4-2-同步辐射装置及其应用

同步辐射装置及其应用什么是同步辐射什么是同步辐射•微波:用来观察飞机、航母和飓风•红外线:用于夜视系统和飞弹追踪热源•可见光•紫外线:观察气体分子及凝聚态物理电子结构•X光是研究晶体结构极佳的工具•波长最短的伽玛射线:核物理研究•同步辐射:覆盖了红外、可见、紫外和X光波段•广义的说，所有的电磁波都可以叫做光.同步辐射又可以称为同步光.同步辐射的原理•实验物理和电动力学的基本结论:自由电子在作加速度运动时,将产生电磁辐射-电子的速率发生变化:在前向产生轫致辐射(bremssthahlung)-电子的方向发生变化:在切线方向产生同步辐射(synchrotronradiation)同步辐射的特点•同步辐射是”超级显微镜”同步辐射的特点•高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几秒。•宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长,进行单色光的实验。•高准直：同步辐射的发射度极小,准直性可以与激光相媲美。•脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。•偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。同步辐射装置的基本构造合肥同步辐射装置：800MeV同步辐射装置的基本构造•电子枪–电子的源泉•直线加速器–预加速•增强器--加速到满能量•储存环•光束线•实验站美国APS7GeV组成同步辐射装置的设备加速器一、几种低能加速器为了避免不断增加速器的长度，1930年劳伦斯提出建造回旋加速器的建议。中国科技大学的电子同步加速器：•电子经直线加速器后达到的最终能量是200MeV；•直线加速器的长度为35米；•为了防护加速电子的电磁辐射，直线加速器建在坑道中；•采用的加速设备是是微波功率源。北京高能物理研究所的直线加速器：•电子能量提高到1.1GeV；•直线加速器长度为204米。•电子能量提高到50GeV的加速器；•直线加速器长度达3公里多。美国斯坦福大学直线加速器：加速器二、同步加速器1.同步加速器必须具有的功能使带电粒子作回旋运动使粒子束在回旋过程中聚焦使带电粒子在回旋过程中加速同步加速器：从直线加速器出来的带电粒子围绕着一个固定的圆形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达到预期的能量。具备功能加速器二、同步加速器同步加速器示意图插入装置：产生各类不同特征的同步辐射弯转磁铁：使光束线弯转，产生同步辐射同步加速腔：加速电子，并补充同步辐射损失的能量真空槽：保持10-10托以下的气压，减少因残留气体碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜机制聚焦光束线同步辐射的发展•第一代同步辐射光源.在核物理/粒子物理研究的空挡，利用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方式。北京高能所同步辐射装置(BSRF)。•第二代同步辐射光源.第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步辐射装置。•第三代同步辐射光源.科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入件。台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源(SSRL)。高亮度,高时间分辨力和空间分辨力.同步辐射装置日本Spring–8:第三代法国ESRF:第三代美国NSLS:第二代合肥NSLS:第二代同步辐射实验站同步辐射应用•同步辐射与物质的相互作用：吸收，散射，二次粒子发射•空间分辨实验-X光显微术：物质的形态研究，结构研究，成分研究•时间分辨实验：分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋白相互作用，质子/电子迁移效应•在应用领域的研究：石油，塑料，金属，建筑，微电子，化妆品，制药，食品等BSRF现拥有12个实验站，可提供X射线形貌术、X射线成像、X射线衍射、X射线小角散射和漫散射、生物大分子结构、X射线荧光分析、X射线吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、软X射线刻度和计量、中能X射线光学、高压项结构研究、LIGA和X射线光刻等实验技术，可以为凝聚态物理、高压物理、化学化工、材料科学、生命科学、地球科学、环境科学、微电子、微机械加工、计量学、光学及探测技术等广泛学科的基础研究和应用基础研究提供强有力的实验研究手段。截至2003年末，BSRF已接待了国家重大攻关项目，中科院及其他部委研究所和高校的重大研究项目、国家自然科学基金项目及知识创新工程项目等200多个用户单位的800多个研究课题。同步辐射可以开展的工作•同步辐射装置是一个服务于多个学科的实验技术平台，是科技前沿研究不可或缺的先进手段。(基础研究、应用研究、技术开发）•同步辐射是一个用户装置•同步辐射装置是一个特殊模式的大科学设施，不断在发展。研究领域同步辐射物理学材料科学化学化工地矿考古农业国防工业生命科学环境科学SARS病毒主蛋白酶（SARS-CoVMpro）晶体结构SARS-CoVMpro与抑制剂复合物抑制剂电子密度抑制剂在酶表面的结合情况LHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，这种复杂的分子体系镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。03年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线站获得了该晶体的高分辨率衍射数据，最终获得2.72Å分辨率的晶体结构，该结果以封面文章形式发表于04年3月的《自然》杂志。发表于《Nature》2004年3月18日作为封面文章Changetal.,Nature428,287(2004)同步辐射应用:生命科学•探索生物大分子(蛋白质)的结构•了解生命过程,从结构研究进入到功能研究的领域。蛋白质动力学的不少领域的时间尺度是落在第三代同步辐射光源的时间分辨领域中的，如：分子间振动（fs-us）、有序-无序转变（ns-ms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋白质相互作用（ps-ms）、质子/电子迁移反应（ps-ms）、金属-配合基（ligand）结合（ps-ms）在欧洲同步辐射中心（ESRF），有45％的实验申请来自生命科学家。同步辐射应用:生命科学•例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤同步辐射应用:LIGA•同步辐射提供立体的光刻。-要增加刻蚀深度，必须使用波长比紫外光短得多的X光。如果要做几十到几百微米深度的光刻，所使用的光应是波长在2-10埃之间的X光。-除了波长之外，还有两个重要的因素，就是光的功率密度和准直性。•微马达和微照明灯具已被应用于非剖开性的人体内部外科手术.-用LIGA技术生产出可植入人体的微型电机，其直径只约为1mm，厚度为1.9mm，重量为0.1g，转速为10万转，直径细如发丝的齿轮的精度达微米的量级。