同步辐射技术及其应用ppt课件
同步辐射及其应用(讲义)
同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。
尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。
近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。
同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。
据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。
我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。
1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。
其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。
这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。
现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。
1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。
这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。
同步辐射技术及应用
同步辐射技术的应用同步辐射是随着电子加速器技术的不断发展而产生的。
各种电子加速器是为获得高速运动的带电粒子而建造的。
随着对带电粒子的速度要求越来越高，加速器性能也在不断地改进人们相继发明了直线加速器、回旋形加速器和同步加速器。
同步加速器的出现，开创了高能物理研究的黄金时代。
利用同步加速器可以使带电粒子的速度大大提高，然而，当粒子的速度越来越大时，进一步加速粒子却很困难，因为高速运动的带电粒子在改变运动方向时，沿其轨道的切线方向会产生电磁波辐射。
1947年，美国通用电气公司的科研人员在一台70MeV的电子同步加速器上，透过真空管道,首次在可见光范围内观察到这种辐射，从此同步辐射的概念产生了。
同步辐射光作为一种新型的强光源，具有高亮度、高强度和宽频谱等特性，它的应用领域非常广阔，不仅在物理、化学、生物学等基础研究领域，而且在医学、环境和工业等应用领域也有广泛应用。
1同步辐射技术的发展及特点1.1同步辐射技术的发展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。
至今，同步辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代的发。
第一代同步辐射光源是在那些为高能物理研究建造的电子储存环和加速器上“寄生”运行的，同步辐射光多数由弯转磁铁引出，发射度约为几百nm・rad；第二代同步辐射光源是专门为同步辐射光的应用而建造的，主要对电子储存环的结构进行优化设计，把各种使电子发生弯转、聚焦、散焦等作用的磁铁按特殊的序列组装起来，且电子储存环里拥有少量的长直线节和插入件，它的亮度比第一代同步辐射光提高了几千倍，发射度减小到几十nm・rad；20世纪80年代末出现了第三代同步辐射光源，其性能远优于第二代同步光，同步辐射光主要由插入件引出，它的亮度比第二代同步辐射光又提高了上千倍，发射度减小到10nm・rad以下。
我国上海已经建造完工的上海同步辐射装置，在性能上比目前的第三代装置还要优越一些。
《同步辐射应用基础》PPT课件
E
Ek
p2
2
2 2 E 2
i 2 2
t 2
考虑势函数的一般表达式
i
t
2
2
2
V
r,
t
态的迭加原理：如果1、2、3n描写的 都是体系可能的状态，那么它们的线性迭加描 写的也是体系可能的状态
H
' 22
E'
H
' 1
f
H
' 2
f
0
H
' f
1
H
' f
2
H
' ff
E'
解此久期方程，我们可以得到f个根E’，即 f个能量的一级修正。一级微扰可以将f度简 并完全或部分消除
含时微扰与量子跃迁
体系原来处于不显含时间t的H0 的本征态上,它的包 含时间因子的本征函数系为
n
同步辐射应用领域 凝聚态物理、材料科学、原子分子物理、
生命科学、信息科学、环境科学、光化学、催 化、医学、农学、微电子、微机械
量子力学的产生
十九世纪末和二十世纪初，物理学的发
展进入了研究微观现象的新阶段，这时许多物
理现象无法用经典理论给以解释。主要有两类，
一类是光（电磁波）的量子属性问题，另一类
i
Gh
Rn
1
Gh Rn 2m
全部 Gh 端点的集合，构成该布拉维格子（正 格子）的倒格子，Gh 称为倒格矢
同步辐射技术
同步辐射技术
1 同步辐射技术
同步辐射技术是新兴的一种物理分析技术，是根据圆偏振光束产
生的放射现象而得出。
它将空间中的物质放射信号转换为电信号，用
来分析物体表面的透明度、渗透度和反射度等特性。
圆偏振光束是指将一束光线穿过一个圆形膜，当光线在膜上时就
会产生偏振现象，即光的放射方向总是垂直于物体表面。
该技术最早
由日本皇家科学院研究者开发，发明了一种名为“光波波动度乘积技术”的装置。
它既可以检测出物质表面的透射度，也可以检测出物质
表面的反射度，这是因为光线在物体表面弹射时会形成微小的波动，
从而产生相应的反射信号。
其最主要的应用之一是用来测定表面的反射度以及表面的渗透度，例如，可以用来检测材料表面的涂层厚度和反光属性，以及研究和探
索物体表面的材料特性等。
同步辐射技术还能根据温度测量物质表面
的放射温度，可以检测太阳轨道，还可以应用于宇航器上，用于收集
远程地面站和海洋舰艇等地面站状态的信息。
同步辐射技术是目前最先进的物理分析技术，能够快速准确的测
定物质的表面特性，同时也可以用来应用在航空、宇航和风能等行业
中。
由于圆偏振光束突破了传统光束技术的局限，同步辐射技术已经成为十分流行的物理分析方法，并且受到越来越多行业的青睐。
同步辐射技术及其应用ppt课件
分光元件
把同步辐射中所包含的各种波长连续分布的电 磁波按波长分开，从而成为单色性较好的光。
偏光元件
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。
35
5、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 功能不同的子系统，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 数的测量和调整都是无法用人工同时完成的。
9
注入器
注入器是由发射电 子及给电子加速的 加速器组成，其功 能是将电子加速到 同步辐射源要求的 额定能量。然后将 电子注入到电子储 存环中。
10
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。
11
电子储存环
电子储存环其作用 是让具有一定能量 的电子在其中作稳 定回转运动并发出 同步辐射。
41
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。
15
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 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。
16
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 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。
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真空系统
直线加速器、增强器、储 存环和连接管道等，都为 真空设备。
电源设备
第五讲 同步辐射应用II
(ex.) Minamata disease (kidney of rat) ○Photon energy of X-ray fluorescence is characteristic of element. ○Applications microanalysis Hg
H. Hayashi et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 97 (2000) 6264
Compton profile of Li metal
Y. Sakurai et al.
Magnetic Compton profile of Heusler’s alloy
Y. Sakurai et al.
< PEEM > < Fe – Tb – Co alloy >
Tb M4,5 Fe L2,3 Difference
B. P. Tonner et al., J. Electr. Spect. Rel. Phenom. 78 (1996) 13.
Infrared microscope
-Schwarzschild type-
Muscle filament of rabbit (N. Watanabe et.al.)
Kirkpatric-Baez objective
Spherical mirror
Beamline of X-ray microbeam fluorescence analysis
N. Gao et. al.
T. Takahashi
Schematic of infrared beamline
同步辐射及其应用
同步辐射及其应用
同步辐射是一种由同步加速器产生的高能电子束辐射，是一种超强的电磁辐射。
它产生的辐射能量介于X射线和可见光之间，因此被用于X射线和可见光辐射的研究。
此外，同步辐射的特点使它也被用于电子构型和原子分子结构的研究。
同步辐射的应用领域非常广泛，包括生物应用、分子结构物理、材料科学、集成电路表征、新能源研究以及X射线成像设备等。
同步辐射的应用可以子分为四大类：1、应用于生物学研究，如细胞成像、肿瘤治疗、蛋白质晶体结构测定等；2、应用于材料科学，如表征材料的物理性质，比如导电性、磁性等；3、应用于集成电路表征，如半导体芯片的制造；4、应用于X射线成像设备，如CT机、正电子发射断层扫描器等。
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透光元件(窗)
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 料，取得较为理想的效果。
反光元件(镜)
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 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。
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聚光元件
目前常用的聚光元件有 菲涅尔波带片和毛细管 族X射线透镜等。
•••
纳米材料 复合材料 磁性材料 超导材料 ••• 材料
同步辐射技术及其应用
1
1、什么是同步辐射
同步辐射是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 种电磁辐射。
同 步 辐 射
电子运行轨道
2
由于是1947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 名为同步辐射。
3
同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。
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时间结构
常规X光为连续发射 同步辐射为脉冲发射 脉冲宽度ns(10-9s)- ps(10-12s) 脉冲间隔ns-ms 可作单脉冲快速时间分辨实验
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辐射光谱
单电子同步辐射并非 单一波长，是由回转 频率为基频的高次谐 波组成。由于电子束 团中包含许多电子， 这些电子速度即能量 是有差异的，实际上 构成了一连续谱。
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注入器
注入器是由发射电 子及给电子加速的 加速器组成，其功 能是将电子加速到 同步辐射源要求的 额定能量。然后将 电子注入到电子储 存环中。
10
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。
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电子储存环
电子储存环其作用 是让具有一定能量 的电子在其中作稳 定回转运动并发出 同步辐射。
7
对同步辐射的评价
美国建于芝加哥的电子能量7GeV的Advance Photo Source (APS)在 1998年建成运转， 被美国“Science”杂志评为当年世界十大发 明之第三，排在多利羊及登陆火星之后。
8
2、同步辐射源的构造
同步辐射装置虽 然是一庞大而复 杂的设备，但其 主要由三部分组 成，即注入器、 电子储存环及其 它附属设备。
25
同步辐射是准平行光 可提高分辨率 ，提高亮度 可作掠入射，表面衍射
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• 高角度分辨
单晶：以可测衍射的 最小d值
常规：2Å； 同步：1Å
多晶：以标准Si(111) 的半峰宽衡量
常规：10-1~10-2度； 同步：10-2~10-3度
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高空间分辨
有效光束尺寸 常规：100μm 同步：若干nm
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储存环占重要的地 位，是主角，也是 各项设备中投资份 额最高的设备。
13
电子在储存环中是 以束团的形式存在 和运行。一个环中 可以有数十以至数 百电子束团同时存 在和运行，也可以 只存在一个束团。
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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 束流，安装高频加速谐振腔，各种插入件。
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典 型 同 步 辐 射 的 光 谱 曲 线
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高强度、宽频谱的好处
可严格单色化，提高分辨率 可微束，同步nm，常规100m 可用于微区衍射，可用微小样品 可透过器壁作在位研究 可快速实验
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偏振性
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 的辐射是具有偏振性的。
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 统才能完成系统的既定功能，使系统各部分协 调地工作。
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6、同步辐射应用概况
展 对人 同类 步社 辐会 射、 的经 需济 求可
持 续 发
生命/健康 材料/信息 资源/环境 探索未知世界的奥秘
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主 要 科 技 支 撑
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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 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。
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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 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。
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真空系统
直线加速器、增强器、储 存环和连接管道等，都为 真空设备。
电源设备
同步辐射装置不仅耗电量 大，而且要求电发散角
常规X射线管为半球面发射 同步辐射为圆锥形发射
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时间结构
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。
4
5
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。
6
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 天与黑夜的差别。
(2) X光源：使人类看到了物体内部及微 观领域。
(3)激光源：波长单一、准直、相干、高 亮度，在各领域中作用巨大。
(4)同步光源：高强度的综合光源。
生
命
健 康
生命科学 生物技术
医药学 医药技术
分子生物学 细胞生物学 神经生物学 病毒学、免疫学 毒理学•••
药物设计 病理、药理 医学诊断与 治疗
结
生物大分
构
子结构
生
物
细胞、组
学
织结构
生物医学成像 射线治疗
同 步 辐 射 应 用
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重
要
支 柱
新材料
材料 信息
高新 科技
传统支 柱产业
信息技术
石油化工 钢铁冶金 金属制造
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高时间分辨
常规：亚秒 同步：10-12秒
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高灵敏度
可检出 低含量、弱衍射、高角衍 射
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4、同步辐射装置中的光路 和光学器件
前端区从储存环的光束出口到屏蔽墙的一段
光路称为前端区。
光束线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。
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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 束线中加入各种类型的光学元件。包括用透光 元件(窗)、反光元件(镜)、聚光元件、分光元件 以及偏光元件等。
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分光元件
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。
偏光元件
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。
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5、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 功能不同的子系统，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 数的测量和调整都是无法用人工同时完成的。