同步輻射裝置及其應(yīng)用

同步輻射裝置及其應(yīng)用第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日什么是同步輻射第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日什么是同步輻射微波:用來(lái)觀察飛機(jī)、航母和颶風(fēng)紅外線:用于夜視系統(tǒng)和飛彈追蹤熱源可見(jiàn)光紫外線:觀察氣體分子及凝聚態(tài)物理電子結(jié)構(gòu)X光是研究晶體結(jié)構(gòu)極佳的工具波長(zhǎng)最短的伽瑪射線:核物理研究同步輻射:覆蓋了紅外、可見(jiàn)、紫外和X光波段廣義的說(shuō)，所有的電磁波都可以叫做光.同步輻射又可以稱為同步光.第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的由來(lái)1947年,GE在70MeV同步加速器

(synchrotron)上首次觀察到理論物理學(xué)家預(yù)言的一種輻射,起名為synchrotronradiation即“同步加速器輻射”。最初，同步加速器輻射因損耗加速器能量和損害加速器部件,被科學(xué)家看作一種需要消除的副作用.直到20年后人們才發(fā)現(xiàn)它有重要的用途.中文翻譯把同步加速器輻射簡(jiǎn)化為同步輻射。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的由來(lái)其實(shí)早在1054年,中國(guó)科學(xué)家就觀察到了超新星爆發(fā),中國(guó)古代天文學(xué)家稱呼它為”客星”這顆星出現(xiàn)在在金牛座的南角上,出現(xiàn)後的一個(gè)月之內(nèi)一直相當(dāng)明亮。在這段期間，耀眼的光輝約有太陽(yáng)的40億倍，它的遺跡在往後的一年多都還能夠看的見(jiàn)，中國(guó)天文學(xué)家描述這顆星在四方都有尖尖的光輝而且還帶著微紅白的顏色超新星爆發(fā)的遺跡-蟹狀星云就是一種自然界的同步輻射源.第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的原理實(shí)驗(yàn)物理和電動(dòng)力學(xué)的基本結(jié)論:

自由電子在作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生電磁輻射

-電子的速率發(fā)生變化:在前向產(chǎn)生軔致輻射

(bremssthahlung)-電子的方向發(fā)生變化:在切線方向產(chǎn)生同步輻射

(synchrotronradiation)第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的特點(diǎn)同步輻射是”超級(jí)顯微鏡”第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的特點(diǎn)高亮度：同步輻射的亮度比最強(qiáng)的X光管特征線亮度強(qiáng)萬(wàn)倍以上。用X光機(jī)拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時(shí)間，而利用同步輻射光源只需要幾秒。寬波譜：覆蓋了紅外、可見(jiàn)、紫外和X光波段,是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長(zhǎng),進(jìn)行單色光的實(shí)驗(yàn)。高準(zhǔn)直：同步輻射的發(fā)射度極小,準(zhǔn)直性可以與激光相媲美。脈沖性：電子在環(huán)行軌道中的分布不是連續(xù)的，是一團(tuán)一團(tuán)的電子束作回旋運(yùn)動(dòng)，也即，同步輻射是脈沖光源，脈沖的寬度為100皮秒量級(jí)，脈沖間隔為微秒或亞微米量級(jí)。同步輻射具有時(shí)間結(jié)構(gòu)。偏振性：同步輻射具有線偏振和圓偏振性，可用來(lái)研究樣品中特定參數(shù)的取向問(wèn)題。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的發(fā)射度在儲(chǔ)存環(huán)中運(yùn)動(dòng)的電子，并不是都沿同一的軌道運(yùn)動(dòng)的，事實(shí)上，它們的運(yùn)動(dòng)軌道大都偏離理想的軌道，這就使得電子束團(tuán)有一定的橫截面和發(fā)散角。在加速器物理學(xué)中，在每一方向上這二者的乘積稱為在這個(gè)方向的“發(fā)射度”，它的單位是［納米·弧度］（［nm·rad］）。在相同的電子能量和電子電流的條件下，儲(chǔ)存環(huán)的發(fā)射度越小，放射出的同步輻射的亮度也就越高。在同步輻射的應(yīng)用中，許多尖端的實(shí)驗(yàn)要求高的亮度。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日

同步輻射的亮度第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射裝置的基本構(gòu)造合肥同步輻射裝置：800MeV第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射裝置的基本構(gòu)造電子槍–電子的源泉直線加速器–預(yù)加速增強(qiáng)器--加速到滿能量?jī)?chǔ)存環(huán)光束線實(shí)驗(yàn)站美國(guó)APS7GeV第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日組成同步輻射裝置的設(shè)備第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日插入件插入在儲(chǔ)存環(huán)兩個(gè)彎轉(zhuǎn)磁鐵組件之間的直線段。電子經(jīng)過(guò)插入件時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，電子將沿一條近似為正弦曲線的軌道運(yùn)動(dòng)，這樣，就可以從插入件引出同步光。采用永磁體磁鐵可將插入件磁鐵周期縮短到幾厘米，大大增加了插入件中磁鐵的周期數(shù)。在低磁場(chǎng)大周期數(shù)的情況下，電子穿過(guò)插入件時(shí)，其軌道只作輕微起伏，因而被稱為“波蕩器”（undulator）。第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日插入件電子在波蕩器中運(yùn)動(dòng)軌道的曲率半徑很大，一般地，波蕩器是不能使同步光譜向高能方向移動(dòng)的，但由于電子的偏轉(zhuǎn)角小，從波蕩器中不同的磁極上發(fā)射出來(lái)的光子在很大的程度上相干地疊加，干涉效應(yīng)使得同步光譜中出現(xiàn)一系列尖峰。也就是說(shuō)，波蕩器給出一系列近乎單色的同步光，而且在這些波長(zhǎng)上的同步光的亮度要增強(qiáng)N2倍以上。在波蕩器中產(chǎn)生的同步光的發(fā)射角是很小的，近似地只有彎轉(zhuǎn)磁鐵上產(chǎn)生的同步光的發(fā)射角的1/N。第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射的發(fā)展第一代同步輻射光源.

在核物理/粒子物理研究的空擋，利用同步加速器所發(fā)射的同步光進(jìn)行科學(xué)研究,稱為寄生方式。北京高能所同步輻射裝置(BSRF)。第二代同步輻射光源.

第一代同步輻射光源已不能滿足研究需求，建立了用專門(mén)的裝置產(chǎn)生同步光,例如合肥同步輻射裝置。第三代同步輻射光源.

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)存環(huán)中加入插入件可以使同步輻射的亮度再提高千倍以上，得到的同步輻射主要來(lái)自插入件。臺(tái)灣新竹建有一臺(tái)第三代同步輻射光源(SSRL)。高亮度,高時(shí)間分辨力和空間分辨力.第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射裝置日本Spring–8:第三代法國(guó)ESRF:第三代美國(guó)NSLS:第二代合肥NSLS:第二代第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射實(shí)驗(yàn)站第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射應(yīng)用同步輻射與物質(zhì)的相互作用：吸收，散射，二次粒子發(fā)射空間分辨實(shí)驗(yàn)-X光顯微術(shù)：

物質(zhì)的形態(tài)研究，結(jié)構(gòu)研究，成分研究時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)：分子間的振動(dòng)，有序-無(wú)序的轉(zhuǎn)變，酶作用，蛋白-蛋白相互作用，質(zhì)子/電子遷移效應(yīng)在應(yīng)用領(lǐng)域的研究：石油，塑料，金屬，建筑，微電子，化妝品，制藥，食品等下面著重舉兩個(gè)領(lǐng)域的例子第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射應(yīng)用:生命科學(xué)探索生物大分子(蛋白質(zhì))的結(jié)構(gòu)了解生命過(guò)程,從結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入到功能研究的領(lǐng)域。蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的不少領(lǐng)域的時(shí)間尺度是落在第三代同步輻射光源的時(shí)間分辨領(lǐng)域中的，如：分子間振動(dòng)（fs-us）、有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變（ns-ms）、酶作用（ms）、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（ps-ms）、質(zhì)子/電子遷移反應(yīng)（ps-ms）、金屬-配合基（ligand）結(jié)合（ps-ms）在歐洲同步輻射中心（ESRF），有45％的實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)來(lái)自生命科學(xué)家。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射應(yīng)用:生命科學(xué)例:用同步輻射顯微術(shù)研究頭發(fā)和皮膚第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射應(yīng)用:LIGALIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、Galvanoformung（電鑄成型）和Abformung（塑鑄成型）三個(gè)字的字頭，它由深層同步輻射光刻、電鑄成型及塑鑄成型這三個(gè)工藝過(guò)程組成。LIGA技術(shù)原理與全息記錄的大規(guī)模復(fù)制（例如，激光唱片生產(chǎn)）相仿，(1)用光刻的方法在光刻膠上刻出微機(jī)械或微器件的三維結(jié)構(gòu)，(2)是通過(guò)電鑄從光刻膠三維結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生金屬母模，(3)是用母模通過(guò)電鑄或塑鑄方法復(fù)制許多金屬的或其它材料的生產(chǎn)用模，(4)是用生產(chǎn)用模作大規(guī)模復(fù)制。第二十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日同步輻射應(yīng)用:LIGA同步輻射提供立體的光刻。

-要增加刻蝕深度，必須使用波長(zhǎng)比紫外光短得多的X光。如果要做幾十到幾百微米深度的光刻，所使用的光應(yīng)是波長(zhǎng)在2-10埃之間的X光。