同步辐射技术及其应用.ppt

1、同步辐射技术及其应用 姜传海上海交通大学材料科学与工程学院,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。,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。,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。,目前，世界上已经建成、正在在建射和计划建设的中同步辐射装置有近百台。,人类历史上的四个革命性光源 (1)电光源：使人类战胜了黑暗消灭了白天与黑夜的差别。(2) X光源：使人类看到了物体内部及微观领域。(3)激光源：波长单一、准直、相干、高亮度，在各领域中作用巨

2、大。(4)同步光源：高强度的综合光源。,对同步辐射的评价美国建于芝加哥的电子能量7GeV的Advance Photo Source (APS)在 1998年建成运转，被美国“Science”杂志评为当年世界十大发明之第三，排在多利羊及登陆火星之后。,2、同步辐射源的构造,同步辐射装置虽然是一庞大而复杂的设备，但其主要由三部分组成，即注入器、电子储存环及其它附属设备。,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。,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。,电子储存环电子储存环其作用是让具有一定能量的

3、电子在其中作稳定回转运动并发出同步辐射。,储存环占重要的地位，是主角，也是各项设备中投资份额最高的设备。,电子在储存环中是以束团的形式存在和运行。一个环中可以有数十以至数百电子束团同时存在和运行，也可以只存在一个束团。,储存环中包含许多磁聚焦，磁聚焦结构与磁聚焦结构之间孔隙称为直线段，可以用来引入束流，安装高频加速谐振腔，各种插入件。,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。,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

4、优劣的标志。,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。电源设备同步辐射装置不仅耗电量大，而且要求电源不受其它负载的干扰。,3、同步辐射的重要特性空间发散角常规X射线管为半球面发射同步辐射为圆锥形发射,时间结构同步辐射具有一定时间结构。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。,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,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

5、了一连续谱。,典型同步辐射的光谱曲线,高强度、宽频谱的好处 可严格单色化，提高分辨率 可微束，同步nm，常规100m 可用于微区衍射，可用微小样品 可透过器壁作在位研究 可快速实验,偏振性在圆形的平面轨道上运行的电子发射的辐射电矢量总是在该轨道平面上指向圆心，所观察到的辐射是具有偏振性的。,同步辐射是准平行光 可提高分辨率 ，提高亮度可作掠入射，表面衍射,高角度分辨 单晶：以可测衍射的最小d值 常规：2； 同步：1 多晶：以标准Si(111)的半峰宽衡量 常规：10-110-2度； 同步：10-210-3度,高空间分辨 有效光束尺寸 常规：100m 同步：若干nm,高时间分辨 常规：亚秒 同步

6、：10-12秒,高灵敏度 可检出 低含量、弱衍射、高角衍射,4、同步辐射装置中的光路 和光学器件前端区从储存环的光束出口到屏蔽墙的一段光路称为前端区。 光束线光线从储存环屏蔽墙中射出并进入各实验站的光路称为光束线。,同步辐射装置中的光学器件为了把同步辐射改造成所需的光束，必须在光束线中加入各种类型的光学元件。包括用透光元件(窗)、反光元件(镜)、聚光元件、分光元件以及偏光元件等。,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

7、，还有滤波的作用。把反射镜作成曲面则具有聚焦的作用。,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。,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。,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。 这样一个庞大的系统只用一台计算机控制也是不够的，必须用多台计算机组成一个控制系统才能完成系统的既定功能，使系统各部

8、分协调地工作。,6、同步辐射应用概况,人类社会、经济可持续发展对同步辐射的需求,生命/健康,材料/信息,资源/环境,探索未知世界的奥秘,神经生物学,生命科学应用,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。1998年诺贝尔化学奖：ATP蛋白酶结构与功能2003年诺贝尔化学奖：离子通道蛋白结构与机理,利用同步辐射获得的二项诺贝尔奖均在此领域,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

9、；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。,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,利用多种组合方法进行研究是新一代光源上一个明显的趋势,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

10、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。,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

11、刻工艺与检测技术 MEMS/NEMS：微纳加工 ,上海光源(SSRF)建设目标和科学目标,建造一台高性能价格比的中能第三代同步辐射光源，包括一台100MeV的电子直线加速器、一台3.5GeV增强器、一台3.5GeV的电子储存环。电子储存环的最高流强为300mA，最低发射度为约为3nmrad，配以先进的插入件后，可在用户需求最集中的光子能区（0.140keV）产生高通量、高耀度的同步辐射光，最高光谱亮度可超过1020 phs/(smm2 mrad20.1%BW)；成为生命科学、材料科学、物理学、地球与环境科学、医药学、化学化工、信息技术、微细加工、工业检测等多学科研究与新技术开发的综合平台与强有

12、力的手段。,SSRF 总体布局,100MeV 直线加速器3.5GeV 增强器3.5GeV 储存环光束线实验站,SSRF首批拟建光束线站,硬X射线光束线站：生物大分子晶体学高分辨衍射与散射XAFS硬X射线微聚焦及应用X射线成像及医学应用软X射线光束线站：软X射线扫描显微X射线光刻与微纳加工,SSRF光束线站建设设想,SSRF具有安装26条插入件光束线、36条弯铁光束线和若干条红外光束线等六十多条光束线的潜力，它可以同时为近百个实验站供光；希望通过多渠道方式（国家科学规划与专项投资、用户出资、联合投资等）在15年建成40条光束线站。,硬X射线光束线站,SSRF光束线站建设设想(中长期规划 15年),SSRF 工程建设时间表,谢 谢 ！,