同步輻射技術及其應用

1、同步輻射技術及其應用 姜傳海上海交通大學材料科學與工程學院,,1、什么是同步輻射 同步輻射是速度接近光束的帶電粒子，在作曲線運動時，其軌道切線方向上發(fā)出的一種電磁輻射。,由于是1947年在美國通用電氣公司的一臺70MeV的同步加速器中首次被觀察到，故命名為同步輻射。,同步輻射裝置小的有一個禮堂大，大

2、的其周長可達兩公里。這種裝置的投資很大。,目前，世界上已經(jīng)建成、正在在建射和計劃建設的中同步輻射裝置有近百臺。,人類歷史上的四個革命性光源 (1)電光源：使人類戰(zhàn)勝了黑暗消滅了白天與黑夜的差別。(2) X光源：使人類看到了物體內(nèi)部及微觀領域。(3)激光源：波長單一、準直、相干、高亮度，在各領域中作用巨大。(4)同步光源：高強度的綜合光源。,對同步輻射的評價美國建于芝加哥的電子能量7GeV的Advance

3、 Photo Source (APS)在 1998年建成運轉，被美國“Science”雜志評為當年世界十大發(fā)明之第三，排在多利羊及登陸火星之后。,2、同步輻射源的構造,同步輻射裝置雖然是一龐大而復雜的設備，但其主要由三部分組成，即注入器、電子儲存環(huán)及其它附屬設備。,注入器注入器是由發(fā)射電子及給電子加速的加速器組成，其功能是將電子加速到同步輻射源要求的額定能量。然后將電子注入到電子儲存環(huán)中。,,加速器由直線加速器和增強加速器（同步加

4、速器）兩部分構成。,電子儲存環(huán)電子儲存環(huán)其作用是讓具有一定能量的電子在其中作穩(wěn)定回轉運動并發(fā)出同步輻射。,,儲存環(huán)占重要的地位，是主角，也是各項設備中投資份額最高的設備。,,電子在儲存環(huán)中是以束團的形式存在和運行。一個環(huán)中可以有數(shù)十以至數(shù)百電子束團同時存在和運行，也可以只存在一個束團。,,儲存環(huán)中包含許多磁聚焦，磁聚焦結構與磁聚焦結構之間孔隙稱為直線段，可以用來引入束流，安裝高頻加速諧振腔，各種插入件。,插入件是由一組沿電子的軌跡周期

5、排列的磁鐵組成的，電子進入插入件中后，由于受到磁場的作用而偏離原軌道，故從它發(fā)射的同步輻射的性能將發(fā)生變化。,電子在離開插入件時又回到原軌道?？傊迦爰怯脕慝@得高質(zhì)量同步輻射的裝置，其數(shù)量的多少與功能的強弱已成為評判同步輻射裝置優(yōu)劣的標志。,真空系統(tǒng)直線加速器、增強器、儲存環(huán)和連接管道等，都為真空設備。電源設備同步輻射裝置不僅耗電量大，而且要求電源不受其它負載的干擾。,3、同步輻射的重要特性空間發(fā)散角常規(guī)X射線管為半球面

6、發(fā)射同步輻射為圓錐形發(fā)射,時間結構同步輻射具有一定時間結構。由于電子速度接近光速，兩個輻射脈沖間隔實際是非常近的。,時間結構 常規(guī)X光為連續(xù)發(fā)射 同步輻射為脈沖發(fā)射 脈沖寬度ns(10-9s)- ps(10-12s) 脈沖間隔ns-ms 可作單脈沖快速時間分辨實驗,輻射光譜單電子同步輻射并非單一波長，是由回轉頻率為基頻的高次諧波組成。由于電子束團中包含許多電子，這些

7、電子速度即能量是有差異的，實際上構成了一連續(xù)譜。,典型同步輻射的光譜曲線,高強度、寬頻譜的好處 可嚴格單色化，提高分辨率 可微束，同步nm，常規(guī)100?m 可用于微區(qū)衍射，可用微小樣品 可透過器壁作在位研究 可快速實驗,偏振性在圓形的平面軌道上運行的電子發(fā)射的輻射電矢量總是在該軌道平面上指向圓心，所觀察到的輻射是具有偏振性的。,同步輻射是準平行光 可提高分辨率 ，提高亮

8、度可作掠入射，表面衍射,高角度分辨 單晶：以可測衍射的最小d值 常規(guī)：2Å； 同步：1Å 多晶：以標準Si(111)的半峰寬衡量 常規(guī)：10-1~10-2度； 同步：10-2~10-3度,高空間分辨 有效光束尺寸 常規(guī)：100μm 同步：若干nm,高時間分辨 常規(guī)：亞秒 同步：10-12秒,高靈敏度

9、 可檢出 低含量、弱衍射、高角衍射,4、同步輻射裝置中的光路 和光學器件前端區(qū)從儲存環(huán)的光束出口到屏蔽墻的一段光路稱為前端區(qū)。 光束線光線從儲存環(huán)屏蔽墻中射出并進入各實驗站的光路稱為光束線。,同步輻射裝置中的光學器件為了把同步輻射改造成所需的光束，必須在光束線中加入各種類型的光學元件。包括用透光元件(窗)、反光元件(鏡)、聚光元件、分光元件以及偏光元件等。,透光元件(窗)鈹是常規(guī)的透光窗口材料，缺點是有劇

10、毒。近年來，采用人工合成金剛石薄膜，作為透光材料，取得較為理想的效果。反光元件(鏡)選擇合適材料及合適掠入射角，可得到較大的反射率。多層薄膜反射鏡，除了改變光束的方向外，還有濾波的作用。把反射鏡作成曲面則具有聚焦的作用。,聚光元件目前常用的聚光元件有菲涅爾波帶片和毛細管族X射線透鏡等。,分光元件把同步輻射中所包含的各種波長連續(xù)分布的電磁波按波長分開，從而成為單色性較好的光。偏光元件可以對任何一束光線進行偏振態(tài)的分析，也可

11、以把任何一種入射光改造成所需的偏振光。,5、同步輻射裝置的計算機控制 同步輻射是一個大科學研究系統(tǒng)，包括許多功能不同的子系統(tǒng)，設備中的成千上萬個設備和部件的啟動及關閉、這些設備和部件有關參數(shù)的測量和調(diào)整都是無法用人工同時完成的。 這樣一個龐大的系統(tǒng)只用一臺計算機控制也是不夠的，必須用多臺計算機組成一個控制系統(tǒng)才能完成系統(tǒng)的既定功能，使系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)地工作。,6、同步輻射應用概況,人類社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展對同步輻射的需求,

12、生命/健康,材料/信息,資源/環(huán)境,探索未知世界的奧秘,,,,,,神經(jīng)生物學,生命科學應用,生物大分子結構研究是同步輻射應用用戶發(fā)展最快、重大成果最多的領域；蛋白質(zhì)科學是當代生命科學研究的前沿，是生物技術與生物產(chǎn)業(yè)的源泉。1998年諾貝爾化學獎：ATP蛋白酶結構與功能2003年諾貝爾化學獎：離子通道蛋白結構與機理,利用同步輻射獲得的二項諾貝爾獎均在此領域,材料科學與凝聚態(tài)物理,先進材料（合金、陶瓷、納米材料、復合材料、激光和其他

13、光學介質(zhì)、液晶和其它軟物質(zhì)、聚合物、磁性合金和化合物、半導體、超導體等）影響到現(xiàn)代世界的每一個方面；新技術的突破總是可以追溯到對凝聚態(tài)物質(zhì)基本性質(zhì)的基礎研究和利用這些性質(zhì)（結構、物理、化學、電學、磁性、光學等）的應用研究。,凝聚態(tài)物理與材料科學是同步輻射應用最為廣泛的領域，幾乎所有的同步輻射技術方法都得到了廣泛應用：,X射線衍射：單晶衍射、粉末衍射、表面衍射X射線散射：漫散射、磁散射、非彈性散射、小角散射、

14、 反射率、駐波法 SR吸收譜： XAFS、熒光譜學、 MCD、光電子能譜成像技術： X射線顯微、軟x射線顯微、光電子顯微 X射線全息（熒光全息、吸收全息）、 X射線相干衍射???,利用多種組合方法進行研究是新一代光源上一個明顯的趨勢,分子環(huán)境科學 在分子尺度上研究環(huán)境中污染物的形態(tài)、污染物的遷移和轉化的復雜化學過程的新興前沿學科。 目前分子環(huán)境科學科主要研究污染

15、金屬元素和放射性核素等人類活動造成的污染及其治理方法。,地球科學應用,地球科學的根本目的是了解地球演變的過程，預測未來的發(fā)展，了解金屬、礦石、化石燃料在地殼中的聚集情況，這些都是與人類的生存環(huán)境和資源密切相關的。 利用高亮度同步輻射裝置能分析周期表上所有穩(wěn)定的或長壽命的礦物元素，可研究處于極端高溫、高壓條件下物質(zhì)結構、狀態(tài)變化，弄清地殼深處和地幔中礦物的相變和狀態(tài)方程，了解礦物的物理特性與原子尺度結構的關系等。,同步輻射的產(chǎn)業(yè)應用,同

16、步輻射具有重要應用前景的產(chǎn)業(yè)領域： 生物技術與制藥 化工: 催化劑研究 半導體工業(yè): 超微光刻工藝與檢測技術 MEMS/NEMS：微納加工 …,上海光源(SSRF)建設目標和科學目標,建造一臺高性能價格比的中能第三代同步輻射光源，包括一臺100MeV的電子直線加速器、一臺3.5GeV增強器、一臺3.5GeV的電子儲存環(huán)。電子儲存環(huán)的最高流強為300mA，最低發(fā)射度為約為3nm?rad，配以先進的插入件后，可在

17、用戶需求最集中的光子能區(qū)（0.1~40keV）產(chǎn)生高通量、高耀度的同步輻射光，最高光譜亮度可超過1020 phs/(s·mm2 ·mrad2·0.1%·BW)；成為生命科學、材料科學、物理學、地球與環(huán)境科學、醫(yī)藥學、化學化工、信息技術、微細加工、工業(yè)檢測等多學科研究與新技術開發(fā)的綜合平臺與強有力的手段。,SSRF 總體布局,100MeV 直線加速器3.5GeV 增強器3.5GeV 儲存環(huán)

18、光束線實驗站,SSRF首批擬建光束線站,硬X射線光束線站：生物大分子晶體學高分辨衍射與散射XAFS硬X射線微聚焦及應用X射線成像及醫(yī)學應用軟X射線光束線站：軟X射線掃描顯微X射線光刻與微納加工,SSRF光束線站建設設想,SSRF具有安裝26條插入件光束線、36條彎鐵光束線和若干條紅外光束線等六十多條光束線的潛力，它可以同時為近百個實驗站供光；希望通過多渠道方式（國家科學規(guī)劃與專項投資、用戶出資、聯(lián)合投資等）在15