同步辐射及其应用-中国科学院金属研究所
同步辐射的基本知识第三讲同步辐射中的散射术及其应用_五_
理化检验-物理分册PTCA(PART:A PH YS1TEST1)2009年第45卷3专题综述同步辐射的基本知识第三讲同步辐射中的散射术及其应用(五)杨传铮1,程国峰2,黄月鸿2(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050; 2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)Basic Knowledge of Synchrotron Radiation)))Lecture No.3Scattering Technique and Its Applicationsin Synchrotron Radiation(Õ)YANG Chuan-zheng1,CHENG Guo-feng2,HUANG Yue-hong2(1.Shang hai Institute of M icro-Sy stem and Info rmation T echnolog y,Chinese A cademy o f Science,Shanghai200050,China;2.Shang ha i Inst itute of Ceromics,Chinese A cademy o f Sciences,Shang hai200050,China)中图分类号:O434.11文献标志码:A文章编号:1001-4012(2009)03-0186-054介孔材料的X射线分析介孔(meso-porous)材料是一种特殊材料, 1992年,美国M obil公司的Kr esge[7]首次在Natrure杂志报导一类硅铝酸盐为基的新颖介孔氧化硅材料。
介孔氧化硅材料的基本合成过程为[8]:将表面活化剂、酸或碱加入水中组成混合溶液,然后向其中加入硅源或其他物质源,反应所得产物经水-热处理或室温陈化后,进行洗涤和过滤等处理,最后经煅烧或化学处理过程除去有机表面活性剂,得到只有无机骨架结构的介孔材料。
介孔材料的孔间材料可为非晶体,也可是晶体。
同步辐射的原理与应用
同步辐射的原理与应用1. 原理介绍•同步辐射是高能粒子穿过磁场或电场时，发射出非常强大的电磁辐射的现象。
•在同步辐射源中，高能粒子经过弯曲的轨道，并同时受到磁场的影响，使其以弧形轨迹运动。
•在粒子加速运动的过程中，将失去能量，并以窄束束团的形式以光速释放出来。
2. 原理的应用2.1 光源技术•同步辐射可产生高亮度、低发散度的强辐射光束，可以被用于多种实验室和工业应用中。
•用于光源技术的同步辐射非常接近自然光，波长范围从红外到X射线，因此能够满足不同实验需求。
•同步辐射被广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学等领域的实验研究，并取得了重要的科学研究成果。
2.2 结构生物学•同步辐射在结构生物学中起着关键的作用，可以用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。
•结构解析方法包括X射线晶体学、小角散射技术等，通过同步辐射产生的高亮度光源，可以提供更高的分辨率和更详细的结构信息。
•结构生物学的研究有助于了解生物体内分子之间的相互作用，从而揭示生物过程的机制。
2.3 表面科学•同步辐射可应用于表面科学，用于研究物质表面的性质和反应行为。
•通过X射线和光学技术，可以对材料的表面结构、成分和电子状态进行表征。
•表面科学的研究对于材料制备、薄膜涂覆和能源存储等领域具有重要的应用价值。
2.4 医学影像学•同步辐射在医学影像学中的应用主要集中在CT和X射线成像。
•同步辐射的高强度光源可提供高分辨率的影像，用于检测和诊断疾病。
•同步辐射的应用在医学领域有望改善影像质量、减少辐射剂量，并提高诊断准确性。
3. 同步辐射设施•目前世界上有许多同步辐射设施，如昆明同步辐射装置、北京同步辐射装置等。
•同步辐射设施在国内外广泛建设，以满足科研和工业的需求。
•这些设施通常包含加速器、磁铁、束线系统和实验站等组成部分，提供稳定的、高品质的同步辐射光源。
4. 总结•同步辐射的原理和应用已经在科学研究和工业领域取得了巨大的成功。
•同步辐射光源提供了高亮度、高分辨率的光束，使得各个领域能够进行更深入的研究和应用。
同步辐射及其应用
同步辐射及其应用
麦振洪
中国科学院物理研究所
同步辐射（Synchrotron Radiation, 简称SR）是高能量电子或正电子作加速运动时所发射的电磁辐射。
1946年Blewett 首先在电子加速器上观察到同步辐射，标志着一种新的光源时代开始，从二十世纪四十年代第一代同步辐射光源到二十世纪九十年代第三代同步辐射光源建成，同步辐射光源的应用给予科学技术发展提供了一个新的实验平台，一种新的途径。
一些常规光源认为不可能做的实验成为可能，而且还发展了很多新技术和新方法。
现在同步辐射应用已被广泛认为是几乎所有学科不可缺少的分析工具，有力地促进和推动科学技术的各个领域的发展，成为当今最重要的X射线源之一。
目前我国现有四个SR装置：北京正负电子对撞机国家实验室（BEPC）的同步辐射装置（BSRF）于1988年建成、出光；合肥国家同步辐射实验装置（HFSRF）于1989年建成、出光；中国台湾同步辐射装置（SRRC）于1991年建成、出光；上海光源（SSRF）于2007年12月24日出光。
报告将介绍同步辐射的产生、性质、实验方法及在多层膜及软物质研究中的应用。
高能同步辐射光源科学数据传输系统设计和实现
高能同步辐射光源科学数据传输系统设计和实现
庄博;胡皓;齐法制;曾珊
【期刊名称】《数据与计算发展前沿》
【年(卷),期】2024(6)2
【摘要】【目的】高能同步辐射光源HEPS(High Energy Photon Source)是我国第一台高能量同步辐射光源,预计2025年建成。
HEPS建成后,首批投入使用的15条光束线站预计每天会产生200TB实验数据。
为满足不同阶段对实验数据的读写需求,会对海量实验数据进行分级存储和长期备份。
如何将这些数据在不同存储介质之间稳定和高效地传输是HEPS实验中需要解决的重要问题。
【方法】HEPS科学数据传输系统设计了多源DAQ接口、任务调度、消息队列、集群传输、日志监控、配置管理和消息通知等功能模块。
【结论】系统实现了海量数据在不同存储介质间的高效、可靠传输。
【结果】系统现部署在北京同步辐射多个线站,用作HEPS数据传输的前期验证,运行稳定、效果良好,为科研人员和用户提供了良好的数据传输服务。
【总页数】11页(P145-155)
【作者】庄博;胡皓;齐法制;曾珊
【作者单位】中国科学院高能物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
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同步辐射实验安全知识中国科学院高能物理研究所
同步辐射实验安全知识中国科学院高能物理研究所一、辐射安全防护1.防护屏蔽：在辐射源周围设置特殊材料构成的屏蔽壁，以阻挡和吸收X射线和电子辐射。
材料的厚度和质量要根据实验室辐射强度进行合理设计。
2.个人防护：工作人员必须佩戴合适的防护设备，如铅玻璃眼镜、铅衣、铅手套等。
同时，对人员进行辐射剂量监测和定期体检，确保其辐射剂量不超过国家标准。
3.辐射区域划分：将实验室划分为不同区域，根据辐射强度设置相应的工作区域和存放区域。
对不同区域的人员和物品进行限制，确保辐射安全。
4.辐射监测：安装辐射监测设备，对实验室内的辐射水平进行实时监测，并设置报警装置，一旦辐射超标立即采取相应的应急措施。
5.安全培训：对实验室工作人员进行辐射安全知识培训，提高他们的安全意识，严格按照操作规程进行实验操作。
二、设备安全管理1.设备检修：定期对加速器和X射线束发射器进行检修和维护，确保其性能稳定和安全可靠。
2.设备保护：设置设备运行参数的限制，防止出现超出安全范围的操作。
同时，设备周围设置防护装置，防止人员误入或接触到高能辐射。
3.应急预案：制定设备故障和事故的应急预案，明确应急处理措施，确保在发生事故时能够及时、有效地处理。
4.设备培训：对使用设备的工作人员进行专业培训，提高他们的设备操作和维护能力，减少设备故障和事故的发生。
三、环境安全保护1.废弃物处理：对实验过程中产生的废弃物，如污水、碎片等进行分类处理，并按照国家标准进行安全的处理和处置。
2.环境监测：定期对实验室周围环境进行辐射水平和污染物的监测，确保环境安全。
3.紧急预案：制定环境事故的紧急预案，包括污染物泄漏、事故处理等内容，以便在紧急情况下能够及时采取应对措施。
综上所述，同步辐射实验是一项高风险的实验研究，为了保障人员和设备的安全，应严格按照辐射安全防护措施进行实验操作，并加强设备管理和环境保护，确保实验过程的安全性。
在实验中严格遵守操作规程，加强安全培训，提高实验人员的安全意识，切实保障同步辐射实验的安全进行。
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。
同步辐射科普.
同步辐射科普.同步辐射及其应⽤⼀、同步辐射世间万物都是由原⼦组成的，⽽原⼦是由原⼦核和核外电⼦构成的。
原⼦核带正电荷，核外电⼦带负电荷，并且正电荷和负电荷的数值相等，因此原⼦是呈中性的。
原⼦中的电⼦以很快的速度绕原⼦核旋转，如同⾏星绕太阳运动⼀样。
原⼦的尺⼨是很⼩的，只有⼀亿分之⼀厘⽶；原⼦核的尺⼨更⼩，只有⼗万亿分之⼀厘⽶，但原⼦的绝⼤部分质量都集中在原⼦核中。
原⼦的激发会产⽣光。
红外光、可见光、紫外光，是原⼦的外层电⼦受到激发后产⽣的；X 光是原⼦的内层电⼦受到激发后产⽣的；伽傌光是原⼦核受到激发后产⽣的。
由于每⼀种元素的原⼦发出的光都有它⾃⼰的特征光谱，因此可以根据物体发射的光谱来分析它的化学组分。
运动着的电⼦具有加速度时，它会放出电磁辐射，或者说它会发光。
因为光也是⼀种电磁辐射。
当电⼦在磁场中作圆周运动时，因为有向⼼加速度，所以也会发光。
电⼦在同步加速器中绕着磁场作圆周运动时发出的电磁辐射叫同步加速器辐射，简称同步辐射，或叫同步光。
其实电⼦在电⼦感应加速器，或电⼦回旋加速器中作圆周运动时也会发出这种电磁辐射。
但是因为这种辐射是1947年在美国通⽤电器公司的⼀台70MeV的电⼦同步加速器上⾸先发现的，所以⼤家都叫它同步辐射，⽽不叫它感应辐射，或回旋辐射。
现代的同步辐射光源是⼀台电⼦储存环。
电⼦储存环也是⼀种同步加速器，因此它也能发出同步辐射，⽽且是⼀种更稳定、性能更好的同步辐射。
接近光速的电⼦在储存环中作回旋运动，同时不断的发出同步光。
电⼦储存环并不能直接把电⼦从很低的速度加速到接近光速，⽽需要⼀台、有时需要两台较低能量的加速器把电⼦的速度提⾼到接近光速，然后注⼊到储存环中。
譬如我们合肥光源（HLS）就有⼀台200MeV的电⼦直线加速器作为注⼊器，把电⼦从80keV（速度为0.5倍的光速，光速为每秒30万公⾥）加速到200MeV（速度达到0.999997倍的光速），再注⼊到储存环中，然后电⼦再在储存环中从200MeV加速到800MeV（速度达到0.9999998倍的光速）。
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。
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Synchrotron Radiation and its Application
孙晓英 材料环境腐蚀研究中心
Contents
同步辐射简介
光电子能谱XPS
软X射线XAFS
X射线荧光分析 SR在腐蚀中的应用
同步辐射简介
衍射、折射、散射检测特性等 产生光激发、光吸收、荧光、光电子发射等特性
同步辐射简介
弯转磁铁强迫高能电子束团， 在切线方向电磁波发射出来。
同步辐射:速度接近光速的带电粒子在磁场中作变速运动时放出的电磁辐射
同步辐射简介
1947 1960s 1965 1970s 目前
美国、通用电气 同步加速 器发现
SR应用的可行性研究
意大利 Frascati建成储存环 SR应用的现代阶段-3代 约70座试验用SR加速器
Eb＝hν-Ec-Ws
e-
Photoionization 光电离
利用光电子能谱可判别表面原子的种类和决定表面电子态 注意：XPS的入射光子可以来自同步辐射或其他X射线 同步辐射光电子能谱的优点： 以单色化的同步光作为激发光源，研究材料表面和界面电子及原子结 构 其特点是能够提供对表面极为敏感的信息
自然状态下的生物样品 接近或达到分子水平 细胞、细胞器的超微结 构
伦琴发现X射 线-工业、医 学应用
像差、镜面面形、 分辨率不如电子 光洁度 显微镜 X射线成像元器件
研制 X射线显微镜
优点：
1.穿透深度大于电 子显微镜（μm）
高亮度、可调谐பைடு நூலகம் 相干 软X射线光源
2.生物物质与水的 吸收系数相差较大 水窗-水“透明”
强度衰减 吸收谱、光刻、微细加工、成像、X光显微术、微束CT
同步辐射应用
研究方法： 光电子能谱（XPS）
软X射线光谱
硬X射线光谱（透射方法、荧光方法）
X射线衍射
光刻和超微细加工等
光电子能谱- XPS
XPS
Before collision
After collision
M
M+
入射光子 E=hγ
世界上四大高能光源： 法国的ESRF（6G）、日本的SPring-8、美国的APS、德国的Petra III （6G）
同步辐射简介
1970S末第一代 高能物理研究 1984-SR-2.2GeV 硬X射线
BSRF 北京
SSRF 上海
先进第三代 X射线-远红外高亮度 3.5GeV世界先进
NSRL 中科大
同步辐射简介
美国 APS 7GeV
电子枪 直线加速器 - 预加速 增强器 - 加速到满能量 储存环 光束线 实验站
ESRF示意图： European Synchrotron Radiation Facility
同步辐射简介
特点： 1 通量大、亮度高 同步辐射光源是高强度光源，有很高的辐射功率和功率密度, 第三代 同步辐射光源的 X射线亮度是X光机的上千亿倍 2 频谱宽，连续可调 同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线 3 方向性强，天然高准直性 同步辐射发散角小，光线是近平行的，其利用率、分辨率均大大提高 4 脉冲性和有特定的时间结构 具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。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 5 洁净光源，对环境没有任何污染
►表面化学组成： 表面元素组成、表面元素的分布、表面 化学键、化学反应等 ►表面结构： 表面原子排列、表面缺陷、表面形貌 ►表面原子态：
表面原子振动状态、表面吸附(吸附能 吸附位) 等
►表面电子态： 表面电荷密度分布及能量分布、表面能 级性质、表面态密度分布、价带结构
软X射线XAFS
软x射线：波长大于0.5nm，即能量低于约2000eV的X射线。 适合于生物X射线成像技术（2nm~10nm)
中国
低能第三代
台湾
1983年90初建成低能第二代 800MeV不产生硬X射线 线站：光电子能谱、光化学、光 刻、软X射线谱、时间分辨
同步辐射应用
同步辐射与物质的相互作用 改变传播方向 衍射谱、小角散射、大角散射、漫散射、非弹性散射
二次粒子的发射 ——次级辐射或粒子 光电子谱、光离子谱、 荧光谱 光电子、俄歇电子、荧光
同步辐射简介
SR应用的现代阶段
第一代 ：20世纪70年代的第一代光源是与高能物理加速器共用的储存环
第二代： 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，电子储存环则是专门为使用同步辐射光而设计的，主要从偏转磁铁 引出同步辐射光
第三代：80年代后期，储存环中装入特别的插件磁铁(波荡器和扭摆器) ， 使电子由偏转一次变成多次偏转，同步辐射的亮度则可提高一千倍以上
光电子能谱 - XPS
当元素处于化合物状态时，与纯元素相比， 电子的结合能有一些小的变化，称为化学位移， 表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。 测量化学位移，可了解原子的状态和化学键信息。
光电子能谱-XPS
XPS表面分析方法，样品表面的元素含量与形态，深度约为3-5nm。
表面分析的主要内容有：
1895
1920s~1960s
1970s
软X射线XAFS
在软X射线波段（100~2000eV），吸收谱研究工作主要集中在：
1、C、N、O等轻元素的K边；
C的K边~280eV N的K边~390eV O的K边~530eV 2、钛、钒、铁、锰等过渡族元素的L边； 过渡族金属的L边大部分在400~1000eV 3、部分镧系稀土元素的M边；
同步辐射简介
国家 美国 同步辐射实验室 NSLS 布鲁克海文国家实验室 ALADDIN 威斯康星同步辐射中心 SPEAR 斯坦福直线加速中心 ALS 劳伦斯贝克莱国家实验室 APS 阿贡国家实验室 德国 HASLAB,DESY,汉堡 BESSY 柏林，物理技术所 DELTA 多特蒙德 ELSA 波恩大学 俄罗斯 英国 意大利 日本 韩国 法国 VEPP, 新西伯利亚核物理研究所 Siberia, 莫斯科原子能所 SPS, Daresbury, 达累斯堡 ADONE 弗拉丝卡地 ELETTRA 的里亚斯特 Spring-8 西播摩同步辐射研究所 PF 筑波,高能物理研究所 PLS 汉城浦项同步辐射光源 ESRF, 格勒诺布尔 DCI, Lure, 奥塞 类型 ２ ２ ３ ３ ３ 2 3 3 1 1 2 2 2 3 3 2 3 3 2