射线。软、硬表示射线。软、硬表示X射线穿透物质的能力。射线越硬，即其波射线穿透物质的能力。射线越硬，即其波长越短，则穿透物质的能力就越大。长越短，则穿透物质的能力就越大。 用于结构分析和成分分析的一般为软用于结构分析和成分分析的一般为软X射线，用于医学透视的为硬射线，用于医学透视的为硬X射线。射线。 X X射线波长的度量单位常用埃（射线波长的度量单位常用埃（）或晶）或晶体学单位（体学单位（kXkX）表示；通用的国际计量单）表示；通用的国际计量单位中用纳米（位中用纳米（nmnm）表示，它们之间的换

7、算）表示，它们之间的换算关系为：关系为： 1nm=101nm=10=10=10-9-9m m人们根据人们根据X射线的干涉和衍射现射线的干涉和衍射现象，确定了象，确定了X射线具有波动性。射线具有波动性。然而，波动理论对然而，波动理论对X射线的短波射线的短波限、光电效应、荧光辐射和康谱顿散限、光电效应、荧光辐射和康谱顿散射等现象则无法解释。射等现象则无法解释。所以，波动性仅仅是所以，波动性仅仅是X射线本性射线本性的一个方面。在大量科学实验的基础的一个方面。在大量科学实验的基础上，人们又认识到上，人们又认识到X射线本质的另一射线本质的另一个方面个方面粒子性。即粒子性。即X射线在空间传射线在空间传播时

8、，也具有粒子性。播时，也具有粒子性。 X射线的性质：射线的性质： 1）X射线能使照相底片感光；射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领；射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电射线能使某些物质的原子、分子电离；离； 4）X射线是不可见光，它能使某些物质射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；发出可见光的荧光； 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质具有反射、折射、衍射、偏振等性质综上所述，综上所述，X射线和一切微观粒子（电射线和一切微观粒子（电子、中子、质子等）一样，都同时具有波动子、中子、质子等

9、）一样，都同时具有波动性及粒子性双重特性，简称性及粒子性双重特性，简称波粒二象性波粒二象性。它的波动性主要表现为以一定的频率和它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；它的粒子性主要表现为以光子形式辐射它的粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动能，反和吸收时具有一定的质量、能量和动能，反映了物质运动的分立性。映了物质运动的分立性。 波粒二象性是波粒二象性是X射线的客观属性，二者是射线的客观属性，二者是相互补充的，相互补充的， 在不同的实验条件下，它们有时波动性在不同的实验条件下，它们有时波动性表现明

10、显，有时粒子性表现明显。表现明显，有时粒子性表现明显。 由于由于X射线波长短，频率高，光子能量相射线波长短，频率高，光子能量相对来说比较大，因此它的粒子性比较明对来说比较大，因此它的粒子性比较明显。显。 此外，此外，X射线具有很强的穿透物质射线具有很强的穿透物质的能力，经电场和磁场时不发生偏转，的能力，经电场和磁场时不发生偏转，当穿过物质时当穿过物质时X射线可被偏振化、可被吸射线可被偏振化、可被吸收而强度衰减，它能使空气或其他气体收而强度衰减，它能使空气或其他气体电离，能激发荧光效应，使照相底片感电离，能激发荧光效应，使照相底片感光，并能杀死生物细胞与组织等。光，并能杀死生物细胞与组织等。 由

11、于由于X射线具有上述一系列性质，使射线具有上述一系列性质，使它成为研究晶体结构、进行元素分析、它成为研究晶体结构、进行元素分析、工业探伤和医疗透视等多种问题的有力工业探伤和医疗透视等多种问题的有力工具。工具。1.1.2 X射线的产生射线的产生 大量实际所用大量实际所用X射线是由射线是由X射线管产生的，射线管产生的，不论是探伤用不论是探伤用X光机还是照相法用的光机还是照相法用的X光机光机和和X射线衍射仪，射线衍射仪， 都包括：高压发生器（包括整流部分），控都包括：高压发生器（包括整流部分），控制线路、制线路、X射线管及探测记录系统。其中，射线管及探测记录系统。其中，X射线管和探测记录系统是射线管

12、和探测记录系统是X射线仪特有的。射线仪特有的。 本节主要介绍本节主要介绍X射线管，而探测系统将在后射线管，而探测系统将在后面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。一、一、X射线管的种类射线管的种类 关于阴极射线管式发生器，自伦琴以来已有了关于阴极射线管式发生器，自伦琴以来已有了很多发展，突出表现在很多发展，突出表现在X射线管的功率、光强射线管的功率、光强上，因光强越强，灵敏度就越高，分辨率也越上，因光强越强，灵敏度就越高，分辨率也越好，还可减少实验的时间。好，还可减少实验的时间。

13、 当然，在结构、材料等许多方面也有许多变化。当然，在结构、材料等许多方面也有许多变化。从构造上来讲可分为两类，即密封式从构造上来讲可分为两类，即密封式X射线管射线管及旋转阳极式及旋转阳极式X射线管。射线管。 X射线管实际上就是一只特殊的高压二极射线管实际上就是一只特殊的高压二极真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有：壳。按发生电子的方式来分，有： 1、热阴极、热阴极X射线管；射线管； (1)密封式灯丝密封式灯丝X射射线管；线管；(2)可拆式灯丝可拆式灯丝X射线管射线管。 2、冷阴极、冷阴极X射线管射线管X射线管的种类射线管的种类 密封式

14、密封式X射线管实际上就是一只特殊的高射线管实际上就是一只特殊的高压二极真空管，其中有阴极和阳极，外压二极真空管，其中有阴极和阳极，外有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有：有玻璃壳。按发生电子的方式来分，有： 1、热阴极、热阴极X射线管；射线管； (1)密封式灯丝密封式灯丝X射射线管；线管；(2)可拆式灯丝可拆式灯丝X射线管射线管。 2、冷阴极、冷阴极X射线管射线管 X射线管 二、二、X射线管的结构射线管的结构 封闭式封闭式X射线管实质上就是一个大的真空射线管实质上就是一个大的真空 （ ）二极管。基本组成包括：）二极管。基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。阴极：阴极是发射电子的地方。

15、 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地射线的地方。方。mmHg7510101 mmHg=133.32 Pa(3)窗口：窗口是窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出射线从阳极靶向外射出的地方。的地方。 (4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出的地方，正是从这块面积上发射出X射线。射线。X射线管的结构为：精密陶瓷精密陶瓷X X射线管射线管 近年来近年来Philips公司推出了一公司推出了一种陶瓷管，其种陶瓷管，其构造与前述封构造与前述封闭管基本一样，闭管基本一样，只是用陶瓷代只是用陶瓷代

16、替了玻璃。替了玻璃。三、三、X射线射线光源的新发展光源的新发展 (1)旋转阳极旋转阳极X射线管射线管：一般的一般的X射线管，射线管，往往因受散热的限制，管功率不大，主要往往因受散热的限制，管功率不大，主要原因是功率过大，会造成阳极靶过热而烧原因是功率过大，会造成阳极靶过热而烧熔。所以发展了一种旋转阳极的熔。所以发展了一种旋转阳极的X射线管。射线管。 其阳极靶是一个用金属作成的圆盘，利用其阳极靶是一个用金属作成的圆盘，利用电动机使阳极以每分钟数千转的速度旋转，电动机使阳极以每分钟数千转的速度旋转，这样使得靶面受电子束轰击的位置随时间这样使得靶面受电子束轰击的位置随时间改变，因此可以达到散热快的效

17、果。改变，因此可以达到散热快的效果。 其制造困难之处在于转动部分的真空密封其制造困难之处在于转动部分的真空密封问题。问题。旋转阳极旋转阳极X射线管射线管的功率可比固定的功率可比固定阳极管的功率大数十倍。目前已有阳极管的功率大数十倍。目前已有100KW的的旋转阳极旋转阳极X射线管射线管。 旋转阳极旋转阳极X射线管的关键技术是使阳极靶高速射线管的关键技术是使阳极靶高速旋转（旋转（20006000转转/min），这带来了如何密），这带来了如何密封真空和密封冷却水的问题。封真空和密封冷却水的问题。 旋转阳极旋转阳极X射线管的另一特点是德国生产的阳射线管的另一特点是德国生产的阳极靶是由铜和钼两种材料混合

18、制成的。故同时极靶是由铜和钼两种材料混合制成的。故同时可以得到两种不同波长的可以得到两种不同波长的X射线，可选择使用。射线，可选择使用。 最流行的、操作管理比较方便的转靶最流行的、操作管理比较方便的转靶X射线发射线发生器的总功率已从生器的总功率已从6kW、12kW发展到现在的发展到现在的18kW。靶的直径一般小于。靶的直径一般小于100mm，比较轻，比较轻，操作方便。操作方便。D/max2550VPC仪器外观 X射线衍射实验仪器 转靶机 X光管室X光管室（内有Mo阳极，在高压作用下发射X射线） 热电偶列阵，测量温度。 旋转靶台 （2）同步辐射）同步辐射 什么是同步辐射什么是同步辐射 （SR-S

19、ynchrotron Radiation) ? * 同步辐射的特性同步辐射的特性 (宽光谱、高强度、高准直宽光谱、高强度、高准直性、高偏振、快脉冲性、高偏振、快脉冲) * 同步辐射在微结构研究中的应用同步辐射在微结构研究中的应用同步辐射光源的发展历史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下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。射连续谱的电磁波。 1947年人类在电子同步加速器上首次观年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，

20、并称其为同步辐射，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用同步辐射光的科学装置为同步辐射光源或装置。源或装置。 同步辐射光源的发展历史同步辐射光源的发展历史 30多年来，同步辐射光源已经历了三代多年来，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。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，只是高能物理实验而设计的，只是“寄生寄生”地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，故又称

21、故又称“兼用光源兼用光源”； 第二代同步辐射光源的电子储存环则是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；从偏转磁铁引出同步辐射光； 同步辐射光源的发展历史同步辐射光源的发展历史 第三代同步辐射光源的电子储存环对电子束发射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、大大提高，并且从波荡器等插入件可引出高

22、亮度、部分相干的准单色光。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。研究的最佳光源。同步辐射光的特性同步辐射光的特性 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从宽波段：同步辐射光的波长覆

23、盖面大，具有从远红外、可见光、紫外直到远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连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续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光。长的光。 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动高准直：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，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。几乎是平行光束，堪与激光媲美。 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从特殊设计的插入件得到任

24、意偏振状态的光。特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。同步辐射光的特性同步辐射光的特性 高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生的，不存高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生的，不存在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。在任何由杂质带来的污染，是非常纯净的光。 高亮度：同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐高亮度：同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度，第三代同步辐射光源的射功率和功率密度，第三代同步辐射光源的 X射线射线亮度是亮度是 X光机的上千亿倍。光机的上千亿倍。 窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的脉冲时间结构，其宽度在结构，其宽度在

25、10-1110-8秒秒(几十皮秒至几十纳秒几十皮秒至几十纳秒)之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，之间可调，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级，这种特性对这种特性对“变化过程变化过程”的研究非常有用，如化学的研究非常有用，如化学反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污反应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。染微观过程等。同步辐射光的特性同步辐射光的特性 可精确预知：同步辐射光的光子通量、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，因此它角分布和能谱等均可精确计算，因此它可以作为辐射计量可以作为辐射计量特别是真空紫特别是真空紫外到外到 X射线波段

26、计量射线波段计量的标准光源。的标准光源。 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高通量、微束径、准相干等独特而优异高通量、微束径、准相干等独特而优异的性能。的性能。 已运行的已运行的SR装置装置 70 80多个多个 正在建设和计划中正在建设和计划中 20多个多个 关于世界各地同步辐射装置的状况详细信关于世界各地同步辐射装置的状况详细信息可以从下列两个网站得到：息可以从下列两个网站得到：http:/srs.dl.ac.uk/SRWORLD/index.html http: //sr-sources.html （SR

27、装置的水平是国家经济实力的标志装置的水平是国家经济实力的标志） 同步辐射如此强大，以致被一些人认为是深刻同步辐射如此强大，以致被一些人认为是深刻影响人类生活的四大革命性光源之一。这四大影响人类生活的四大革命性光源之一。这四大革命性光源是：革命性光源是： 1、1879年美国发明家爱迪生发明的电光源；年美国发明家爱迪生发明的电光源； 2、1895年德国科学家伦琴发现的年德国科学家伦琴发现的X光；光； 3、20世纪世纪60年代由美国和前苏联的一批科学家年代由美国和前苏联的一批科学家研制成的激光光源；研制成的激光光源； 4、同步辐射，、同步辐射，1998年美国的第三代高能同步辐年美国的第三代高能同步辐

28、射源（射源（Advanced Photo Source，APS)的投入使的投入使用曾被美国用曾被美国“Science”杂志评为继克隆羊多利及杂志评为继克隆羊多利及“探路者探路者”火星之旅以后的当年世界十大发明火星之旅以后的当年世界十大发明之第三，可见同步辐射的重要。之第三，可见同步辐射的重要。世界上主要的同步辐射装置世界上主要的同步辐射装置欧洲：欧洲：ESRF(6GeV)； 法国法国 （2个）个）; 英国（英国（1个）个）; 德国德国 （5个）个）;俄罗斯（俄罗斯（9个）个）美国：美国：APS(7Gev) 10个个 日本：日本：Spring 8 (8GeV) 7个个 中国的同步辐射装置中国的同

29、步辐射装置北京北京 BSRF 第一代第一代 1.5-2.8GeV 运行运行 合肥合肥 NSRL 第二代第二代 0.8 MeV 运行运行新竹新竹 SRRC 第三代第三代 1.5GeV 运行运行上海上海 SSRF 第三代第三代 3.5GeV 运行运行(GeV：千兆电子伏；：千兆电子伏；MeV：兆电子伏）：兆电子伏）其他：其他：瑞典、瑞士、荷兰、乌克兰、亚美尼亚、瑞典、瑞士、荷兰、乌克兰、亚美尼亚、韩国、印度、巴西等韩国、印度、巴西等世界上最大的同步辐射光源世界上最大的同步辐射光源 Spring-8 (日本日本)台湾同步辐射研究中心台湾同步辐射研究中心 ( SRRC)实验大厅实验大厅 (Hefei)

30、北京同步辐射实验室北京同步辐射实验室 (BSRF)上海同步辐射光源上海同步辐射光源 “上海光源上海光源”不仅是我国目前最大的大科学不仅是我国目前最大的大科学装置，性能也超过同能区现有的第三代同步装置，性能也超过同能区现有的第三代同步辐射光源，是目前世界上建造的性能最好的辐射光源，是目前世界上建造的性能最好的中能光源之一。它还是仅次于日本中能光源之一。它还是仅次于日本SPring-8、美国美国APS、欧洲、欧洲ESRF，电子束能量居世界，电子束能量居世界第四位的第三代同步辐射光源。不仅如此，第四位的第三代同步辐射光源。不仅如此，“上海光源上海光源还是一个大科学平台，是一还是一个大科学平台，是一个

31、涉及学科众多、应用广泛的科研平台，在个涉及学科众多、应用广泛的科研平台，在这里可以增进科学家之间的相互交流、沟通，这里可以增进科学家之间的相互交流、沟通，甚至可能碰撞出科学的灵感。甚至可能碰撞出科学的灵感。 上海同步辐射光源上海同步辐射光源 “上海光源上海光源”工程占地面积约工程占地面积约20万平方米，包括一万平方米，包括一台台150兆电子伏特的电子直线加速器，一台周长为兆电子伏特的电子直线加速器，一台周长为180米、能在米、能在0.5秒内把电子束从秒内把电子束从150兆电子伏特加速兆电子伏特加速到到3.5千兆电子伏特全能量的增强器，和一周长为千兆电子伏特全能量的增强器，和一周长为432米、能

32、量为米、能量为3.5千兆电子伏特的高性能电子储存环，千兆电子伏特的高性能电子储存环，以及首批建成的以及首批建成的7条光束线和实验站、公用设施、主条光束线和实验站、公用设施、主体建筑和辅助建筑。首批建造的体建筑和辅助建筑。首批建造的7条光束线站分别是条光束线站分别是基于插入件的基于插入件的5条光束线站，即生物大分子晶体学线条光束线站，即生物大分子晶体学线站、站、XAFS线站、硬线站、硬X射线微聚焦及应用线站、射线微聚焦及应用线站、X射射线成像与生物医学应用线站、软线成像与生物医学应用线站、软X射线谱学显微线站射线谱学显微线站和基于弯转磁铁的衍射线站、和基于弯转磁铁的衍射线站、X射线小角散射线站射

33、线小角散射线站2条光束线站。条光束线站。 先进的第三代同步辐射光源先进的第三代同步辐射光源 上海同步辐射装置上海同步辐射装置( Shanghai ( Shanghai Synchrotron Radiation FacilitySynchrotron Radiation Facility，简称，简称 SSRF)SSRF)，是一台世界先进的中能第三代同步辐，是一台世界先进的中能第三代同步辐射光源。上海同步辐射装置的电子储存环电子射光源。上海同步辐射装置的电子储存环电子束能量为束能量为3.5GeV(353.5GeV(35亿电子伏特亿电子伏特) )，仅次于世界，仅次于世界上仅有的三台高能光源上仅有的

34、三台高能光源( (美、日、欧各一台美、日、欧各一台) )，居世界第四，超过其它所有的中能光源；居世界第四，超过其它所有的中能光源； X X射射线的亮度和通量被优化在用户最多的区域。线的亮度和通量被优化在用户最多的区域。 上海光源犹如一台功能强大的上海光源犹如一台功能强大的“超级超级X光机光机”和和“超级显微镜超级显微镜”，其亮度是最强的光机的，其亮度是最强的光机的上亿倍，具有波长范围宽、高强度、高亮度、上亿倍，具有波长范围宽、高强度、高亮度、高准直性、高偏振与准相干性、高纯净并可准高准直性、高偏振与准相干性、高纯净并可准确计算等一系列比其他人工光源更优异的特性，确计算等一系列比其他人工光源更优

35、异的特性，是继电光源、是继电光源、X光源、激光光源之后第四次为光源、激光光源之后第四次为人类文明带来革命性推动的一个新光源。人类文明带来革命性推动的一个新光源。 “它提供性能非常优异的光它提供性能非常优异的光从红外线到高从红外线到高能能X射线（硬射线（硬X射线）宽广波段、光谱连续的射线）宽广波段、光谱连续的光，为我国及全世界诸多学科的前沿基础研究光，为我国及全世界诸多学科的前沿基础研究和高新技术开发应用，提供了一个很先进又不和高新技术开发应用，提供了一个很先进又不可替代的工具。可替代的工具。” 先进的第三代同步辐射光源先进的第三代同步辐射光源 上海同步辐射装置是国家级大科学装置和多学上海同步辐

36、射装置是国家级大科学装置和多学科的实验平台，由全能量注入器、电子储存环、科的实验平台，由全能量注入器、电子储存环、光束线和实验站组成。全能量注入器提供电子光束线和实验站组成。全能量注入器提供电子束并使其加速到所需能量，电子储存环储存电束并使其加速到所需能量，电子储存环储存电子束并提供同步辐射光，光束线对引出的同步子束并提供同步辐射光，光束线对引出的同步辐射光进行传输、加工，提供给实验站上的用辐射光进行传输、加工，提供给实验站上的用户使用。户使用。 上海同步辐射光源的特性上海同步辐射光源的特性 今后，上海同步辐射光源将陆续向广大用户提供今后，上海同步辐射光源将陆续向广大用户提供扫描光电子能谱、扫

37、描透射扫描光电子能谱、扫描透射 X射线显微、射线显微、 X射线射线荧光显微、荧光显微、 X射线非弹性散射等实验站。向用户射线非弹性散射等实验站。向用户的供光机时将超过的供光机时将超过5000小时小时/年，每天可容纳几百年，每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师，日以继夜地在各自的实验站上同时使用工程师，日以继夜地在各自的实验站上同时使用同步辐射光。同步辐射光。(2)灵活性：上海同步辐射光源可运灵活性：上海同步辐射光源可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式，可依据用户需

38、求快速变换运行模式，等多种模式，可依据用户需求快速变换运行模式，以满足用户的多种需求。以满足用户的多种需求。(3)前瞻性：上海同步辐前瞻性：上海同步辐射光源的科学寿命至少射光源的科学寿命至少30年，电子直线加速器同年，电子直线加速器同时用于发展深紫外区高增益自由电子激光。时用于发展深紫外区高增益自由电子激光。 广阔的应用前景广阔的应用前景 利用上海同步辐射光源的高亮度、短波长的利用上海同步辐射光源的高亮度、短波长的同步辐射光在空间分辨上的优势，将可以进同步辐射光在空间分辨上的优势，将可以进行许多前沿学科的探索。行许多前沿学科的探索。 生物学家依托同步辐射光，能获得生物大分生物学家依托同步辐射光

39、，能获得生物大分子的三维结构，进而研究其结构与功能之间子的三维结构，进而研究其结构与功能之间的关系；的关系； 材料科学家利用同步辐射光，可以清楚地揭材料科学家利用同步辐射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁结构参数等信息，它们既是理解材料性能的结构参数等信息，它们既是理解材料性能的“钥匙钥匙”，也是设计新颖材料的原理来源，也是设计新颖材料的原理来源，所以材料科学家和他们所服务的企业成了第所以材料科学家和他们所服务的企业成了第三代同步辐射光源的大用户。三代同步辐射光源的大用户。广阔的应用前景广阔的应用前景 利用上海同步辐射光源的高亮度、窄脉

40、冲的同利用上海同步辐射光源的高亮度、窄脉冲的同步辐射光在时间分辨上的优势，将可以实现在步辐射光在时间分辨上的优势，将可以实现在分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。上海同步辐射光源为这一类动态过程的研究。上海同步辐射光源为这一类动态过程的研究开启了大门，预计在不远的将来，人们的研究开启了大门，预计在不远的

41、将来，人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程，生命科学的研究将进间相互作用的精细过程，生命科学的研究将进入一个崭新的天地。入一个崭新的天地。 对于材料科学来说，上海同步辐射光源将可以使我对于材料科学来说，上海同步辐射光源将可以使我国材料科学家获得发生在原子水平的材料形成过程国材料科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图像，这些过程包括生长机制、相变过程、的动态图像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程，它们是发明优

42、秀新过程和其他与时间相关的过程，它们是发明优秀新材料不可或缺的材料不可或缺的“源头信息源头信息”。而对于作为同步辐。而对于作为同步辐射光源的基本用户的化学科学来说，上海同步辐射射光源的基本用户的化学科学来说，上海同步辐射光源将是我国化学科学跻身世界前列的必不可少的光源将是我国化学科学跻身世界前列的必不可少的现代工具，将使我国化学科学家可以直接观测小至现代工具，将使我国化学科学家可以直接观测小至1立方微米的化学样品在化学反应期间原子的重新立方微米的化学样品在化学反应期间原子的重新排列和位置，跟踪发生在快于排列和位置，跟踪发生在快于10-9秒秒(十亿分之一秒十亿分之一秒)的化学过程，在最基础的水平

43、上掌握形成新化学产的化学过程，在最基础的水平上掌握形成新化学产品的整个过程。品的整个过程。 利用上海同步辐射光源的高亮度、能量可选的同步利用上海同步辐射光源的高亮度、能量可选的同步辐射光，将大大提高对生命体内结构与形态的观察辐射光，将大大提高对生命体内结构与形态的观察精度。通过同步辐射精度。通过同步辐射 X光显微成像和断层扫描成像光显微成像和断层扫描成像技术能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步技术能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步辐射光源强度高、能量可选的辐射光源强度高、能量可选的 X射线，发展起来的射线，发展起来的“双色减影心血管造影双色减影心血管造影”新技术，可以为心血管病新技术

44、，可以为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断方法。的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断方法。最近，利用第三代同步辐射最近，利用第三代同步辐射 X光源射线横向相干性光源射线横向相干性好的特性，发展了好的特性，发展了 X射线相位反衬成像技术，能够射线相位反衬成像技术，能够清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经等的照片，有望发展出不需要造影剂的等的照片，有望发展出不需要造影剂的“心血管造心血管造影术影术”。 利用上海同步辐射光源在空间分辨、时间分辨上利用上海同步辐射光源在空间分辨、时间分辨上的优势，将大大促进和加快我国的蛋白质结构基的优势

45、，将大大促进和加快我国的蛋白质结构基因组学研究。目前，人类基因组测序已完成，但因组学研究。目前，人类基因组测序已完成，但这只是生命科学进入新时代的开端。因为要从根这只是生命科学进入新时代的开端。因为要从根本上掌握生命现象基本规律，必须了解基因载本上掌握生命现象基本规律，必须了解基因载体体蛋白质分子的三维结构，破解其结构与功能蛋白质分子的三维结构，破解其结构与功能的关系。测定蛋白质分子三维结构的最有效的手的关系。测定蛋白质分子三维结构的最有效的手段是段是 X射线蛋白质晶体衍射。由于蛋白质晶体体射线蛋白质晶体衍射。由于蛋白质晶体体积小积小(几十个微米几十个微米)，且分子数目少，要求所用的，且分子数

46、目少，要求所用的 X射线光具有高亮度。如用射线光具有高亮度。如用 X光机束测一套蛋白质光机束测一套蛋白质晶体衍射数据的话，需要几十个小时；用二代光晶体衍射数据的话，需要几十个小时；用二代光源，需要几十分钟；用第三代光源则只要几秒钟。源，需要几十分钟；用第三代光源则只要几秒钟。另外，同步光源还具有短脉冲另外，同步光源还具有短脉冲(小于小于100皮秒皮秒)时间时间结构，为实时观测生物分子结构动态变化过程提结构，为实时观测生物分子结构动态变化过程提供了可能性，将把生命科学研究带入一个崭新的供了可能性，将把生命科学研究带入一个崭新的时代。时代。 同步辐射光源已经成为材料科学、生命同步辐射光源已经成为材

47、料科学、生命科学、环境科学、物理学、化学、医药科学、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，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、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。上海同步方面具有重要而广泛的应用。上海同步辐射光源将成为我国迎接知识经济时代、辐射光源将成为我国迎接知识经济时代、创立国家知识创新体系的必不可少的国创立国家知识创新体系的必不可少的国家级大科学装置。家级大科学装置。 上

48、海光源等上海光源等X射线角波动相干光谱射线角波动相干光谱方法学研究取得新突破方法学研究取得新突破 中科院上海应用物理研究所上海光源的陈刚中科院上海应用物理研究所上海光源的陈刚研究员通过与美国劳伦斯伯克利国家实验室研究员通过与美国劳伦斯伯克利国家实验室以及太平洋西北国家实验室的课题组合作，以及太平洋西北国家实验室的课题组合作，从理论上将从理论上将X射线角波动相干光谱方法进一射线角波动相干光谱方法进一步推广到多粒子混合体系的结构分析中，利步推广到多粒子混合体系的结构分析中，利用这一方法有望实现实时原位地追踪蛋白分用这一方法有望实现实时原位地追踪蛋白分子形变以及纳米材料的生长和自组装过程。子形变以及

49、纳米材料的生长和自组装过程。这一成果已在线发表于物理杂志这一成果已在线发表于物理杂志Physical Review Letters PRL 110, 195501 (2013). 同步辐射较之常规光源有许多优点。它同步辐射较之常规光源有许多优点。它在科学、技术、医学等众多方面解决了在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题，做出一批常规实验室无法解决的问题，做出了重大贡献。同步辐射装置是一个庞然了重大贡献。同步辐射装置是一个庞然大物，小的有一个礼堂大，大的要比足大物，小的有一个礼堂大，大的要比足球场还大许多。美国斯坦福大学的球场还大许多。美国斯坦福大学的50GeV的电子直线

50、加速器长达的电子直线加速器长达3.2Km（正在建设）。要建造这样一个装置，（正在建设）。要建造这样一个装置，投资是很大的。投资是很大的。北京同步辐射装置（BSRF）简史简史1983. 6批准批准BEPC 规划规划1984. 6批准批准BEPC 同步辐射规划同步辐射规划1985. 6同步辐射实验室成立同步辐射实验室成立1986. 12 开始光束线设计开始光束线设计1987. 3 开始加工前端区部件开始加工前端区部件 . 11安装前端区安装前端区1988. 7在前端区窗口第一次观察到同步光在前端区窗口第一次观察到同步光1989. 1安装第一个插入件安装第一个插入件 4W1 .4开始装开始装4W1A

51、 (形貌学形貌学)、4W1B (EXAFS)、 4B9A(衍射衍射)、及、及4B9B(光电子能谱光电子能谱) 束束线线 .11形貌学线站安装完毕形貌学线站安装完毕1990.5成功进行第一个晶体样品形貌学同步辐射实验成功进行第一个晶体样品形貌学同步辐射实验90年代初的年代初的12大厅大厅90年代初的年代初的13大厅大厅9090年代后期，年代后期，1212实验厅建设新束线实验厅建设新束线包括包括7 7条光束线，用于形貌学、条光束线，用于形貌学、X X射线荧光分析、高压衍射线荧光分析、高压衍射实验、射实验、X X射线衍射、射线衍射、X X射线小角散射、光电子谱、射线小角散射、光电子谱、XAFSXAF

52、S X X射线吸收精细结构、漫散射实验研究。射线吸收精细结构、漫散射实验研究。9090年代后期，年代后期，1313厅建造新束线厅建造新束线 引出窗口引出窗口7插入件插入件4光束线光束线13增加增加:生物大分子、高压、真空紫外生物大分子、高压、真空紫外LIGA、荧光分析、软、荧光分析、软X光应用光应用中能束线、中能束线、 X光漫散射光漫散射实验站实验站132003 年的年的BSRFBEPC4w1漫散射漫散射XAFSX-射线成像射线成像4B9衍射和小角散射衍射和小角散射光电子能谱光电子能谱3B1光刻光刻VUV3W1软软X射线光学射线光学4W1B4W1A4B9B4B9A3B1B3B1A3W1A3W1

53、B1W1 荧光分析荧光分析4W2生物大分子生物大分子高压高压3B3中能束线中能束线LIGA1313条光束线条光束线1313个实验站个实验站Beam LineStation生物大分子晶体学实验站（生物大分子晶体学实验站（2003）20032003年年6 6月开始运行月开始运行 同步辐射装置是一个服务于多个同步辐射装置是一个服务于多个学科的实验技术平台，是科技前学科的实验技术平台，是科技前沿研究不可或缺的先进手段。沿研究不可或缺的先进手段。 ( (基础研究、应用研究、技术开发）基础研究、应用研究、技术开发） 同步辐射是一个用户装置同步辐射是一个用户装置 同步辐射装置是一个特殊模式的同步辐射装置是一

54、个特殊模式的大科学设施，不断在发展。大科学设施，不断在发展。研究领域研究领域同步辐射同步辐射物理学物理学材料科学材料科学化学化学化工化工地矿地矿考古考古农业农业国防国防工业工业生命科学生命科学环境科学环境科学 每年为用户提供专用机时每年为用户提供专用机时20002000小小时左右，部分光束线可以兼用运行时左右，部分光束线可以兼用运行 每年要为每年要为6060多个科研单位的多个科研单位的200200多个课题提供服务多个课题提供服务 课题主要来自课题主要来自863863、973973、国家和、国家和部门的重大科技计划、自然科学基部门的重大科技计划、自然科学基金等金等pro）晶体结构）晶体结构pro

55、与抑制剂复合物与抑制剂复合物抑制剂电子密度抑制剂电子密度抑制剂在酶表面的抑制剂在酶表面的结合情况结合情况LHC-IILHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，这种复杂的是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，这种复杂的分子体系镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。分子体系镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题，也是一个国家结构对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。生物学研究水平的重要标志。0303年利用北京同步辐射实验室生物年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线站获得了该晶体

56、的高分辨率衍射数据，最终获得大分子晶体学线站获得了该晶体的高分辨率衍射数据，最终获得2.722.72分辨率的晶体结构。分辨率的晶体结构。(3)脉冲脉冲X射线发生器射线发生器 这是这是60年代发展起来的新型年代发展起来的新型X射线管，它是一射线管，它是一种高压电脉冲下形成的脉冲种高压电脉冲下形成的脉冲X射线，它的脉冲射线，它的脉冲速度非常快速度非常快(仅几十毫微秒仅几十毫微秒)例如，例如，X射线管射线管在在80KV高压下产生的电流达高压下产生的电流达10002000A，这种管子可以进行快速闪光衍射照相，对于这种管子可以进行快速闪光衍射照相，对于研究生物，相变及其他动态瞬时的过程极为研究生物，相变

57、及其他动态瞬时的过程极为有利有利 这种管子的主要元件是一个低阻耗的电这种管子的主要元件是一个低阻耗的电容，使它充电后，在瞬时经过射线管容，使它充电后，在瞬时经过射线管放电，从而得到瞬时超强电流用这种放电，从而得到瞬时超强电流用这种管子研究相变过程时，技术上的困难是管子研究相变过程时，技术上的困难是闪光要和相变过程同步，要求在毫微秒闪光要和相变过程同步，要求在毫微秒数量级上相对应，故需要计算机控制数量级上相对应，故需要计算机控制（）细聚焦（）细聚焦 常用的密封式和可折式热阴极射线管中，常用的密封式和可折式热阴极射线管中，虽然采用了一些聚焦阴极射线束的措施，但虽然采用了一些聚焦阴极射线束的措施，但

58、所得焦点的线度仍为几毫米而在进行结构所得焦点的线度仍为几毫米而在进行结构分析时，为了提高分辨本领及精确度，通常分析时，为了提高分辨本领及精确度，通常利用线度为十分之几毫米的光阑来限制原入利用线度为十分之几毫米的光阑来限制原入射线束，因而所利用的只是其中一小部分，射线束，因而所利用的只是其中一小部分，大部分辐射均浪费掉大部分辐射均浪费掉 更主要的是由于焦点面积大，焦点上最大的更主要的是由于焦点面积大，焦点上最大的比功率（单位面积上的功率）只能达到比功率（单位面积上的功率）只能达到5050200200瓦瓦/ /2 2，故需要很长的摄照时间（几小时，故需要很长的摄照时间（几小时至几十小时），效率很底

59、至几十小时），效率很底 当缩小焦点的线度时，焦点的比功率可以显当缩小焦点的线度时，焦点的比功率可以显著提高，这是因为当焦点缩小时，热传导的著提高，这是因为当焦点缩小时，热传导的条件大为改善的缘故细聚焦射线管就是条件大为改善的缘故细聚焦射线管就是采用一套极好的静电透镜或电磁透镜，使电采用一套极好的静电透镜或电磁透镜，使电子束高度聚焦，焦点尺寸为几微米到几十微子束高度聚焦，焦点尺寸为几微米到几十微米，比功率可提高到米，比功率可提高到1010千瓦千瓦/ /2 2，应当指出，应当指出，随着焦点的缩小，必须减小管电流强度，才随着焦点的缩小，必须减小管电流强度，才不致于烧熔化阳极靶不致于烧熔化阳极靶故细聚

60、焦射线管的功率比普通故细聚焦射线管的功率比普通射线管的功率低（只有几十瓦），所提射线管的功率低（只有几十瓦），所提高的是比功率，但是比功率决定辐射的高的是比功率，但是比功率决定辐射的强度，从而决定衍射线强度所以使用强度，从而决定衍射线强度所以使用细聚焦管，暴光时间可以大大缩短此细聚焦管，暴光时间可以大大缩短此外，小焦点的重要作用还在于可以产生外，小焦点的重要作用还在于可以产生细的衍射线条，这不仅有助于提高分辨细的衍射线条，这不仅有助于提高分辨率，而且还可进行一些特殊的精细结构率，而且还可进行一些特殊的精细结构分析分析(5)离子轰击法离子轰击法 很早以前，人们就发现用高速运动的离子轰很早以前，人