同步辐射技术及其应用课件
同步辐射的原理与应用
同步辐射的原理与应用1. 原理介绍•同步辐射是高能粒子穿过磁场或电场时，发射出非常强大的电磁辐射的现象。
•在同步辐射源中，高能粒子经过弯曲的轨道，并同时受到磁场的影响，使其以弧形轨迹运动。
•在粒子加速运动的过程中，将失去能量，并以窄束束团的形式以光速释放出来。
2. 原理的应用2.1 光源技术•同步辐射可产生高亮度、低发散度的强辐射光束，可以被用于多种实验室和工业应用中。
•用于光源技术的同步辐射非常接近自然光，波长范围从红外到X射线，因此能够满足不同实验需求。
•同步辐射被广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学等领域的实验研究，并取得了重要的科学研究成果。
2.2 结构生物学•同步辐射在结构生物学中起着关键的作用，可以用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。
•结构解析方法包括X射线晶体学、小角散射技术等，通过同步辐射产生的高亮度光源，可以提供更高的分辨率和更详细的结构信息。
•结构生物学的研究有助于了解生物体内分子之间的相互作用，从而揭示生物过程的机制。
2.3 表面科学•同步辐射可应用于表面科学，用于研究物质表面的性质和反应行为。
•通过X射线和光学技术，可以对材料的表面结构、成分和电子状态进行表征。
•表面科学的研究对于材料制备、薄膜涂覆和能源存储等领域具有重要的应用价值。
2.4 医学影像学•同步辐射在医学影像学中的应用主要集中在CT和X射线成像。
•同步辐射的高强度光源可提供高分辨率的影像，用于检测和诊断疾病。
•同步辐射的应用在医学领域有望改善影像质量、减少辐射剂量，并提高诊断准确性。
3. 同步辐射设施•目前世界上有许多同步辐射设施，如昆明同步辐射装置、北京同步辐射装置等。
•同步辐射设施在国内外广泛建设，以满足科研和工业的需求。
•这些设施通常包含加速器、磁铁、束线系统和实验站等组成部分，提供稳定的、高品质的同步辐射光源。
4. 总结•同步辐射的原理和应用已经在科学研究和工业领域取得了巨大的成功。
•同步辐射光源提供了高亮度、高分辨率的光束，使得各个领域能够进行更深入的研究和应用。
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
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。
20
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
21
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。
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。
同步辐射应用概论-光源和光束线-1(课堂讲课)
• 这些就是第一代光源：从高能物理用的加速器转 为同步辐射应用。
特选课堂
19
• 1980年代以后，出现了专门用于同步辐射 研究的加速器，立刻成为引人注目的大科 学装置，多学科的研究平台。
• 英国的SRS、美国的NSLS/Aladin、日本的 PF/UVSOR、德国的BESSY、法国的Super ACO、中国的NSRL。
特选课堂
4
一个形象但不准确的描述：电 真实的情况是在储存环中电子
子好像雨伞一样进行高速圆周 高速运动，其速度接近光速，
运动，同步辐射像雨点一样从 经过一个磁场，运动方向产生
圆周的切线方向发射出来。
偏转，发出电磁辐射，这就是
图片来自SSRL
特选课同堂 步辐射。
5
电磁波的波谱：不同波长（能量）的电磁波适合于不同尺度上
特选课堂
3
什么是同步辐射？
• 同步辐射是由接近光速运动的电子在磁场 中作曲线运动时沿切线方向产生的电磁波， 具有强度高、准直性好、能量范围广（从 深紫外到硬X光）等优异特性，是研究物质 结构和电子结构的高性能光源，具有宽波 段、高准直、高偏振、高纯净、高亮度、 窄脉冲、高稳定性、高通量、微束径、准 相干等独特而优异的性能。
特选课堂
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Wiggler的特征能量
c (q ) cmax 1 (q / )2
wcmax 0.665 (EGev)2 B(T)
中心部位特征能量最高（越硬的X射线），越偏离中 心，特征能量越低（越软）。
特选课堂
39
Wiggler插入件的用途
• 在第一代和第二代机器上，用于提高强度， 因为这些机器电子发射度很大，使用 undulator不是很现实。
的中心锥束，周围还围绕着一些比较弱的“边瓣”。
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。
医学 同步辐射原理与医学应用之一
Triple-piston microsteam engine
Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies,
切尔诺贝利核泄漏事故
1986年4月26日，切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸
福岛核泄漏
• 东京电力公司4月28号宣布，将投入三台新机器人参加福 岛第一核电站的核泄漏抢险工作。
• 日本千叶工业大学等开发的一台“榅桲”机器人，长约70 厘米，重90公斤。除了履带外，还有4个特殊的车轮，能 攀爬瓦砾堆，上下台阶，具有高超的行走能力，即使从两 米高的地方跌落，也不会摔坏。 “榅桲”机器人将负责 测量反应堆建筑内的放射线量。
• 美国能源部提供的两台 “禽爪”机器人长约90厘米，重 50公斤，最高时速8公里，是当今移动速度最快的机器人 之一。 “禽爪”机器人能够利用搭载的全球定位系统， 自动绘制核电站院内的辐射量分布图。
• 此前，美国提供的两台“背包”机器人拍摄了反应堆所在 建筑内部的图像，并且检测了辐射量。
吸收衬度成像
Jens C. Skou John E. Walker Paul D. Boyer
Four stages in ATP synthesis
2019年诺贝尔化学奖
Peter Agre
Roderick MacKinnon
MEMS
Airflow driven gearwheel
Ni
Height 230 m
- A. Einstein
• What is Synchrotron Radiation ? • Why Synchrotron Radiation ?
• Photons have been the primary tool.
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
《同步辐射应用基础》课件
监督与考核
安全规定的
行为进行纠正和处罚。
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
对社会发展的影响
01
科技进步
同步辐射技术的发展将推动相关 领域的技术进步，促进科技创新 。
产业升级
02
03
人才培养
同步辐射技术的应用将带动相关 产业的发展，促进产业升级和经 济增长。
同步辐射领域的研究和应用将培 养一批高水平的科技人才，为未 来的科技发展提供人才支持。
2023
PART 05
同步辐射的安全与防护
医学影像技术
总结词
同步辐射在医学影像技术中具有重要应用，为疾病诊断和治 疗提供了高分辨率的图像。
详细描述
通过将同步辐射技术与医学影像技术相结合，可以生成人体 内部的高清晰度图像，有助于医生精确诊断病情。例如，在 肿瘤诊断和治疗中，医生可以利用同步辐射技术进行精确的 定位和监控，提高治疗效果。
其他领域
同步辐射过程中，带电粒 子的动能转换为电磁能， 释放出来。
同步辐射的特点
高亮度
同步辐射的亮度比常规光源高 多个数量级，具有极高的光子
通量密度。
宽波段
同步辐射的波段覆盖了从远红 外到硬X射线的宽广范围，可用 于多种实验研究。
准直性好
同步辐射的发射方向沿带电粒 子运动轨迹，具有良好的准直 性。
脉冲时间结构可控
同步辐射的来源
同步辐射主要来源于高能物理实验中的粒子加速器。
同步辐射的特点
同步辐射具有高亮度、宽波段、准直性好、脉冲时间 结构可控等优点。
同步辐射的产生
01
02
03
带电粒子的加速
带电粒子在磁场中受到洛 伦兹力作用，被加速到高 能状态。
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。
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。
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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。
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
同步辐射技术
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上海同步辐射中心
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•发生装置（光源） •光束线 •实验站
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同步辐射装置组成部分及功能
一、同步辐射发生装置 1、注入器 ➢ 直线加速器（linac):初步加速，几十至几百MeV,产生电子，形成电子束团 ➢ 增强器（Booster):用同步加速器进一步加速电子达到需要值，可达GeV
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2、电子储存环 ➢ 一定能量电子在环内稳定的运转，发射同步辐射 ➢ 由磁聚焦结构、高频加速谐振腔、束流传输束线、插入件（扭摆器、波荡器）及真空室构成
第四章
同步辐射技术及其在材料学 中的应用
1
•同步辐射光源和同步辐射装置
•同步辐射技术及其在材料学中的应 用
•上海同步辐射中心简单介绍
2
同步辐射光源和同步辐射装置
3
• 同步辐射 ➢ 是一种先进和不可替代的光源 ➢ 是一类与中子散射互补的大科学装置 ➢ 是一个产生新的实验技术和方法的平台 ➢ 是一个不同学科互相交融的理想场所 ➢ 是一个凝聚和培养优秀创新人才的基地
4
什么是同步辐射？ 实验观察
接近光速运动 的电子在改变运动方向时会沿切线 方向辐射电磁波。1947年4月，F. R. Elder等人在 美国通用电气实验室的70MeV的电子同步加速器 上首次观察到了电子的电磁辐射，因此命名为同 步辐射。
5
6
同步辐射光的特点
7
I.
高亮度
8
• 高亮度的优势： ➢ 实时（化学反应动力学、相变过程、活细胞变化过程） ➢ 原位（高低温、高压、高真空等） ➢ 微量样品 ➢ 其他要求高光强的实验，如X射线反射等
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。
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
同步辐射技术演示文稿
同步辐射小角X射线散射（saxs）主要应用于尺寸为1nm—
100nm的纳米结构表征，可以表征固体、液体、粉末、薄膜等多
种形式的样品，主要应用的领域有聚合物、纤维材料、金属材料、
半导体材料等等。常见的实验方法为透射的SAXS和掠入射的小 角散射 （GISAXS），这两者的区别是透射的SAXS测量的是体相结 构的信息，而GISAXS则是测量的表面及表层结构，因此常用
第44页，4共462页。
第45页，4共562页。
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第48页，4共862Βιβλιοθήκη 。第49页，4共962页。
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第51页，5共162页。
掠入射X射线衍射(GIXRD)和掠入射X射线散 射过程类似，机理和XRD相同。而通常XRD 测量时，一般来说入射－衍射束构成的平面 垂直于试样表面（晶面），这样X射线穿透样 品较深，出射信号含表面薄膜信号很少，测 量对表面结构不敏感，所以也可以简单的理 解为GIXRD就是专门针对表面薄膜的XRD。
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上海同步辐射中心
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于薄膜材料的表面及表层不同深度的结构表征。而这两种实验 方法又都可以做一些原位的实验，例如样品在拉伸、剪切、变 温等实验环境下的结构变化，催化剂的反应过程测量。因此具 有非常灵活的实验手段，可以根据需要自行加入相关设备，实 现各种实验过程的有效表征。