同步辐射

同步辐射技术

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，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射”。所以研究同步辐射技术需要先了解加速器的相关知识。

加速器

加速器是用人工方法借助于不同形态的电磁场，将各种带电粒子加速到较高能量的电磁装置。一般，只有带电粒子的能量（动能）比较高时，如大于1MeV 时，才称之为加速器。而其它如X光管、显像管等虽然它们也是利用电场加速电子的电磁装置，但是，它们不是真正意义上的加速器。加速器的本质是提高带电粒子的能量，它分为两个过程：当带电粒子的速度远小于光速时，带电粒子的速度快速增加；但当速度接近于光速时，此时由于相对论效应粒子质量快速增加，而速度增加缓慢。

最早的加速器是利用高电压在直线轨道加速粒子，但是这种方法存在高压瓶颈问题，而且加速轨道特别长，加速能量不高。于是发展出了其他不同类型的加速器：回旋加速器、准共振加速器、电子感应加速器、强聚焦加速器、射频直线加速器和同步加速器等。其中同步加速器由于较高的加速能量和其他良好性能，被广泛采用。在同步加速器中，带电粒子从直线加速器出来并围绕着一个固定的圆形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达到预期的能量，在这个过程中同步加速器既调频，又调磁。接近光速运动着的电子或正电子改变运动方向时，沿其切线方向放出的电磁波(光波形式)，这就是同步辐射。

同步辐射的发现及特点

1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，在调试一台能

量为70 MeV的电子同步加速器上，偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，并且光的颜色随着电子能量的变化而变化，这种弧光就是同步辐射。长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。但是，人们很快便了解到同步辐射是具有一些其他光源不具有的特性，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。

同步辐射与其他光源相比有以下几个特点：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。

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的加速器是因高能物理实验的需要而制造的，同步辐射光源则是一个副产品。我国北京的同步辐射装置是正负电子对撞机的一部分，属第一代。目前世界上在使用的约17台。第二代是专用型同步辐射光源，1991年在中国科技大学建成的合肥同步辐射光源、日本的光子工厂等就属于第二代光源。目前世界上运行的第二代同步辐射光源有23台之多。第三代是同步辐射光

源的亮度更高、性能更好的光源。从1994年至今世界上已建成多台，它们分布在美、法、意、日、韩及我国台湾的新竹。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。

同步辐射技术的应用

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：①近代生物学，例如测定蛋白质的结构和蛋白质的分子结构,通过X射线小角散射可研究蛋白质生理活动过程和神经作用过程等的动态变化，通过X射线荧光分析可测定生物样品中原子的种类和含量，灵敏度可达10-9克/克。②固体物理学,可用于研究固体的电子状态、固体的结构、激发态寿命及晶体的生长和固体的损坏等动态过程。③表面物理学和表面化学，可用于研究固体的表面性质，如半导体和金属表面的光特性；物质的氧化、催化、腐蚀等过程的表面电子结构和变化。④结构化学，可用于测定原子的配位结构、大分子之间的化学键参数等，如对催化剂、金属酶的结构测定。⑤医学，可用于肿瘤的诊断和治疗，如测定血液内一些元素的含量、血管造影、诊断人体内各种肿瘤和进行微型手术以除去人体特殊部位的一些异常分子等。⑥光刻技术，由于衍射效应，普遍采用的紫外线光刻的最小线宽约2微米，而同步辐射光近似平行光束,用于光刻时其线宽可降至20埃，使分辨率提高几个数量级；这对计算机、自动控制和光通信技术等意义重大。

X射线吸收精细结构（XAFS）是同步辐射的一个重要应用。X射线吸收系数随能量的变化是分段平滑单调的函数，这是通常意义上的x射线吸收系数随能量变化的情况。事实上，x射线吸收系数在单调平滑的线段上还叠加着一种振荡结构。X射线吸收系数的这种振荡结构被称作X射线吸收精细结构(X-ray absorption fine structure，简称XAFS)。相应地，X射线吸收精细结构随能量的变化关系被称作X射线吸收精细结构谱。

X射线吸收精细结构对吸收原子的有效电荷敏感。一般来说，对离子化合物增加氧化态会引起吸收边向高能区移动。价电子情况等因素将影XANES包含的吸收边形貌，决定预峰、肩峰甚至分离峰的存在与否和峰的高度、宽度，运用这个原理通过X射线吸收精细结构可以测定物质原子有效电荷数量、离子化合价，同时也可以测定物质的配位原子的种类、对称性和成键类型等信息。

同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）具有一些其他测量方法不具有的优点，如XAFS是近邻原子的作用，与研究对象的原子是否具有周期性排列无关，既可以研究晶态物质，也可以研究非晶、气态和液态物质的近邻结构；由于X 射线吸收边具有原子特征，所以可调节X射线能量分别研究同一样品中不同原子的配位结构，得到所测原子的键长、配位数、配位原子种类和价态等信息，XAFS是一种具有元素分辨的结构分析技术；采用荧光XAFS方法可测定样品中低含量原子（如杂质原子）的近邻结构，目前国际上可对5uM含量的元素进行测试。

总结

同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。目前同步辐射技术已经应用于科学研究许多方面。