同步辐射技术及其应用

同步辐射技术及其应用姜传海上海交通大学材料科学与工程学院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。电子运行轨道同步辐射由于是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。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。目前，世界上已经建成、正在在建射和计划建设的中同步辐射装置有近百台。人类历史上的四个革命性光源(1)电光源：使人类战胜了黑暗消灭了白天与黑夜的差别。(2)X光源：使人类看到了物体内部及微观领域。(3)激光源：波长单一、准直、相干、高亮度，在各领域中作用巨大。(4)同步光源：高强度的综合光源。对同步辐射的评价美国建于芝加哥的电子能量7GeV的AdvancePhotoSource(APS)在1998年建成运转，被美国“Science”杂志评为当年世界十大发明之第三，排在多利羊及登陆火星之后。2、同步辐射源的构造同步辐射装置虽然是一庞大而复杂的设备，但其主要由三部分组成，即注入器、电子储存环及其它附属设备。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。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。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。储存环占重要的地位，是主角，也是各项设备中投资份额最高的设备。电子在储存环中是以束团的形式存在和运行。一个环中可以有数十以至数百电子束团同时存在和运行，也可以只存在一个束团。储存环中包含许多磁聚焦，磁聚焦结构与磁聚焦结构之间孔隙称为直线段，可以用来引入束流，安装高频加速谐振腔，各种插入件。插入件是由一组沿电子的轨迹周期排列的磁铁组成的，电子进入插入件中后，由于受到磁场的作用而偏离原轨道，故从它发射的同步辐射的性能将发生变化。电子在离开插入件时又回到原轨道。总之，插入件是用来获得高质量同步辐射的装置，其数量的多少与功能的强弱已成为评判同步辐射装置优劣的标志。真空系统直线加速器、增强器、储存环和连接管道等，都为真空设备。电源设备同步辐射装置不仅耗电量大，而且要求电源不受其它负载的干扰。3、同步辐射的重要特性空间发散角常规X射线管为半球面发射同步辐射为圆锥形发射时间结构同步辐射具有一定时间结构。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。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。典型同步辐射的光谱曲线高强度、宽频谱的好处可严格单色化，提高分辨率可微束，同步nm，常规100m可用于微区衍射，可用微小样品可透过器壁作在位研究可快速实验偏振性在圆形的平面轨道上运行的电子发射的辐射电矢量总是在该轨道平面上指向圆心，所观察到的辐射是具有偏振性的。同步辐射是准平行光可提高分辨率，提高亮度可作掠入射，表面衍射•高角度分辨单晶：以可测衍射的最小d值常规：2Å；同步：1Å多晶：以标准Si(111)的半峰宽衡量常规：10-1~10-2度；同步：10-2~10-3度高空间分辨有效光束尺寸常规：100μm同步：若干nm高时间分辨常规：亚秒同步：10-12秒高灵敏度可检出低含量、弱衍射、高角衍射4、同步辐射装置中的光路和光学器件前端区从储存环的光束出口到屏蔽墙的一段光路称为前端区。光束线光线从储存环屏蔽墙中射出并进入各实验站的光路称为光束线。同步辐射装置中的光学器件为了把同步辐射改造成所需的光束，必须在光束线中加入各种类型的光学元件。包括用透光元件(窗)、反光元件(镜)、聚光元件、分光元件以及偏光元件等。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。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。分光元件把同步辐射中所包含的各种波长连续分布的电磁波按波长分开，从而成为单色性较好的光。偏光元件可以对任何一束光线进行偏振态的分析，也可以把任何一种入射光改造成所需的偏振光。5、同步辐射装置的计算机控制同步辐射是一个大科学研究系统，包括许多功能不同的子系统，设备中的成千上万个设备和部件的启动及关闭、这些设备和部件有关参数的测量和调整都是无法用人工同时完成的。这样一个庞大的系统只用一台计算机控制也是不够的，必须用多台计算机组成一个控制系统才能完成系统的既定功能，使系统各部分协调地工作。6、同步辐射应用概况人类社会、经济可持续发展对同步辐射的需求生命/健康材料/信息资源/环境探索未知世界的奥秘神经生物学生命健康生命科学生物技术主要科技支撑细胞生物学分子生物学病毒学、免疫学药物设计医学诊断与治疗毒理学•••结构生物学生物大分子结构细胞、组织结构同步辐射应用医药学医药技术生物医学成像射线治疗病理、药理材料信息高新科技重要支柱信息技术新材料石油化工钢铁冶金金属制造传统支柱产业复合材料集成电路磁性材料超导材料MEMSNEMS超微光刻微纳加工•••催化剂无损检测疲劳分析凝聚态物理材料科学•••材料同步辐射应用纳米材料资源环境能源地质成因、勘探石油煤炭太阳能分子环境科学能源高效利用环境污染监测分析与治理稀土金属利用地球科学矿产燃烧反应光化学反应电化学反应同步辐射应用生命科学应用•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。•1998年诺贝尔化学奖：ATP蛋白酶结构与功能•2003年诺贝尔化学奖：离子通道蛋白结构与机理利用同步辐射获得的二项诺贝尔奖均在此领域材料科学与凝聚态物理先进材料（合金、陶瓷、纳米材料、复合材料、激光和其他光学介质、液晶和其它软物质、聚合物、磁性合金和化合物、半导体、超导体等）影响到现代世界的每一个方面；新技术的突破总是可以追溯到对凝聚态物质基本性质的基础研究和利用这些性质（结构、物理、化学、电学、磁性、光学等）的应用研究。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利用多种组合方法进行研究是新一代光源上一个明显的趋势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。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。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•…上海光源(SSRF)建设目标和科学目标建造一台高性能价格比的中能第三代同步辐射光源，包括一台100MeV的电子直线加速器、一台3.5GeV增强器、一台3.5GeV的电子储存环。电子储存环的最高流强为300mA，最低发射度为约为3nmrad，配以先进的插入件后，可在用户需求最集中的光子能区（0.1~40keV）产生高通量、高耀度的同步辐射光，最高光谱亮度可超过1020phs/(s·mm2·mrad2·0.1%·BW)；成为生命科学、材料科学、物理学、地球与环境科学、医药学、化学化工、信息技术、微细加工、工业检测等多学科研究与新技术开发的综合平台与强有力的手段。SSRF总体布局100MeV直线加速器3.5GeV增强器3.5GeV储存环光束线实验站SSRF首批拟建光束线站硬X射线光束线站：–生物大分子晶体学–高分辨衍射与散射–XAFS–硬X射线微聚焦及应用–X射线成像及医学应用软X射线光束线站：–软X射线扫描显微–X射线光刻与微纳加工SSRF光束线站建设设想•SSRF具有安装26条插入件光束线、36条弯铁光束线和若干条红外光束线等六十多条光束线的潜力，它可以同时为近百个实验站供光；•希望通过多渠道方式（国家科学规划与专项投资、用户出资、联合投资等）在15年建成40条光束线站。生物大分子晶体学(MAD、单波长、白光时间分辨)结构生物学4-5X射线衍射（单晶、粉末、表面、极端条件）、漫散射、相干散射、反射、表面驻波及组合技术材料科学、凝聚态物理、地球科学、化学、原子分子物理4X射线吸收谱学（XAFS、DAFS、XANES、时间分辨谱学、极化谱学）材料科学、地球与环境科学、化学、化工3X射线成像、形貌术、层析术、全息术等材料科学、地球与环境科学、医学、生物学3X射线微束（荧光、衍射、吸收、成像、CT）材料科学、地球与环境科学、生物学、工业、医疗3非弹性散射、磁散射、核共振散射材料科学、凝聚态物理、原子分子物理、生物学、信息科学2SAXS/WAXS,USAXS,时间分辨SAXS生物学、材料科学、化学、化工2超快X射线术、激光电子相互作用、LEGS凝聚态物理、材料科学、化学、原子分子物理、生命科学、核物理2硬X射线光电子谱学凝聚态物理、材料科学、原子分子物理、化学1辐射治疗、辐射剂量医疗、空间科学、国防125-26硬X射线光束线站SSRF光束线站建设设想(中长期规划15年)SSRF工程建设时间表破土动工2004．12主体建筑完成2006．9直线加速器调束完成2007．7增强器调束完成2008．3储存环安装调试完成，第一束光2008．4首批光束线调试基本完成2008．8首批实验站调试基本完成2008．12试运行2009.1-2009.4正式运行，对用户开放2009．4谢谢！