红外同步辐射

图11：应用SRIR显微光谱检测半导体器件膜系
Ⅱ：红外显微术（生物应用）
• 众所周知，红外光谱是生物样品二级结 构分析的有力工具，红外同步辐射为生 物组织显微二级结构提供了一个有前景 的手段。
• NSLS用红外同步辐射成功扫出了活细胞 的红外显微照片就是明证。
图12：应用SRIR显微光谱分析细胞内功能团分布
Fig.9 Q branch of NO2 measured in the far infrared range with a resolution of 0.004 cm-1 with a 28 m multiple reflection cell at
1 mbar pressure.
B：表面物理
表面物理、多层膜、 半导体等
•
BL1.4.3 Bending 450-10000cm-1 生物、环境科学、法
学等
• UVSOR
BL6A1 Bending 中远红外
固态物理
• ANKA
IR
edge
建设中
• NSRL
BL4A Bending 10-10000cm-1 建设中
• SSRF
edge
计划中
二：SRIR基本特性
• 起源
上个世纪70年代初，在X射线和真空紫外同步辐射获得广泛应用的同时，一些学 者开始思考这样的问题，同步辐射的红外波段有没有利用价值呢？1973年，J。R。 Stevenson就此问题进行了理论计算，结果表明，与传统的红外热光源相比，红外 同步辐射还是有很大的优点。此后，Lagarde和Williams相继对此进行了深入的研 究，确信这是红外波段的优良光源。最早在同步辐射储存环上建立红外光束线的 是日本分子科学研究所的Nanba等人于1986年在UVSOR建立的BL6A1，随后 Brookhaven的Gwyn P. Williams于1987年在他们的VUV环上建立了一条红外光束线 U4IR。其后，随着这两条光束线取得了巨大的成功，其他一些同步辐射实验室的 红外光束线也相继建成，如英国的Daresbury、法国的SuperACO和瑞典的Max-I， 而Brookhaven和UVSOR随着用户对红外光源越来越大的需求，又相继建立了U2B (Brookhaven)和BL4A、BL4B、BL6B(UVSOR)。
红外同步辐射及其应用
李承祥
中国科技大学，国家同步辐射实验室，合肥，230029
一：引言
• 什么是SRIR？
众所周知，同步辐射是X射线和真空紫外波段独一无二的宽波段可调谐光源，从 上个世纪50年代起就陆续在各种科学研究中发挥了独特的作用。那么红外同步辐 射（IRSR）又是什么呢？顾名思义，IRSR就是从储存环里以光速运动的粒子辐射 出来的红外光。
图8：红外同步辐射与表面吸附键相互作用示意图
C：红外同步辐射显微光谱
• 众所周知，显微光学系统的光程长，以接近准直的方 式进入显微镜头，光学镜头的口径也都比较小，这样 系统的（光源面积×发散度）就很小，光源需要有足 够的亮度才能保证足够的信澡比。常规热红外光源的 亮度非常低，这就是常规红外显微光谱信澡比非常低 的原因，这是与生俱来的。红外同步辐射的高亮度在 此体现了它的优越性，特别适合用于此。也成为目前 SRIR的主流应用方向。
• SRS IR13.3 Bending 30-4000cm-1
• LURE SOLIN Wiggler 中远红外
• MAX-I BL73 Bending 10-1000cm-1
表面科学和其他光谱 光谱和显微术地学 光谱和显微术生物学 固态物理 红外显微术 固态物理、Pump-Probe 表面科学、红外显微术 表面科学、固体物理 超高分辨光谱
历史回顾
• 七十年代:同步辐射在红外波段也是一种非常优良的光源 • 八十年代初:英国Daresbury建造了一个大孔径的红外端口 • 1985年：同步辐射光源上得到的第一张红外光谱，BESSY • 1987年：NSLS的G.P.Williams等在750Mev的VUV环上建了
一条红外光束线—U4IR • 九十年代：红外同步辐射发展的黄金时期
红外同步辐射线站一览表
• NSLS
•
U4IR Bending 20-4000cm-1
•
U2A
Bending 20-4000cm-1
•
U2B
Bending 20-4000cm-1
•
U10A Bending 20-25000cm-1
•
U10B Bending 50-7000cm-1
•
U12IR Bending 1-100cm-1
5 .0 x 1 0 9
V ertical P olarized H orizontal P olarized T o ta l
W avelength=100cm -1 R adius=2.22m
Arbitrary
0 .0 0
10
20
30
40
A ngle(m rad.)
图2：SRIR垂直角分布
B：通量分布
图15：SRIR研究大气有机气溶胶形成机理
Thank you
• 宽带谱：从近红外到毫米波的平缓变化 • 高亮度：比常规热光源高1到3个量级 • 偏振性：在轨道平面内是完全偏振的 • 脉冲性：Ps量级的脉冲光源。
偏转磁铁 偏转磁铁
电子束团
Edge Zone
磁场强度（T）
磁场强度（T）
图1：同步辐射示意图
A：通量密度分布
d 2 F d 2
3 2
4 2
I e
1. NSRL 红外光束线光路图及参数
SRIR
M2 M1
M4 CVD M3
接收角 窗口 M1 M2 M3 M4
75H x 60V mrad CVD，500microns，Ø15mm 水冷镀金平面镜， 超环面镜， R=3686.8mm, r=1843.4mm 超环面镜, R=1366.6mm，r=1275mm 平面镜，镀金，材料： K9
检测器 折返式光栏
光源
物镜 样品
聚光镜
图10：红外显微镜示意图
Ⅰ：红外显微术（半导体器件）
许多半导体器件都是由多层膜组成的，对于 器件的各层膜厚、界面损伤情况的探测是非 常有意义的，常规红外显微术固然也可以提 供一些有价值的信息，但是常规光源的低亮 度使得信噪比非常低，而有了红外同步辐射 显微术，这些就变得轻而易举了。 • 以一三层膜组成的垂直表面发射半导体激光器 为例。
• 金属和半导体材料表面吸附物的振动频率主要 在10-1000cm-1之间，在金属基底上的吸附物的 振动频率主要是垂直于吸附表面的，入射光需 要以掠入射的方式，通常表面振动谱非常弱， 以CO在Cu表面吸附为例，一个单层吸附引起的 反射率改变仅0.1%，因而需要高亮度的光源来 获得足够好的信噪比
SRIR Cu
DH DV
2 y
4
0.03cm2 ( NSRL)
SRS
1.662 103 ( )1/ 3
图5：光源尺寸及立体角
•亮度定义：以黑体辐射为比较对象。
IBR BSRS FSRS (, ) /[ ASRS 2 / SRS ]SRS
BBB
BBB
I 2/3 X (,T ) ASRS (, ) 2
dF
d
3 4
I e
c
c
K5/3 ( y)dy
K
2
/
3
( c
)
dF
d
3 4
I e
c
c
K5/3 ( y)dy
K
2
/
3
(
c
)
dF
d
3 2
Байду номын сангаас
I e c
K5/3 ( y)dy
c
1E14
Flux
1E13
10
100
1000
10000
wavenumber(cm-1)
图3：通量分布（/0.1%BW/75mrad/150mA)
[
c
]2 (1
X
2 )2
K
2 2/
3
(
)
d 2 F d 2
3 2
4 2
I e
[
c
]2
X
2 (1
X
2 ) K12/ 3 ()
其中 d 2 F 为水平偏振分量通度量密 d 2
d 2 F 为垂直偏振分量通度量密 d 2
1957Ee (Gev);c
3 3c
;X
2
1 (1 X 2 )3/ 2 2 c
C：发散角
• 定义：对于X射线和真空紫外，垂直分布近似于Gaussian分布，可以简
单地用其均方差来表示，而对于红外而言，从前面的分析可以看出，明 显不符合Gaussian分布，该如何来定义其发散角呢？实际上，现在有两种 定义，一种是以包含90%的通量角为发散角；另一种以以轨道平面内的 通量密度为平均通量密度来计算发散角，两种计算方法的结果非常接近。
红外同步辐射线站一览表（续）
• DAΦNE
SINBAD Bending 10-1000cm-1
建设中
• SRC(Cornell) IR/031 edge 400-8000cm-1 红外显微术
•
IR/031 edge 200-700cm-1
表面吸附
• ALS
BL1.4.2 Bending 50-25000cm-1
图13：微生物降解Cr6+红外显微结果
D：红外同步辐射的其他应用
• 地质包容物和矿石岩片分析 • 物质压力相变 • 高温超导体材料研究 • Pump-Probe技术 • 电化学
E：红外同步辐射应用场合
1:光源亮度成为主要因素的场合 2:远红外光谱 3:时间结构
四. NSRL红外线站简介
1. NSRL 红外光束线光路图及参数 2. 光束线总体布局图 3. 主要设备及参数
Source
Beamspliter
Aperture
Detector
Fixed Mirror
Moving Mirror
图7：红外傅立叶变换光谱示意图
A：远红外光谱
• Flux(Conventional Source)~λ-4 • Flux(SRIR) ~λ-3/2 • 由于常规光源比SRIR随波长的衰减块，在远
0
d d
22F d
/
d 0d
2F 2
d
0.9;
d 2 F
0 d 2d
d 2F d 2
0
1.662(
/
)1/ 3
150
120
发散角(mrad.)
90
60
30
0
1
10
100
波长(微米) 1000
图4. SRIR发散角随波长变化
D：相对亮度
DH
DH
cos
2
2
8
DV 2 y
ASRS
X (,T ) 4.366102 7/3[exp(hc / kT) 1]
以cm为单位
图6：NSRL弯铁辐射相对于2000K黑体辐射亮度
三：红外同步辐射应用
• SRIR的主要优点
1：比常规热光源亮度高两到三个量级 2：远红外波段通量高 3：脉冲结构
• 如何利用？
1：要求大（光源×发散度）的研究场合，如掠入射、 小样品等。 2：远红外光谱 3：时间分辨光谱，如Ps量级的驰预。
红外波段，SRIR不仅亮度比常规光源高，通 量也比常规光源高，因此，在远红外SRIR是 非常好的光源。 • 目前远红外光谱是除红外显微光谱技术外 SRIR应用得最多的方面，国际上很多同步辐 射红外线站都在进入这一领域。
图8：100cm-1高分辨率光谱的通量比较， 孔径3mm，F/4，光谱分辨率0.004cm-1
2. 光束线总体布局图
3. 主要设备
光谱仪 光谱分辨率 真空度 分束片
Bomem DA8SV3 0.004cm-1 (切趾)
0.2Pa
CaF2、KBr 和 Mylar
探测器
MCT、InSb、 DTGS
图14：SRIR在肿瘤早期诊断研究上的应用
Figure 1： FTIR spectrum of reactants on the gas phase from the mixture of 98.2ppm toluene, 7092ppm CH3ONO and 429ppmNO.