同步辐射及其应用-中国科学院金属研究所

同步辐射简介
SR应用的现代阶段
第一代 ：20世纪70年代的第一代光源是与高能物理加速器共用的储存环
ຫໍສະໝຸດ Baidu
第二代： 20世纪80年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加 速器，电子储存环则是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
第三代：80年代后期，储存环中装入特别的插件磁铁(波荡器和扭摆器) ， 使电子由偏转一次变成多次偏转，同步辐射的亮度则可提高一千倍以上
光电子能谱 - XPS
当元素处于化合物状态时，与纯元素相比， 电子的结合能有一些小的变化，称为化学位移， 表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。 测量化学位移，可了解原子的状态和化学键信息。
光电子能谱-XPS
XPS表面分析方法，样品表面的元素含量与形态，深度约为3-5nm。
表面分析的主要内容有：
自然状态下的生物样品 接近或达到分子水平 细胞、细胞器的超微结 构
伦琴发现X射 线-工业、医 学应用
像差、镜面面形、 分辨率不如电子 光洁度 显微镜 X射线成像元器件
研制 X射线显微镜
优点：
1.穿透深度大于电 子显微镜（μm）
高亮度、可调谐、 相干 软X射线光源
2.生物物质与水的 吸收系数相差较大 水窗-水“透明”
同步辐射简介
美国 APS 7GeV




电子枪 直线加速器 - 预加速 增强器 - 加速到满能量 储存环 光束线 实验站
ESRF示意图： European Synchrotron Radiation Facility
同步辐射简介
特点： 1 通量大、亮度高 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 X射线亮度是X光机的上千亿倍 2 频谱宽，连续可调 同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线 3 方向性强，天然高准直性 同步辐射发散角小，光线是近平行的，其利用率、分辨率均大大提高 4 脉冲性和有特定的时间结构 具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。可研究与时间有关的化学反应、物 理激发过程、生物细胞的变化等 5 洁净光源，对环境没有任何污染
同步辐射简介
国家 美国 同步辐射实验室 NSLS 布鲁克海文国家实验室 ALADDIN 威斯康星同步辐射中心 SPEAR 斯坦福直线加速中心 ALS 劳伦斯贝克莱国家实验室 APS 阿贡国家实验室 德国 HASLAB,DESY,汉堡 BESSY 柏林，物理技术所 DELTA 多特蒙德 ELSA 波恩大学 俄罗斯 英国 意大利 日本 韩国 法国 VEPP, 新西伯利亚核物理研究所 Siberia, 莫斯科原子能所 SPS, Daresbury, 达累斯堡 ADONE 弗拉丝卡地 ELETTRA 的里亚斯特 Spring-8 西播摩同步辐射研究所 PF 筑波,高能物理研究所 PLS 汉城浦项同步辐射光源 ESRF, 格勒诺布尔 DCI, Lure, 奥塞 类型 ２ ２ ３ ３ ３ 2 3 3 1 1 2 2 2 3 3 2 3 3 2
►表面化学组成： 表面元素组成、表面元素的分布、表面 化学键、化学反应等 ►表面结构： 表面原子排列、表面缺陷、表面形貌 ►表面原子态：
表面原子振动状态、表面吸附(吸附能 吸附位) 等
►表面电子态： 表面电荷密度分布及能量分布、表面能 级性质、表面态密度分布、价带结构
软X射线XAFS
软x射线：波长大于0.5nm，即能量低于约2000eV的X射线。 适合于生物X射线成像技术（2nm~10nm)
同步辐射简介
弯转磁铁强迫高能电子束团， 在切线方向电磁波发射出来。
同步辐射:速度接近光速的带电粒子在磁场中作变速运动时放出的电磁辐射
同步辐射简介
1947 1960s 1965 1970s 目前
美国、通用电气 同步加速 器发现
SR应用的可行性研究
意大利 Frascati建成储存环 SR应用的现代阶段-3代 约70座试验用SR加速器
强度衰减 吸收谱、光刻、微细加工、成像、X光显微术、微束CT
同步辐射应用
研究方法： 光电子能谱（XPS）
软X射线光谱
硬X射线光谱（透射方法、荧光方法）
X射线衍射
光刻和超微细加工等
光电子能谱- XPS
XPS
Before collision
After collision
M
M+
入射光子 E=hγ
1895
1920s~1960s
1970s
软X射线XAFS
在软X射线波段（100~2000eV），吸收谱研究工作主要集中在：
1、C、N、O等轻元素的K边；
C的K边~280eV N的K边~390eV O的K边~530eV 2、钛、钒、铁、锰等过渡族元素的L边； 过渡族金属的L边大部分在400~1000eV 3、部分镧系稀土元素的M边；
世界上四大高能光源： 法国的ESRF（6G）、日本的SPring-8、美国的APS、德国的Petra III （6G）
同步辐射简介
1970S末第一代 高能物理研究 1984-SR-2.2GeV 硬X射线
BSRF 北京
SSRF 上海
先进第三代 X射线-远红外高亮度 3.5GeV世界先进
NSRL 中科大
同步辐射及其应用
Synchrotron Radiation and its Application
孙晓英 材料环境腐蚀研究中心
Contents
同步辐射简介
光电子能谱XPS
软X射线XAFS
X射线荧光分析 SR在腐蚀中的应用
同步辐射简介
衍射、折射、散射检测特性等 产生光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性
Eb＝hν-Ec-Ws
e-
Photoionization 光电离
利用光电子能谱可判别表面原子的种类和决定表面电子态 注意：XPS的入射光子可以来自同步辐射或其他X射线 同步辐射光电子能谱的优点： 以单色化的同步光作为激发光源，研究材料表面和界面电子及原子结 构 其特点是能够提供对表面极为敏感的信息
中国
低能第三代
台湾
1983年90初建成低能第二代 800MeV不产生硬X射线 线站：光电子能谱、光化学、光 刻、软X射线谱、时间分辨
同步辐射应用
同步辐射与物质的相互作用 改变传播方向 衍射谱、小角散射、大角散射、漫散射、非弹性散射
二次粒子的发射 ——次级辐射或粒子 光电子谱、光离子谱、 荧光谱 光电子、俄歇电子、荧光