北京同步辐射装置X射线成像技术介绍
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xafs吸收谱
同步辐射XAFS吸收谱同步辐射X射线吸收谱（XAFS）是一种强大的结构表征技术，它广泛应用于材料科学、化学、物理等领域。
XAFS技术利用同步辐射光源产生的高亮度、高强度的X射线，通过测量吸收谱的变化来研究材料的局域结构和电子结构。
以下是关于同步辐射XAFS吸收谱的简要介绍：1. 同步辐射光源：同步辐射XAFS实验通常利用大型的同步辐射光源，如储存环。
这种设施产生高度同步化的X射线束，具有高亮度和强度，能够提供足够的光子流量进行XAFS实验。
2. 原理和技术：XAFS的基本原理：XAFS测量基于材料对入射X射线的吸收，其吸收边缘的细微结构包含了有关材料局域结构和电子结构的信息。
XAFS技术：XAFS谱通常包括X射线吸收近边（XANES）和X射线吸收远边（EXAFS）。
XANES提供关于电子结构的信息，而EXAFS提供有关局域原子结构的信息。
3. 实验步骤：样品准备：样品通常以粉末或薄片的形式准备。
样品的制备对于获取准确的XAFS谱至关重要。
实验条件设定：要根据具体的实验目的选择合适的同步辐射光源和探测器，以及适当的能量范围。
数据采集：在不同的能量范围内采集XAFS数据，包括XANES和EXAFS。
数据的质量和数量对于后续分析非常重要。
数据分析：利用适当的分析软件对XAFS数据进行处理，包括傅立叶变换等方法，以提取结构信息。
4. 应用领域：材料科学：XAFS广泛应用于研究材料的晶体结构、电荷转移和电子状态。
催化剂研究：用于研究催化剂表面结构和活性位点。
生物医学：在生物医学研究中，XAFS可用于研究生物大分子的结构。
5. XAFS的优势：高灵敏度：同步辐射光源提供高亮度的X射线束，使得XAFS实验对于稀有或微量样品非常敏感。
高分辨率：XAFS可提供高分辨率的结构信息，揭示材料的微观结构和电子结构。
无损测量：XAFS是一种无损测量技术，不会破坏样品。
同步辐射XAFS吸收谱技术在材料科学、化学和生物医学等领域的研究中发挥着重要作用。
同步辐射装置及其应用
同步辐射的特点
• 高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。 用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而 利用同步辐射光源只需要几秒。 • 宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,是目前唯一能覆盖这 样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择 所需要的波长,进行单色光的实验。 • 高准直：同步辐射的发射度极小,准直性可以与激光相媲美。 • 脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子 束作回旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮 秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。 • 偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用 来研究样品中特 定参数的取向问题。
插入件
•
电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大，一般地， 波荡器是不能使同步光谱向高能方向移动的，但由于 电子的偏转角小，从波荡器中不同的磁极上发射出来 的光子在很大的程度上相干地叠加，干涉效应使得同 步光谱中出现一系列尖峰。也就是说，波荡器给出一 系列近乎单色的同步光，而且在这些波长上的同步光 的亮度要增强N2倍以上。在波荡器中产生的同步光的 发射角是很小的，近似地只有弯转磁铁上产生的同步 光的发射角的1/N。
- 用LIGA技术生产出可植入人体的微型电机，其直径只约为1mm，厚度为 1.9mm，重量为0.1g，转速为10万转，直径细如发丝的齿轮的精度达微米的 量级。
同步辐射的由来
• 1947年, GE在70MeV同步加速器 (synchrotron )上首次观察到理论物 理学家预言的一种辐射, 起名为 synchrotron radiation 即“同步加速 器辐射” 。 • 最初，同步加速器辐射因损耗加速 器能量和损害加速器部件,被科学家 看作一种需要消除的副作用.直到20 年后人们才发现它有重要的用途. • 中文翻译把同步加速器辐射简化为 同步辐射。
同步辐射光学显微成像技术研究
同步辐射光学显微成像技术研究同步辐射（Synchrotron Radiation, SR）是指电子加速器中由于电子加速运动而产生的电磁辐射。
这种辐射具有高亮度、高能量、高极化度和连续性等优点，可以用于各种材料表征和研究。
其中，同步辐射光学显微成像技术，即同步辐射X射线光学显微镜技术，已成为当前材料科学领域的研究热点。
同步辐射光学显微成像技术的原理同步辐射光学显微成像技术是利用同步辐射光源产生的同步辐射光束，通过X 射线光学元件对样品产生探测，最终形成具有微观分辨的影像。
同步辐射源辐射的光束拥有极高的亮度和能量，因此可以用来探测样品的微观结构和化学成分。
同步辐射光学显微成像技术的优点同步辐射光学显微成像技术具有以下几大优点：1.高空间分辨能力。
同步辐射源产生的光束具有高亮度，同时X射线光学元件的优化设计和制备技术的进步，使得同步辐射光学显微镜可以达到亚微米级别的分辨率。
2.高灵敏度。
同步辐射光学显微成像技术可以对样品进行非侵入性探测，因此适用于对生物、环境和材料等的分析和表征。
同时，同步辐射源在X射线和紫外光段有较高亮度，可以对样品进行高灵敏度的分析。
3.高能量分辨率。
同步辐射光学显微成像技术在进行化学成分和物性分析时，具有高能量分辨率的特点，可以对样品中微量元素的含量和状态进行分析。
同步辐射光学显微成像技术在材料科学领域的应用同步辐射光学显微成像技术在材料科学领域的应用范围非常广泛，可以用于材料表征和研究的各个方面，如结构分析、化学成分分析、晶体生长、纳米材料研究等。
1.结构分析。
同步辐射光学显微成像技术可以通过高分辨的显微成像和强大的散射分析能力，对各类材料的几何形状、结晶结构和应力分布状态等进行分析和表征。
2.化学成分分析。
同步辐射光学显微成像技术可以通过使用X射线吸收光谱技术和EDX能谱技术，对样品的化学成分和元素分布状态进行分析和表征。
3.晶体生长。
同步辐射光学显微成像技术可以对晶体的生长过程进行实时跟踪，以了解其生长的细节和机理。
软X射线实验方法-王嘉鸥
武汉∙2014
软X射线实验站设备 和功能简介
王嘉鸥 北京同步辐射装置 中国科学院高能物理研究所
北京同步辐射装置
Beijing Synchrotron Radiation Facility
•软x射线XAFS简介 •实验技术与实验方法 •实验过程与注意事项
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
软x射线XAFS简介
北京同步辐射装置
Beijing Synchrotron Radiation Facility
Co离子的化学环境发生变化
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
实验技术与实验方法
北京同步辐射装置
北京同步辐射4B9B光束线
光电子能谱与软x射线吸收谱研究 光子能量 15~1000eV 连续可调 光斑尺寸~2×0.5mm2 能量分辨~0.35eV TEY全电子产额模式 支持同步辐射兼用模式 X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
Instensity/arb.units
Beijing Synchrotron Radiation Facility
北京同步辐射4B7B光束线
软x射线吸收谱研究与计量测量研究 光子能量 50~1700eV 连续可调 光斑尺寸~1×0.1mm2 TEY全电子产额模式 支持同步辐射兼用模式
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 242 244 246 248 250 252
First
Energy/eV
Beijing Synchrotron Radiation Facility
同步辐射
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
ARTEMIS软件简介
双击artemis图标，弹出以上界面（黑色窗口、主窗口、绘图窗口）
北京同步辐射装置
Beijing Synchrotron Radiation Facility
X射线吸收谱学实验和数据处理讲习班
武汉∙2014
Artemis软件应用
郑黎荣
88235980-4 zhenglr@
主要内容：
北京同步辐射装置
Beijing Synchrotron Radiation Facility
数据处理 a 单壳层拟合 b 多壳层拟合 c 多权重拟合 d 多Feff拟合 注意点及小技巧 上机练习 软件简介
X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
数据操作窗口：对导入数据进行各种处理，导入模型，导入路径、设定拟 合参数等操作；
ARTEMIS软件简介
北京同步辐射装置
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单壳层拟合-Cu
北京同步辐射装置
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X射 线吸 收 谱学 实 验 和 数据分 析讲习 班
设定拟合变量初始值、采用固定、限制和定义等方式，调整 拟合变量的值；（确认设定的参数名称正确，一一对应）
拟合参数设定
ARTEMIS软件简介
北京同步辐射装置
Beijing Synchrotron Radiation Facility Guess：设定初始值，不做限制； guess enot=0 Def：设定参数间的数学关系式； def delr_1=alfa*reff guess alfa=0.01 Set：设定成固定值,不做改变； set S02=0.85 lguess：多数据定义 lguess ss=0.003 当有多条路径 Skip：忽略该参数；(相当于程序语言中的注释符) Restrain：设定参数限定在固定值附近； r delr_res=(delr_1-reff-0.1)*factor s factor=100； g enot=0 其中Guess Def Set Skip r enot_res=scale*penality(enot,-5,5) Restrain 较为常用； s scale=2000; After：设定参数间的数学关系式； （拟合结束后，用参数的最优值代入）
《同步辐射医学成像》课件
同步辐射医学成像PPT课件
汇报人：PPT
目录
01
添加目录标题
02
同步辐射医学成像概述
03
同步辐射医学成像技术
04
同步辐射医学成像的应用实例
05
同步辐射医学成像的未来发展
添加章节标题
同步辐射医学成像概述
同步辐射的原理和特点
同步辐射：一种电磁辐射，由电子在磁场中加速产生
特点：具有高亮度、高相干性、高准直性等特点
探索人工智能在医学成像中的应用，提高诊断效率和准确性
对人类健康的影响和意义
感谢您的观看
汇报人：PPT
应用：广泛应用于医学成像、材料科学、生物技术等领域
医学成像：利用同步辐射的高亮度和相干性，实现高分辨率、高对比度的医学成像
同步辐射医学成像的应用领域
同步辐射医学成像的优势和局限性
同步辐射医学成像技术
X射线成像技术
光学成像技术
原理：利用X射线、γ射线等高能射线与物质相互作用产生的光子进行成像
应用：医学诊断、生物医学研究、材料科学等领域
发展：随着技术的进步，光学成像技术在医学成像领域中的应用越来越广泛
特点：高分辨率、高灵敏度、高对比度
同步辐射CT技术
原理：利பைடு நூலகம்同步辐射X射线进行CT扫描
特点：高分辨率、高对比度、高灵敏度
应用：肿瘤诊断、血管成像、骨科成像等
优势：无辐射损伤、无造影剂、无运动伪影
同步辐射MRI技术
原理：利用同步辐射X射线与磁共振成像技术相结合
特点：高分辨率、高对比度、高灵敏度
应用：肿瘤诊断、心血管疾病诊断、神经疾病诊断等
优势：无创、无辐射、实时成像
同步辐射医学成像的应用实例
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布拉格角 14.3 9.5 7.1 5.6 4.7
光斑视场mm 20×12 14×12 11×12 8×12 7×12
光源
ss
空间分辨率
物点
像斑
d
L
d
空间分辨率主要由三个因素决定：
光源尺寸ss 光源到物的距离L 物到像的距离d
dh
2s x d L
5m
dv
2s y d L
1.8m
（水平） （竖直）
探测器
英国Photonic Science公司 FDI-18mm X射线CCD探测器 像素尺寸：10.9µm×10.9µm，像素阵列：1300×1030 视场范围：14mm×11mm
英国Photonic Science公司 VHR-16M X射线CCD探测器 像素尺寸：7.4µm×7.4µm，像素阵列4872×3248 视场范围：36mm× 24mm（可选区成像）
X射线形貌术--应用实例
1、一次曝光拍摄多组晶面的衍射图像---白光形貌术
透射式白光形貌术获得的金刚石晶体的白光形貌像（入射光沿[100]方向）
2. KDP晶体的形貌研究
KDP晶体的劳厄斑点
[103]晶面的衍射斑点
[132]晶面的衍射斑点
3. 晶体相变过程的实时观察---铌酸钾（KNbO3）晶体相变过程的实时研究
铌酸钾晶体的相变过程为：三方相 10C 正交相 225C 四方相 435C 立方相 图(a)是室温下的形貌像，晶体为正交相。图(b)是相变温度附近的形貌像，显示晶 体正发生相的转变。图 (c)为相变后的形貌像，晶体为四方相。
二、X射线相位衬度成像
，干涉法 ， 衍射增强成像、光栅成像 2 ，同轴相位衬度成像
干涉法
衍射增强成像
同轴相位衬度成像 （菲涅尔衍射成像） 提供比吸收成像更高的分辨率和衬度的一种成像方法
同轴相位衬度成像
同步辐射 白光
Si(111)单晶 单色光
同步辐射 白光
Si(111)单晶
探测器
单色光 探测器
SD大鼠的肺组织 可看出肺组织气管和动脉管
DEI Physical principles
成像视场10um60um 分辨率50nm100nm
2. X射线形貌术
成像视场10mm内可调 分辨率35um
3. 相位衬度三维成像
成像视场约10mm可调 分辨率315um
一、X射线形貌术—原理
入射光
底片 衍射光
光强减弱 光强增强
晶格
衍射成像: 晶格缺陷 衍射异常 光强分布改变 产生衬度 点缺陷（微缺陷）、位错、层错、晶界、畴壁、亚晶粒、杂质分凝、裂缝等
3.50E-09
3.00E-09 2.50E-09 2.00E-09
Low Angle Side
High Angle Side
1.50E-09
1.00E-09
5.00E-10
0.00E+00
-20
-10
0
10
20
Analyzer Angle (s)
Si(111)晶体摇摆曲线（8 keV）
同步辐射白光经单色器 反射成单一能量光束
X射线形貌术—实验方法 同步辐射白光形貌术（透射）
样品
狭缝
白光X射线
成像探测器
实验原理：当一束同步辐射白光X射线束入射到晶体样品上时，根据布 喇格衍射公式 2dhkl sin n （n＝1,2,3……），晶体中不同指数面 各自分别选择相应波长的X射线，衍射形成相应的劳厄衍射斑（图5.81），每个劳厄斑点就代表了相应衍射面的信息。
北京同步辐射装置 X射线成像技术介绍
黄万霞
2013-11-21
北京正负电子对撞机
一机两用：
对撞模式，研究高能物理，6个月 同步模式，3个月
环周长：240m 能量：2.5GeV
北京同步辐射装置
14条光束线和15个实验站
4W1A光束线（两种模式）
单色聚焦光束模式 白光模式
1. 纳米分辨三维成像
该单色光束在样品中发生 吸收、折射和小角散射
分析晶体的作用相当于一 个角度过滤器和衬度放大 器，从而得到消光衬度和
折射衬度
相位衬度三维成像实验平台
单色晶体
样品转台 分析晶体
研究对象
动、植物；医学材料；复合材料；合金材料，岩石矿石类等
研究范围
生物医学材料、复合材料等各种材料的内部精细结构； 原位观察材料在加载或加温等外界环境条件下的动态行为； 相位衬度成像及CT的原理和方法学研究；
X射线形貌术—样品
研究对象：晶体（单晶体） 单晶样品先经过切割、磨抛成薄片状 样品尺寸：通常5mm左右 样品厚度：通常几百微米
吸收衰减公式 I I 0e t
：线衰减系数，即样品厚度中每厘米的吸收几率，具有cm-1的量纲。 t：样品厚度 样品厚度根据t 1计算，此时出射X射线强度约为入射X射线的0.37。 The Center for X-Ray Optics
能量范围：
1K
10K
20K
30K
5~20keV
成像能量的选择
透过率 ： T NS 2030% N0
吸收衰减公式 I I 0et 计算
成像视场及样品尺寸
成像视场：探测器能接收到的X射线照射的区域，即探测器视场和光斑 视场的交集
光斑视场主要由晶体长度决定
8keV 能量keV 8 12 16
美国Xradia公司分辨率可调X射线CCD探测器 可选像素尺寸3.25µm，视场范围3.3mm×3.3mm 可选像素尺寸0.65µm，视场范围0.66mm×0.66mm 像素阵列1024×1024。
豚鼠耳蜗的相位衬度成像－－与首都医科大学合作
吸度成像
大鼠肝血管的衍射增强成像
左右趾位图像
左右腰位图像
上图：峰位图像 下图：计算的折射像
原位观察合金生长过程枝晶生长形态的动态过程。
加热炉 单色器晶体 分析晶体
探测器
样品架
－－大连理工大学王同敏课题组合作
三、纳米分辨成像系统 项目概述
衍射增强成像方法
White beam
Sample
Analyzer
B
Monochromator
Absorption Refraction
Darwin Width D
Small angle scattering
Relative Intensity I/I 0
5.00E-09
4.50E-09
4.00E-09