第三講同步輻射lesson3rao

同步輻射及應(yīng)用

synchrotronradiation

andapplication參考書：《核技術(shù)應(yīng)用》：羅順中主編TL99/7《同步輻射應(yīng)用基礎(chǔ)》：徐彭壽潘國(guó)強(qiáng)著TL99/5

人類文明史是利用和開發(fā)光資源的歷史

人類生存和發(fā)展從來(lái)就離不開對(duì)“光”的利用和開發(fā)，人類的文明史是一部利用和開發(fā)“光資源”的歷史?！肮狻笔且粋€(gè)很大的家族，其中“可見光”只是“光家族”中的一員。依波長(zhǎng)的不同，光可分為無(wú)線電波、微波、紅外、可見光、紫外、真空紫外、軟X射線、硬X射線和伽馬（γ）射線等。

光的波長(zhǎng)或能量決定了它與物質(zhì)的相互作用類型，如“可見光”照射人體時(shí)，會(huì)被反射到我們的眼睛，并被視網(wǎng)膜／視神經(jīng)所感覺而“看到”人體；而當(dāng)X射線光照射人體時(shí)，則會(huì)穿透過人體，并在X光底片上留下透過程度的影像紀(jì)錄-----X光透視。光波具有衍射現(xiàn)象，用光探測(cè)物體或分辨兩物體時(shí)，光的波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)與物體的大小或兩物體的間距相近或更短。因此，天文學(xué)家要探測(cè)宇宙星球，可以選用無(wú)線電波；航空管理者要跟蹤飛機(jī)，可以選用微波（雷達(dá)）。而科學(xué)家要研究比“可見光”波長(zhǎng)更短的物體，要“看清”病毒、蛋白質(zhì)分子甚至金屬原子等微觀物體，必須選用與這些微觀物體大小相近或更短的波長(zhǎng)的光束，來(lái)照射微觀物體，利用光束在物質(zhì)中的衍射、折射、散射等能夠檢測(cè)到的特性，或者利用光束與物體相互作用產(chǎn)生的光激發(fā)、光吸收、熒光、光電子發(fā)射等特性，來(lái)探究未知的微觀世界。1.什么是同步輻射光子：一種電磁波，也是一種粒子用波長(zhǎng)或者頻率表征光波，也可以用能量表征光波光的波長(zhǎng)可從10-4厘米到10-16厘米，相應(yīng)于光子的能量為100eV到1012eV波長(zhǎng)越短，能量越高5自然界同步輻射其實(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)后的一個(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，它的遺跡在往后的一年多都還能夠看的見，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.同步輻射：接近光速運(yùn)動(dòng)著的電子或正電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)會(huì)放出電磁波輻射，因?yàn)檫@一現(xiàn)象是在同步加速器上發(fā)現(xiàn)的，所以稱為同步輻射同步加速器：一種利用一定的環(huán)形軌道，用高頻電場(chǎng)加速電子或離子的環(huán)形加速器裝置。同步加速器中磁場(chǎng)強(qiáng)度隨被加速粒子能量的增加而增加，從而保持粒子回旋頻率與高頻加速電場(chǎng)同步72.

同步輻射光的產(chǎn)生

同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射9利用彎轉(zhuǎn)磁鐵可以強(qiáng)迫高能電子束團(tuán)在環(huán)形的同步加速器以接近于光速作回旋運(yùn)動(dòng)，在切線方向會(huì)有電磁波發(fā)射出來(lái)（高能圓形軌道加速器的主要能量損失機(jī)制）在雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘時(shí)，沿傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠103.同步輻射的特點(diǎn)1通量大、亮度高同步輻射光源是高強(qiáng)度光源，有很高的輻射功率和功率密度,第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機(jī)的上千億倍

2頻譜寬，連續(xù)可調(diào)同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線

3方向性強(qiáng)，天然高準(zhǔn)直性同步輻射發(fā)散角小，光線是近平行的，其利用率、分辨率均大大提高4脈沖性和有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)具有納秒至微秒的時(shí)間脈沖結(jié)構(gòu)?？裳芯颗c時(shí)間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細(xì)胞的變化等

5潔凈光源，對(duì)環(huán)境沒有任何污染

同步輻射的發(fā)現(xiàn)1945年McMillan（麥克米倫）和Veksler發(fā)明了同步加速裝置1947年，在美國(guó)紐約州斯卡奈塔第Schenectady市的通用電器公司實(shí)驗(yàn)室里的一臺(tái)70MeV（兆電子伏）的同步加速器上，首次在可見光的范圍內(nèi)觀察到了強(qiáng)烈的輻射，從此這種輻射便被稱為“同步輻射”，后來(lái)又稱為同步輻射光，并稱產(chǎn)生和利用同步輻射光的科學(xué)裝置為同步輻射光源或裝置。4.同步輻射的發(fā)展歷史12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)化為同步輻射同步輻射光是繼電光源、X射線源、激光光源之后，第四次革命性地推動(dòng)人類的文明。被人俗稱"神光"的同步輻射光源，是科學(xué)家"人造"的同步輻射光同步輻射應(yīng)用早期發(fā)展的里程碑如下：

(1)1947年在加速器上發(fā)現(xiàn)同步輻射

(2)20世紀(jì)60年代初開始同步輻射應(yīng)用的可行性研究

(3)1965年儲(chǔ)存環(huán)在意大利Frascati建成

(4)20世紀(jì)70年代開始同步輻射應(yīng)用的現(xiàn)代階段第一代：20世紀(jì)70年代的第一代光源是與高能物理加速器共用的儲(chǔ)存環(huán)第二代：

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的第二代光源是專門為同步輻射應(yīng)用建造的加速器，電子儲(chǔ)存環(huán)則是專門為使用同步輻射光而設(shè)計(jì)的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光第三代：80年代后期，儲(chǔ)存環(huán)中裝入特別的插件磁鐵(波蕩器和扭擺器)，使電子由偏轉(zhuǎn)一次變成多次偏轉(zhuǎn)，同步輻射的亮度則可提高一千倍以上14第三代同步輻射光源的亮度高，比通常實(shí)驗(yàn)室用的最好的X光源要亮一億倍以上。新的空間分辨的和時(shí)間分辨的手段，為眾多的學(xué)科和廣泛的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的新機(jī)遇，受到各國(guó)重視。日本的SPring-8是目前世界上能量最高的同步輻射光源，達(dá)到8GeV。目前全世界約有七十座試驗(yàn)用的同步輻射加速器，其中第三代加速器于1990年后陸續(xù)建造完成，上海光源2009年完工啟用。15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NSRL:第二代16世界上部分同步輻射裝置法國(guó)的ESRF（6G）與日本的SPring-8、美國(guó)的APS、德國(guó)的PetraIII（6G）現(xiàn)為世界上四大高能光源印度、巴西、西班牙、加拿大、荷蘭、瑞士、泰國(guó)、新加坡等國(guó)家均建有同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室17我國(guó)同步輻射發(fā)展?fàn)顩r1）BEPC的建造：20世紀(jì)70年代末北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）的建造，這是第一代的同步輻射裝置，起初是為高能物理研究而設(shè)計(jì)的，在1984年的一期工程期間決定一機(jī)兩用，同時(shí)開展同步輻射的應(yīng)用，稱為北京同步輻射裝置（BSRF）。BSRF于90年代初建成

主要高能物理實(shí)驗(yàn)，電子能量為2.2Gev的中能環(huán)，產(chǎn)生硬X射線，一年運(yùn)轉(zhuǎn)3個(gè)月

182）中國(guó)科技大學(xué)在1983年獲國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)一臺(tái)800Mev的低能第二代同步輻射源。于20世紀(jì)90年代初建成，稱為國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（NSRL），該裝置1992年開始為用戶服務(wù)不能產(chǎn)生硬X射線，有光電子能譜，光化學(xué)，光刻，軟X射線譜及時(shí)間分辨五個(gè)實(shí)驗(yàn)站低能環(huán)，硬X實(shí)驗(yàn)站不多，有局限性.3）

在臺(tái)灣新竹建有一個(gè)低能的1.3Gev的第三代同步輻射裝置194）上海同步輻射光源SSRF：中央和上海市政府在上海市上海光源（ShanghaiSynchrotronRadiationFacility,SSRF）工程是十五期間的國(guó)家重大科學(xué)工程，工程總投資預(yù)計(jì)為12億元。SSRF設(shè)計(jì)為先進(jìn)的第三代中能同步輻射光源，其主要性能指標(biāo)居國(guó)際前列。SSRF能夠提供從X射線到遠(yuǎn)紅外波段的高亮度光，能量高達(dá)3.5GeV，達(dá)到世界先進(jìn)水平20SSRF21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)APS7GeVESRF示意圖：EuropeanSynchrotronRadiationFacility22同步輻射實(shí)驗(yàn)站（beamline）235.同步輻射的應(yīng)用

同步輻射與物質(zhì)的相互作用可以分為三大類：吸收——同步輻射經(jīng)過物質(zhì)之后，其強(qiáng)度由于各種原因而衰。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)有：吸收譜、光刻、微細(xì)加工、成像、X光顯微術(shù)、心血管造影、微束CT，等等散射——同步輻射與物質(zhì)相互作用之后改變其傳播方向其主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)有：衍射譜、小角散射、大角散射、漫散射、非彈性散射，等等二次粒子的發(fā)射——即同步輻射與物質(zhì)相互作用之后產(chǎn)生了次級(jí)輻射或粒子。主要實(shí)驗(yàn)方法有：光電子譜、光離子譜、熒光譜25散射次級(jí)發(fā)射

反射……同步輻射光

透射、吸收、折射同步輻射光與樣品的相互作用同步輻射的實(shí)驗(yàn)研究方法樣品26同步輻射頻譜寬，波長(zhǎng)可調(diào)，亮度大等優(yōu)異的性質(zhì)，使光與物質(zhì)相互作用的效應(yīng)更加明顯，使研究時(shí)間大大縮短，研究的范圍大大擴(kuò)展，并且可以研究樣品在壓強(qiáng)、溫度等環(huán)境變化時(shí)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。同步輻射光與物質(zhì)相互作用時(shí)的各種效應(yīng)：(非)彈性散射、x-ray衍射、磁散射、光電子衍射散射光刻LIGA、x-ray激發(fā)加工加工

輻射損傷、輻射保鮮輻射效應(yīng)光電子、俄歇電子、熒光次級(jí)發(fā)射(1)光電子能譜利用這些效應(yīng)，人們發(fā)明了各種研究方法：(4)軟X射線顯微術(shù)(3)X射線衍射(2)擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）(5)光刻和超微細(xì)加工等光電子光譜XPS原理：光子入射到固體表面，由于光電效應(yīng)，激發(fā)出光電子，利用能量分析器對(duì)光電子進(jìn)行分析，光電子數(shù)按其動(dòng)能的統(tǒng)計(jì)分布稱光電子能譜X-rayPhotoelectronSpectroscopy

XPS特點(diǎn)：它攜帶了原子內(nèi)有關(guān)電子狀態(tài)的豐富信息，光電子可來(lái)源于原子的不同殼層，光電子的能量及其分布與固態(tài)物質(zhì)、原子、分子的電子結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，利用光電子能譜可判別表面原子的種類和決定表面電子態(tài)注意：XPS的入射光子可以來(lái)自同步輻射或其他X射線同步輻射光電子能譜的優(yōu)點(diǎn)：同步輻射光電子能譜以單色化的同步光作為激發(fā)光源，是研究材料表面和界面電子及原子結(jié)構(gòu)的最重要手段之一。其主要特點(diǎn)是能夠提供對(duì)表面極為敏感的信息29MM+BeforecollisionAftercollision入射光子E=hγe-Photoionization光電離基本原理

用X射線照射固體時(shí)，由于光電效應(yīng)，原子的某一能級(jí)的電子被擊出物體之外，此電子稱為光電子。如果X射線光子的能量為hν，電子在該能級(jí)上的結(jié)合能為Eb，射出固體后的動(dòng)能為Ec，則它們之間的關(guān)系為：hν=Eb+Ec+Ws式中Ws為功函數(shù)，它表示固體中的束縛電子除克服各別原子核對(duì)它的吸引外，還必須克服整個(gè)晶體對(duì)它的吸引才能逸出樣品表面，即電子逸出表面所做的功。上式可另表示為：

Eb＝hν-Ec-Ws可見，當(dāng)入射X射線能量一定后，若測(cè)出功函數(shù)和電子的動(dòng)能，即可求出電子的結(jié)合能。由于只有表面處的光電子才能從固體中逸出，因而測(cè)得的電子結(jié)合能必然反應(yīng)了表面化學(xué)成份的情況。化學(xué)分析電子能譜(ESCA)ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis31XPS電子能譜曲線的橫坐標(biāo)是電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)是光電子的測(cè)量強(qiáng)度?？梢愿鶕?jù)XPS電子結(jié)合能標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)對(duì)被分析元素進(jìn)行鑒定33光電子能量與強(qiáng)度譜圖儀器組成

XPS是精確測(cè)量物質(zhì)受X射線激發(fā)產(chǎn)生光電子能量分布的儀器。具有真空系統(tǒng)、離子槍、進(jìn)樣系統(tǒng)、能量分析器以及探測(cè)器等部件。XPS中的射線源通常采用AlKα（1486.6eV）和MgKα（1253.8eV），它們強(qiáng)度高，自然寬度小。

由X射線從樣品中激發(fā)出的光電子，經(jīng)電子能量分析器，按電子的能量展譜，再進(jìn)入電子探測(cè)器，最后用XY記錄儀記錄光電子能譜。35應(yīng)用簡(jiǎn)介

XPS是當(dāng)代譜學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一，雖然只有二十幾年的歷史，但其發(fā)展速度很快，在電子工業(yè)、化學(xué)化工、能源、冶金、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境中得到了廣泛應(yīng)用。X光電子能譜法是一種表面分析方法，提供的是樣品表面的元素含量與形態(tài)，而不是樣品整體的成分。其信息深度約為3-5nm。

除了可以根據(jù)測(cè)得的電子結(jié)合能確定樣品的化學(xué)成份外，XPS最重要的應(yīng)用在于確定元素的化合狀態(tài)。當(dāng)元素處于化合物狀態(tài)時(shí)，與純?cè)叵啾?，電子的結(jié)合能有一些小的變化，稱為化學(xué)位移，表現(xiàn)在電子能譜曲線上就是譜峰發(fā)生少量平移。測(cè)量化學(xué)位移，可以了解原子的狀態(tài)和化學(xué)鍵的情況。

Al2O3中的3價(jià)鋁與純鋁（0價(jià)）的電子結(jié)合能存在大約3電子伏特的化學(xué)位移，通過化學(xué)位移的測(cè)量確定元素的化合狀態(tài)，從而更好地研究表面成份的變化情況。表面分析的主要內(nèi)容有：表面化學(xué)組成：表面元素組成、表面元素的分布、表面化學(xué)鍵、化學(xué)反應(yīng)等表面結(jié)構(gòu)：表面原子排列、表面缺陷、表面形貌表面原子態(tài)：表面原子振動(dòng)狀態(tài)、表面吸附(吸附能吸附位)等表面電子態(tài)：表面電荷密度分布及能量分布、表面能級(jí)性質(zhì)、表面態(tài)密度分布、價(jià)帶結(jié)構(gòu)38X射線光電子能譜圖

MgKα

為激發(fā)源，Ag片的X射線光電子能譜。通常采用被激發(fā)電子所在能級(jí)來(lái)標(biāo)志光電子。例如，由K層激發(fā)出來(lái)的電子稱為1s電子，由L層激發(fā)出來(lái)的分別記做2s、2p1/2，2p3／2光電子，依次類推。Ag原于的第一、第二殼層的電子結(jié)合能大于MgK的能量，故不能被激發(fā)，再外面殼層的電子能被激發(fā)電離，其譜峰分別記做Ag3s、Ag3p1/2、Ag3P3/2、、Ag3d3/2、Ag3d5/2、Ag4s、Ag4p1/2、Ag4P3／2、Ag4d,Ag的4f軌道無(wú)電子填充，所以無(wú)此光電子峰。每一個(gè)元素的原于都有1～2個(gè)最強(qiáng)特征蜂．在Ag譜中由MgK激發(fā)的Ag3d3/2，5/2是最強(qiáng)的峰，彼此間距為6eV，而Ag3p比特征峰Ag3d要弱6倍左右。應(yīng)用舉例（1）不銹鋼耐腐蝕機(jī)理的研究不銹鋼經(jīng)鈍化處理后表面膜主要以Cr的氧化物為主，XPS表明這層Cr2O3膜并非抗腐蝕的決定性條件，Mo的加入一方面使鈍化膜中Cr保持一定富集水平，另一方面抑制了過渡層的貧Cr，抑制過渡層的貧Cr可使被侵蝕的表面膜及時(shí)得到補(bǔ)充修復(fù)是耐腐蝕的充分條件4019世紀(jì)80年代后期，梵高開始用一種新的顏色鉻黃來(lái)創(chuàng)作他的向日葵。鉻黃是19世紀(jì)發(fā)明的一種新型工業(yè)顏料，它比以往任何顏料都更加閃亮奪目。他刻意地選取這種明亮的顏色。這種使用也在藝術(shù)史上留下了里程碑式的一筆，而鉻黃也成為梵高和他在法國(guó)結(jié)識(shí)的藝術(shù)家朋友圈中最受歡迎的一種顏色。（2）同步輻射光源揭開了梵高畫中向日葵褪色的秘密41塞納河畔向日葵2011年2月，ESRF同步輻射光源揭開了梵高畫中向日葵褪色的秘密雖然大多數(shù)油畫都