第4章 同步辐射技术
同步辐射技术在材料科学中的研究及应用
同步辐射技术在材料科学中的研究及应用引言：同步辐射技术作为先进的分析探针，在材料科学的研究中发挥着越来越重要的作用。
其能够提供高亮度、高单色性、高空间分辨率和极高的时间分辨能力，为材料科学的发展提供了强有力的支持。
本文将从同步辐射技术的定义、原理、发展历程和应用等方面进行探讨，以期展示同步辐射技术在材料科学中的研究及应用。
一、同步辐射技术的定义同步辐射技术是指在同步加速器加速器中，利用高强度的同步辐射光作为探针进行精细的物理化学分析技术。
同步辐射光具有高单色性、高亮度、高空间分辨率和时间分辨能力等优点，可以探测物体的微观结构、分子成分、动力学过程和电子结构等信息。
同步辐射光的产生是通过将电子束与强磁场相互作用，从而发出高度单色的电磁波辐射而产生的。
二、同步辐射技术的原理同步辐射技术利用加速器产生的一束电子流，在强磁场中产生发射光，发出的光称为同步辐射光。
同步辐射光具有高度单色性和威秒级时间分辨率，因此被广泛应用在物理学、化学、生物学、材料科学和医学等领域。
同步辐射光的品质取决于同步加速器中的电子束质量和磁场强度，因此同步加速器设备的成功研制对于同步辐射技术的推广及应用有着至关重要的意义。
三、同步辐射技术的发展历程同步辐射技术自20世纪70年代问世以来，其应用范围不断扩大。
它最初应用于粒子物理学实验中的探测器装置，后来，随着光源设备的提高，这种技术被应用于材料科学、表面科学、催化科学和生物物理学领域。
目前，欧洲、美国、加拿大、日本等国家均拥有同步辐射光源设备。
四、同步辐射技术在材料科学中的应用同步辐射技术在材料科学中的应用涉及材料表面和界面物理，材料分子结构解析，催化反应机理研究，材料动力学和材料能带结构等研究领域。
1.材料分子结构解析同步辐射技术可以通过X射线衍射和散射实现对材料分子结构解析。
例如，通过小角散射技术，可以研究液态表面管道分子结构和稳定性，其具有足够高的时间分辨率，可以对快速的生化反应动态进行研究；通过小角X射线散射技术，实现热稳定和具有高活性的催化剂分子/离子结构的解析，这对于材料的属性设计有着很大的帮助。
同步辐射技术及其应用ppt课件
透光元件(窗)
铍是常规的透光窗口材料，缺点是有剧毒。近 年来，采用人工合成金刚石薄膜，作为透光材 料，取得较为理想的效果。
反光元件(镜)
选择合适材料及合适掠入射角，可得到较大的 反射率。多层薄膜反射镜，除了改变光束的方 向外，还有滤波的作用。把反射镜作成曲面则 具有聚焦的作用。
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聚光元件
目前常用的聚光元件有 菲涅尔波带片和毛细管 族X射线透镜等。
•••
纳米材料 复合材料 磁性材料 超导材料 ••• 材料
同步辐射技术及其应用
1
1、什么是同步辐射
同步辐射是速度接近光束的带电粒子，在 作曲线运动时，其轨道切线方向上发出的一 种电磁辐射。
同 步 辐 射
电子运行轨道
2
由于是1947年在美国通用电气公司的一台 70MeV的同步加速器中首次被观察到，故命 名为同步辐射。
3
同步辐射装置小的有一个礼堂大，大的其周 长可达两公里。这种装置的投资很大。
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时间结构
常规X光为连续发射 同步辐射为脉冲发射 脉冲宽度ns(10-9s)- ps(10-12s) 脉冲间隔ns-ms 可作单脉冲快速时间分辨实验
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辐射光谱
单电子同步辐射并非 单一波长，是由回转 频率为基频的高次谐 波组成。由于电子束 团中包含许多电子， 这些电子速度即能量 是有差异的，实际上 构成了一连续谱。
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注入器
注入器是由发射电 子及给电子加速的 加速器组成，其功 能是将电子加速到 同步辐射源要求的 额定能量。然后将 电子注入到电子储 存环中。
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加速器由直线加速器和增强加速器（同步加 速器）两部分构成。
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电子储存环
电子储存环其作用 是让具有一定能量 的电子在其中作稳 定回转运动并发出 同步辐射。
同步辐射技术在材料科学中的应用
同步辐射技术在材料科学中的应用材料科学是一个技术和工业的基础学科，它的主要任务是探索材料的基本性质和应用规律以及新材料的开发和应用。
在现代工业、信息技术等各种行业中，材料科学都具有重要的地位。
近年来，随着科学技术的不断发展，同步辐射技术已经成为了材料科学研究中不可或缺的一种重要手段。
同步辐射技术是指利用高亮度的同步辐射光源产生的电子磁波辐射进行研究的技术。
同步辐射光源是一种具有极高亮度、能量分辨率和空间分辨率的光源，它能够提供与传统研究方法不同的信息和洞察力。
同步辐射技术已经在材料科学的研究中得到了广泛应用，以下将从几个角度来介绍同步辐射技术在材料科学中的应用。
一、同步辐射在表面和界面分析中的应用表面和界面在材料科学中是一个非常重要的研究对象，它们对材料的物理性质和化学性质都有着重要的影响。
同步辐射技术可以提供高亮度的X射线光束，能够对材料的表面和界面进行非常精细的分析，并且可以探测到微观结构和元素分布等信息。
同步辐射技术还可以提供非常高的时间分辨率，能够对材料的表面和界面反应动力学进行动态观察。
二、同步辐射在无损检测和成像中的应用材料在使用过程中会出现各种变化和损坏，为了保障材料的使用寿命和安全性，需要进行无损检测和成像。
同步辐射技术可以提供高强度、高分辨率的辐射光束，可以对材料进行非常精确的成像和检测。
同步辐射技术可以应用于X射线投影成像、原位拉伸实验、探测微弱信号等方面，具有很高的检测精度和可靠性。
三、同步辐射在晶体学研究中的应用晶体学是材料科学中的一个非常重要的领域，晶体的结构可以对材料的物理性质和化学性质产生很大的影响。
同步辐射技术可以提供高强度、高分辨率的X射线光束，能够对晶体进行非常精细的分析和研究。
同步辐射技术可以帮助研究人员解决晶体成像和晶体学分析中的各种难题，提高研究的效率和准确性。
四、同步辐射在材料表征中的应用材料表征是材料科学中的一个重要领域，其任务是揭示材料的性质、结构和形态。
同步辐射技术在生物学中的应用
同步辐射技术在生物学中的应用同步辐射技术(Synchrotron Radiation, SR)是一种高亮度、强偏振、连续谱和低时间展宽的光源，由于其在物理、材料科学和化学等领域的应用，被广泛认识和使用。
除此之外，SR技术在生物学中也有着广泛的应用，从微观到宏观，从结构到功能，都可以为生命科学研究提供重要的信息。
一、 X-射线结晶结构学晶体学是研究晶体内部结构的学科，而X-射线衍射技术是现代晶体学的核心技术之一，该技术能够解析分子内部结构，探究分子间相互作用，对于研究生命体系的结构和功能至关重要。
同步辐射技术能够提供更强的X-射线衍射光束，使得晶体衍射数据的精度更高，同时也缩短了数据收集时间和样品需求量，这对于高通量结晶筛选和结构解析等方面都具有很大的帮助。
二、倍频特征光谱学倍频特征光谱学(Two-Photon Excitation Fluorescence, TPEF)是利用倍频特性产生的激发光在生物样品中激发荧光分子，通过检测激发荧光来进行样品成像。
同步辐射技术提供了高亮度和高偏振的光束，使得TPEF成像的信噪比更高，分辨率更高，并且使得荧光标记材料的选择更加广泛。
三、 X-射线荧光光谱学X-射线荧光光谱学(X-ray Fluorescence, XRF)是利用X-射线在样品中产生的荧光来分析样品成分和组成的一种分析技术。
同步辐射技术提供了高能量、高亮度、高偏振和高纵向空间聚焦的X-射线光源，可以实现高分辨率、高灵敏度和元素选择性较高的XRF 方法。
该技术在生物地质化学、环境生态、生物医学等领域中具有较为广泛的应用。
四、 X-射线吸收光谱学X-射线吸收光谱学(X-ray Absorption Spectroscopy, XAS)是一种研究原子和分子内部结构、化学状态和相互作用的评价方法，是确定生命科学系统中特异性金属离子结合位置和键合情况的关键技术之一。
同步辐射技术的狭缝束和线探测器使得XAS信号的采集速度更快、精度更高，同时也能够探测到更低浓度的元素。
同步辐射
量子力学的产生
十九世纪末和二十世纪初，物理学的发 展进入了研究微观现象的新阶段，这时许多物 理现象无法用经典理论给以解释。主要有两类， 一类是光（电磁波）的量子属性问题，另一类 是原子结构问题。普朗克和爱因斯坦的光量子 假说，玻尔的原子量子化轨道模型为量子力学 的诞生奠定了基础。
微观粒子的波粒二象性
(1)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱm
t
0
eimk t (eit e it )dt
Amk e i (mk )t 1 e i (mk )t 1 2i mk mk
考虑光的吸收，上式只有在 ~ mk ( m k ) / 时， i ( ) t 对跃迁才有显著贡献 A e 1 (1)
r , t i H (t ) r , t H 0 U (t ) r , t t r , t 在 H 0 的含时间的完备基中展开 •将
质量为的自由粒子
p2 E Ek 2
2 2 E 2
2 2 i t 2
考虑势函数的一般表达式
2 2 i V r ,t t 2
态的迭加原理：如果1、2、3n描写的 都是体系可能的状态，那么它们的线性迭加描 写的也是体系可能的状态
求解方程
f (t ) ih Ef (t ) t
2 2 r V r r E r 2
H E
方程的解
i r , t r exp Et
同步辐射技术及其应用
同步辐射技术及其应用一、什么是同步辐射技术同步辐射技术是一种基于电子加速器的高能粒子束与周期磁场相互作用产生的电磁辐射现象。
通过调节粒子束的能量和磁场的周期性，可以产生宽频谱、高亮度和高相干性的辐射光束。
同步辐射技术最早应用于粒子物理实验，随着科学技术的发展，逐渐在不同领域得到应用。
同步辐射光源已经成为研究材料科学、生物化学、医学和环境科学等领域的重要工具。
二、同步辐射技术的原理同步辐射技术的基本原理是利用加速器产生高能电子束，电子束通过磁场装置，使得电子在磁场中做螺旋运动。
当电子通过磁场区域时，会发生辐射现象，产生连续谱的电磁辐射。
同步辐射光束的光谱范围包括紫外线、X射线和γ射线等。
不同能量的电子束在磁场中的运动轨迹和辐射频率不同，因此可以通过调节加速器和磁场的参数来选择和控制产生的辐射光束的能量和频率。
三、同步辐射技术的应用3.1 材料科学研究同步辐射技术在材料科学研究中具有广泛的应用。
通过同步辐射光束的能量和频率的选择，可以对不同材料的结构和性质进行表征和研究。
3.1.1 表征材料结构同步辐射光束可以通过X射线衍射和X射线吸收等技术，对材料的晶格结构、晶体缺陷和界面结构等进行表征。
这些信息对于了解材料的性能和制备过程具有重要意义。
3.1.2 研究材料性质同步辐射光束可以用于研究材料的电子结构、磁性和光学性质等。
通过测量同步辐射光束与材料的相互作用，可以获取材料能带结构、电子云密度和磁矩等信息。
3.2 生物化学研究同步辐射技术在生物化学研究中也具有重要的应用价值。
通过同步辐射光束的高亮度和高相干性，可以对生物大分子的结构和功能进行研究。
3.2.1 解析生物大分子结构同步辐射光束可以通过X射线晶体学和小角散射等技术，对生物大分子的结构进行解析。
这对于理解生物大分子的功能和机制具有重要意义。
3.2.2 研究生物大分子功能同步辐射光束可以用于研究生物大分子的光生物学和光化学性质。
通过控制同步辐射光束的能量和极化状态，可以对生物大分子的光驱动和光响应过程进行研究。
同步辐射技术及应用
同步辐射技术的应用同步辐射是随着电子加速器技术的不断发展而产生的。
各种电子加速器是为获得高速运动的带电粒子而建造的。
随着对带电粒子的速度要求越来越高，加速器性能也在不断地改进人们相继发明了直线加速器、回旋形加速器和同步加速器。
同步加速器的出现，开创了高能物理研究的黄金时代。
利用同步加速器可以使带电粒子的速度大大提高，然而，当粒子的速度越来越大时，进一步加速粒子却很困难，因为高速运动的带电粒子在改变运动方向时，沿其轨道的切线方向会产生电磁波辐射。
1947年，美国通用电气公司的科研人员在一台70MeV的电子同步加速器上，透过真空管道,首次在可见光范围内观察到这种辐射，从此同步辐射的概念产生了。
同步辐射光作为一种新型的强光源，具有高亮度、高强度和宽频谱等特性，它的应用领域非常广阔，不仅在物理、化学、生物学等基础研究领域，而且在医学、环境和工业等应用领域也有广泛应用。
1同步辐射技术的发展及特点1.1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是在那些为高能物理研究建造的电子储存环和加速器上“寄生”运行的，同步辐射光多数由弯转磁铁引出，发射度约为几百nm・rad；第二代同步辐射光源是专门为同步辐射光的应用而建造的，主要对电子储存环的结构进行优化设计，把各种使电子发生弯转、聚焦、散焦等作用的磁铁按特殊的序列组装起来，且电子储存环里拥有少量的长直线节和插入件，它的亮度比第一代同步辐射光提高了几千倍，发射度减小到几十nm・rad；20世纪80年代末出现了第三代同步辐射光源，其性能远优于第二代同步光，同步辐射光主要由插入件引出，它的亮度比第二代同步辐射光又提高了上千倍，发射度减小到10nm・rad以下。
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。
同步辐射技术简介及其应用
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应用
生物科学应用： 生物大分子结构研究是同步辐射应用用户发展最快、重大成果最多的领域 蛋白质科学是当代生命科学研究的前沿，是生物技术与生物产业的源泉
凝聚态物理与材料科学： 凝聚态物理与材料科学是同步辐射应用最为广泛的领域,几乎所有的同步辐射技术方法都得到了广泛应用 X射线衍射：单晶衍射、粉末衍射、表面衍射 X射线散射：漫散射、磁散射、非弹性散射、小角散射、反射率、驻波法 SR吸收谱： XAFS、荧光谱学、MCD、光电子能谱 成像技术：X射线显微、软x射线显微、光电子显微、X射线全息(荧光全息、吸收全息)、X射线 相干衍射
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谢谢欣赏
同步辐射光作为一种新型的强光源，具有高 亮度、高强度和宽频谱等特性，它不仅在物理、 化学、生物学等基础研究领域，而且在医学、环 境和工业等应用领域也有广泛应用。
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特点
空间发散角： 常规X射线：半球面发射 同步辐射：圆锥发射
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特点
时间结构： 同步辐射具有一定的时间结构。由于电子速度接近光速，两个 辐射脉冲间隔实际是非常近的。 常规X射线为连续发射，同步辐射为脉冲发射。
分子环境科学： 在分子尺度上研究环境中污染物的形态、污染物的迁移和转化的复杂化学过程的新兴前沿学科。 目前分子环境科学科主要研究污染金属元素和放射性核素等人类活动造成的污染及其治理方法。
9
应用
同步辐射的产业应用： 同步辐射具有重要应用前景的产业领域：
生物技术与制药 化工：催化剂研究 半导体工业：超微光刻工艺与检测技术 MEMS/NEMS：微纳加工
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应用
地球科学应用： 地球科学的根本目的是了解地球演变的过程，预测未来的发展，了解金属、矿石、化石燃料在地壳中的聚集 情况，这些都是与人类的生存环境和资源密切相关的。 利用高亮度同步辐射装置能分析周期表上所有稳定的或长寿命的矿物元素，可研究处于极端高温、高压条件 下物质结构、状态变化，弄清地壳深处和地幔中矿物的相变和状态方程，了解矿物的物理特性与原子尺度结构的 关系等。
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宽能谱 从红外线、可见光、真空紫外线、软X射线一 直延伸到硬X射线
II.
10Biblioteka 11III.小发散
12
IV.
脉冲光
13
V.
高偏振度
14
VI.
具有精确的可预算的特性。可以用作各种
波长的标准光源。
VII.
绝对洁净。因为它在超高真空产生，而没
有任何如阳极、阴极和窗口带来的干扰
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同步辐射装置
发生装置（光源） 光束线 实验站
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同步辐射装置组成部分及功能
一、同步辐射发生装置 1、注入器 直线加速器（linac):初步加速，几十至几百MeV, 产生电子，形成电子束团 增强器（Booster):用同步加速器进一步加速电 子达到需要值，可达GeV
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2、电子储存环 一定能量电子在环内稳定的运转，发射同 步辐射 由磁聚焦结构、高频加速谐振腔、束流传 输束线、插入件（扭摆器、波荡器）及真 空室构成
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2、从储存环出口到实验装置的一段
作用：除类似前端区功能外，主要是对辐射 加工，以获得有一定能量（范围）、一定光 斑尺寸和平行度的实验用光束
元件：反射镜、准直镜、聚焦镜、单色器、
狭缝
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1皮秒等于一万亿分之一（即10的12次方分之一）秒
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第四章
同步辐射技术及其在材料学 中的应用
1
同步辐射光源和同步辐射装置 同步辐射技术及其在材料学中的应用 上海同步辐射中心简单介绍
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同步辐射光源和同步辐射装置
3
同步辐射 是一种先进和不可替代的光源 是一类与中子散射互补的大科学装置 是一个产生新的实验技术和方法的平台 是一个不同学科互相交融的理想场所 是一个凝聚和培养优秀创新人才的基地
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SAXS 和 WAXS 实例
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XRR的基本原理
•X射线在样品表面发生反射和折 射现象 •折射光进入样品内部，在薄膜于 衬底/下一层 的界面又发生反射 和折射。 •两束反射光束发射干涉，产生干 涉条纹
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掠入射X射线衍射(GIXRD)和掠入射X射线散射 过程类似，机理和XRD相同。而通常XRD测量 时，一般来说入射－衍射束构成的平面垂直 于试样表面（晶面），这样X射线穿透样品较 深，出射信号含表面薄膜信号很少，测量对 表面结构不敏感，所以也可以简单的理解为 GIXRD就是专门针对表面薄膜的XRD。
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上海同步辐射中心
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二、光束线：
作用：对原始白色辐射进行加工以满足实验对波长、 尺寸等的要求，并把辐射从发射点引导到实验装置 的整个光路。 1、前端区：从发射点到储存环出口 作用：截取、引导、控制辐射：防止辐射对仪器、 设备和人体造成损伤；保护储存环真空 元件：狭缝、挡光器、真空快慢阀、光闸、真空 位置探测器、光束位置监控器、隔离窗。
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同步辐射小角X射线散射（saxs）主要应用于尺寸为 1nm—100nm的纳米结构表征，可以表征固体、液体、 粉末、薄膜等多种形式的样品，主要应用的领域有聚合 物、纤维材料、金属材料、半导体材料等等。常见的实 验方法为透射的SAXS和掠入射的小角散射 （GISAXS），这两者的区别是透射的SAXS测量的是 体相结构的信息，而GISAXS则是测量的表面及表层结 构，因此常用于薄膜材料的表面及表层不同深度的结构 表征。而这两种实验方法又都可以做一些原位的实验， 例如样品在拉伸、剪切、变温等实验环境下的结构变化， 催化剂的反应过程测量。因此具有非常灵活的实验手段， 可以根据需要自行加入相关设备，实现各种实验过程的 有效表征。
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什么是同步辐射？
实验观察
接近光速运动 的电子在改变运动方向时会沿切线方 向辐射电磁波。1947年4月，F. R. Elder等人在美国通 用电气实验室的70MeV的电子同步加速器上首次观察 到了电子的电磁辐射，因此命名为同步辐射。
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同步辐射光的特点
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I.
高亮度
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高亮度的优势： 实时（化学反应动力学、相变过程、活细胞 变化过程） 原位（高低温、高压、高真空等） 微量样品 其他要求高光强的实验，如X射线反射等