同步辐射X射线成像及应用
同步辐射应用基础(第二章同步辐射X射线衍射) 研究生课程讲义
X射线在医学诊断、治疗中的应用非常
伦琴
广泛，特别是X射线诊断技术，已经成
为现代医学不可缺少的工具。
X射线是波长介于紫外线和γ射线 间的 电磁辐射。X射线是一种波长很短的电 磁波，其波长约介于0.01~100埃之间。
第一张X光照片
X射线衍射（一）— 历史
1912年德国物理学家劳埃（ue) 发现 晶体的衍射现象。1914年获得了第二个诺贝 尔物理奖。
2) 增加X射线强度的方法：
①增加管电流；②增加管电压。 增加管电流，可使单位时间内轰击阳极靶的电子数目增 多，从而使Ni增加；增加管电压，可产生频率更高的光 子，即能量更高的光子。 3) X射线的强度表示：通常用管电流的毫安数(mA)间接 表示X射线的强度。 4) 总辐射能量表示：
X射线总辐射能量与X射线的强度和照射时间成正比。 因此，用管电流毫安数与照射时间的乘积表示X射线总 辐射能量。
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
1. 峰位 定性相分析，确定晶系，指标化， 计算晶胞参数等
2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸 (谢乐公式)
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射分析可给出材料中物相的结构及元素的 状态信息, 根据实验得到的d-I/I0一套数据，与已知 的标准卡片数据对比，来确定相应的未知物相。 XRD物相定性分析
2.为后人在不同领域的研究打下了理论基础
X射线衍射（二）— 原理
常规X射线的产生
产生X射线的方法有多种，常用的产生X射线的 方法是：用高速运动的电子束轰击一障碍物—— 阳极靶。受到靶的阻碍作用，电子的动能转变为 X射线光子的能量。
产生X射线的两个基本条件是: 1)有高速运动的电子流； 2)有适当的障碍物—靶来阻止电子的运动。
同步辐射技术在化学领域中的应用
同步辐射技术在化学领域中的应用化学领域中，同步辐射技术是一项非常重要的技术，可以用来研究材料的内部结构和化学反应产物的分析。
同步辐射技术是一种非常高级的技术，因为它可以提供非常高分辨率的图像和分析结果。
同步辐射的原理是什么？同步辐射是一种非常特殊的辐射，它是由带电粒子（例如电子）在加速器中运动时产生的。
当这些带电粒子在非常高速度下旋转时，它们会产生特殊的电磁辐射。
这种辐射具有非常高的能量和灵敏度，可以被用来探测材料的内部构造。
同步辐射和化学领域的应用同步辐射技术在化学领域中的应用非常广泛，可以用来研究各种不同的化学反应，例如光化学反应、催化反应、电化学反应等等。
其中，同步辐射X射线荧光(TXRF)技术和同步辐射X射线吸收( XAFS)技术是化学领域中应用最广泛的两种技术。
TXRF技术可以用来分析材料中极微量的元素，可以提供非常准确的分析结果。
这种技术可以被用来研究各种不同的材料，例如环境污染物、生物材料以及工业催化剂等等。
它的应用范围非常广泛，因为可以提供非常高的分辨率和精度。
XAFS技术可以用来研究材料的表面和内部结构，包括晶体、液体、气体和杂质等。
这种技术可以被用来研究各种不同的化学反应机理，包括催化、氧化还原、光化学反应和电化学反应等等。
在纳米材料方面，XAFS可以提供非常准确的表面和界面信息，对于研究材料的电子结构和化学反应机理非常重要。
同步辐射技术是现代化学研究中必不可少的一项技术，因为可以提供非常高的分辨率和精度。
随着技术的进步，同步辐射领域的发展将会更加迅速，为化学研究和应用开辟更加广阔的空间。
同步辐射成像技术在材料科学中的应用研究
同步辐射成像技术在材料科学中的应用研究同步辐射成像技术是一种高分辨率的成像技术，可以突破传统光学成像的限制，用于材料科学领域的研究。
它利用同步辐射光的特点，通过收集和分析样品反射、散射和透射的辐射，可以获取高质量的材料结构和组成信息。
这种技术在材料科学研究中具有广泛的应用，下面将重点介绍几个典型的应用研究方向。
1.同步辐射X射线成像技术在材料科学中的应用同步辐射X射线成像技术是一种独特的非破坏性成像方法，可以用于表征材料的微观结构和成分。
通过调节辐射的能量和波长，可以实现对不同材料的成像。
例如，可以利用同步辐射X射线成像技术对材料的晶体结构、晶粒大小以及材料中的缺陷、杂质等进行高分辨率的观察和分析。
此外，由于同步辐射X射线的高亮度和短脉冲宽度，还可以应用于材料的动态研究，如材料熔化、相变和应力变化等过程的实时观测。
2.同步辐射红外成像技术在材料科学中的应用同步辐射红外成像技术是一种非接触式的成像方法，可以实现对材料的红外辐射进行高分辨率成像。
红外成像可以提供材料的热分布和热传导等信息，对于研究材料的热性质、热辐射和热传导等方面具有重要意义。
利用同步辐射红外成像技术，可以实时观测材料的温度分布、热传导过程以及热辐射特性等。
这对于材料的热性能研究、材料的热稳定性评估以及材料的红外导热材料制备等方面具有重要应用价值。
3.同步辐射显微镜技术在材料科学中的应用同步辐射显微镜技术是一种集成了高空间分辨率成像和高能量分辨率光谱分析的成像技术，可以用于对材料的表面形貌、化学组成和电子结构的研究。
通过同步辐射显微镜技术，可以实现对材料的原子尺度成像，观察材料中的晶格、原子排列以及表面形貌等信息。
此外，还可以应用于材料的局域电子结构研究，如表征材料中的化学键、价带结构和局域电子态等。
这对于了解材料的电子性质、催化反应机理以及材料界面的相互作用等方面有重要意义。
总之，同步辐射成像技术在材料科学中具有重要的应用价值，可以实现对材料的高分辨率观测和分析。
同步辐射X射线成像：绘制“大脑地图”的利器
同步辐射X射线成像：绘制“大脑地图”的利器“光”是生活中不可或缺的资源，人类的发展历程离不开光的使用。
早在2 400年前的古希腊，亚里士多德就对光产生了思考，虽然其理论后续被证实是错误的，但还是对光的研究产生了深远的影响。
生活中肉眼可见的光是“可见光”，根据波长的不同，光还可以分为无线电波、红外、紫外、X 射线和γ射线等。
当可见光照射人体时，会有一部分光反射到我们的眼睛中，所以我们“看到”了他人。
但是当X射线照射到人体时，则会穿透人体，通过X光底片记录不同角度穿透人体的程度，就可以复原人体内部的结构。
这也是临床中X光电子计算机断层扫描（CT）的原理。
如何利用“光”帮助研究大脑呢？临床中医生通过X光CT对头部进行扫描研究脑的结构与形态，观察其病变情况；光遗传学中，研究光调控神经元的活动；钙成像中，研究者通过观察“闪烁”的神经元记录其活动；荧光成像中，研究者通过向动物大脑注射病毒使神经元发出“荧光”从而观察神经元的形态。
诸如此类的方法还有很多，“光”伴随着大脑的研究。
我们在这里重点介绍利用基于同步辐射光源的X 射线成像对大脑，尤其是神经元结构进行的研究。
从二维到三维神经元成像神经元是神经系统最基本的结构和功能单位，对大脑的研究离不开对神经元的研究。
1873年卡米洛•高尔基（Camillo Golgi）发明了高尔基染色法，染色后神经元呈现黑色，首次展现了神经元的结构。
接着，卡哈尔（Cajal）对高尔基染色法进行了完善，使其更好地应用于神经科学研究。
1906年，高尔基和卡哈尔被共同授予诺贝尔生理学或医学奖。
人类大脑中约有上千亿个神经元，每个神经元又会和成百上千个神经元通过突触连接。
想要分析这些神经元如何整合成一个系统并发挥作用，绘制“大脑地图”是重要的突破点。
我们知道，绘制道路地图需要标明地点和道路，绘制“大脑地图”也一样。
神经元的胞体像是地点，神经元之间的连接像是道路。
而绘制地图则离不开对神经元结构的成像。
同步辐射软X射线应用
二. 软X射线吸收精细结构 (soft-XAFS)及其应用
Overview of XAFS
Ø
Ø
X-Ray Absorption Fine Structure (XAFS) refers to modulations in x-ray absorption coefficient around an x-ray absorption edge. XAFS is often divided into “ EXAFS”and “ XANES” .
光的粒子性（光子）
描述吸收(光电效应）、激发（荧光）等过程。 光的能量E ，单位为eV： E = h ν = 4.1×10-15 ν ≈ 1239.8/λ (nm) （h– 普朗克常数=6.625×10-34 焦尔• 秒， 1焦尔=6.242 ×1018 eV ）
“光”只是电磁辐射的一部分
电磁辐射包括： 高能射线（γ -射线） 硬X-光、 软X-光、VUV、可见光、红外光 微波和无线电波
Magnetization of CoCrPt alloy film using magnetic transmission soft x-ray microscopy
Appl. Phys. Lett., 83, 4589 (2003) The magnetic contrast is given by X-ray magnetic circular dichroism (XMCD)
Fe L3 edge
Scanning electron microscope image of the patterned 4×4 µm2 Al/Ni80Fe20/Cu/Co element and the microcoil. The inset shows a line scan across the boundary of the patterned element from a MTXM image indicating a resolution of 32 nm.
x射线成像技术的原理与应用
x射线成像技术的原理与应用1. 引言•x射线成像技术是一种非常重要的医学和工业检测方法。
•本文将介绍x射线成像技术的原理和应用。
2. x射线成像技术的原理•x射线是一种电磁辐射，具有较高的穿透能力。
•x射线成像技术利用x射线穿透物体并与物体内部的不同组织或材料发生相互作用，进而形成影像。
•x射线成像技术的原理主要包括：–x射线源：产生x射线的设备，通常是由高能电子束轰击金属靶发生器产生。
–物体：被检测的对象，可以是人体内部组织、工业产品等。
–探测器：用于捕捉和测量x射线通过物体后的剩余辐射。
–影像处理系统：将探测器捕捉到的剩余辐射转化为图像。
3. x射线成像技术的应用3.1 医学领域•普通x射线检查：用于骨折、腹部钙化、肺部结核等疾病的诊断。
•CT扫描：通过旋转式x射线源和探测器，获得物体的三维图像，用于帮助诊断和手术规划。
•放射治疗：利用x射线的高能量特性，对肿瘤进行放射性治疗。
3.2 工业领域•无损检测：用于检测工业产品的内部缺陷，如焊接缺陷、材料疏松等。
•安全检查：用于检测安全隐患或非法物品，如行李箱、货物等。
•原材料分析：通过x射线的特征谱线，分析物体的成分和结构。
4. x射线成像技术的优势•高分辨率：x射线成像技术可以获得高分辨率的图像，可以清晰地显示物体的细节。
•高穿透能力：x射线可以穿透一部分物质，能够检测和观察物体内部的结构。
•非侵入性：x射线成像技术对被检测对象没有伤害。
•快速：x射线成像技术可以在短时间内获得图像。
5. x射线成像技术的发展趋势•数字化：x射线成像技术越来越多地采用数字化处理，可以实现图像的存储、传输和分析。
•多模态成像：将x射线成像技术与其他成像技术结合，可以获得更全面和准确的信息。
•低剂量成像：针对x射线辐射对人体的潜在危害，研究人员正在努力降低x射线成像的辐射剂量。
•自动化：利用计算机和人工智能等技术，实现x射线成像的自动化处理和分析。
6. 结论•x射线成像技术是一种重要的医学和工业检测方法，应用广泛且不断发展。
同步辐射及其应用(讲义)
同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。
尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。
近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。
同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。
据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。
我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。
1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。
其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。
这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。
现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。
1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。
这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。
环境样品检测的新技术—同步辐射X射线荧光的应用
苔 藓 植 物 体 形 小 、结 构 简 单 ，有 特 殊 的 生 理 适 应 机 制 ．分 布 于 各 种 环 境 。它 没 有 真 正 的 根 和 维 管 组 织 ．表 面 积 较 大 ．对 环 境 因 子 的反 应 敏 感 度 是 种 子 植 物 的 １０倍 ．是 一 类 很 好 的 环 境 生 物 指 示 器 ６ｌ。苔 藓 的多 毛 分 枝 结 构 ．使 其 具 有 吸 附 、累 积 重 金 属 的性 能 在 自然 条 件 下 ．外 界 环 境 因 素 对 苔 藓 生 长 造 成 的影 响 非 常 复 杂 ．苔 藓 植 物 富 集 重 金 属 的 能 力 往 往 与 雨 水 径 流 、植 物 生 物 量 、生 长 速 率 、含 水 量 、ｐＨ 值 变 化 、生 长 季 节 等 因素 有 关 因此 用 苔 藓 监 测 大 气 重 金 属 污 染 的应 用 基 础 研 究具有广 阔 的应用 前景 曹清晨 等 排 除环境 中不确定 因素 的影 响 ．研 究 苔 藓 植物 监 测 大 气 的生 物 机 理 采 用 ＳＲＸＲＦ测 定 藓 体 对 重 金 属 污 染 的 吸 收 、累 积 、分 布 特 征 ，为 苔 藓 植 物 监 测 大 气 污 染 提 供 充 分 的 证 据 结 果 还 发 现 污 染 金 属 元 素 在 苔 藓 内 的 蓄 积 随 培 养 基 金 属 元 素 浓 度 增 加 而 增 强 ． 同时也 造成 植物 体 内 的生 理代 谢 发生 障碍 和丧 失 吸收 Ｋ、Ｓ 等营养元 素能力 ．导致 “缺素 ”症状
同步辐射在固态电解质上的应用
同步辐射在固态电解质上的应用
首先，同步辐射技术可以用于研究固态电解质的结构特征。
通
过X射线衍射技术，可以确定固态电解质中离子的位置和晶格结构，从而揭示材料的晶体结构、晶格参数和晶体缺陷等信息。
这对于理
解固态电解质的离子传导机制和稳定性具有重要意义。
其次，同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）等技术可以用于研究固态电解质材料的化学成分和电子结构。
这些技术可以提供关于材料中元素的化学状态、电子态密度和离子
迁移路径等信息，为设计和优化固态电解质材料提供重要参考。
此外，同步辐射X射线散射技术还可以用于研究固态电解质材
料的动力学行为。
通过原位和实时的X射线散射实验，可以观察固
态电解质中离子的扩散和迁移过程，揭示材料的离子传输机制、界
面反应和电化学性能。
总之，同步辐射在固态电解质研究中发挥着重要作用，为深入
理解固态电解质材料的结构与性能提供了强大的实验手段，也为固
态电池等器件的设计与应用提供了重要的科学支持。
希望这些信息
能够对你有所帮助。
同步辐射应用基础(第八章同步辐射X射线荧光分析) 研究生课程讲义
能量色散型 Energy
Dispersive Spectrometer
（二）仪器构造与原理
（二）仪器构造与原理
两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。
同步辐射X射线！
（二）仪器构造与原理
分光系统
分光系统的主要部件是晶体分光器，它的作用是通过晶体衍射现象把不同波长的 X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，当波长为λ的X射线以θ角射到晶体，如 果晶面间距为d，则在出射角为θ的方向，可以观测到波长为λ=2dsinθ的一级衍射及波 长为λ/2，λ/3等高级衍射。改变θ角，可以观测到另外波长的X射线，因而使不同波长 的X射线可以分开。
（一）基础理论与知识
2)缺点：
① 由于X射线荧光光谱分析是一种相对的比较分 析，定量分析需要标样对比，而且标样的组分与被测 样的组分要差不多。
② 原子序数低的元素，其检出限及测定误差一般 都比原子序数高的元素差；对于超轻元素(H、Li 、Be)， 目前还不能直接进行分析。
③ 检测限不够低，>1 µg.g-1 ④ 仪器相对成本高，普及率低。
（三）样品制备与分析
3.2 定性与定量分析
（三）样品制备与分析
岩石样品
Ba 250μm 成图
Ba 1mm 成图
（四）线站介绍与实例分析
北京同步辐射光源：X射线荧光微分析实验站-4W1B
（四）线站介绍与实例分析
上海光源：硬 X 射线微聚焦及应用光束线站-BL15U
（四）线站介绍与实例分析
纳米污染
（一）基础理论与知识
⑦ 制样简单，试样形式多样化，块状、粉末、糊状、液体 都可以，气体密封在容器内也可分析。
⑧ X射线荧光分析也能表面分析，测定部位是0.1mm深以上 的表面层，可以用于表面层状态、镀层、薄膜成分或膜厚的 测定。能有效地用于测定膜的厚度(10层)和组成（几十种元 素）。
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时间相干性：
根据OTF分析，Dl~l0不会造成对比度过分降低， 一般取Dl-l0/4。分辨率越高要求时间相干性越好 合适的光源 同步辐射 或 微聚焦X射线管
衍射增强成像(DEI)
Human breast cancer specimen. Specimen imaged in vitro with conventional absorption (top)
另一特点——活样品的高分辨率实时成象 Real Time Ultra High Resolution Radiology on Live Specimens
硬X射线相衬成象对光源的要求
普通X射线源无法满足要求，必须具备较高的相干性
空间相干性： 原则上应大于待分辨细节的最大尺寸，不要求整个 照明范围全空间相干 对平行光空间相干长度：ls=2l/a
吸收反衬
1896年2月8日，X射线在美国首次用于临床诊断
传统的X射线成象系统都是基于样品不同 部位对X射线吸收不同进行的，即所谓的 吸收反衬成象。
从1895年伦琴发现X射线开始，该方法在 众多领域特别是临床医学领域获得了巨大 的成功。 然而，受原理的限制它很难对密度相差不 大的轻元素材料、生物软组织如血管、肿 瘤等成清晰象。
Mouse heart radiograph
Mouse heart apparent absorption image
Mouse heart apparent refraction image
at the SYRMEP beamline at ELETTRA
Mouse lungs radiograph
Developed line of detect
Original line of detect
电化学反应过程成象
Zinc Zinc
é lectrode
Cuivre
250 µ m
金属材料的元素扩散过程成象
Al11Zn Diffusion de gallium
gallium
gallium
fissuration
International Congress Series 1230 (2001) (a)
(b)
Fig. 2. (a) Intravenous angiogram of a 72-year-old male in LAO 30 projection. Target: RCA with stent, diagnosis: two insignificant stenoses proximal and distal to the stent. (b) Intravenous angiogram of a 72-yearold female with pacemaker in RAO 45 projection. Target: ACVB to LAD, diagnosis: ACVB patient, LAD proximal occluded.
NIMA 454 (2000)
Fig. 3. A picture of a human heart obtained with subtraction coronary angiography at HASYLAB at DESY showing clearly the right coronary artery (RCA) after an intravenous injection of the contrast agent.
and diffraction-enhanced techniques (bottom).
ESRF
Human Finger
Conventional image
Peak of analyzer image
Apparent refraction image
at the SYRMEP beamline at ELETTRA
Phys. Med. Biol. 45 (2000) L39–L43. ―First human transvenous coronary angiography at the ESRF‖
常规造影
(a)
(b)
Figure 1. (a) Intravenous synchrotron angiogram of the first patient at the ESRF taken in a left anterior oblique (LAO) projection. The image shows the second segment C2 with a stent and the crux. RCA: right coronary artery. (b) Conventional selective coronary angiography of the same patient, in the LAO orientation, performed the same day at the cardiological unit of the hospital after arterial catheterization.
Fig. 4. First experiments for transvenous coronary angiography at the medical beamline at the ESRF: shown is the heart of a pig after an intravenous injection of the contrast agent.
目
录：
• 同步辐射X射线相衬成像
• 同步辐射双色减影成像 • 上海光源的X射线成像及其医学应用线站
同步辐射光源的优势：
相比常规的x射线 光源，同步辐射光 源具有： 极高的光通量 波长可调谐 高度准直 多种实验手段
• • • •
同步辐射X射线相衬成像
第一张X射线成象照片
1895年11月8日（星期 五），伦琴给他妻子 Bertha拍的左手透视片， 手上戴有戒指
衬度产生机理
吸收反衬
样品的厚度或密度 元素的吸收
X射线透射成象机理： 样品改变了入射光场的 分布，探测器接收的光 强分布包含了样品内部 结构信息
X射线相衬成象
X-ray phase contrast imaging (XPCI) 就是利用X射线透过样品后携带的位相信息对 样品内部结构成清晰象，它克服传统成象方法 的不足，是一种全新的成象方法，也是目前X 射线应用领域的研究热点，国际上大多数的同 步辐射装置都有光束线开展相衬成象研究。
Mouse lungs peak of reflection image
Mouse lungs apparent refraction image
at the SYRMEP beamline at ELETTRA
无造影剂血管造影术?
蜜蜂微血管
300µ m
材料力学
Force X-rays
Force
200 μm
聚合物材料内部结构研究——颗粒边界
PP
相衬CT--
昆虫
相衬CT--锌铝合金内部结构
注意观 察其中 内含物
同步辐射X射线医学应用 －双色减影成像
• I造影 —— K吸收边 （33.17KeV） 吸收强度是骨、肉吸收的10000倍 • E1吸收边低端 • E2吸收边高端 • Gd造影 —— K吸收边 （50.24KeV）