激光与同步辐射结合技术讲解
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。
同步辐射的基本知识第一讲同步辐射光源的原理_构造和特征
专题综述同步辐射的基本知识第一讲同步辐射光源的原理、构造和特征杨传铮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 K NOWLEDGE OF SYNCHROT RON RADIAT ION )))LECT U RE No.1PRINCIPLE,CONST RU CT ION AND CH ARACTERSOF SYNCHROT RON RADIAT ION SOU RCEYANG Chuan-zheng1,C HENG 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.Shanghai Institute of Ceram ics Chinese A cademy of Sciences,Shanghai200050,China)中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编号:1001-4012(2008)01-0028-051同步辐射光源的原理和发展简史同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波,因是在电子同步加速器上首次观察到,人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射,由于电子在图形轨道上运行时能量损失,故发出能量是连续分布的同步辐射光。
关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard 的工作,进一步的理论工作由Schott,Jassinsky, Kerst及Iv anenko,Arzim ovitch和Pomeranchuk 等直至1946年才完成,Blew ett的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响,并观察到辐射对电子轨道的影响,Lee和Blew ett较详细地给出了发展史的评论。
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。
同步辐射原理
同步辐射原理
同步辐射是一种由激光器产生的高能辐射，它可以被用来在短时间内激发和检测物体表面的光学活性物质。
同步辐射的最大优势在于它的高能量密度，可以使物体表面瞬间达到超高温，从而激发物体表面的光学活性物质。
此外，同步辐射还可以用于检测物体表面的光学性质，这样能够更加准确地测量物体表面的物理性质，以及改变物体表面的光学性质。
同步辐射最初由费曼在1908年提出，并由克拉克在1969年提出了有关其物理原理的有效证明。
主要的物理原理是，当一个激光器的输出光束激发一个反射镜时，会在反射镜上形成一个强而有序的辐射带，这就是所谓的“同步辐射”。
同步辐射的实际应用包括超快科学、材料科学、固体表面物理学和超低温物理学。
它在超快科学领域中被广泛应用于光学激发，可以用于研究物理和化学反应的动力学，以及相关物质在超快速度下的变化。
它也可以用于设计新的材料，因此它也是材料科学领域的重要研究工具。
另外，同步辐射还被广泛应用在固体表面物理学领域，使研究者能够精确地测量表面物理性质，并可以改变表面物理性质。
最后，同步辐射也被用于超低温物理学，以辅助研究超低温时物质的物理性质。
从物理原理上讲，同步辐射是一种高能量密度的，能够达到超高温的，用于激发和检测表面光学活性物质的辐射。
它也被广泛应用在多个领域，如超快科学、材料科学、固体表面物理学和超低温物理学。
它的应用使人们能够更加精确地测量物体表面的物理性质，以及改变物体表面的光学性质，从而实现各种科学研究的目的。
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。
磁性材料在同步辐射及自由电子激光中的应用
无 机 材 料 学 报
Vol. 31 No. 10
Journal of Inorganic Materials
Oct., 2016 DOI: 10.15541/jim20160177
磁性材料在同步辐射及自由电子激光中的应用
Key words: synchrotron radiation; free electron laser; permanent magnet insert device; magnetic materials.
光源发光是由于光源中粒子如电子、原子、分 子等运动产生, 主要有三种方式: 热运动、 跃迁辐射 和带电粒子加速运动。热运动产生光是生活中最常 见的, 太阳光、 蜡烛就是很好例子, 此类光随着温度 变化会改变颜色。 跃迁辐射光是由物质粒子如分子、 原子等通过能级间跃迁产生 , 粒子自发从高能级激 发态 E2 向低能级基态 E1 跃迁, 同时辐射出频率为
( E2 E1 ) / h 的光子, 这种过程称为自发辐射。 当
外来光子入射时 , 会引发原子以一定概率迅速从能 级 E2 跃迁到能级 E1, 同时辐射一个与外来光子频
率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子, 这 个过程称为受激辐射 , 这种在受激辐射过程中产生 并被放大的相干光就是激光。带电粒子加速运动产 生光通常称为同步辐射光和自由电子激光 , 称为基 于加速器光源 , 原子核反应堆切伦科夫辐射也属于 这种。 插入件是同步辐射和自由电子激光装置的关键 设 备 之一 [1-3] 。 1985 年 , 美国 伯克利 国 家实 验室 Halbach 首先利用稀土永磁研制出 Halbach 波荡器插 入件 [4], 大大缩短了插入件的周期长度。自上世纪
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。
同步辐射光谱技术在材料研究中的应用
同步辐射光谱技术在材料研究中的应用随着科技的不断进步，人们对于材料的研究也越来越深入，同时也需要更加精确的分析手段。
同步辐射光谱技术就是一种能够对材料进行高精度分析的方法，并且在材料研究中有着广泛的应用。
一、同步辐射光谱技术概述同步辐射光谱技术是利用大型同步辐射装置产生的亮度极高的射线进行材料的非常规分析，在材料科学、化学、生物学等多个领域都得到了广泛的应用。
这种技术最大的优势在于可以提供高分辨率、高能量的光谱数据，这对于材料的原子结构分析和表面结构分析都有着很大的帮助。
同时，同步辐射光谱技术也可以在不同辐射能量和探测角度下进行分析，从而获取更加全面和精确的数据，在各种不同的材料研究中都可以发挥重要的作用。
二、同步辐射光谱技术在表面结构分析中的应用同步辐射光谱技术可以对材料的表面结构进行分析，这在表面纳米结构材料的研究中非常有用。
在材料表面上由于晶格缺陷、形貌异质性和吸附分子等原因常常存在很高的电子密度，直接利用X射线等光学手段难以获取正确的表面结构信息。
而同步辐射光谱技术可以通过X射线衍射、光电子能谱和XAFS等多种手段精确分析材料表面的物化特性，从而更加准确地描述表面结构，解析表面物理化学性质。
三、同步辐射光谱技术在材料电子结构分析中的应用同步辐射光谱技术不仅可以对材料的表面结构分析，在材料电子结构分析中也有着广泛的用途。
利用同步辐射光谱技术，可以通过X射线吸收光谱和光电子能谱等不同的方法，研究材料内部电子的能谱分布和电子态密度，进一步解析材料的电子性能、能带结构等特性。
而对于新型功能材料电子结构的研究，同步辐射光谱技术能够非常有效地推动材料性能的优化和改进。
四、同步辐射光谱技术在材料应用研究中的应用在材料应用研究中，同步辐射光谱技术的应用也非常重要。
例如，在制备新型催化剂材料中，需要对催化剂材料进行定量分析以确定其化学成分、结构和电子性质等，在这个过程中同步辐射光谱技术可以提供非常有用的实验方法。
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激光与同步辐射结合技术
同步辐射与激光结合的实验主要为所谓的双色类型试验，即某一波长的激光(或同步辐射)光子激发样品后由另一波长的同步辐射(或激光)光子进行探测.由于激光和同步辐射都是脉冲光源，实验要求将激光与同步辐射进行同步化。
同步辐射光的脉冲性质是由电子储存环中电子的束结构所决定的.对于单一电子束运转情况，脉冲周期t由电子储存环周长L可以估算出：t=L/c，其中c为光速.在大多数第三代同步辐射装置上，由于高辐射亮度要求多电子束运转
同步辐射与激光结合的实验主要为所谓的双色类型试验，即某一波长的激光(或同步辐射)光子激发样品后由另一波长的同步辐射(或激光)光子进行探测.由于激光和同步辐射都是脉冲光源，实验要求将激光与同步辐射进行同步化。
同步辐射光的脉冲性质是由电子储存环中电子的束结构所决定的.对于单一电子束运转情况，脉冲周期t由电子储存环周长L可以估算出：t=L/c，其中c为光速.在大多数第三代同步辐射装置上，由于高辐射亮度要求多电子束运转，这时同步辐射光脉冲周期t相应地缩短n倍(n为电子束数).目前同步辐射光源的典型脉宽是几十皮秒，多束转运脉冲周期多为几个纳秒，占空因子Δt/t约为
10-2—10-3.如果使用一个连续激光光源，一般希望同步辐射的电子存储环内注入较多的电子束运转，使同步辐射光源的重复工作频率尽可能地提高，以产生大的占空因子Δt/t和连续激光相适应.在脉冲激光的情况下，激光脉冲和同步辐射光脉冲的同步是非常关键的.对于像锁模激光器或者飞秒激光振荡器这类工作在高重复率(典型重复率是80MHz)的激光器而言，它的输出光脉冲与高重复频率的同步辐射光脉冲可能产生部分重叠，即发生偶然同步，满足某些实验要求.如果同步辐射光源与一个低重复的激光光源(如准分子激光器或Nd∶YAG激光器)相结合，则需要严格的脉冲同步化以提高实验效率.脉冲同步化的时间基准通常取自同步辐射装置中用于补充电子束能量的射频源.射频源的时间信号往往需要通过一个电子学分频器分频后作为脉冲信号输出，触发激光器振荡.这时同步辐射光脉冲重复频率与激光脉冲频率恰为整数倍，使得某些同步辐射的光脉冲完全和激光脉冲发生重叠.由于同步辐射电子束注入运转一定时间后电子束发散度的变化会带来同步辐射光脉冲结构的变化，实际在实验上还需进一步监测两个脉冲的时间、空间重叠情况.并且为了提高信噪比，测量电子学系统也往往采用时间门电子学计数技术，扣除各种背景噪音。
同步辐射与激光相结合可以应用在光电子能谱、质谱、吸收、发光光谱等谱学中.结合同步辐射和激光的双色实验具有一些其他方法不能比拟的优点.例如，两光子可以达到很宽的激光能量范围，产生与单光子过程完全不同的终态，进而大大扩展了以往的实验研究范围和补充了单一光源的单光子过程所能得到的信息.另外，由于双色实验基本上是一个两步过程，使用的光源都是脉冲的，如果同步两个光源并改变两个光脉冲的相对时间延迟，则可以进行时间分辨激发态过程的研究。
早期研究主要是气态或固态样品双色光子产生的吸收谱测量。
第一个利用同步辐射和激光结合的实验是1980年Saile在德国汉堡同步辐射装置(DORIS)上完成的。
Saile通过测量同步辐射激发吸附在金属表面的Kr原子的激子态，并用N2激光器光脉冲电离所产生的光电子产额，研究稀有气体固体Kr的激子结构及其弛豫过程.由于选择定则的不同，这一实验观察到了多个新的激子态.这种双色实验也可以通过虚中间态共振实现.由于同步辐射的光子能量很高，这种结合技术特别适用于研究像KI,KCl,NaCl和BaF2等一类宽带隙的介电体的电子结构.此外，这一方法还被应用在研究高能光子在晶体中产生的色心、有机染料分子的瞬态弛豫，等等。
同步辐射与激光结合在原子分子激发态结构、特性和动力学的研究中有着广泛的应用.对于自由原子分子，利用激光优异的偏振、光谱分辨和可调谐性能，可以实现原子分子的态选择激发或特定瞬态产物的产生，然后利用同步辐射的高能光子将其电离.这种泵浦-探测(pump-probe)实验可以提供丰富的高分辨的态选择信息。
激光与同步辐射相结合发展成为一个新的研究技术，进一步的应用仍在开拓。