一文看懂同步輻射

上次鑠思百小編介紹了X射線吸收光譜的基礎知識，相信大家已有一些初步印象。與常規(guī)XPS測試、XRD測試、TEM測試等表征手段相比，基于同步輻射的XAFS測試一直都是珍貴緊俏的資源，一個重要原因就是作為大科學裝置的同步輻射光源，造價高昂。今天我們給大家介紹一些同步輻射的基本知識。

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軌道行進時發(fā)出的電磁輻射。（《同步輻射光源物理引論》，劉祖平，中國科學技術大學出版社）從定義可以看出，同步輻射或者同步光的產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）要求粒子運動方向與電磁場有夾角。滿足以上三個要求，就可以產生同步輻射了。

它是一種“輻射”，為什么是“同步”的呢？那是因為最早的“人工”同步輻射是在一臺“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 電子在磁場中偏轉產生同步輻射的示意圖

二. 為什么需要同步輻射？

1. 同步輻射強度高，亮度大

嚴格的光源亮度(Brilliance)考慮了徑向發(fā)散度(Radialdivergence)，比較復雜。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的光子數(shù)目。典型的同步輻射光源亮度比X射線靶產生的亮度，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實驗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

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連續(xù)可調，只有同步輻射光在大的能量范圍內能保持高的強度。作為對比，實驗室用的陽極靶材一般只有亮度最高的X線用于實驗，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，一般亮度很難達到實驗的要求。

3.其他特點

同步輻射還具有高準直性、偏振性（SR是偏振光）、脈沖時間結構（因為SR通常由電子束團產生）、潔凈性（因為SR在超高真空下產生）等特性。

4. 同步輻射實驗方法

結合同步輻射自身的特點，科研人員開發(fā)了許多實用的同步輻射實驗方法（特別是X-射線技術），并通過這些實驗方法，在諸多領域開展廣泛的研究。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-射線生物大分子結構分析，X-射線吸收譜精細結構（XAFS），X射線磁圓二色（XMCD）技術，X-射線熒光分析（XRF），X-射線成像技術，真空紫外光電離質譜技術，光電發(fā)射技術和角分辨光電子能譜（ARPES），材料結構分析高壓技術，同步輻射微納加工技術（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造

能夠產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行理論研究，并對同步輻射裝置進行設計和建造，以期能夠獲得優(yōu)質穩(wěn)定的同步光。到20世紀70年代，同步輻射光源逐漸開始投入實際應用。事物是不斷變化和發(fā)展的，會經歷更新?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驗為主的兼用光源，可以是儲存環(huán)或同步加速器。如美國康奈爾大學CHESS光源，北京同步輻射裝置BSRF。BSRF依托于北京正負電子對撞機，部分時間按同步輻射專用模式運行，在專用模式下，總體性能大體達到第二代光源水平。第二代是同步輻射專用光源，典型設計為利用彎轉磁鐵產生同步輻射，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驗室NSLS光源（800MeV），巴西國家同步輻射實驗室LNLS光源（1.37GeV），合肥國家同步輻射實驗室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、遠紅外波段擴展。第一代和第二代是按照加速器裝置的首要目的進行分類的。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驗室的APS光源（7GeV），勞倫斯伯克利國家實驗室的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行，布局更趨合理。目前在世界范圍內，第三代是同步輻射光源的主流。第四代則被認為是自由電子激光（FEL）光源。X射線自由電子激光不僅能產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.）

同步輻射光源的建設和維護都是系統(tǒng)復雜的工程，裝置本身由大量元件組成。我們以典型的第三代光源——APS為例，簡單介紹機器的基本構成。

（1）     直線加速器：為電子提供初速度；

（2）     增強器：電子被進一步加速；

（3）     儲存環(huán)：注入電子后產生同步輻射，儲存環(huán)會安裝各種插入原件，比如扭擺磁鐵（Wiggler，是磁場最強、總輻射功率最高的插入元件）、波蕩器（Undulator，最大特點是高亮度）；

（4）     光束線及實驗站：由端口引出若干條光束線，束線末端建實驗站。

圖5. 同步輻射光源的基本構造

四、 國內的同步輻射光源

目前，國內已經有多套同步輻射光源裝置，如玉泉路上的北京同步輻射裝置（BSRF，第一代光源）、中科大里的合肥國家同步輻射國家實驗室（NSRL，第二代光源）、張江高科的上海光源（SSRF，第三代光源），以及馬上投入運行的大連的深紫外以及上海軟X射線自由電子激光（FEL）裝置（第四代光源）。另外在臺灣也有兩臺光源。下面我們將對這些光源做一些簡單介紹.

4.1.      上海同步輻射光源

http://ssrf.sinap.ac.cn/1/jianjie.htm上海光源（ShanghaiSynchrotron Radiation Facility, SSRF）由150MeV電子直線加速器、3.5GeV 增強器、3.5GeV電子儲存環(huán)（周長為432米）以及沿環(huán)外側分布的同步輻射光束線和實驗站組成。SSRF設計為先進的第三代中能同步輻射光源，其主要性能指標居國際前列。SSRF 產生的同步輻射光覆蓋從遠紅外到硬X射線的寬廣波段。利用低發(fā)射度的中能強流電子束和國際上插入件技術發(fā)展的新成就，在用途最廣泛的X射線能區(qū)（光子能量為0.1~40 keV）產生高亮度和高通量的同步輻射光。目前上海光源有軟X射線譜學顯微(ＳＴＸＭ)光束線站，Ｘ射線成像及生物醫(yī)學應用光束線站，Ｘ射線衍射光束線實驗站，Ｘ射線吸收精細結構譜線站，硬Ｘ射線微聚焦及應用（微束）光束線站，Ｘ射線小角散射光束線站(ＳＡＸＳ)，生物大分子晶體學光束線站和軟X射線干涉光刻分支線站(XIL)。

4.2.      合肥國家同步輻射實驗室

http://www.nsrl.ustc.edu.cn/實驗室建有我國第一臺以真空紫外和軟X射線為主的專用同步輻射光源（簡稱“合肥光源”）。其主體設備是一臺能量為800MeV、平均流強為300mA的電子儲存環(huán)，用一臺能量800MeV的電子直線加速器作注入器。2014年合肥光源升級改造完畢，儲存環(huán)束流發(fā)散度顯著降低，光源穩(wěn)定性明顯改善，接近三代同步輻射光源水平。合肥光源目前擁有10條光束線及實驗站，包括5條插入元件線站，分別為燃燒、軟X射線成像、催化與表面科學、角分辨光電子能譜和原子與分子物理光束線和實驗站；以及5條彎鐵線站，分別為紅外譜學和顯微成像、質譜、計量、光電子能譜、軟X射線磁性圓二色光束線和實驗站。

4.3.      北京同步輻射裝置

http://bsrf.ihep.cas.cn/同步輻射專用光運行的能量提高到2.5GeV，流強達到250毫安，提供從真空紫外到硬 X 波段的同步輻射光，提供 X 射線形貌術、 X 射線成像、 X 射線衍射、 X 射線小角散射、漫散射、生物大分子結構、 X 射線熒光微分析、 X 射線吸收精細結構、光電子能譜、圓二色譜、軟X射線刻度和計量、中能 X 射線光學、高壓結構研究、 LIGA 和 X 射線光刻等實驗技術。

圖6. 北京光源光束線及實驗站示意圖

此外，規(guī)劃中的北京先進光源，預計建成全球最亮的光源。它建成以后將比美國已經剛剛建成的NSLS-II要亮70倍，比瑞典剛剛建成還沒有投入運行的MAXIV要亮10倍。

五. 國外的同步輻射光源

關于國外同步輻射光源的介紹推薦如下網(wǎng)站：http://www.lightsources.org/http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/bsrf/kepuyuandi/201010/t20101027_2997286.htmlhttp://www.ihep.cas.cn/kxcb/zmsys/

圖7. 世界主要同步輻射光源（圖片來源于NSRL-Wu Group）

目前世界上正在運行或者在建的同步輻射光源約有80臺，主要光源列舉如下：

亞洲：Spring-8——Super Photon ring-8GeV，目前世界最高能量的光源，位于日本兵庫縣，第三代光源；PF——PhotonFactory，即著名的光子工廠，位于日本筑波市，2.5GeV；PLS——PohangLight Source，即浦項光源，第三代光源；印度、新加坡、泰國等國家也有同步輻射光源。

歐洲：ESRF——EuropeanSynchrotron Radiation Facility，世界排名第三的高能光源，位于法國，第三代光源，6GeV；SOLEIL——即著名的“太陽”光源，SOLEIL在法語中位太陽之意，第三代光源，2.75GeV；BESSY Ⅱ——位于德國柏林市，第三代光源，1.7GeV；Diamond——英國鉆石光源，第三代，3GeV；另外意大利、俄羅斯、瑞士、瑞典、丹麥、西班牙等國家也建有同步輻射光源。

美洲：APS——AdvancedPhoton Source，世界排名第二的高能光源，位于美國阿貢國家實驗室，第三代光源，7GeV；ALS——AdvancedLight Source，位于美國勞倫斯-伯克利國家實驗室，第三代光源，1.9GeV；NSLS——NationalSynchrotron Light Source，位于美國布魯克海文國家實驗室，第二代光源，2.8GeV；SSRL——StanfordSynchrotron Radiation Laboratory，屬于美國斯坦福直線加速器中心（SLAC），改造后為第三代光源，3GeV；CHESS——CornellHigh Energy Synchrotron Source，位于美國康內爾大學，第一代光源，5.5GeV；LCLS——LinacCoherent Light Source，第四代FEL光源；CLS——CanadianLight Source，加拿大光源，第三代光源，2.9GeV；巴西等國家也有同步輻射光源。

大洋洲：AS——AustralianSynchrotron，澳大利亞光源，位于墨爾本市附近，第三代光源，3GeV。

六、后記

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

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

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