同步辐射红外光源及其应用
同步辐射光源及其应用
目录分析
本书的目录结构清晰，内容丰富，覆盖面广。从基本原理到应用，再到未来 展望，每一部分都深入浅出地介绍了同步辐射光源的核心主题。通过阅读本书， 读者可以全面了解同步辐射光源的基本知识和应用，也可以对未来的发展趋势有 一定的了解。
作者简介
作者简介
这是《同步辐射光源及其应用》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
精彩摘录
《同步辐射光源及其应用》这本书是一本非常精彩的科普读物，它介绍了同 步辐射光源的基本原理、特性及应用。这本书不仅有助于读者了解同步辐射光源 的奥秘，还能激发读者对科学的热爱和探索精神。
阅读感受
阅读感受
这本书的内容非常丰富，从基础到应用，从理论到实践，涵盖了同步辐射光 源的各个方面。对于那些对科学和技术感兴趣的人来说，这本书可以提供很多有 用的信息。
本书首先介绍了同步辐射光源的基本原理和特性，包括同步辐射的物理基础、同步辐射光源的构 造和性能参数等。接着，详细介绍了各种不同类型的同步辐射光源，如电子储存环、自由电子激 光器和X射线光学器件等。还介绍了同步辐射光源的实验技术和数据分析方法，包括实验设计、 样品制备、数据采集和处理等。
本书的主题是同步辐射光源的应用，详细介绍了在材料科学、生物学、医学、能源科学等领域的 应用案例。例如，在材料科学中，同步辐射光源可用于研究材料的结构和性质，如晶体结构、材 料表面和界面、材料相变等。在生物学中，同步辐射光源可用于研究生物分子的结构和动力学， 如蛋白质的结构和功能、细胞和组织的成像等。
目录分析
本书的第三部分是全书的重点，详细介绍了同步辐射光源在各领域的应用。 包括但不限于生物学、化学、材料科学、医学、物理等领域。这一部分不仅展示 了同步辐射光源的广泛用途，也揭示了其未来可能的发展方向。
医疗领域中同步辐射光源的运用.doc
医疗领域中同步辐射光源的运用ﻭﻭ现阶段医疗事业逐渐的过程中，应该充分利用同步辐射光源的优势性，以下是搜集的一篇同步辐射光源在医学中的应用探究的，供大家阅读参考。
ﻭ对于同步辐射而言,是一种速度接近光速的带电粒子,它在磁场中按照弧形轨道进行运动时，会放射出强烈的电磁辐射。
同步辐射光源在医学上的使用可以充分满足医疗事业的需求,这种技术形式又被称之为同步辐射成像。
同步辐射光源作为一种新型的光源形式，具有十分先进的优良性，同时也是继电光源、Ｘ光源以及激光光源之后,对人们生产及生活产生较为严重影响的光源类型,在整个医疗领域的应用中占据了十分重要的地位。
ﻭ 1 同步辐射光源的基本特点ﻭﻭ在同步辐射X射线应用的过程中，其技术内容与传统的显像模式存在一定的差异性，其具体的内容可以体现在以下几个方面：ﻭﻭ第一，同步辐射的X射线源主要来自于同步辐射装置，并不是Ｘ线球管中的电压及管电流，X射线在技术应用的过程中其亮度较于传统显像模式会高出5～6个数量等级，当运用到扭摆器(wigｇle)ｒ或是其它的装置时，其数量会达到１2个以上的级别.第二,同步辐射的产生会出现一个连续性的光谱,从红外线以及可见光到Ｘ线中，可以跨越的范围是４~5个数量级。
而且，在单色器使用的过程中，其设备所需要的波长可以对光谱的变化进行有效性的分析.其中的单色光,在穿透组织过程中，其能谱并没有发生一定的改变，而强度会发生一定的改变,有效的消除了医学领域中经常遇见的光束硬化问题。
ﻭﻭﻭ与此同时，同步X 射线的高度相干，衍射及干扰的现象都可以用来显现图像,在整个技术应用的过程中，具有时间分辨的技术形式.虽然在这一技术应用的过程中，其工作内容相对复杂，但是,基本的概念却容易得到理解。
ﻭﻭ 2 同步辐射光源在医学中的应用ﻭﻭ 2。
1 同步辐射血管成像的分析ﻭﻭﻭ基于数字减影可以强化图像对比度的原理，在现阶段血管显像的技术处理中，存在着两个技术形式,分别是K吸收边数字减影血管造影（KEＳA）以及单能时间减影血管造影。
同步辐射光源的作用
同步辐射光源的作用同步辐射光源是一种高能量、高亮度的光源，它能够在纳米和分子尺度上提供极为精确的成像和分析。
它被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域的研究中，为科学家们提供了研究微观世界的有力工具。
同步辐射光源在材料科学领域具有重要作用。
材料科学研究需要对材料的结构和性质进行深入的了解，而同步辐射光源能够提供高强度、高分辨率的X射线、紫外光和红外光等辐射，可以帮助科学家们研究材料的结构、晶体缺陷、表面形貌等。
通过同步辐射光源，科学家们可以观察到微观世界的细节，揭示材料内部的微观结构，为材料的设计和制备提供了重要的依据。
同步辐射光源在生命科学领域也有着广泛的应用。
生命科学研究需要对生物分子的结构和功能进行研究，而同步辐射光源能够提供高亮度、高能量的X射线，可以用于蛋白质结晶学和小角散射等研究。
通过同步辐射光源，科学家们可以解析蛋白质的三维结构，揭示其功能和作用机制，为药物研发和疾病治疗提供重要的基础。
同步辐射光源还在环境科学、能源科学、地球科学等领域发挥着重要作用。
在环境科学研究中，同步辐射光源可以用于研究大气污染物的来源和化学反应机制，帮助科学家们理解和解决环境问题。
在能源科学研究中，同步辐射光源可以用于研究太阳能电池材料和催化剂等的结构与性能，为新能源的开发和利用提供支持。
在地球科学研究中，同步辐射光源可以用于研究地球内部的岩石和矿物的结构和演化过程，揭示地球的起源和演化。
同步辐射光源作为一种先进的科研工具，在各个领域都发挥着重要的作用。
它不仅提供了强大的分析能力，还能够帮助科学家们研究微观世界的奥秘，推动科学的发展和进步。
随着技术的不断发展和创新，同步辐射光源的性能将进一步提升，其应用领域也将更加广泛。
相信在未来的科研中，同步辐射光源将继续发挥着重要的作用，为人类的科学探索和技术创新提供强有力的支持。
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。
同步辐射光源在材料科学研究中的应用
同步辐射光源在材料科学研究中的应用同步辐射光源是近年来在材料科学研究中广泛应用的一种新型光源。
它可以提供高亮度、高能量、高空间、高时间分辨率和波长可调的电磁辐射，能够为科学家们提供丰富的信息和强有力的研究手段。
本文将详细介绍同步辐射光源在材料科学研究中的应用。
一、同步辐射光源的概念和基本原理同步辐射光源是指通过加速器技术将高速电子与磁场相互作用，产生窄束高亮度的电磁波辐射。
同步辐射光源提供的辐射波长范围广泛，覆盖从红外线到X射线的大部分区域，可以实现不同波长下的表征和研究。
此外，同步辐射光源的时间分辨率很高，可以追踪物质内部的结构和动态过程，真正做到了“看得见、摸得着、量得出”。
二、同步辐射光源在材料科学研究中的应用1. 同步辐射光源在材料成像中的应用同步辐射光源可以实现高分辨率、高灵敏度的材料成像。
例如，垂直光线X射线吸收成像技术（VAXI）可以将物质的微观结构和化学成分呈现出来，用于研究材料的微观形貌、晶粒结构、界面和缺陷等。
散射显微成像技术则可以用来研究材料的局部应变、纳米颗粒和生物分子等。
这些研究为材料科学提供了非常重要的基础性数据和方法论。
2. 同步辐射光源在材料表征中的应用同步辐射光源可以用于材料的各种表征和分析。
X射线衍射技术可以使用同步辐射光源产生高功率X射线，用来研究晶体结构和相变行为。
X射线荧光光谱技术和X射线吸收谱技术则可以用来研究元素的化学状态和分布。
这些材料表征技术可以为制造材料的设计和生产提供必要的信息和方法。
3. 同步辐射光源在材料性能研究中的应用同步辐射光源可以用来研究材料的物理特性和性能。
例如，同步辐射X射线光谱技术可以研究材料的电子结构和磁性质，用来分析材料的导电性、磁化率和磁畴结构等。
同步辐射光源还可以用来研究材料的光学特性、热学特性、机械性能等，提供实验数据和理论模型，为高性能材料的设计和优化提供新的思路和方法。
三、同步辐射光源在未来的应用前景同步辐射光源在材料科学研究中的应用具有广泛的前景和潜力。
同步辐射红外光源及其应用
Worldwide Synchrotron Facilities for Infrared
SRC UW
ALS
LBL
NSLS
BNL
CAMD LSU
NSRL
同步辐射红外的特点 ：
➢ 全谱段高亮度 ➢ 远红外和THz波段更高的强度 ➢ 时间结构
“Throughput limited”测量！！！
衍射限制的显微
生命科学应用－头发红外显微成像
生命科学应用－皮肤红外显微成像
表皮 真皮
凝聚态科学应用
固体的光学性质
凝聚态科学应用－红外波段丰富的物理现象
复杂体系的光学性质－高温超导体
1. Looking for new materials • 1986: High-Tc cuprates • 1990: C60 fullerene • 2000: MgB2 • 2003: NaxCoO2·3H2O • 2004: B-doped diamond • 2008: Fe-based 2. Understanding new materials
高介电系数材料的光学响应
微电子产业要求：体积更小、速度更快、功耗更低
对于随机存储器件，材料的静态介电系数直接决定了器件的 小型化远红外光学响应测量可以帮助揭示材料介电效应的物 理机制
高压研究
Investigations of the Metal-Insulator transitions in La (1-x) Ca x MnO3
第五届soft x-ray 和VUV技术应用会议 昆明 2008.8
傅立叶变换红外光谱
红外显微成像
Upper focusing mirror
Infrared Interferometer
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。
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)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
P. Postorino et al. Phys. Rev. Lett. 96, 3, 035503 (2006).
THz Gap 和 THz 科学机遇
电磁波谱中具有最丰富的科学现象，但却没有充分利用的波段
THz gap
“Much brighter terahertz beams are required for scientific and technological applications ... Large average and peak powers could be used to manipulate and alter materials, chemical reactions and biological processes.” -Mark Sherwin, Nature News & Views 520, 131 (2002).
高介电系数材料的光学响应
微电子产业要求：体积更小、速度更快、功耗更低 对于随机存储器件，材料的静态介电系数直接决定了器件的 小型化远红外光学响应测量可以帮助揭示材料介电效应的物 理机制
高压研究
Investigations of the Metal-Insulator transitions in La (1-x) Ca x MnO3
生命科学应用－单细胞红外成像
常规光源低的亮度限制了其空间分辨率(通常>15um)，其研究也被限制在生物组织层 次，而单个生物细胞的直径通常在 5－30um，因此利用常规光源来研究非常困难。 而同步辐射光源在亮度方面的优势大大提高了红外显微的空间分辨率，虽然人们近些 年才意识到这种优势并开展这方面的研究，但是发展非常快。利用高分辨的同步辐射 红外显微能够在亚细胞分辨率的层次对单个细胞进行化学成分进行成像。
Infrared
Lower aperture (field stop) Detector Lower focusing mirror
目前线站能力
64x64焦平面阵列探测器
同步辐射和常规光源比较：
不同狭缝下中红外显微的比较
100Biblioteka ISR/IBB10
10x10um 169mA 20x20um 165mA 40x40um 176mA
生命科学应用－单细胞红外成像
LURE 和 NSLS 首是首次利用同步辐射红外显微开展的单活细胞 (鼠UN2.C3)显微成像的工作，研究了其胞分裂和死亡过程中蛋白 质和脂类的分布。这项开创性的工作说明同步辐射红外显微可以 揭示更多的、重要的新信息，为深入研究单细胞提供帮助。
生命科学应用－头发红外显微成像
极端条件下远红外和THz谱学
复杂体系的低能电动力学：高温超导体，磁性，介电材料… 生物分子的结构：集体运动模式 ……
生命科学应用
生命科学应用
蛋白质
脂类
核酸
糖类
生命科学应用
胶原
肌红蛋白
β-淀粉样蛋白
细胞色素
生命科学应用
疯痒病
生命科学应用
利用同步辐射红外显微的高亮度可 以准确的研究老年病中这种很小的 病变区域，获得病理的信息。
Others: Windows, Vacuum …
第五届soft x-ray 和VUV技术应用会议 昆明 2008.8
Beamline layout
M1=extracting mirror M2= Toroid M3=Toroid M4=Flat M5=Flat M6 =Flat M7= Flat M8= Toroid
0.1 7000
wavenumber (cm-1)
THz波段强度比较
100
ISR/IBB
10
1
15 20 25 30 35 40
-1
45
50
55
Wavenumber (cm )
同步辐射红外谱学的应用和发展方向
衍射极限分辨的显微成像
生命科学和疾病早期诊断：单细胞的显微成像，组织的显微成像 地质学：流体包裹体显微成像
第五届soft x-ray 和VUV技术应用会议 昆明 2008.8
傅立叶变换红外光谱
红外显微成像
Upper focusing mirror Upper aperture (field stop) Schwarzschild “objective” x-y Sample stage Interferometer Schwarzschild “condenser”
1000cm-1 (10um)
100cm-1 (100um)
Edge radiation
sudden change of the longitudinal velocity when particle enter or exit a magnetic element
第四届同步辐射soft x-ray 和VUV技术应用会议 贵阳 2006.8
红外波谱
红外光谱－历史
红外光谱－历史
1976 1985 1985 1987 1995 1995 2001 2002 First observation of IRSR (Stevenson, Lagarde) First IRSR spectrum (Berlin) First beamline at UVSOR (Nanba) Beamline with users at Brookhaven (Williams) First int. workshop on IRSR, Rome. Observation of edge radiation, Madison. First beamline exploiting edge radiation, Karlsruhe Emission from coherent bunch modes, Berlin (Schade)
石墨烯中载流子具有线型能量－动量色散，其行为类似相对论 Dirac 准粒子，导致如反常量子霍耳效应和相对论隧道效应等吸引人 的新物理。最近，美国加州大学利用ALS的同步辐射红外显微光谱对 于石墨烯晶体管的Dirac电荷动力学进行了研究，结果显示了电子和 蜂窝状晶格间、电子间的多体相互作用，获得了一些不同于理想石墨 烯理论预测的出人意料的结果。
同步辐射红外光源及其应用
红外波谱
IR units: wavenumbers (cm-1), 10 micron wavelength = 1000 cm-1 1 eV ~ 8100 cm-1 1 THz ~33 cm-1 300 Kelvin ~210 cm-1
The Infrared Part of the EM Spectrum Near-IR: 4000 – 14000 cm-1 Mid-IR: 500 – 4000 cm-1 Far-IR: 5 – 500 cm-1 IR covers ~ 1 meV to 1 eV
Coherent Radiation
2 2 ˆ ˆ(ω ) N + N f (ω ) P(ω ) = e 2
long bunch (σz > λ)
Incoherent
Coherent coherent
short bunch (σz < λ)
BESSYII
The first stable state was observed and the first successful application storage ring for coherent Thz radiation
Worldwide Synchrotron Facilities for Infrared
SRC UW ALS LBL
NSRL
NSLS BNL
CAMD LSU
同步辐射红外的特点 ：
全谱段高亮度 远红外和THz波段更高的强度 时间结构
“Throughput
衍射限制的显微 • 更高的空间分辨率 • 更好的信噪比 • 更短的采集时间
Transport optics:
Focus system must focus this deep, curved ,diverging source onto a spot suitable for the experiments Source size:Electron beam size+Diffraction-limited size +Geometrical broadening λ σx σy projection of the source arc σ r (λ ) = 4πσψ (λ ) of length (source depth) on the xy plane In this region the transmittance of the IR beamline decreases due to diffraction losses resulting from the finite size of the optical elements Coupling between beamline and interferometer
T>Tc(~80K), 正常态，C轴反射谱显示类似绝缘体特性 T<Tc, 超导态，Josephson振荡
二维电子气－石墨烯graphene
独特的物理和电学性质
高的电导率
弹道电子输运
～1um没有散射
量子霍耳效应
微电子领域极有潜力的材料
单原子厚度的晶体管？
石墨烯graphene中的Dirac电动力学
Log Flux
incoherent
CIRCE (BERKELEY)
Log Frequency
第四届同步辐射soft x-ray 和VUV技术应用会议 贵阳 2006.8
同步辐射红外光束线
Extraction optics: collect large solid angle