同步辐射装置及其应用
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同步辐射装置及其应用
什么是同步辐射
什么是同步辐射
• 微波: 用来观察飞机、航母和飓风 • 红外线: 用于夜视系统和飞弹追踪热源 • 可见光 • 紫外线: 观察气体分子及凝聚态物理电子结构 • X光是研究晶体结构极佳的工具 • 波长最短的伽玛射线: 核物理研究 • 同步辐射: 覆盖了红外、可见、紫外和X光波段 • 广义的说，所有的电磁波都可以叫做光. 同步辐射又可以
• 在应用领域的研究： 环境保护，塑料，金属，建筑，微电子，化妆品，制
药，食品等 • 下面着重举两个领域的例子
同步辐射应用: 环境工程
• 目前，全球环境污染状况日趋严重，新型的用于 环境研究的分析测试仪器相继推出，对生物体化 学定量化研究发展的步伐不断加快，对成分分析 要求日趋严格，元素的检测限一再降低，并逐步 向微区、微量、乃至原位微量分析深入并且不再 满足于单纯给出生物体元素的含量，要求对生物 体中的元素分布与生长环境之间的相互关联有所 了解而生物体的元素组成和含量，尤其是微量元 素的含量受生物生长环境的影响。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆 锥内，张角非常小，准直性可以与激光相媲美。
• 脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回 旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮秒量级，脉冲 间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。
• 偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用 来研究样品中特定参数的 取向问题。
同步辐射应用: 环境工程
• 当今最有效的微区元素成分分析技术是同步辐射 X射线荧光分析法，它是通过用同步辐射光照射 样品而发出荧光辐射，形成XRF谱线，生物的 XPF谱几乎都具有以K、Ga、M n、Fe为中心的 强峰组，峰强的变化及其它特殊强峰的出现与生 物种类和环境污染密切相关。例如，在我国的同 步辐射装置荧光实验站，对采自南极的乔治亚岛、 青岛以及安徽的植物样品进行同步辐射X射线荧 光分析实验，通过对形成的XRF谱进行分析，得 知各个地区的Fe、B r、Zn、Sr等微量元素含量的 差异，从而反映了该地区环境的污染状况。
• 超新星爆发的遗迹 - 蟹状星云 就是一种自然界的同步辐射源.
同步辐射的原理
• 实验物理和电动力学的基本结论:
自由电子在作加速度运动时, 将产生电磁辐射 - 电子的速率发生变化: 在前向产生轫致辐射
(bremssthahlung) - 电子的方向发生变化: 在切线方向产生同步辐射
(synchrotron radiation )
• 最初，同步加速器辐射因损耗加速 器能量和损害加速器部件,被科学家 看作一种需要消除的副作用.直到20 年后人们才发现它有重要的用途.
• 中文翻译把同步加速器辐射简化为 同步辐射。
同步辐射的由来
• 其实早在1054年,中国科学家就 观察到了超新星爆发,中国古代 天文学家称呼它为”客星” 这 颗星出现在在金牛座的南角上, 出现後的一个月之内一直相当 明亮。在这段期间，耀眼的光 辉约有太阳的40亿倍，它的遗 迹在往後的一年多都还能够看 的见，中国天文学家描述这颗 星在四方都有尖尖的光辉而且 还带着微红白的颜色
同步辐射的特点
• 同步辐射是”超级显微镜”
同步辐射的特点
• 高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上，有很高 的辐射功率和功率密度。用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15 天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几秒。
• 宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的 频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长, 进行单色光的实验。
同步辐射应用: 生命科学
• 探索生物大分子(蛋白质)的结构
• 了解生命过程,从结构研究进入到 功能研究的领域。
蛋白质动力学的不少领域的时间 尺度是落在第三代同步辐射光源的 时间分辨领域中的，如：分子间振 动（fs-us）、有序-无序转变（nsms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋 白质相互作用（ps-ms）、质子/电 子迁移反应（ps-ms）、金属-配 合基（ligand）结合（ps-ms）
同步辐射装置
日本Spring – 8 :第三代
法国ESRF:第三代
合肥NSLS: 第二代
美国NSLS:第二代
同步辐射实验站
同步辐射应用
• 同步辐射与物质的相互作用： 吸收，散射，二次粒子发射
• 空间分辨实验 - X光显微术： 物质的形态研究，结构研究，成分研究
• 时间分辨实验： 分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋 白相互作用，质子/电子迁移效应
• 纯净性：同步辐射光是在超高真空(储存环中的真空度为10-7～10-9帕)或 高真空（10-4～10-6帕）的条件中产生的，不存在任何由杂质带来的污染， 是非常纯净的光。
同步辐射的发射度Baidu Nhomakorabea
• 在储存环中运动的电子，并不是都沿同一的轨 道运动的，事实上，它们的运动轨道大都偏离理 想的轨道，这就使得电子束团有一定的横截面和 发散角。在加速器物理学中，在每一方向上这二 者的乘积称为在这个方向的“发射度”，它的单 位是［纳米·弧度］（［nm·rad］）。在相同的 电子能量和电子电流的条件下，储存环的发射度 越小，放射出的同步辐射的亮度也就越高。在同 步辐射的应用中，许多尖端的实验要求高的亮度。
• 采用永磁体磁铁可将插入件磁铁 周期缩短到几厘米，大大增加了 插入件中磁铁的周期数。在低磁 场大周期数的情况下，电子穿过 插入件时，其轨道只作轻微起伏， 因而被称为“波荡器” （undulator）。
插入件
• 电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大，一般地， 波荡器是不能使同步光谱向高能方向移动的，但由于 电子的偏转角小，从波荡器中不同的磁极上发射出来 的光子在很大的程度上相干地叠加，干涉效应使得同 步光谱中出现一系列尖峰。也就是说，波荡器给出一 系列近乎单色的同步光，而且在这些波长上的同步光 的亮度要增强N2倍以上。在波荡器中产生的同步光的 发射角是很小的，近似地只有弯转磁铁上产生的同步 光的发射角的1/N。
同步辐射的亮度
同步辐射装置的基本构造
合肥同步辐射装置：800MeV
同步辐射装置的基本构造
• 电子枪 – 电子的源泉 • 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
美国 APS 7GeV
组成同步辐射装置的设备
插入件
• 插入在储存环两个弯转磁铁组件 之间的直线段。电子经过插入件 时，在磁场的作用下，电子将沿 一条近似为正弦曲线的轨道运动， 这样，就可以从插入件引出同步 光。
称为同步光.
• 同步辐射：是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中 沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射
同步辐射的由来
• 1947年, GE在70MeV同步加速器 (synchrotron )上首次观察到理论物 理学家预言的一种辐射, 起名为 synchrotron radiation 即“同步加速 器辐射” 。
在欧洲同步辐射中心 （ESRF），有45％ 的实验申请来自生命 科学家。
同步辐射应用: 生命科学
• 例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤
同步辐射的发展
• 第一代同步辐射光源. 在核物理/粒子物理研究的空挡，利 用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方 式。北京高能所同步辐射装置(BSRF) 。
• 第二代同步辐射光源. 第一代同步辐射光源已不能满足研 究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步 辐射装置。
• 第三代同步辐射光源. 科学家发现在储存环中加入插入件 可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射 主要来自插入件。台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源 (SSRL)。 高亮度,高时间分辨力和空间分辨力.
什么是同步辐射
什么是同步辐射
• 微波: 用来观察飞机、航母和飓风 • 红外线: 用于夜视系统和飞弹追踪热源 • 可见光 • 紫外线: 观察气体分子及凝聚态物理电子结构 • X光是研究晶体结构极佳的工具 • 波长最短的伽玛射线: 核物理研究 • 同步辐射: 覆盖了红外、可见、紫外和X光波段 • 广义的说，所有的电磁波都可以叫做光. 同步辐射又可以
• 在应用领域的研究： 环境保护，塑料，金属，建筑，微电子，化妆品，制
药，食品等 • 下面着重举两个领域的例子
同步辐射应用: 环境工程
• 目前，全球环境污染状况日趋严重，新型的用于 环境研究的分析测试仪器相继推出，对生物体化 学定量化研究发展的步伐不断加快，对成分分析 要求日趋严格，元素的检测限一再降低，并逐步 向微区、微量、乃至原位微量分析深入并且不再 满足于单纯给出生物体元素的含量，要求对生物 体中的元素分布与生长环境之间的相互关联有所 了解而生物体的元素组成和含量，尤其是微量元 素的含量受生物生长环境的影响。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄的圆 锥内，张角非常小，准直性可以与激光相媲美。
• 脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回 旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮秒量级，脉冲 间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。
• 偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用 来研究样品中特定参数的 取向问题。
同步辐射应用: 环境工程
• 当今最有效的微区元素成分分析技术是同步辐射 X射线荧光分析法，它是通过用同步辐射光照射 样品而发出荧光辐射，形成XRF谱线，生物的 XPF谱几乎都具有以K、Ga、M n、Fe为中心的 强峰组，峰强的变化及其它特殊强峰的出现与生 物种类和环境污染密切相关。例如，在我国的同 步辐射装置荧光实验站，对采自南极的乔治亚岛、 青岛以及安徽的植物样品进行同步辐射X射线荧 光分析实验，通过对形成的XRF谱进行分析，得 知各个地区的Fe、B r、Zn、Sr等微量元素含量的 差异，从而反映了该地区环境的污染状况。
• 超新星爆发的遗迹 - 蟹状星云 就是一种自然界的同步辐射源.
同步辐射的原理
• 实验物理和电动力学的基本结论:
自由电子在作加速度运动时, 将产生电磁辐射 - 电子的速率发生变化: 在前向产生轫致辐射
(bremssthahlung) - 电子的方向发生变化: 在切线方向产生同步辐射
(synchrotron radiation )
• 最初，同步加速器辐射因损耗加速 器能量和损害加速器部件,被科学家 看作一种需要消除的副作用.直到20 年后人们才发现它有重要的用途.
• 中文翻译把同步加速器辐射简化为 同步辐射。
同步辐射的由来
• 其实早在1054年,中国科学家就 观察到了超新星爆发,中国古代 天文学家称呼它为”客星” 这 颗星出现在在金牛座的南角上, 出现後的一个月之内一直相当 明亮。在这段期间，耀眼的光 辉约有太阳的40亿倍，它的遗 迹在往後的一年多都还能够看 的见，中国天文学家描述这颗 星在四方都有尖尖的光辉而且 还带着微红白的颜色
同步辐射的特点
• 同步辐射是”超级显微镜”
同步辐射的特点
• 高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上，有很高 的辐射功率和功率密度。用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15 天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几秒。
• 宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的 频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长, 进行单色光的实验。
同步辐射应用: 生命科学
• 探索生物大分子(蛋白质)的结构
• 了解生命过程,从结构研究进入到 功能研究的领域。
蛋白质动力学的不少领域的时间 尺度是落在第三代同步辐射光源的 时间分辨领域中的，如：分子间振 动（fs-us）、有序-无序转变（nsms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋 白质相互作用（ps-ms）、质子/电 子迁移反应（ps-ms）、金属-配 合基（ligand）结合（ps-ms）
同步辐射装置
日本Spring – 8 :第三代
法国ESRF:第三代
合肥NSLS: 第二代
美国NSLS:第二代
同步辐射实验站
同步辐射应用
• 同步辐射与物质的相互作用： 吸收，散射，二次粒子发射
• 空间分辨实验 - X光显微术： 物质的形态研究，结构研究，成分研究
• 时间分辨实验： 分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋 白相互作用，质子/电子迁移效应
• 纯净性：同步辐射光是在超高真空(储存环中的真空度为10-7～10-9帕)或 高真空（10-4～10-6帕）的条件中产生的，不存在任何由杂质带来的污染， 是非常纯净的光。
同步辐射的发射度Baidu Nhomakorabea
• 在储存环中运动的电子，并不是都沿同一的轨 道运动的，事实上，它们的运动轨道大都偏离理 想的轨道，这就使得电子束团有一定的横截面和 发散角。在加速器物理学中，在每一方向上这二 者的乘积称为在这个方向的“发射度”，它的单 位是［纳米·弧度］（［nm·rad］）。在相同的 电子能量和电子电流的条件下，储存环的发射度 越小，放射出的同步辐射的亮度也就越高。在同 步辐射的应用中，许多尖端的实验要求高的亮度。
• 采用永磁体磁铁可将插入件磁铁 周期缩短到几厘米，大大增加了 插入件中磁铁的周期数。在低磁 场大周期数的情况下，电子穿过 插入件时，其轨道只作轻微起伏， 因而被称为“波荡器” （undulator）。
插入件
• 电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大，一般地， 波荡器是不能使同步光谱向高能方向移动的，但由于 电子的偏转角小，从波荡器中不同的磁极上发射出来 的光子在很大的程度上相干地叠加，干涉效应使得同 步光谱中出现一系列尖峰。也就是说，波荡器给出一 系列近乎单色的同步光，而且在这些波长上的同步光 的亮度要增强N2倍以上。在波荡器中产生的同步光的 发射角是很小的，近似地只有弯转磁铁上产生的同步 光的发射角的1/N。
同步辐射的亮度
同步辐射装置的基本构造
合肥同步辐射装置：800MeV
同步辐射装置的基本构造
• 电子枪 – 电子的源泉 • 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
美国 APS 7GeV
组成同步辐射装置的设备
插入件
• 插入在储存环两个弯转磁铁组件 之间的直线段。电子经过插入件 时，在磁场的作用下，电子将沿 一条近似为正弦曲线的轨道运动， 这样，就可以从插入件引出同步 光。
称为同步光.
• 同步辐射：是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中 沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射
同步辐射的由来
• 1947年, GE在70MeV同步加速器 (synchrotron )上首次观察到理论物 理学家预言的一种辐射, 起名为 synchrotron radiation 即“同步加速 器辐射” 。
在欧洲同步辐射中心 （ESRF），有45％ 的实验申请来自生命 科学家。
同步辐射应用: 生命科学
• 例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤
同步辐射的发展
• 第一代同步辐射光源. 在核物理/粒子物理研究的空挡，利 用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方 式。北京高能所同步辐射装置(BSRF) 。
• 第二代同步辐射光源. 第一代同步辐射光源已不能满足研 究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步 辐射装置。
• 第三代同步辐射光源. 科学家发现在储存环中加入插入件 可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射 主要来自插入件。台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源 (SSRL)。 高亮度,高时间分辨力和空间分辨力.