同步辐射光源简介
上海光源BL16B1
上海光源BL16B1：探索同步辐射光的奥秘一、光源简介上海光源BL16B1是我国同步辐射领域的重要科研设施之一，位于上海张江高科技园区。
作为第三代同步辐射光源，BL16B1以其高亮度、高稳定性、宽频谱范围等特点，为我国科学研究提供了强有力的技术支持。
二、同步辐射基本原理同步辐射是高速运动的电子在改变运动方向时发出的电磁辐射。
在同步辐射光源中，电子储存环是关键设施，它使电子在磁场中做圆周运动，并在特定的弯道处发出同步辐射光。
BL16B1正是利用这一原理，为科研人员提供了丰富的研究手段。
三、BL16B1线站特色1. 光束线特点：BL16B1光束线覆盖了从远红外到软X射线的波长范围，可满足不同领域的研究需求。
2. 实验站配置：BL16B1实验站配备了多种先进设备，如单晶衍射仪、粉末衍射仪、光谱仪等，为科研人员提供了丰富的实验手段。
3. 研究领域：BL16B1在材料科学、生命科学、环境科学、物理学等领域具有广泛的应用，为我国科技创新提供了有力支撑。
四、申请使用流程1. 注册账号：访问上海光源官方网站，注册账号并填写相关信息。
2. 提交申请：登录账号后，根据研究需求，在线填写实验申请表，并提交。
3. 审核通过：实验申请提交后，将由专家进行审核。
审核通过后，您将收到通知，并安排实验时间。
4. 实验准备：在实验前，请确保熟悉实验设备的使用方法，并与实验站工作人员沟通，确保实验顺利进行。
5. 实验开展：在规定时间内，携带样品前往BL16B1实验站，开展实验研究。
五、科研服务与支持1. 技术支持：BL16B1实验站配备了专业的技术团队，为用户提供全方位的技术支持和服务。
2. 培训与交流：定期举办用户培训、学术交流等活动，帮助用户提高实验技能，拓宽研究领域。
3. 数据服务：实验过程中产生的数据，将由专业人员进行处理和分析，为用户提供高质量的数据成果。
六、实验安全与规范1. 安全培训：在使用BL16B1之前，所有用户必须参加安全培训，了解实验过程中可能遇到的风险和应对措施，确保实验安全。
科普：什么是同步辐射？——合肥的第四代同步辐射光源，何以称为国际最先进？
科普：什么是同步辐射？——合肥的第四代同步辐射光源，何以称为国际最先进？什么是同步辐射？首先，同步辐射是一种光。
其次，同步辐射和同步这个词的关系不大，只是它最初是在通用电器的一个同步加速器上被发现的，故而被定名同步辐射。
正如X射线又被称为伦琴射线一样。
再次，产生它其实“只”需要三个条件：1，带电粒子（常用如电子，氦原子核）；2，带电粒子非常接近光速运动（一般专业点称之为相对论性的速度，即达到此种速度，其性质就可以套用相对论公式，而经典物理的公式已经无法描述其各种性质了）；3，带电粒子非常接近光速的情况下时走曲线。
此时，这个曲线上的切线方向上就会放出这种同步辐射。
比如下雨天很多人打伞都喜欢转伞，伞沿甩出的水珠就是走的所谓切线方向。
（请在四下无人时尝试，小朋友不要乱学哦）所以，同步辐射就是一种光。
我们用的也就是这种光，这种光是一种全频谱即包含红外线，可见光，紫外线和X射线全光谱的光，这种光最突出的优点方便大家理解的可以概括为全且亮。
（实际上还有很多优点，如高偏振，窄脉冲，高准直等）可见光只是所有的光中极小一部分产生同步辐射光的我们称之为同步辐射装置，又称同步辐射光源。
既然称光源可能有一个比较，就是常规光源，大家在医院拍摄X光，拍CT用的就是常规光源。
它们优点是结构简单，缺点是基本是单光谱，而且亮度不够。
当探测到微观世界时，光就成了我们的尺子，而刻度就是光的波长。
这时同步辐射的优势就出现了，不仅全光谱而且可以简单分离出其中任意波长的光。
对于什么尺寸的东西我们用什么尺寸的光来研究，因为这时衍射散射的条件才具备。
同时高亮度就意味着我们能更快看清微观世界的信息。
前面提到亮度不够主要是针对我们探测微观世界时的需求。
正如大家夜间在家找东西，最简单的照明方法就是打开家中最亮的灯，让眼前一目了然，从科学意义上讲，就是更多的光子被你的眼睛接受，让你大脑更快对周边所有情况有所了解。
而同步辐射就是我们探测微观世界时那盏最明亮的灯，到微观世界后，分到一个相对你桌上任何一个你可见或你需寻找的东西，我们通常研究的都是它的千分之一到百万分之一尺寸上的东西，要确保足够的光子打到上面并散射衍射再被探测器探测到，没有足够的亮度（光子数），我们就需要足够的时间。
同步辐射光源与技术介绍-BIG
1 同步辐射概括同步辐射(synchrotron radiation)是速度接近光速的带电粒子在磁场中做变速运动时放出的电磁辐射，一些理论物理学家早些时候曾经预言过这种辐射的存在。
这些预言，大多是针对其负面效应而作出的。
以加速电子为例，建造加速器令电子在其中运行，通过磁场增加电子的速度，从而得到高能量，视为正面效应；然而在加速器中转圈运行的电子一定要放出辐射，从而丢失能量，视为负面效应。
通过得失的平衡，给出了加速器提速的限制。
1947年，位于美国纽约州Schenectady的通用电气公司实验室(GE lab)在调试新建成的一台70MeV电子同步加速器时首次观测到了同步辐射的存在。
同步辐射是加速器物理学家发现的，但最初它并不受欢迎，因为建造加速器的目的在于使粒子得到更高的能量，而它却把粒子获得的能量以更高的速率辐射掉，它只作为一种不可避免的现实被加速器物理学家和高能物理学家接受。
但同步辐射的能量高、亮度大、发射度低、脉冲时间短、能量连续可调等的相对于台式光源所不具有的部分优异特性却吸引了固体物理学家的注意，将其引用于X射线谱学研究领域。
而20年后随着第一代同步辐射光源的纷纷建立，同步辐射摆脱了作为加速器负效应的形象，基本确立了同步辐射及其相关谱学技术在固体物理研究领域的学术地位，并且在最近50年的发展中将同步辐射的应用领域大大扩展，成为现代科学研究前沿的不可或缺的工具，同时也是衡量一个国家是否具有学科研究领军能力的少数几个大型科学装置之一。
目前在中国现在共有4个同步辐射光源装置：1991年开始运行的北京光源(BSRF)属第一代同步辐射光源；1992年开始运行的合肥光源(NSRL)属第二代同步辐射光源；1994年建成的台湾光源(SSRC)以及2007年开始运行的上海光源(SSRF)属第三代同步辐射光源。
同时预计“十三五”期间内建设在北京光源所在地的高能光子源（HEPS）将成为亮度、发射度超越世界目前同步辐射光源先进水平的第三代光源，而在上海光源所在地规划建设的X射线自由电子激光（XFEL）将拥有更高的亮度和完全的相干性成为新一代光源。
同步辐射光源及其应用
同步辐射光源 及其应用 简介高 琛2008.12.20什么是同步辐射光束线磁场 电子轨道 电子束团HLS实验站相对论电子在磁场 中转向时，沿切线 方向辐射的电磁波v aPe =e 2 c (β γ ) 4 6π ε oρ2超新星爆发及其残骸，如金牛座蟹状星云。
《宋会要》记载： (公元1054年7月，) 客星 “昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十 三日。
”22个月后，“客星没，客去之兆也。
” 黑洞吸附带电粒子经典(等时)回旋加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器弱聚焦同步加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道强聚焦电子同步加速器插入元件：产生特征 不同的同步辐射弯转磁铁：使束流轨道 弯转，产生同步辐射高频腔：补充同步 辐射损失的能量， 或者加速电子四极磁铁：类似于透镜， 约束粒子轨迹横向尺寸真空室：保持10-9torr水平 的真空度，维持束流寿命注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道1947年，Pollack领导的科研组 在美国通用电气公司70 MeV电 子同步加速器中首次观察到“人 造”的这种辐射。
强聚焦电子同步加速器N S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件HLSN S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件Wiggler(扭摆磁铁)：强度叠加。
高功率，(一般)短波长。
HLSBEPC：第一代HLS：第二代SSRF：第三代Swiss Light Source (SLS)DIAMONDSSRCAPSESRF同步辐射光源的分代第一代：高能加速器寄生 亮度：～1012ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第二代：专用 亮度：～1015ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第三代：大量使用插入件 亮度：～1018ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第四代：FEL、衍射极限环、ERL、…… 亮度：～1021ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW自由电子激光原理色散段 调制段种子激光辐射段自由电子 激光输出λ电子束团密度调制(群居) 相干辐射能量调制衍射极限储存环b∆θ∆θb⋅∆θ>>λ：非相干迭加，I∝N b⋅∆θ~λ：相干迭加，I∝N2HALSERL单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW表面吸附 分子内 氢转移 磁记录时间 （磁畴翻转） 电荷转移化学键的 断裂和重组1015101810211024光源亮度（ph/s·mm2·mrad2·0.1%BW）同步辐射的优点★单色亮度高 ★光谱连续、宽 ★准直性好 ★偏振 ★脉冲时间结构 ★稳定，可精确计算偏振和时间结构椭圆偏振光 线偏振光实验室发展史一期：1984~1991(计委1983.4立项) 总投资6,240万：机器建设，5条光束 线和实验站。
同步辐射光源及其应用_沈元华
同步辐射光源及其应用沈元华(复旦大学物理教学实验中心上海200433) 摘 要:介绍了同步辐射光源的产生、特点及其应用.关键词:同步辐射;光源;加速器Synchrotron radiation source and its applicationsSHEN Yuan-hua(Central Labo rato ry fo r Phy sics Educatio n,Fudan University,Shang hai,200433) Abstract:The forma tio n,characteristics and applicatio ns of synchro tro n radiatio n so urce are introduced.Key words:synchrotron radiatio n;ligh t source;accelerato r 在著名科学家谢希德、杨福家等院士的倡议下,一座投资十亿的宏伟建筑即将耸立在上海浦东高科技园区,它就是世界瞩目的第三代同步辐射光源——上海光源.什么是同步辐射光源?它与普通光源有什么区别?它有什么重大的科学意义和应用价值?本文将做一简要介绍.1 同步辐射光源的产生同步辐射光源是由同步加速器的发展而产生的.著名原子物理学家尼·玻尔说过,高速粒子与物质相互作用时发生的各种效应,是获取原子结构信息最主要的来源之一.事实上,科学家们往往要用高速运动的粒子去轰击原子核,观察撞击时发生的种种变化,才能了解原子的结构和原子内部的各种秘密.各种加速器正是为获得这种高速运动的粒子而建造的.早期的加速器是直线型的,要获得的粒子速度越快,其长度也要越长.为了缩短加速器的长度,可用磁场使带电粒子发生偏转而作回旋运动,这就是回旋加速器.这种加速器利用强大的磁场,使带电粒子作回旋运动而不断加速.由于在一定的磁场作用下,粒子的回旋轨道半径随其速度的增加而增加,故磁场空间必须很大.因此,这种高能回旋加速器的磁铁是极其笨重的.为了减轻磁铁的重力,并进一步提高粒子的速度,人们设计出采用环形电磁铁并不断改变磁场强度,使粒子的轨道半径保持恒定的加速器.这种固定轨道、用调变磁场的方法实现电场对粒子的同步加速的加速器,就称为同步加速器.带电粒子在同步加速器中按同一轨道作圆周运动,可以大大提高粒子的能量和速度.然而,当粒子的能量越来越大时,人们发现要进一步加速却越来越困难了.其根本原因之一就是带电粒子改变运动方向(转弯)时,必然伴随着电磁波的辐射,即光波的发射;粒子的能量越大,辐射就越强.虽然早在1898年理论物理学家Lienard就预言带电粒子作圆周运动时会产生辐射而发光,但是直到本世纪四十年代末,才由Pollack等人在美国通用电气公司的一台同步加速器上观测到这种辐射,被命名为“同步辐射”,而专门用来产生同步辐射的加速器就称为“同步辐射光源”.2 同步辐射光源的特点同步辐射光源是有史以来人类制造的最优秀的光源.由同步加速器中发出的同步辐射光有以下特点:1)亮度极高,可与激光相媲美.2)波长范围极宽,包含从红外光、可见光直到X 光等各种波长的光,并且可以根据需要来选择波长.这种极宽的波长范围,是任何其它光源所没有的,更是它比激光更优越的主要特点.3)强度和各种性能参量都能保持高度的稳定,并且可以人为控制和精确计算出来,这是普通光源和激光都难以具备的.4)它是一种在超高真空环境里纯粹由电子改变运动方向而产生的超纯光,而不像其他任何光源是由物质的原子所发的光,因而用它作任何高纯度的实验都不必担心由光源带来的污染.此外,同步辐射光在光脉冲的持续时间、偏振态等方面还有许多独特的优点.自六十年代以来,同步辐射作为一种光源经历了三代的发展.第一代主要在七十年代,人们利用已建成的能量较低的同步加速器,在进行高能物理研究的同时,进行同步辐射光性能的研究与初步应用.如北京的正负电子对撞机就属于第一代的同步辐射光源.在八十年代,人们开始建立专门用于同步辐射光源的装置,称为第二代同步辐射光源,其特点是在电子加速的路径上再设置一些插入件,如扭摆器、波荡器等,用适当的磁场使电子在运动过程中发生扭摆和波荡,从而发出更多的同步辐射,并使这些辐射因相互叠加而进一步加强,它的亮度比第一代同步辐射光源提高了几百至几千倍.中国科技大学的国家同步辐射实验室用的就是属于第二代的同步辐射光源.到了九十年代,人们继续努力提高同步辐射光源的性能,优化设计,增加更多的插入件,使同步辐射光的亮度比第二代又提高了几百至几千倍,这就是第三代同步辐射光源.即将建造的上海光源就是最新图1 上海光源初步设计方案示意图一代的光源,其结构的初步设计方案如图1所示.主要由三部分组成:直线加速器A 把电子初步加速到约20MeV 后,注入到同步加速器(也叫“增能器”)B 中,电子在其中被加速到约2GeV 而进入电子储存环C 内.在电子储存环中,有多种弯转磁铁和波荡器、扭摆器等,电子束在其中发出的各种同步辐射被各条光束线引出而供应用.目前世界上已有5台第三代同步辐射光源在运行,正在建造的还不少.上海光源的建成,将使我国在同步辐射领域的研究工作跨入世界先进行列.3 同步辐射光源的应用光历来被人们用作认识世界和改造世界的强大武器,而有了这么好的光源当然会有许多重大应用.下面举几个例子来说明同步辐射的神奇应用.3.1 直接观察细胞内部活动的X 光显微术由于分辨本领的限制,普通光学显微镜不能看清大小只有几十纳米甚至更小的病毒的形貌或细胞的内部结构;电子显微镜虽然可以看清一切细胞或病毒的结构,但由于电子必须在真空中运行,而且电子对于水和蛋白质、碳水化合物等的穿透能力几乎相同,所以生物样品必须进行切片、染色、脱水、干燥才能进入真空室中观察.这样,生物都成了“死物”,看到的形象与真实的情况大不相同.X 光的波长比可见光的波长短几百倍,因而其分辨本领也比可见光大几百倍.特别是称为“水窗”的波段(波长大约为2～4nm 的X 光),X 光对于水是透明的而对于蛋白质、碳水化合物等都不透明.利用这个天然的“水窗”,可以不必染色、不必脱水、不必抽真空而直接观察活生生的细胞或细胞器的超微结构以及内部的活动情况.实际上,在一些先进国家的同步辐射装置中,已经安装了专门的光束线来作X 光显微工作.图2是柏林BESSY 同步辐射装置上的哥廷根X 光显微镜拍摄的一幅疟疾病人红血球显微照片,右上方的是正常红血球,左下方的是有疟原虫寄生的红血球.图2 哥廷根X 光显微镜拍摄的红血球照片3.2 超微加工技术强大的X 光光束不仅可以用来进行显微观察,而且可以用来进行超微加工.实际上,微机械加工技术由于同步辐射光的应用而有了飞速的发展.人们曾经用微电子学的方法制成了一些用于人造卫星、计算机通讯、医药及生命科学等方面的微电子机械,如微齿轮、微马达、微型泵等,但造价昂贵,结构太薄(1～3μm ),极易破碎.采用同步辐射中的X 光进行深度光刻,这种微机械的厚度达到几百微米而极其牢固,并且可以做得更复杂精巧、功能更丰富优越,还可用复制的方法大批生产而降低成本.例如,目前已制成只有砂子那么大(直径5mm ,厚度0.5mm )的“硅片化工厂”,它由超声泵、混合器、加热器等部分组成,在这么小的“工厂”里,已经成功地实现了DN A 的复制,比常规工厂的反应速率更快、功耗更低.把特种微机械注入血管去清除血管内壁的赘生物,从而医治血管堵塞的研究工作也已经在进行了.3.3 X 光吸收光谱精细结构的研究物质对光的吸收谱线的位置代表着物质微观状态的能量结构:光谱线的强度反映出物质内部电子电荷的空间分布;光谱线的宽度则对应于激发态的寿命.因此,研究物质的吸收光谱是研究材料物性的重要手段.可见光和红外光的吸收光谱主要反映物质原子外层电子的状态,紫外光直至X 光的吸收光谱则主要反映物质原子内层电子的状态.由于同步辐射中的X 光非常强而且波长可调,因而可以研究X 光吸收谱线的精细结构,这就为材料物性的研究提供了强有力的手段.3.4 速度更快、体积更小、容量更大的计算机微电子技术的核心是制备集成电路,目前制备集成电路芯片的主要工艺是采用可见光或紫外光的光刻技术.光刻的条纹越细、越密,则图形就可做得越小,同样大小器件的功能就越强,速度就越快.所以,为了使芯片上的线路更密集,必须采用波长合适的光来刻蚀,太长太短都会使图形变模糊;此外,光束的方向还必须是高度集中的,否则也会导致图形的弥散.由此可知,同步辐射光的波长可选择性以及方向的高度集中在这里是英雄大有用武之地了.图3是分别用汞灯紫外线、准分子激光和同步辐射X 光进行光刻所得图形的比较.由图3可见,同步辐射光所得图形最为清晰;特别在转角处,最为明朗和尖锐.图3 不同光束光刻结果的比较除了制造体积更小、速度更快的芯片以外,同步辐射还能用于增加磁盘的信息容量.这是因为同步辐射中可以产生极强的左旋或右旋的偏振光束.这些光束的偏振态可以很方便地人为控制,特别适宜于研究材料的磁性.例如,目前美国海军实验室N RL的科学家正在用同步辐射光研究非对称的TbFe薄膜的结构、磁化特性及其用于计算机中磁光储存器件的前景.一旦成功,将出现新一代更高密度的储存装置,从而使计算机的容量更大.3.5 医学诊断与治疗同步辐射在医学上的应用前景十分广阔,攻克冠心病是它的首要目标之一.冠心病是目前威胁人类生命最可怕的疾病之一,死亡率非常高,其重要原因是缺乏灵敏的诊断手段.只有当冠状动脉堵塞达80%时,才表现出明显的症状(如心绞痛等),这时去看医生为时已晚.X光心血管造影是一种早期诊断的有效手段,但目前的心血管造影术要用高浓度的碘剂通过导管插入心脏才能进行,这是一个危险的手术.据统计,进行这种插管手术引起中风、心搏猝停、心肌梗死等并发症的人数占1%～4%,引起死亡的则占0.1%～0.3%.尚未有明显症状的人,谁愿意去冒险作这种检查呢?利用同步辐射作冠状动脉心血管造影,情况就大不相同了.首先,它可以选择灵敏度最高的波长范围;其次,它可以用两个波长同时检测,因而灵敏度大大提高.这样,不仅患者所受的X光剂量更小,而且因为曝光时间远小于心血管搏动的时间,使照片更加清晰.更重要的是用同步辐射后,免除了插管手术的危险,因为只要很低浓度的碘剂即可进行这样的检查,这种低浓度的碘剂不必开刀从心脏插入导管,而只要像通常打针那样从静脉注入就可以了.这种心血管造影的装置如图4所示.图4 同步辐射X光心血管造影装置示意图当然,除了冠心病以外,同步辐射在医学上的应用还很多.例如,用于微束CT诊断和治疗脑瘤;观测细胞中DN A的结构,找到控制癌细胞生长分裂的“开关”,从而有效地制止其无限生长;用于分析艾滋病病毒HIV粒子是如何通过蛋白酶的作用来传播的,从而有助于药物设计师设计出阻止这种蛋白酶生长的药物,达到控制艾滋病的目的……等等.这些研究目前都正在进行,有些已取得了初步的成果.一旦研究成功,同步辐射就将成为严重危害人类健康疾病的克星!总之,同步辐射光源有极其重要的科学意义和十分广泛的应用前景.我们期望上海光源的早日诞生!4 参考文献1 杨福家等.原子核物理.上海:复旦大学出版社, 19932 倪光炯等.改变世界的物理学.上海:复旦大学出版社,19993 章志鸣等.光学.北京:高等教育出版社,2000(2000-11-20收稿)。
高能同步辐射光源 和光刻机
高能同步辐射光源和光刻机高能同步辐射光源和光刻机光刻技术是现代微电子制造中不可或缺的关键技术之一，其在集成电路制造中起到了至关重要的作用。
而高能同步辐射光源作为光刻机的核心部件之一，为光刻技术的发展提供了有力的支撑。
高能同步辐射光源是一种能够产生高亮度、高稳定性、窄能谱带宽的光源，其主要通过电子加速器加速高能电子束，使其产生高能同步辐射光。
这种光源具有很高的亮度，即单位面积上的辐射功率，能够满足高分辨率和高精度的光刻要求。
同时，高能同步辐射光源的能谱带宽非常窄，能够提供单色光，有利于提高光刻的分辨率和控制图像的精度。
高能同步辐射光源的发展对光刻技术的进步起到了重要的推动作用。
传统的光刻技术使用的是紫外光源，其波长范围较宽，难以满足微纳米级结构的制造要求。
而高能同步辐射光源的单色性和窄能谱带宽，能够提供更高的分辨率和控制精度，使得光刻技术能够制造更小尺寸的器件。
在光刻机中，高能同步辐射光源被用于照射光掩模，将图案投射到感光涂层上。
光刻机通过光学系统将光源的光线聚焦到感光涂层上，形成所需的图案。
而高能同步辐射光源的高亮度和单色性，能够提供高质量的光线，使得光刻机能够实现更高的分辨率和更精细的图案控制。
除了高分辨率和高精度的要求，光刻技术还需要考虑生产效率和成本控制。
高能同步辐射光源在这方面也有着显著的优势。
由于其高亮度和高稳定性，光刻机可以以更快的速度进行曝光，提高生产效率。
同时，高能同步辐射光源的使用寿命也较长，能够降低设备的维护成本。
然而，高能同步辐射光源也存在一些挑战和限制。
首先，高能同步辐射光源的制造和维护成本较高，需要专业的设备和技术支持。
其次，高能同步辐射光源产生的辐射能量较大，需要进行辐射防护和安全措施。
此外，高能同步辐射光源对工作环境的要求也比较高，需要稳定的温度和湿度条件。
总的来说，高能同步辐射光源是光刻技术中不可或缺的重要组成部分。
其高亮度、窄能谱带宽和单色性，为光刻技术提供了更高分辨率和更精细的图案控制能力。
傅里叶变换红外光谱仪同步辐射光源
傅里叶变换红外光谱仪同步辐射光源
傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）是一种用于分析和测量物质分子结构及其特性的仪器。
它利用傅里叶变换原理将红外光谱信号转换为干涉信号，通过检测干涉信号的强度和相位来获得样品的红外光谱信息。
同步辐射光源是一种强度极高、光谱范围广泛的光源，它可以提供高亮度、高能量和长群聚时间的窄带宽光束。
同步辐射光源为傅里叶变换红外光谱仪提供了更强的信号强度，使得红外光谱的测量变得更加精确和准确。
傅里叶变换红外光谱仪和同步辐射光源的结合，可以提供更高分辨率和更广泛的波数范围，从而增加了对样品的分析和测量能力。
这种组合通常用于高精度的材料分析、化学反应动力学研究、表面和界面分析等领域。
同步辐射及其应用 核科学与技术概论08
其中
G1 ( y ) y K5/ 3 ( y ')dy '
y
y / c
同步辐射的强度有多种表示方法，其中光谱亮度可 表示为在单位时间、单位立体角、单位光源面积及 单位带宽内辐射出的光子数。
d 4F [ph· s-1· mrad-2mm-2(0.1%BW)-1] dtd dS (d / )
NSRL 光子通量与波长的关系， Flux 单位： [ 光子 数•秒-1•mrad-1•(0.1% B.W.)-1]，束流300mA。
5）储存环中的电子发射度 电子以束团的形式在储存环中运动时，束团中的 电子不完全处在理想的平衡轨道。它们在与运动方 向垂直的平面上的分布为高斯分布，且在x和y方向 的位臵分布和角分布分别用x、 y 和x’ 、y’描 述。则电子束截面为2.352。定义电子束的发射度 x=xx’ y=yy’ 对于第一代同步辐射光源发射度为100至几百纳 米· 弧度，第二代发射度为40-150纳米· 弧度，第三 代为20纳米· 弧度以下。
波荡器光谱分布： 波荡器磁周期数较大，每一个波荡器发射的同步 辐射光会发生干涉。那些符合干涉条件的光会得到 加强，在光谱中出现了一系列峰，这些峰所处的波 长以下式表示 n=(/2n2)[1+K/2+(r)2] n=1为基波，但只存在奇数谐波，偶数谐波为零。波 荡器光谱中存在许多尖峰，它与弯铁的连续峰很不 相同。 在K<<1即K、很小时，上式后两项忽略 1=/22
同步辐射及其应用
同步辐射光源
同步辐射光束线 同步辐射应用概述
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第20卷第2期2006年3月常熟理工学院学报Journal of Changshu Institute of TechnologyVol.20No.2Mar.2006同步辐射光源简介谭伟石1,蔡宏灵2,吴小山2(1.南京理工大学理学院应用物理系,江苏南京 210094;2.南京大学固体微结构实验室,江苏南京 210093)摘 要:简要介绍了同步辐射概念、同步辐射光源的特点及我国同步辐射光源发展的现状。
关键词:同步辐射光源;同步辐射特点;发展现状中图分类号:TL8O43 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2006)02-0097-05 著名的物理学家杨福家先生概括了人类文明史上影响人类生活的光源的进展,分为四类[1]:第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。
不言而喻,人类现在的生活与文明离不开电光源,它使人类战胜了黑暗。
第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。
“X”是“未知”的符号,但是这种神秘莫测的、肉眼看不见的X光从被发现的时候就展现了它的魅力和对人类的巨大影响。
第三类光源是20世纪60年代美国与前苏联一批科学家创造的激光光源。
目前激光的应用已经进入千家万户。
如我们家庭中的激光唱片,超市的收款机所用的激光扫描器等,当然也有用于激光核聚变的大功率激光设备等,对人类的生活带来了巨大变化。
第四类光源就是同步辐射光源。
1947年在美国纽约州Schenectady市通用电气公司实验室的一台能量为70Me V的同步加速器上,首次观察到一种强烈的辐射,这种辐射便被称为“同步辐射”。
同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。
由于同步辐射消耗了能量,妨碍了高能粒子能量的提高,所以当时一直被认为是个祸害,没有得到重视。
但是,人们很快便了解到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,可用于其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。
而现在同步辐射已经成为一个重要的科学研究平台,它的应用领域已经覆盖了物理、化学、生物、材料、医药、地质等众多领域,已经成为衡量一个国家科研水平的重要标准。
1 同步辐射特点同步辐射的主要设备,包括储存环、光束线和实验站。
储存环使高能电子在其中持续运转,是产生同步辐射的光源;光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅,并“裁剪”成所需的状态,如单色、聚焦,等;实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。
同步辐射光源是人类发现的第四代光源。
与前三种光源相比,它具有诸多优点:1.1 频谱分布宽广 收稿日期:2005-10-15作者简介:谭伟石(1970—),男,湖南安化人,副教授。
DOI:10.16101/ 32-1749/z.2006.02.020图1 同步辐射光源光谱分布。
图中对比给出了实验室X 射线光源的亮度和国际上不同不同同步辐射装置的能谱分布、亮度分布等。
同步辐射的波长分布是连续的,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。
同步辐射光谱范围是由加速器中的电子的能量和弯转半径决定的。
电子的能量越高,同步辐射的特征波长越短。
北京同步辐射的电子能量为2.5GeV ,弯转半径为10.345m ,特征能量为3.31ke V ;合肥同步辐射的电子能量为0.8Ge V ,弯转半径2.222m ,特征能量为0.517keV 。
1.2 高亮度同步辐射与实验室转靶X 光源相比,同步辐射光源的亮度比实验室X 射线光源连续谱部分强106-1011倍;比X 射线光源的特征谱强度强103-108倍。
自20世纪60年代中期以来,同步辐射光源的亮度已经增加了10多个数量级。
目前我国上海同步辐射光源设计的亮度位于世界先进行列。
在以往的研究中,如用实验室X 射线光源获得一幅晶体缺陷结构的形貌照片,通常需要几十小时的暴光时间,但利用同步辐射光源拍摄同样一幅晶体缺陷结构的照片仅需几秒至几十秒,工作效率提高了几万倍。
高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规光源所无法进行的工作。
1.3 高准直性同步辐射基本上是在电子轨道平面中沿轨道的切线方向引出的,当北京同步辐射装置在2.2Ge V 运行时,其垂直张角仅为0.5秒(通常实验室X 射线光源的发散角为0.1°或更高,而高分辨X 射线衍射仪的发散角为10秒。
利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光具有高度的准直性,经过聚焦,可大大提高同步辐射光的亮度,可进行极小样品和材料中微量元素的研究。
1.4 高偏振度在电子轨道平面发出的同步辐射是完全线偏振的,偏振向量在轨道平面中。
电子轨道平面上下发出的同步辐射则具有椭圆偏振,可用来研究样品中特定参数的取向问题,如利用同步辐射的偏振特性研究磁性材料中的磁矩或与磁相关的问题。
1.5 时间结构电子在储存环中是以束团的形式运动的,因此发出的同步辐射不是连续的,而是包含电子运动的时间结构或特定的脉冲结构。
脉冲宽度(对应着电子束团的长度)约为ps 量级,脉冲间隔(对应电子束团之间的距离)约为ms 量级。
利用这种特性,可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。
1.6 洁净的光源同步辐射是在10-11托的超高真空环境中产生的,没有灯丝、隔离物质等带来的污染。
这一性质对于从事表面科学、计量学研究与应用特别重要。
从1947年第一次发现同步辐射到现在,同步辐射装置的建造及其研究、应用,经历了三代的发展。
98常熟理工学院学报 2006年第一代同步辐射光源是在20世纪70年代世界各国为高能物理研究建造的储存环和加速器上“寄生的”运行的。
很快地,不仅物理学家,而且化学家、生物学家、冶金学家、材料科学家、医学家和几乎所有学科的基础研究及应用研究的专家,都从这个新出现的光源看到巨大的机会。
然而,在对储存环性能的要求上,同步辐射的用户与高能物理学家的观点是矛盾的,主要表现在由电子束的发射度所决定的同步辐射的亮度上。
它使同步辐射的用户们要求建造专门为同步辐射的应用而设计的第二代同步光源。
发射度由第一代装置的几百nm .rad 降低到第二代同步光源的50-150nm .rad 。
北京同步辐射实验室就属于第一代同步辐射光源,它的水平发射度为390nm .rad 。
20世纪80年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加速器,储存环的磁结构以Chasman -Gr een lattice 为特征。
合肥国家同步辐射实验室就属于第二代专用光源。
20世纪90年代开始大量出现的第三代光源则以小发射度及采用大量的插入件为特征。
第三代同步辐射光源的储存环的发射度一般为10nm .rad 量级,借助于安装大量的插入件(波荡器和扭摆器),产生准相干的同步辐射光,这不但使光谱的耀度再提高几个数量级,而且可以灵活地选择光子的能量和偏振性(左旋圆、右旋圆、水平线、垂直线,等等)。
第三代同步辐射光源的亮度比最亮的第二代光源至少高100倍,比通常实验室用的最好的X 光源要亮一亿倍以上。
它使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段,这就为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。
日本的Spring -8是目前世界上能量最高的同步辐射光源,达到8Ge V 。
目前我国在建的上海光源就属于第三代光源。
2 同步辐射的主要运用目前,同步辐射主要研究热点有:2.1 同步辐射在生物学中的应用。
建立和发展应用同步辐射的生物大分子晶体结构数据采集,多波长反常散射实验和多光束同步辐射X 射线衍射实验所需的数据分析方法及相应的分析软件;利用同步辐射光源进行结构生物学研究,包括晶体衍射数据的收集;应用单波长和多波长收集晶体的衍射数据;生物大分子晶体结构的测定和分析;以真空紫外圆二色实验站为依托建立研究蛋白质二级结构的条件和实验方法。
2.2 对新型功能材料及光化学过程开展多种谱学研究;重点开展以下几个研究方向的工作。
稀土发光材料研究。
重点研究稀土离子在VUV 区的高激发态,以及通过“量子剪裁”探索高量子效率,高能量效率的新稀土材料。
短波段信息功能材料和宽禁带(紫光-紫外光)材料与材料物理。
对电子结构与原子几何结构开展综合研究。
纳米结构研究。
通过分子束外延技术、化学气相传输等方法制备纳米材料,并利用同步辐射光源研究纳米材料结构和性能。
氧化物铁电性和巨磁阻现象的内在联系及物理本质。
如研究电子强关联相互作用及电子态,特别是电子自旋态。
磁性薄膜材料研究。
用SXMCD 研究稀土、过渡金属薄膜多层结构中指定元素的磁学性质,电子自旋和轨道磁矩及相互作用。
环境科学研究。
利用同步辐射研究燃烧机理与大气污染;开展含氯氟烃及含溴甲烷真空紫外光电离研究,以期获得大气臭氧层破坏的机理。
2.3 用于微电子机械系统(ME MS )的新材料和相关基础研究。
微电子机械系统的研究具有极大的学科交叉性,微型元器件的制造涉及到设计、材料、制造、测试、控制、能源以及连接等技术。
同时还涉及到材料学、物理学、化学、生物学、微光学和微电子学等学科。
ME MS 技术对现代工业的发展具有极大的挑战性。
重点研究:微电子机械制作技术及新方法研究;99第2期 谭伟石,蔡宏灵,吴小山:同步辐射光源简介100常熟理工学院学报 2006年用于环境科学、化学工业的ME MS(lab-on-chip)研制及相关材料研究;微器件的微摩擦学、自润滑机理及表面特性研究。
2.4 开展发现和优化新材料集成组合技术(combinatorial技术)研究。
集成组合技术旨在把大量不同的材料“集成”在一块“材料芯片”上,并进行快速的物性检测,而同步辐射能够很好地满足这种快速物性检测的要求。
重点针对以下几种材料,发展材料芯片制备新技术和材料芯片物理性能(光、磁、介电性能)的快速筛选。
2.5 发展同步辐射光束线技术和光学元件、新实验方法、新型探测器。
中国大陆地区目前有北京同步辐射实验室(B SRF),合肥国家同步辐射实验室(NSRL),在建上海光源(SSRF),分别属于第一、第二和第三代光源。
北京同步辐射装置(B SRF)是北京正负电子对撞机国家实验室的一部分,是一个向社会开放的大型公共科研设施。
B SRF拥有11个实验站,可提供从真空紫外到硬X波段的同步辐射光,提供形貌术、衍射、小角散射、漫散射、微量微区荧光分析、吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、刻度和计量、X射线微细加工等分析和加工技术,可以为物理学、化学化工、材料科学、生物学、医学、地学、环境科学、微电子学、计量学等学科的基础研究和应用基础研究提供强有力的实验研究手段。
北京同步辐射装置贯彻“开放、联合、开拓、创新”八字方针,对全国科研单位、高等院校和企业全面开放。