X射线吸收近边结构XANES（X-Ray Absorption Near Edge Structure）是自吸收边 到其上50eV的吸收截面，此过程可以由一个 多体配分函数来描述，在一级近似下（即忽 略芯能级空穴势能效应），单电子吸收截面 可以分解为与能量有关的原子跃迁矩阵元 M(E) 和态密度 D(E)的乘积，即S (E)~M(E)D(E) 。因此，能够直接提供固体中 电子未占据态的能带结构信息，以及电子轨 道杂化、电荷转移、电子轨道和自旋相互作 用等电子结构信息。
• 可以任意选择所需要的波长且连续可调
同步辐射光的特点III - 小发散
• 是准平行光，有一定相干性，发散角
2 =mc /E
E为GeV时,<0.1mrad (0.005)
可以获得高分辨率的图谱，如同步辐射 粉末衍射最高分辨已达到0.002，比常规 光机约提高2个量级
同步辐射光的特点IV - 脉冲光
同步辐射光的特点 I - 高亮度
1012–1020[Phot/s.mm2. mrad2.0.1%BW]，常规光源的亿倍以上
优势： 实时（化学反应动力学、相变过程、活细 胞变化过程） 原位（高低温、高压、高真空等） 微量样品 其他要求高光强的实验，如X射线反射等
例如：用X光机拍摄晶体为缺陷照片，需 要7-15天的感光时间，而利用同步辐射 光源只需要十几秒或几分钟，工作效率 提高了几万倍。对于极小样品以及材料 中微量元素的研究，也只有同步辐射光 能担任重任。Fra bibliotek同步辐射
是一种先进和不可替代的光源 是一类与中子散射互补的大科学装置 是一个产生新的实验技术和方法的平台
是一个不同学科互相交融的理想场所
是一个凝聚和培养优秀创新人才的基地
什么是同步辐射？- 理论预言
1）相对论性带电粒子做曲线运动时将发出电磁辐射
2）1898年，A. Lienard从理论上 预言，沿半径为R做圆周运动的 相对论性带电粒子将发出电磁辐 射， 并给出了瞬时辐射功率表 达式:
g
The Multiple Scattering Series
Angular momentum selected transitions The multiple scattering series
(E) 1 (E)
n n 2
K-edges
1s p
( E) 0p ( E) p ( E)
• 集中在发达世界：美、欧、日、俄 • 发展中国家也争相建造：巴西、印度、新加坡、泰国、 韩国。在建和计划建造的第三代光源共13个
同步辐射光源发展与现状- 国内
1. 北京同步辐射装置BSRF（北京高能所）：九
十年代初开始使用，为第一代光源，与北京正负电 子对撞机（BEPL）共用一个环，专用同步辐射时间 3月/年 ，2.2GeV ，改造后接近第二代光源
k(Å-1 ) = 0.512 (E-E )
0
1/2
(eV)
Energy
近边吸收谱对吸收原子周围的配位化学敏感
区域
ß Ç ± °
跃迁
Ó ç É µ × Ó Ô ¾ Ç ¨½ µ Õ ¿ µ Ä ø Ê ¸ ¿ ¬ Ì Ë ù ý Ò Æ ð Ä Ì µ Ø ÷ Õ å ·¡ £ Ô ¾ Ç ¨Ä µ ¼ ¸ Ê Â × ñ ­ Ñ Å ¼ « ¼ ¾ Ç Ô ¨¨ ¶ ò Ô ¡ £ ¶ å ¨ Ò µ ç × Ó ¿ ª ¼ Ê Ï ò Á ¬ Ð ø Ì ¬ Ô ¾ Ç ¨Ä µ ã Ð µ ¡ Ö £ ½ ß ü ±Ç ø µ Ä Ì Ø ÷ Õ å ·Ö ÷ª Ò Ç Ê Ó É Í µ Ä Ü ¹ â ç × µ Ó µ Ä à ¶ Ö Ø ¢ É É ä ² ¹ Õ ñ Ò ý ð Æ µ Ä ¬ £ Ó Ð Ü Ç º ¿ µ Ä É ¢ ä É Ø ½ Ã æ ¡ £
同步辐射光的特点VI – 一切特性可精确计算
• 计算工具：XOP 结论： 1. 高亮度 2. 宽频谱 3. 小发散 4. 脉冲光 5. 偏振光 6. …
科学研究的 新光源
同步辐射装置
发生装置（光源）、光束线及实验站三大部分
同步辐射装置组成部分及功能
一、同步辐射发生装置
1、注入器 (1)直线加速器(Linac)：初步加速,几十至几百MeV,产生 电子,形成电子束团 (2)增强器（Booster）：用同步加速器进一步加速电 子达到需要值， 可达GeV 2、电子储存环（storage ring） 一定能量电子在环内稳定运转，发射同步辐射。 由磁聚焦结构、高频加速谐振腔、束流传输束线、 插入件（扭摆器、波荡器）及真空室构成
同步辐射实验技术
1. 同步辐射X射线吸收谱（XANES和EXAFS） 2. 同步辐射X射线光电子能谱（PES） 3. 同步辐射X射线小角散射(SAXS)和掠入射小角 散射(GISAXS) 4. 同步辐射X射线反射(XRR) 5. 同步辐射X射线衍射(XRD)和掠入射衍射 (GIXRD) 6. 同步辐射X射线形貌术(XRT) 7. 同步辐射X射线荧光分析(XRF) 8. 同步辐射X射线真空紫外谱和磁圆二色
BSRF
同步辐射技术及其 在材料科学中的应用
郭立平 吴自玉
中科院高能物理所同步辐射室
Beijing Synchrotron Radiation Facility, IHEP, CAS, Beijing
• 同步辐射光源和同步辐射装置 • 同步辐射实验技术及在材料科
学中的应用
• 北京同步辐射装置介绍
同步辐射光源和 同步辐射装置
同步辐射实验技术及在材 料科学中的应用
同步辐射实验分类
• Spectroscopic experiments through matter-photon interactions: Scattering 散 射 — information about large particles, typically aroundsome tens Ǻ, sizes, shapes and kind of interaction (badly organized systems such as polymers, colloids, gels and sols etc.). Diffraction 衍 射 — solve completely complex crystallographic structure (short
2. 国家同步辐射实验室NSRL（合肥中国科大）：
九十年代初投入使用，第二代专用光源，0.8GeV， 低能环，以紫外、软X射线为主。用一个6T扭摆器， 可有12KeV以下的硬X射线。 3. 台湾新竹TLS-II:第三代,1.3GeV、310mA
4. 上海光源SSRF（待批）: 第三代， 3.5GeV 5. 自由电子激光X射线源（第四代）和散裂中子 源(拟议中)
二、光束线:
作用：对原始白色辐射进行加工以满足实验对波长、尺寸 等的要求，并把辐射从发射点引导到实验装置的整个光路。 1、前端区：从发射点到储存环出口 作用：截取、引导、控制辐射；防止辐射对仪器、设备 和人体造成损伤；保护储存环真空 元件；狭缝、挡光器、真空快慢阀、光闸、真空位置探测 器、光束位置监控器、隔离窗。 2.光束线:从储存环出口到实验装置的一段 作用：除类似前端区功能外，主要是对辐射加工，以获得 有一定能量（范围）、一定光斑尺寸和平行度的实验用光束 元件：反射镜、准直镜、聚焦镜、单色器、狭缝
2 P (e c / R )( E / mc ) 3
2 4 2 2
4
其中 e、m、、E分别为带电粒子 的电荷、静止质量、相对论速度和 能量，c为光速。
什么是同步辐射？- 实验观察
接近光速运动的电子或正电子在改变运动 方向时会沿切线方向辐射电磁波。1947年4月， F.R.Elder等人在美国通用电气实验室的 70MeV的电子同步加速器上首次观察到了电子 的电磁辐射，因此命名为同步辐射。
recording time, enhanced resolution and using different wavelengths), useful for unstable materials and/or tiny crystals; used mainly in biology to solve metalloproteins.
1.同步辐射X射线吸收谱（XANES和EXAFS）
I0
样品
I
X-ray
I = I0 e- t
t = Ln (I0 / I)
E
t
X射线吸收谱
EXAFS：局域结构 XANES：局域结构+电子态
多重散射理论
XAFS在能量空间中可以表示为特定能量的入射光子激发原子的 芯能级电子，使其跃迁到空带的过程（下图左）。在实空间里， 则反映了出射光电子与近邻原子进行多重散射的过程（下图右）


2
k2 f (Vcou ( E)) f 0
“self-energy”: takes into account correlation and exchange potential

f
various approx.
Coulombian term (e-e and e-nucleus interactions)
三、实验站：

进行不同类型同步辐射实验的谱仪设备 可同时安装几十至一百多实验站，利用不同 的光进行不同的实验〔对X实验要有防护小屋〕 同步辐射装置是一个大科学装置，可供各种 专业的科学家和技术人员数百人同时进行各 种研究，24小时不停运转

同步辐射光源发展与现状 - 三代光源性能比较
同步辐射光源发展与现状- 国际
• 同步光是一个脉冲接着一个脉冲，与储存环 中的电子束团有相同的时间结构，脉冲宽度 ps-ns,脉冲间隔ns-ms
如果光脉冲间隔时间为1微秒，用这种光来 照相，1毫秒就可拍1000张照片，可以用来研 究活的生物细胞的变化过程等。