同步辐射及其应用(讲义)

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1、1同步辐射及其应用同步辐射及其应用( (讲义讲义) )同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、 准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自 X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。尤其是在真空紫外和 X 射线 波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通 X 光和激光不能开 展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。近几年来还发 现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越 特性。同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料 科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及 深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。据统

2、 计，70 年代以来，已有 22 个国家和地区，建成或正在建设同步辐 射装置 50 余台，其中，超过 40 台已投入使用。我国北京正负电子 对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学 国家同步辐射实验室(NSRL)分别于 1989 年和 1991 年建成并投入使 用。1 1什么是同步辐射什么是同步辐射1947 年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上 观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为 同步加速器辐射，简称同步辐射。其实，据宋会要记载，早在 公元 1054 年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现 异象：“昼见如太白

3、，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。 ”这是人 类历史上第一次详细记载超新星爆炸。这颗超新星爆炸后的遗迹形 成今夜星空的蟹状星云。现代天文学家确认该星云的辐射，包括红 外线、可见光、紫外线和 X 射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁 场作用下产生的同步辐射。1963 年法国 Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学 家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射 是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步 加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。这种在做高 能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生 模式或兼用模式。BSRF 即是以寄生

4、模式工作的装置。美国威斯康星 大学 1968 年建造的能量为 240 兆电子伏的电子储存环，是世界上第 一台专用同步辐射装置。NSRL 的同步辐射光源(HLS)是我国第一台 专用同步辐射光源。人们通常称工作在寄生模式的同步辐射光源为 第一代同步辐射光源，以专用模式工作的同步辐射加速器被称作第2二代同步辐射光源。依据电子储存环中电子能量高低，加速器又可分为三类1： 一类是电子能量在 2 GeV 以下，属低能加速器，主要是真空 紫外和软 X 射线辐射。 其次为中能加速器，储存环的电子能量选择在 2.5-4.0 GeV 左右，在 X 射线能区可以有很好的性能，而且，因为这类加 速器能量较低，造价和运

5、行费用都比高能同步加速器低得多。 第三类即是高能区的同步加速器，电子能量达 6-8 GeV，可 以获得能量很高的硬 X 射线。HLS 的电子能量在直线加速器中被加速到 200 MeV 后，通过输 运线注入到电子储存环中，再被慢加速到 800 MeV，在真空紫外和 软 X 射线区都有很强的辐射，最短可用波长为 0.5 nm。BSRF 的储存 环电子能量在 2 GeV 左右，以软 X 射线和部分硬 X 射线为主，在真 空紫外区也有很强的辐射。这两台同步辐射装置分别工作在低能和 中能区，开展的研究工作可以互补。工作在高能量区的同步辐射加 速器，包括正在建造中的，目前世界上只有三台：法国 Grenob

6、le 电 子能量为 6 GeV 的欧洲同步辐射装置（ESRF） ，美国 Argonne 国家实 验室电子能量为 7 GeV 的先进光子源（APS） ，以及日本原子能研究 所和理化研究所共同筹建的电子能量为 8 GeV 的超级光子源 （SPring-8） 。这三台装置都已开始启用。同步辐射加速器的建造及正常运行标志一个国家的科学技术水 平，其装置庞大且复杂，建造周期长，需化费巨额资金，并涉及到 光、磁、机、电、真空，以及自动控制等众多高新技术领域。一般 低能量电子储存环周长 100-200 米以下，中能量储存环周长在 200- 400 米左右，而高能量储存环周长可达 1 公里以上。以 SPrin

7、g-8 为 例，其周长设计为 1436 米，从 1987 年开始设计，投资超过 1000 亿 日元。再如，NSRL 在多束团模式运行时，电子储存环中共有 45 团 电子，每个电子束团包含几十亿个电子，所有电子都在周长为 66 米 的储存环中接近光速回旋 10 小时以上。由于有复杂的磁铁系统对电 子束进行聚焦和轨道校正，电子在经历了相当于从地球到太阳间 36 个来回飞行的历程后，其发散至多不超过 0.1 毫米。同时，为保证 电子不被残留空气分子碰撞而偏离轨道，电子在优于 10-7帕的超高 真空中运行。由此可见，同步辐射实验设施对技术水平要求之高。 同步辐射提供了性能优良的光源，吸引了许多学科的科

8、学家利用它 开展高水平研究工作，在每一个已经运行的同步辐射实验室，每一3年会有成百上千个研究小组开展工作，并取得大量富有创造性的成 果。2 2同步辐射应用的主要进展同步辐射应用的主要进展同步辐射应用研究有几个很明显的特点：学科覆盖面广， 用户量大，它的发展影响许多方面；同步辐射实验室是唯一 有众多分属不同学科的科学家共同工作、频繁交流的场所，因 而能有效地促进交叉学科和新兴学科的成长，有利于培养和造 就新一代科技人才；同步辐射应用研究的主要方向是基础研 究和应用基础研究，但也包括应用和发展研究以及对高技术的 探索，且随着科学技术的进步而不断扩展，工业应用的份量明 显在迅速加重。所以，世界上不仅

9、几乎所有发达国家，而且一 些发展中国家和地区，如韩国、我国台湾省、巴西、印度、泰 国、新加坡和中东，都在积极建设自己独有的同步辐射装置， 英、法、日等已有很强同步辐射研究能力的国家，也在计划耗 费巨资建设新的同步辐射装置，以代替旧装置。同步辐射应用研究近年的发展趋势，可大致归纳为如下四 个方面。（1）光谱、光电子能谱、光化学谱和圆二色谱等谱学研究，对 实现晶体和半导体材料的“能带工程” 、表面和界面物理、原子 分子物理、表面化学和化学动力学等方面的研究，以及光电磁 功能材料的发展正发挥越来越大的作用。长波波段的应用已扩 展到红外和远红外。其中最令人瞩目的成绩是关于高温超导材 料膺能隙的实验观测

10、，对了解高温超导机理提供了直接的实验 依据。（2）X 射线衍射、散射与吸收精细结构研究，极大地促进了生 物大分子晶体结构与功能关系、以及包括长程和短程有序物质 结构方面的研究，成果十分广泛。例如，目前全世界每年测定 的蛋白质晶体结构中，60%以上是利用同步辐射来完成的，预计 几年以后将接近 100%；以大分子晶体结构为基础的 （Structurebased）制药工业的发展得益于同步辐射 X 射线结 构分析；对液体和软物质等复杂体系晶体结构的研究，对磁畴 结构和磁性多层膜磁性机理的研究等，有了同步辐射光源才成 为可能。（3）显微成像技术和 X 射线全息术等，对活体生物样品进行分 子水平上的直接观

11、察和对材料的细观力学研究将有重大突破。 利用波长为 2-5 纳米的“水窗” ，对生物样品内部结构的显微成4像研究，分辨率已经达到纳米量级。近几年来，微区成分分析 和红外显微成像两大技术的发展很快，表现出重要的医学应用 价值，值得注意。（4）X 射线深度光刻和 LIGA 技术，作为一种超微细加工技术， 与集成电路（IC）工艺和超微细机械加工技术等相比，有独特 的优势。可以预言，将在大约 5-10 年内，形成以微型光、电、 机械系统（MEMS）为中心的新型产业，同步辐射 X 射线光刻会 起重要的作用。MEMS 的发展对材料提出了新的要求；另外，当 MEMS 小到一定程度，出现了一批以尺寸效应为基础

12、的新现象、 新规律，因而产生了所谓的“微科学” （MicroScience） ，如， 微机械学、微摩擦学和微流体力学等新的学科。下面就同步辐射在生物大分子结构研究等已经取得重要进展的 几个方面作稍微仔细的介绍。用于物质结构分析的最强有力工具是 X 射线衍射（XRD） 。同步 辐射提供的高强度 X 光源，给 X 射线衍射技术带来革命性影响。用 XRD 对样品进行分析时，普通 X 光管需要进行几天的实验，而同步 辐射一般只需几分钟，甚至更短时间，因此可以记录诸如晶体生长、 晶体表面的熔化、相变等晶体结构的动态变化过程。另一方面，同 步辐射的光子能量连续变化，可以获得 X 光波段的“白光” ，作衍射

13、 实验时无需转动样品，用类似“摄谱”方法，采用位置灵敏探测器 即可同时记录所有衍射峰，该方法称为 X 射线能量色散衍射(XED)2， 用此法进行结构分析研究，既缩短实验时间，又提高测量精度。同步辐射 XRD 的最重要贡献之一是促进生物晶体学的发展3。 生物大分子晶体一般都很小，用同步辐射的强 X 射线对蛋白质、病 毒等生物样品进行结构分析，不仅能在线度小到 0.1 毫米的生物大 分子晶体上收集到高分辨的 X 射线衍射数据，而且由于收集数据的 时间极短，可在生物大分子晶体发生化学损伤之前完成，因此有利 于减少辐射损伤，避免晶体受破坏。另一方面，利用同步辐射 X 光 波段的“白光”劳厄衍射可做晶体

14、结构的时间分辨研究。与 XED 方 法类似，实验中无需转动晶体，一次可得到大量满足布拉格条件的 衍射信号，若同时采用灵敏度很高的 X 射线探测器成像板 (imaging plate)，记录时间可小于 1 秒，甚至到毫秒量级。由此可 研究生物大分子晶体结构随时间的变化，如研究蛋白质参与的各种 化学反应及反应过程中晶体结构的变化。用于生物晶体学研究的另 一重要手段是目前逐渐发展完善的多波长反常衍射(MAD)技术。利用 同步辐射波长可调谐性，可以使所有吸收边在 0.05-0.18 纳米范围 内的原子反常散射达到极大，而该范围包括蛋白质晶体学感兴趣的5绝大部分金属原子。MAD 技术最突出的优越性在于所

15、有测量可在单 一样品上进行，避免因样品不同而带来的系统误差，同时也解决了 重原子衍生物的非同晶型性问题。由于上述这些显著优点，同步辐射应用已成为生物大分子晶体 学发展历程中一个重要里程碑。如果说 X 射线衍射(XRD)反映晶体中长程有序的原子结构，那末 X 射线吸收光谱(XAS)则反映凝聚态物质中原子之间的短程相互作用。 人们很早就注意到 X 射线吸收谱中存在振荡，称为 XAS 精细结构， 这是由于原子中内层电子吸收 X 光子后，被激发出的光电子会受到 邻近原子散射，测量到的吸收谱将取决于这些光电子波函数之间的 干涉以及邻近原子对它的散射。同步辐射加速器产生的高强度、具 有连续谱的 X 射线使

16、 XAS 中的振荡结构有可能成为研究物质结构的 常规方法。X 射线吸收谱中的振荡结构可分成两个区域，在吸收边 以上约 50 电子伏之内的称为 X 射线吸收近边结构（XANES） ；而在 50-100 电子伏范围的较高能量区域的吸收谱结构称作广延 X 射线吸 收精细结构（EXAFS） 。两者间的区别在于后者由单次散射过程引起， 而前者则起源于多次散射过程。虽然两者可一起被记录，但其分析 方法迥然不同。依据 EXAFS 的分析得到的是邻近原子的距离、配位 数以及化学类型等信息，而 XANES 则给出关于原子周围环境对称性 的信息，例如在某吸收原子周围局域的原子簇中各原子的几何配置 情况，这对化学和生物学研究特别有用。由于研究对象可以是气态、 液态和固态、包括晶态、准晶态和非晶态，EXAFS 和 XANES 已成为 研究具有复杂原子结构的凝聚态物质局域结构不可缺少的工具。XAFS 技术在实际应用中得到不断完善和提高。最初测量 XAFS 时，记录一幅光谱需要 1 个小时左右。若要测量其随时间的变化， 几乎不可能。经过一系列巧妙设计，R.Frahm 实