同步輻射基礎(chǔ)介紹

一. 什么叫同步輻射？（Synchrotron Radiation，SR）

同步輻射是相對論性帶電粒子在電磁場的作用下沿彎轉(zhuǎn)軌道行進(jìn)時發(fā)出的電磁輻射。（《同步輻射光源物理引論》，劉祖平，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社）從定義可以看出，同步輻射或者同步光的產(chǎn)生需要滿足以下三個條件：

（1）      有帶電粒子，即不一定是電子，也可以其他帶電荷的粒子；

（2）      粒子要是“相對論性”的，也就是要求粒子能量要高，速度要接近光速；

（3）      要求粒子運(yùn)動方向與電磁場有夾角。滿足以上三個要求，就可以產(chǎn)生同步輻射了。

它是一種“輻射”，為什么是“同步”的呢？那是因?yàn)樽钤绲摹叭斯ぁ蓖捷椛涫窃谝慌_“同步加速器”上觀察到的（1947年在美國），后來就約定俗成的叫開了。根據(jù)同步輻射的定義，我們可以推想，宇宙射線中包含有大量“天然”同步輻射。  

圖1 電子在磁場中偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生同步輻射的示意圖

二. 為什么需要同步輻射？

1. 同步輻射強(qiáng)度高，亮度大

嚴(yán)格的光源亮度(Brilliance)考慮了徑向發(fā)散度(Radialdivergence)，比較復(fù)雜。此處我們簡單地可以將亮度理解為單位面積和單位時間內(nèi)的光子數(shù)目。典型的同步輻射光源亮度比X射線靶產(chǎn)生的亮度，高約6-10個數(shù)量級。一般而言，光源亮度越高，其信噪比就越好。

圖2 美國的一些同步光源的亮度對比

一般而言，XAFS實(shí)驗(yàn)的光束亮度典型值為10^14-10^15量級，其能量約為10 KeV.

2. 同步輻射光連續(xù)可調(diào)

XAFS得到的是吸收系數(shù)—光子能量的譜圖，因此要求在采譜過程中，吸收光譜的的入射光子能量要求在較大能量范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，只有同步輻射光在大的能量范圍內(nèi)能保持高的強(qiáng)度。作為對比，實(shí)驗(yàn)室用的陽極靶材一般只有亮度最高的X線用于實(shí)驗(yàn)，如XRD 用Cu靶，Cu的特征譜線波長為：Kα1(8265.6eV , 1.54056 ?), 而XPS雙陽極對應(yīng)的X射線能量為Mg靶Kα1為9.8903?(1256.3eV)，Al為8.34?（1486.6eV）。X射線腔的其他能量的X射線，一般亮度很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。

3.其他特點(diǎn)

同步輻射還具有高準(zhǔn)直性、偏振性（SR是偏振光）、脈沖時間結(jié)構(gòu)（因?yàn)镾R通常由電子束團(tuán)產(chǎn)生）、潔凈性（因?yàn)镾R在超高真空下產(chǎn)生）等特性。

4. 同步輻射實(shí)驗(yàn)方法

結(jié)合同步輻射自身的特點(diǎn)，科研人員開發(fā)了許多實(shí)用的同步輻射實(shí)驗(yàn)方法（特別是X-射線技術(shù)），并通過這些實(shí)驗(yàn)方法，在諸多領(lǐng)域開展廣泛的研究。目前比較典型的同步輻射表征手段主要有以下幾種：X-射線衍射（XRD），小角X-射線散射（SAXS），X-射線生物大分子結(jié)構(gòu)分析，X-射線吸收譜精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS），X射線磁圓二色（XMCD）技術(shù)，X-射線熒光分析（XRF），X-射線成像技術(shù)，真空紫外光電離質(zhì)譜技術(shù)，光電發(fā)射技術(shù)和角分辨光電子能譜（ARPES），材料結(jié)構(gòu)分析高壓技術(shù)，同步輻射微納加工技術(shù)（LIGA）等。

圖3. 基于同步輻射的表征手段（圖片來源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）

三、同步輻射裝置的分代及基本構(gòu)造

能夠產(chǎn)生同步輻射的裝置被稱為同步輻射裝置或同步輻射光源。自從同步輻射被發(fā)現(xiàn)，人們就開始對同步輻射進(jìn)行理論研究，并對同步輻射裝置進(jìn)行設(shè)計和建造，以期能夠獲得優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的同步光。到20世紀(jì)70年代，同步輻射光源逐漸開始投入實(shí)際應(yīng)用。事物是不斷變化和發(fā)展的，會經(jīng)歷更新?lián)Q代，同步輻射光源也有自己的“代”。到目前為止，同步輻射光源可分為以下四代：第一代是以高能物理實(shí)驗(yàn)為主的兼用光源，可以是儲存環(huán)或同步加速器。如美國康奈爾大學(xué)CHESS光源，北京同步輻射裝置BSRF。BSRF依托于北京正負(fù)電子對撞機(jī)，部分時間按同步輻射專用模式運(yùn)行，在專用模式下，總體性能大體達(dá)到第二代光源水平。第二代是同步輻射專用光源，典型設(shè)計為利用彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生同步輻射，它們都是電子儲存環(huán)，通常能量較低。如美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室NSLS光源（800MeV），巴西國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室LNLS光源（1.37GeV），合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室NSRL光源（800MeV）。NSRL適于開展軟X射線和真空紫外波段的研究，可向波長更長的紅外、遠(yuǎn)紅外波段擴(kuò)展。第一代和第二代是按照加速器裝置的首要目的進(jìn)行分類的。第三代也是同步輻射專用光源，與第二代光源的區(qū)別在于光源能量更高。比如美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的APS光源（7GeV），勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的ALS光源（1.9GeV），歐洲同步輻射裝置ESRF（6GeV），德國的BESSYⅡ光源（1.7GeV），英國的Diamond光源（3GeV），法國的SOLEIL光源，日本的SPring-8光源（8GeV），上海同步輻射裝置SSRF（3.5GeV）。SSRF建成后，中國大陸有三臺同步輻射光源同時運(yùn)行，布局更趨合理。目前在世界范圍內(nèi)，第三代是同步輻射光源的主流。第四代則被認(rèn)為是自由電子激光（FEL）光源。X射線自由電子激光不僅能產(chǎn)生無與倫比的高亮度輻射，而且輻射具有完全的橫向相干性，并且是脈沖式的。比較有代表性的FEL光源有美國的LCLS光源，德國的Euro XFEL光源等。中國在近期也提出了興建軟XFEL和硬XFEL裝置的計劃。

圖4. 同步輻射裝置的發(fā)展（圖片來源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）

后記

同步輻射理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展有利推動了物理、化學(xué)、生物、材料、環(huán)境等學(xué)科的發(fā)展，許多重要的科技進(jìn)展都是在同步輻射裝置這一交叉學(xué)科平臺上完成的。如英國的V.Ramakrishnan、美國的T.Steitz和以色列的A.Yonath在研究核糖體的結(jié)構(gòu)和功能時，采用同步輻射X射線蛋白質(zhì)晶體學(xué)方法成功繪制了核糖體原子的3D位置，并于2009年獲得諾貝爾化學(xué)獎。日本科學(xué)家在Spring-8光源上利用同步輻射非彈性散射等技術(shù)，對水和冰的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，一些新發(fā)現(xiàn)解決了長久以來爭論不休的關(guān)于水的性質(zhì)問題。同步輻射在宇宙學(xué)研究方面也發(fā)揮著重要作用，比如科學(xué)們利用SOLEIL光源上的SMIS紅外顯微光譜，分析了彗星顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物組成，可更清晰地揭開太陽系的神秘面紗；日本的科研人員利用X射線微斷層攝影技術(shù)（CT）等技術(shù)對隼鳥號探測器帶回的小行星粉塵樣品的三維結(jié)構(gòu)及性質(zhì)進(jìn)行了分析，從而得到了有關(guān)小行星的演化信息。在國內(nèi)，上海瑞金醫(yī)院的陳竺和陳賽娟院士等利用同步輻射XAS技術(shù)研究了As2O3治療白血病的機(jī)理，為白血病的治療提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。清華大學(xué)的施一公院士和顏寧教授等利用同步輻射X射線晶體學(xué)及生物大分子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，在細(xì)胞凋亡及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究等方面取得了一系列進(jìn)展。中國政府依托上海光源等大科學(xué)裝置，籌建了國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心，并開始了“五站六線”的建設(shè)，同步輻射在生命科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用?？梢哉f同步輻射光源是促進(jìn)人類科技進(jìn)步的“神燈”。

推薦參考資料：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=589004&do=blog&id=925231

來源|研理云講壇