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。

1.2同步辐射技术的特点

①光谱连续且范围宽，由于同步辐射是非束缚态电子的辐射，所以它的光谱是连续的，从远红外、可见光、紫外直到硬X射线（104～10-1埃)。

②辐射强度高，在真空紫外和X射线波段，能提供比常规X射线管强度高103～106倍的光源，相当于几平方毫米面积上有100千瓦的能流。

③高度偏振，同步辐射在电子轨道平面内是完全偏振的光，偏振度达100%；在轨道平面上下是椭圆偏振；在全部辐射中，水平偏振占75%。

④具有脉冲时间结构，同步辐射是一种脉冲光，脉冲宽度为0.1～1纳秒，脉冲间隔为微秒量级（单束团工作）或几纳秒到几百纳秒范围内可调（多束团工作）。

⑤高度准直，能量大于10亿电子伏的电子储存环的辐射光锥张角小于1毫弧度,接近平行光束，小于普通激光束的发射角。

⑥洁净的高真空环境,由于同步辐射是在超高真空(储存环中的真空度为10-7～10-9帕)或高真空（10-4～10-6帕）的条件下产生的，不存在普通光源中的电极溅射等干扰，是非常洁净的光源。

⑦波谱可准确计算，其强度、角分布和能量分布都可以精确计算。

2同步辐射的应用

同步辐射在基础科学、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用。上海光源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十分显著的改变，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。

图1是不同掠入射角下Si（220）衍射峰附近的径向扫描，从图中可以看到，掠入射角为0.05°时在衬底衍射峰的两侧各有一个衍射峰。高角度位置的衍射峰S2随着掠入射角度的增加很快消失，而低角度位置的衍射峰S1随掠入射角度

的增加变化的相对较慢，并且，峰位向衬底峰的方向移动。然后利用常规的X 射线衍射测量了衬底Si（004）衍射峰附近的径向扫描（图2），在衬底峰前（66，76°处）出现一个小的衍射峰。通过分析得到Si衬底上的量子点结构模型。图1中衍射峰S1由S1量子点区域引起，并且量子点的组分不单纯是Ge原子，而是Ge原子与Si原子的混合，并且有部分Ge原子扩散到Si衬底中；而图中衍射峰S2是由于图标记为S2的位置引起的，此处晶格的畸变是由Si表面量子点的覆盖区域与附近未覆盖区域的挤压产生。

图1 Si（001）衬底上自组织生长Ge/Si量子点样品的衍射图（左）不同掠入射角下Si（220）附近的径向扫描；（右）Si（004）附近的

径向扫描

掠入射X射线衍射技术作为一种对表面和表层结构敏感的实验技术，掠人射X射线衍射方法将在如下方面发挥重要作用：

①固体表面和界面结构—晶体、超晶格、非晶等；②表面相变—重构、熔解；

③液体和液晶表面结构；④固体—液体界面结构；⑤晶体生长过程；⑥表面、界面原子的运动等等。

结合位置灵敏探测器的应用，我们将不仅可以实现二维倒易空间的扫描，还可以完成掠人射条件下的小角散射实验。