同步辐射技术及其应用57页PPT
同步辐射技术及其应用ppt课件
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
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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。
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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。
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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。
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。
同步辐射光源及其应用
同步辐射光源 及其应用 简介高 琛2008.12.20什么是同步辐射光束线磁场 电子轨道 电子束团HLS实验站相对论电子在磁场 中转向时，沿切线 方向辐射的电磁波v aPe =e 2 c (β γ ) 4 6π ε oρ2超新星爆发及其残骸，如金牛座蟹状星云。
《宋会要》记载： (公元1054年7月，) 客星 “昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十 三日。
”22个月后，“客星没，客去之兆也。
” 黑洞吸附带电粒子经典(等时)回旋加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器弱聚焦同步加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道强聚焦电子同步加速器插入元件：产生特征 不同的同步辐射弯转磁铁：使束流轨道 弯转，产生同步辐射高频腔：补充同步 辐射损失的能量， 或者加速电子四极磁铁：类似于透镜， 约束粒子轨迹横向尺寸真空室：保持10-9torr水平 的真空度，维持束流寿命注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道1947年，Pollack领导的科研组 在美国通用电气公司70 MeV电 子同步加速器中首次观察到“人 造”的这种辐射。
强聚焦电子同步加速器N S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件HLSN S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件Wiggler(扭摆磁铁)：强度叠加。
高功率，(一般)短波长。
HLSBEPC：第一代HLS：第二代SSRF：第三代Swiss Light Source (SLS)DIAMONDSSRCAPSESRF同步辐射光源的分代第一代：高能加速器寄生 亮度：～1012ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第二代：专用 亮度：～1015ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第三代：大量使用插入件 亮度：～1018ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第四代：FEL、衍射极限环、ERL、…… 亮度：～1021ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW自由电子激光原理色散段 调制段种子激光辐射段自由电子 激光输出λ电子束团密度调制(群居) 相干辐射能量调制衍射极限储存环b∆θ∆θb⋅∆θ>>λ：非相干迭加，I∝N b⋅∆θ~λ：相干迭加，I∝N2HALSERL单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW表面吸附 分子内 氢转移 磁记录时间 （磁畴翻转） 电荷转移化学键的 断裂和重组1015101810211024光源亮度（ph/s·mm2·mrad2·0.1%BW）同步辐射的优点★单色亮度高 ★光谱连续、宽 ★准直性好 ★偏振 ★脉冲时间结构 ★稳定，可精确计算偏振和时间结构椭圆偏振光 线偏振光实验室发展史一期：1984~1991(计委1983.4立项) 总投资6,240万：机器建设，5条光束 线和实验站。
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
同步辐射技术简介及其应用
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应用
生物科学应用： 生物大分子结构研究是同步辐射应用用户发展最快、重大成果最多的领域 蛋白质科学是当代生命科学研究的前沿，是生物技术与生物产业的源泉
凝聚态物理与材料科学： 凝聚态物理与材料科学是同步辐射应用最为广泛的领域,几乎所有的同步辐射技术方法都得到了广泛应用 X射线衍射：单晶衍射、粉末衍射、表面衍射 X射线散射：漫散射、磁散射、非弹性散射、小角散射、反射率、驻波法 SR吸收谱： XAFS、荧光谱学、MCD、光电子能谱 成像技术：X射线显微、软x射线显微、光电子显微、X射线全息(荧光全息、吸收全息)、X射线 相干衍射
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谢谢欣赏
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。
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特点
空间发散角： 常规X射线：半球面发射 同步辐射：圆锥发射
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特点
时间结构： 同步辐射具有一定的时间结构。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。 常规X射线为连续发射，同步辐射为脉冲发射。
分子环境科学： 在分子尺度上研究环境中污染物的形态、污染物的迁移和转化的复杂化学过程的新兴前沿学科。 目前分子环境科学科主要研究污染金属元素和放射性核素等人类活动造成的污染及其治理方法。
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应用
同步辐射的产业应用： 同步辐射具有重要应用前景的产业领域：
生物技术与制药 化工：催化剂研究 半导体工业：超微光刻工艺与检测技术 MEMS/NEMS：微纳加工
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应用
地球科学应用： 地球科学的根本目的是了解地球演变的过程，预测未来的发展，了解金属、矿石、化石燃料在地壳中的聚集 情况，这些都是与人类的生存环境和资源密切相关的。 利用高亮度同步辐射装置能分析周期表上所有稳定的或长寿命的矿物元素，可研究处于极端高温、高压条件 下物质结构、状态变化，弄清地壳深处和地幔中矿物的相变和状态方程，了解矿物的物理特性与原子尺度结构的 关系等。
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
同步辐射应用及新光源发展课件 精品
同步辐射应用及新光源发展
同步辐射应用及新光源发展
同步辐射应用及新光源发展
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 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 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 不可缺少，以致于在人类历史上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 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 翟（约公元前 468-382 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 于光的反射律的记载早100 多年。在以后的年代里， 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。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 同步辐射应用及新光源发展 质世界的认识。
同步辐射应用及新光源发展
同步辐射应用及新光源发展
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 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 各种效应，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
同步辐射应用及新光源发展
透射、折射、吸收
同步辐射应用及新光源发展
同步辐射应用及新光源发展
同步辐射应用及新光源发展
1、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 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 为光电子能谱学（Photoelectron Spectroscopy)。 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 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， 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。
同步辐射技术及应用
同步辐射技术及应用X 射线小角散射光束线站面向化学、材料科学、生命科学等领域，以聚合物、纳米材料、生物分子、液晶等为主要研究对象，提供一个以常规小角散射为主、兼顾反常小角散射、掠入射小角散射、小角散射和广角散射同时测量以及动态过程研究等技术的实验平台：(1)通过测量 X 射线相干散射在小角度范围内的强度分布，获得物质内部较大尺度 (300nm 以下 )的结构信息。
如高分子材料和各种聚集体的分形数、生物大分子的长周期和形貌、生物蛋白及分子团簇的回转半径、纳米颗粒的粒度分布和比表面、平衡固溶体原子偏聚状态中的态密度涨落以及其他各种结构参数等；(2)可以测量较大角度范围内的散射信号，得到有关晶格的结构信息。
对于一些相变过程中发生较宽尺度范围 ( 如几个埃到几百纳米 )内结构变化的情况，要求广角散射与小角散射实验能同时进行。
如非晶合金的晶化过程，聚合物从熔体到晶体的转变等；(3) 同步辐射波长连续可调，原子散射因子中的色散项在其吸收边上下有分显著的改变，利用某一元素吸收边附近进行 X 射线散射实验，可以“标定” 物质中不同元素；(4)掠入射小角散射是近年来发展起来的一种新技术，用于研究薄膜表面和近表面内部的纳米尺度的结构。
如与反常散射技术相结合，将可从散射信号中得出某种特定元素的贡献，如多孔硅中的金属团簇，以及纳米碳管中的金属囊等等；(5)高亮度的 X 射线将使我们能够开展时间分辨散射实验，可进行生物大分子活性研究和各种相变过程的动态研究等。
3应用实例硅光电子学的应用前景以及对量子点的自组织生长机制的探讨吸引着人们广泛开展硅单晶衬底上自组织生长锗量子点微结构的研究课题，中国科学院高能物理所的姜晓明研究员在北京同步辐射装置上利用X射线掠入射衍射实验方法对Si表面生长的Ge/Si量子点及其在Si表层产生的应变进行了成功测量。
此方法可以有效地抑制体结构的信号，从而提取表面层的微弱信号。
实验结果表明，表面Ge/Si量子点的晶格在与样品表面平行的横向也偏离了衬底的晶格，并向Si衬底传递在，Si衬底小于100埃的浅表层中形成了横向晶格的膨胀区域和压缩区域。
同步辐射医学的应用PPT文档48页
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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Hale Waihona Puke 30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
同步辐射医学的应用
1、 舟 遥 遥 以 轻飏， 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色，裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去，有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉，不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ，并怡 然自乐 。
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谢谢！
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