mphy_ParticlePhysics_PeiYJ_141118-SR3

1、同步輻射應用及新光源發(fā)展同步輻射應用及新光源發(fā)展同步輻射應用同步輻射應用 科學的進步與人類對光的認識緊密相關。在人類科學的進步與人類對光的認識緊密相關。在人類進化的漫長歲月中，光的各種奇異現(xiàn)象使人類認識了進化的漫長歲月中，光的各種奇異現(xiàn)象使人類認識了自然，也發(fā)展了自己。在這認識自然的文明史中，人自然，也發(fā)展了自己。在這認識自然的文明史中，人的視覺器官也達到了高度的完善，并憑借著視覺器官的視覺器官也達到了高度的完善，并憑借著視覺器官和光發(fā)現(xiàn)了自然規(guī)律和征服自然。光在人類生活中已和光發(fā)現(xiàn)了自然規(guī)律和征服自然。光在人類生活中已不可缺少，以致于在人類歷史上產生了種種與光相關不可缺少，以致于在人類歷史上

2、產生了種種與光相關的神話故事和傳說，這也促使人們對光進行多方面的的神話故事和傳說，這也促使人們對光進行多方面的科學探索和研究并加以利用。最早研究光現(xiàn)象的是我科學探索和研究并加以利用。最早研究光現(xiàn)象的是我們中國人。據(jù)文字記載，我國古代偉大的物理學家墨們中國人。據(jù)文字記載，我國古代偉大的物理學家墨翟（約公元前翟（約公元前468-382年）在所著的墨經上就講到光年）在所著的墨經上就講到光沿直線行進和針孔造像原理。這比古希臘歐幾里德關沿直線行進和針孔造像原理。這比古希臘歐幾里德關于光的反射律的記載早于光的反射律的記載早100 多年。在以后的年代里，多年。在以后的年代里，對光的屬性不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)了光

3、的各種特性，并對光的屬性不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)了光的各種特性，并利用其特性發(fā)明了各種光學儀器。利用其特性發(fā)明了各種光學儀器。人們借助于這些儀人們借助于這些儀器不斷擴大了人的視覺器官的功能，深化了人類對物器不斷擴大了人的視覺器官的功能，深化了人類對物質世界的認識質世界的認識。 為了更廣泛、深入地為了更廣泛、深入地認識自然，人們已意識到認識自然，人們已意識到自然光源限制了認識范圍，自然光源限制了認識范圍，迫使人們發(fā)明或發(fā)現(xiàn)新的迫使人們發(fā)明或發(fā)現(xiàn)新的光源，如各種燈、弧光光光源，如各種燈、弧光光源、激光以及同步輻射光源、激光以及同步輻射光源等。這些光源的誕生，源等。這些光源的誕生，使人們的認識不斷擴大，使

4、人們的認識不斷擴大，小至基本粒子大至宇宙。小至基本粒子大至宇宙。每一種新的光源的出現(xiàn)，每一種新的光源的出現(xiàn)，不但開拓了新的研究領域，不但開拓了新的研究領域，而且還導致重大的發(fā)現(xiàn)。而且還導致重大的發(fā)現(xiàn)。右圖是不同方法產生的輻右圖是不同方法產生的輻射（電磁波輻射）所對應射（電磁波輻射）所對應的可觀測的物體簡表的可觀測的物體簡表。 應用概述應用概述 同步輻射光照射在樣品上會產生各種效如右圖所示。利同步輻射光照射在樣品上會產生各種效如右圖所示。利用這些應可進行各種研究。用這些應可進行各種研究。 同步輻射光照射在樣品上會產生同步輻射光照射在樣品上會產生各種效應，如右圖所示。利用這些效應可進行各種研究。各

5、種效應，如右圖所示。利用這些效應可進行各種研究。 SR 散射 反射 次級發(fā)射 透射、折射、吸收 次級發(fā)射次級發(fā)射 散射散射 化學效應化學效應 輻射效應輻射效應 加工加工光電子光電子 彈性散射彈性散射 沉積沉積 輻射損傷輻射損傷 光刻光刻LIGA俄歇電子俄歇電子 非彈性散射非彈性散射 反應反應 CVD螢光螢光 x-ray衍射衍射 x-ray 激發(fā)加工激發(fā)加工 磁散射磁散射 光電子衍射光電子衍射 應用舉例應用舉例 同步輻射的應用范圍之廣是前所未有的，同步輻射的應用范圍之廣是前所未有的，幾乎所有的現(xiàn)代科學領域都可以利用它進行幾乎所有的現(xiàn)代科學領域都可以利用它進行研究。如她在物理學、化學、生物學、材料

6、研究。如她在物理學、化學、生物學、材料科學、醫(yī)學、農學、微機械和電子工業(yè)等有科學、醫(yī)學、農學、微機械和電子工業(yè)等有著廣泛的應用。這里僅選其一部分內容向大著廣泛的應用。這里僅選其一部分內容向大家介紹。家介紹。SR-02.AVI1、光電子能譜學 物體受到光源照射后所激發(fā)出來的電子稱為物體受到光源照射后所激發(fā)出來的電子稱為光電子。從這些光電子的能量及動量的分布情況，光電子。從這些光電子的能量及動量的分布情況，可以了解許多物理和化學現(xiàn)象，這一門科學被稱可以了解許多物理和化學現(xiàn)象，這一門科學被稱為光電子能譜學（為光電子能譜學（Photoelectron Spectroscopy)。它不僅可探測固體內以及

7、表面或界面的電子能帶它不僅可探測固體內以及表面或界面的電子能帶結構，而且還可以探測原子與分子的電子組態(tài)以結構，而且還可以探測原子與分子的電子組態(tài)以及它們在固體表面所形成的化學結構。因此光電及它們在固體表面所形成的化學結構。因此光電子能譜學在固體物理、表面物理以及化學等方面，子能譜學在固體物理、表面物理以及化學等方面，如半導體物理、金屬材料、磁性薄膜、化學吸附、如半導體物理、金屬材料、磁性薄膜、化學吸附、催化反應以及超導體等，將起著重要作用。催化反應以及超導體等，將起著重要作用。PL of S-passivated GaAsPL of S-passivated GaAs0 2 4 6 8 10

8、12 14 Effective Magnetization(kOe)0 5 10 15 20 25 30 Coverage (A) Fe on S-passivated GaAs Fe on non-passivated GaAsMagnetic overlayer Fe on S-GaAsMagnetic overlayer Fe on S-GaAs2、光吸收能譜學、光吸收能譜學 從光的反射與透射來計算光吸收時的光吸收能譜學從光的反射與透射來計算光吸收時的光吸收能譜學(Photon Absorption Spectroscopy)除了研究原子、分子除了研究原子、分子的振動、轉動及電子能級的躍

9、遷外，借以同步輻射的可調的振動、轉動及電子能級的躍遷外，借以同步輻射的可調性，已發(fā)展出一個極為重要的分析方法：廣延性，已發(fā)展出一個極為重要的分析方法：廣延X射線吸收精射線吸收精細結構細結構EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)，這種方法能鑒別非晶格物體或濃度甚低時，原，這種方法能鑒別非晶格物體或濃度甚低時，原子與周邊原子間的距離（精度可達子與周邊原子間的距離（精度可達0.10.02）。該方法應）。該方法應用于生物的金屬蛋白質用于生物的金屬蛋白質(metalloproteins)結構研究，遠優(yōu)結構研究，遠優(yōu)于其他方法。吸收邊于其他方法。吸

10、收邊(absorption edge)形成的原因是由于形成的原因是由于SR光源的波長光源的波長(能量能量)通過單色儀逐漸精細地調到某一特定通過單色儀逐漸精細地調到某一特定波長時，樣品原子中某一特定能級的電子因獲得高于其束波長時，樣品原子中某一特定能級的電子因獲得高于其束縛能的能量而被游離出來，而且會吸收大量的照射光源，縛能的能量而被游離出來，而且會吸收大量的照射光源，這就是吸收邊緣，通常以電子殼層這就是吸收邊緣，通常以電子殼層K，L，M，等表示。等表示。XAFS for GaN Photo-absorption,-ionization,and Photo-absorption,-ionizat

11、ion,and -dissociation of -dissociation of Mo(CO)Mo(CO)6 6 moleculemolecule3、XRAY心血管照相術心血管照相術(Coronary Angiography) 利用利用X-Ray血管照影可以觀察心臟血管阻塞情血管照影可以觀察心臟血管阻塞情形。普通形。普通X-光源強度較弱。需把注射碘的導管直接光源強度較弱。需把注射碘的導管直接導入到心臟，病人較痛苦，而其注射的碘較多，具導入到心臟，病人較痛苦，而其注射的碘較多，具有一定的危險性。若用同步輻射觀察，只需將少量有一定的危險性。若用同步輻射觀察，只需將少量的碘注射到血液中，用不同的波

12、長的兩束同步輻射的碘注射到血液中，用不同的波長的兩束同步輻射光（一束光的能量略高于碘的吸收邊的能量光（一束光的能量略高于碘的吸收邊的能量（33.3keV），另一束光略低于吸收邊的能量）照），另一束光略低于吸收邊的能量）照射心臟，它們經過心臟后，因軟組織和骨骼對兩束射心臟，它們經過心臟后，因軟組織和骨骼對兩束光的吸收是一樣的，但碘對較高能量的光吸收較多，光的吸收是一樣的，但碘對較高能量的光吸收較多，因此在圖象處理系統(tǒng)中得到的圖象是不一樣的，再因此在圖象處理系統(tǒng)中得到的圖象是不一樣的，再利用圖象減除技術，便可得到清晰的心臟動脈及其利用圖象減除技術，便可得到清晰的心臟動脈及其它血管的影象。所得圖象的

13、時間僅幾秒針，病人不它血管的影象。所得圖象的時間僅幾秒針，病人不會感到不適之處。會感到不適之處。 4、XRAY 衍射衍射 利用利用XRAY衍射來探測晶體中原子的排列，衍射來探測晶體中原子的排列，是一項業(yè)經證明且被廣泛應用的技術。是一項業(yè)經證明且被廣泛應用的技術。X-光光光光波經晶體中各個原子散射后，產生不同強度的波經晶體中各個原子散射后，產生不同強度的干涉光點，它們在底片上形成復雜的圖案，根干涉光點，它們在底片上形成復雜的圖案，根據(jù)這些圖案不僅可了解物質的結晶情形，而且據(jù)這些圖案不僅可了解物質的結晶情形，而且因同步輻射光的強度和波長可調，可將研究領因同步輻射光的強度和波長可調，可將研究領域拓展

14、到肌肉纖維和蛋白質晶體學域拓展到肌肉纖維和蛋白質晶體學(protein crystallography)等。特別是在某些特定頻率等。特別是在某些特定頻率下所發(fā)生的不規(guī)則散射現(xiàn)象，常能補充其他方下所發(fā)生的不規(guī)則散射現(xiàn)象，常能補充其他方法對幾何結構難以鑒定的不足。另小角散射對法對幾何結構難以鑒定的不足。另小角散射對非單晶材料幾何結構的鑒定，非單晶材料幾何結構的鑒定， 更具威力。更具威力。 Recent results on Macromolecular crystallographyPreliminary Structural Determination of Atratoxin-b, A Sho

15、rt-chain -neurotoxin From Naja atra Venom Figure 1 Photomicrography of a crystal of atratoxin The crystallized atratoxin-b belongs to the tetragonal space group P41212 with unit-cell parameters a=49.28 and c=44.80, corresponding to one molecule in each asymmetric unit and a volume-to-mass ratio of 1

16、.963Da-1 Space groupP41212Unit cell parametersa () 49.28 c () 44.80 Resolution limits () 16.57-1.56 Observations 87491 Independent reflections8305 Rmerge$ 0.082 (0.39)& Completeness (%) 99.9 (99.9) & $ Rmerge = hjI(h)j - / hj I(h)j, where I(h)j is the observed intensity of jth reflection and

17、 is the mean intensity of reflection h. Completeness is the ratio of the number of reflections to that of possible reflections.& Values in parentheses are for the highest resolution shell (1.64-1.56).Statistics of data collection and reductionFigure 2 A diffraction pattern from an atratoxin-b cr

18、ystalFigure 3 Amino acid residues from 55 to 61 superimposed on 2Fo-Fc map (contoured at 2.0 ) to show the quality of preliminarily refined structure of atratoxin-b. The drawing was performed using the program O.Figure 4 Stereo-pair of molecular dimer in atratoxin-b crystalsFigure 5 The close packin

19、g of atratoxin-b molecules in crystals5、XRAY顯微術顯微術 X-Ray顯微術（顯微術（X-Ray microscopy）是利用）是利用X-光（軟光（軟X-光）透過物質時產生的螢光、電子時形成的影像。由于不光）透過物質時產生的螢光、電子時形成的影像。由于不同元素所產生的結果不同，調整波長可使不同元素在復雜的同元素所產生的結果不同，調整波長可使不同元素在復雜的成分中突顯出來。如將細胞置于成分中突顯出來。如將細胞置于X-光底片上，然后用同步輻光底片上，然后用同步輻射光照射，因為射光照射，因為X-光透過不同的細胞部位，其被吸收的程度光透過不同的細胞部位，其被吸

20、收的程度不同，該底片經處理后，其結果如同細胞的浮雕。不同，該底片經處理后，其結果如同細胞的浮雕。X-Ray顯顯微術所得的結果并不是細胞本身的照片而是細胞吸收微術所得的結果并不是細胞本身的照片而是細胞吸收X-光的光的部位的圖案。使用此方法的優(yōu)點在于所需暴光時間短（秒量部位的圖案。使用此方法的優(yōu)點在于所需暴光時間短（秒量級），大大減少了樣品被光源損壞的可能性，另一特點是可級），大大減少了樣品被光源損壞的可能性，另一特點是可將照射光波長調到將照射光波長調到20埃埃50埃范圍內（即所謂水窗口），因埃范圍內（即所謂水窗口），因此可將活體細胞置于水中，我們將得到活體細胞的信息。此此可將活體細胞置于水中，我

21、們將得到活體細胞的信息。此外，此類實驗在大氣中或氦氣中進行，這是電子顯微鏡不能外，此類實驗在大氣中或氦氣中進行，這是電子顯微鏡不能辦到的。辦到的。 6、時間分辨光譜學、時間分辨光譜學 利用同步輻射光的時間結構可進行利用同步輻射光的時間結構可進行時間分辨光譜學（時間分辨光譜學（Time-Resolved Spectroscopy）研究，測定原子躍遷的）研究，測定原子躍遷的幾率、各種激發(fā)態(tài)的半衰期或生物形體隨幾率、各種激發(fā)態(tài)的半衰期或生物形體隨時間的變化。原子分子或固體吸收同步光時間的變化。原子分子或固體吸收同步光后被激發(fā)，經過一段時間，被激發(fā)的電子后被激發(fā)，經過一段時間，被激發(fā)的電子將發(fā)出螢光而

22、回到原來的能級上。我們測將發(fā)出螢光而回到原來的能級上。我們測量發(fā)出的螢光以及它同同步光的時間差可量發(fā)出的螢光以及它同同步光的時間差可得到隨時間變化的發(fā)光光譜。得到隨時間變化的發(fā)光光譜。 7、研究燃燒與火焰研究燃燒與火焰燃燒在日常生活、交通運輸及工業(yè)生產中隨處可見。在世界能燃燒在日常生活、交通運輸及工業(yè)生產中隨處可見。在世界能源消耗的總量中，燃燒提供了約源消耗的總量中，燃燒提供了約90%的能源，然而燃燒也會帶的能源，然而燃燒也會帶來環(huán)境污染，燃燒與大氣污染息息相關。因此，對燃燒開展實來環(huán)境污染，燃燒與大氣污染息息相關。因此，對燃燒開展實驗及理論研究，提出相關理論模型和機理，將有利于提高能源驗及理

23、論研究，提出相關理論模型和機理，將有利于提高能源利用效率、節(jié)約能源、降低燃燒產生的大氣污染，為實際應用利用效率、節(jié)約能源、降低燃燒產生的大氣污染，為實際應用提供理論的依據(jù)。提供理論的依據(jù)。 燃燒化學的研究已經有燃燒化學的研究已經有150150年歷史，盡管全世界數(shù)以千計的科年歷史，盡管全世界數(shù)以千計的科學家依然在此領域努力，但直到同步輻射光電離質譜技術應用學家依然在此領域努力，但直到同步輻射光電離質譜技術應用于火焰研究，才使碳氫化合物燃燒過程中的中間體于火焰研究，才使碳氫化合物燃燒過程中的中間體烯醇烯醇的發(fā)的發(fā)現(xiàn)成為現(xiàn)實。研究證明不完全氧化在碳氫化合物氧化機理的應現(xiàn)成為現(xiàn)實。研究證明不完全氧化在

24、碳氫化合物氧化機理的應用中占有很重要的地位，像燃料電池中發(fā)生的氣相化學反應主用中占有很重要的地位，像燃料電池中發(fā)生的氣相化學反應主要就是不完全氧化過程，而不完全氧化的產物是現(xiàn)今大氣污染要就是不完全氧化過程，而不完全氧化的產物是現(xiàn)今大氣污染物的主要來源之一。物的主要來源之一。 C6H6/O2火焰中產生的火焰中產生的C5H5自由基的光電離效率譜自由基的光電離效率譜 8、軟、軟XRAY光刻光刻 軟軟 X - 射 線 光 刻 （射 線 光 刻 （ S o f t - X - r a y Lithography）用于亞微米尺度的加工，超）用于亞微米尺度的加工，超大規(guī)模集成電路的制造、微型機械、微型大規(guī)模

25、集成電路的制造、微型機械、微型元件的加工等。元件的加工等。 NiNiHeight: 200 m Diameter: 200 m通過傾斜和三次旋轉刻蝕出類似腳手架的三維圖形（材通過傾斜和三次旋轉刻蝕出類似腳手架的三維圖形（材料料PMMAPMMA） 圓柱的尺寸為圓柱的尺寸為1616 m, m, 垂直高度垂直高度230230 m m 成功地在室溫、空氣環(huán)境下對運用化學法制造的成功地在室溫、空氣環(huán)境下對運用化學法制造的“幾何明星幾何明星”凹陷凹陷Escher型硫化銅十四面體微晶進行了三維成像，直觀地型硫化銅十四面體微晶進行了三維成像，直觀地揭示了該凹陷揭示了該凹陷Escher型微晶由四個相同的六角形的

26、板通過相型微晶由四個相同的六角形的板通過相互交叉構筑成具有互交叉構筑成具有14個腔洞（其中包括個腔洞（其中包括6個正方形和個正方形和8個三角個三角形）的結構。與透視電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡相比，形）的結構。與透視電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡相比，X射射線納米三維成像技術具有更直觀解析復雜形態(tài)納米結構的優(yōu)點。線納米三維成像技術具有更直觀解析復雜形態(tài)納米結構的優(yōu)點。國內首個國內首個256位分子存儲器電路的研制成功，為我國分子電路的高集成度、位分子存儲器電路的研制成功，為我國分子電路的高集成度、高速度和低功耗的實現(xiàn)奠定了重要基礎高速度和低功耗的實現(xiàn)奠定了重要基礎,有力推動了我國分子電子學的發(fā)展有力推

27、動了我國分子電子學的發(fā)展。 左圖為二次掩膜照片，右圖為分子存儲器的下電極照片，均采用左圖為二次掩膜照片，右圖為分子存儲器的下電極照片，均采用X射線射線曝光得到曝光得到光源發(fā)展趨勢光源發(fā)展趨勢近四十年的發(fā)展，同步輻射光源已成為科學研究、近四十年的發(fā)展，同步輻射光源已成為科學研究、高技術研發(fā)的極為重要高技術研發(fā)的極為重要 的手段。是不同領域科學的手段。是不同領域科學家、技術人員學術交流和交叉研究的難得場所。家、技術人員學術交流和交叉研究的難得場所。因此，發(fā)達國家分別建造了數(shù)臺同步輻射光源裝因此，發(fā)達國家分別建造了數(shù)臺同步輻射光源裝置。已有的光源可分為三代：置。已有的光源可分為三代：第一代是寄生在高

28、能加速器上，部分時間用于第一代是寄生在高能加速器上，部分時間用于SR;SR;第二代是專用機器，始于七十年代末；第二代是專用機器，始于七十年代末；第三代是多插入元件的高亮度專用機器；第三代是多插入元件的高亮度專用機器；第四代是基于第四代是基于FELFEL的光源。的光源。另還有專門為超大規(guī)模集成電路生產等工另還有專門為超大規(guī)模集成電路生產等工業(yè)用的小型同步輻射裝置，如業(yè)用的小型同步輻射裝置，如AURARA。右圖是不同光源產生的輻射光右圖是不同光源產生的輻射光的波長范圍，下圖是的波長范圍，下圖是Spring-8Spring-8的譜圖，若再提高亮度怎么辦？的譜圖，若再提高亮度怎么辦？第四代光源第四代光

29、源 為進一步提高光源的亮度以適應為進一步提高光源的亮度以適應用戶的要求，科學家和工程師們正在用戶的要求，科學家和工程師們正在致力于所謂第四代光源的研究。其基致力于所謂第四代光源的研究。其基本框是基于自由電子激光本框是基于自由電子激光 FEL (Free Electron Laser) 來產生高亮度的光。來產生高亮度的光。FEL基本原理基本原理 自由電子激光（自由電子激光（Free Electron LaserFree Electron Laser，簡稱，簡稱FELFEL）是使自由電子的電磁輻射受激放大的新一代強相干是使自由電子的電磁輻射受激放大的新一代強相干光源。最典型的自由電子激光產生方法是

30、使相對論光源。最典型的自由電子激光產生方法是使相對論性電子在具有空間周期性的磁場結構（相應的磁鐵性電子在具有空間周期性的磁場結構（相應的磁鐵裝置稱為波蕩器）中同時與周期磁場和光場相互作裝置稱為波蕩器）中同時與周期磁場和光場相互作用，產生波長由共振條件確定的受激輻射。由于電用，產生波長由共振條件確定的受激輻射。由于電子束團中相對于光場縱向位置不同的電子和光場相子束團中相對于光場縱向位置不同的電子和光場相互作用的位相不同，與光場作用的結果使一些電子互作用的位相不同，與光場作用的結果使一些電子失去能量，另一些電子則獲得能量，即產生能量調失去能量，另一些電子則獲得能量，即產生能量調制，而能量調制在電子

31、束行進中又轉變?yōu)槊芏日{制，制，而能量調制在電子束行進中又轉變?yōu)槊芏日{制，從而形成以光波長為周期的群聚。群聚的電子束和從而形成以光波長為周期的群聚。群聚的電子束和光場相互作用得到加強，大部分電子輻射的位相趨光場相互作用得到加強，大部分電子輻射的位相趨于相同，使輻射相干放大，成為高亮度的相干激光于相同，使輻射相干放大，成為高亮度的相干激光束。束。LCLS(LINAC Coherent Light Source)Nominal System Design Constraints Use existing SLAC linac compatible with PEP-II operation Undu

32、lator located beyond research yardNominal LCLS Linac Parameters for 1.5- FELEmittance and Energy Spread Diagnostics*5 energy spread meas. stations (optimized for small bx)LCLS status1.5- SASE FEL Linac:Requirements Acceleration to 14.1 GeV (3 GeV min.) Bunch compression to 3.4 kA Emittance preservat

33、ion (20% slice of 1-mm-mrad) Final energy spread (0.01% slice, Mail Goal of Phase II Project of NSRL Reducing the Emittance of the HLS Increasing the Brightness of the Ring (27nm.rad and 13.4nm.rad) Improving beam stabilities (300mA, lifetime of 8hrs for GPLS mode Running 150mA, Lifetime of 8hrs for HBLS mode) improving the injection system improving the RF system New RF Generator of 30 kW New RF Cavity Control systen for the RF system Dc power Supplies Microwave Amplifier Improving Control System Vacuum system (NEG pumping) New Beamlines Budget and Schedule Tota