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。
• 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
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
同步辐射光的特点 II - 宽能谱
从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线
用途:
• 波长<1000Å的光，可以辨认出病毒细胞；
• 波长<40 Å的光，可以了解组成它的蛋白质 和DNA（脱氧核糖核酸）；
• 波长<4 Å的光，可以看到螺旋结构的分子 组成； • 波长<10 Å的光，材料科学和凝聚态物理；
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
Absorption 吸 收 — materials with no long range order (amorphous materials, microcrystalline powders, solutions…) Photonelectron 光 电 子 — element valence state, band structure of materials, tec Fluorescene 荧光—element composition and and their valence state
The X-ray absorption spectroscopy
Many-body problem Absorption cross section (Fermi golden-rule) 2 2 one electron approx. ( ) 4 f r g ( E f Eg ) f Molecular potential “muffin-tin” approx. The Schroedinger-like equation
同步辐射光源和 同步辐射装置
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:
• 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。
同步辐射光的特点V - 偏振光
• 电子在特定的轨道上辐射的光
轨道平面内为100%线偏振，轨道平面上下为相反 的椭圆偏振 研究磁性材料（复旦大学 金晓峰教授）
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 )
recording time, enhanced resolution and using different wavelengths), useful for unstable materials and/or tiny crystals; used mainly in biology to solve metalloproteins.


2
k2 f (Vcou ( E )) f 0

f
“self-energy”: takes into account correlation and exchange potential
various approx.
Coulombian term (e-e and e-nucleus interactions)
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
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
E Full multiple scattering (XANES): 2 the full series contributes to signal
E
0
n=2
; n=3
;…
Intermediate and single scattering E (EXAFS): few terms of the series 1
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)
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 Æ ª ©
跃迁
Ò ç È µ ¬ Ò Ó ½ Æ ¨¼ µ Ô ¾ µ à ÷ É · ¾ ¬ Ë Ê ù ý Ñ Å ð Ã Ë µ Ö ÷ Ô å «¡ £ Ó ½ Æ ¨Ã µ » · É Á ¬ ñ ­ Ð Ä » « » ½ Æ Ó ¨¨ ¶ ò Ó ¡ £ ¶ å ¨ Ñ µ ç ¬ Ò ¾ ª » É Î ò À ¬ Ï ÷ Ë ¬ Ó ½ Æ ¨Ã µ ã Ï µ ¡ Õ £ ¼ ß ü ªÆ ÷ µ Ã Ë Ö ÷ Ô å «Õ ÷ª Ñ Æ É Ò È Ì µ Ã Ü ¸ â ç ¬ µ Ò µ à ­ ¶ Õ Ö ¢ È È ä ² ¸ Ô ñ Ñ ý ð Å µ à ¬ £ Ò Ï Ü Æ ¹ ¾ µ Ã È ¢ ä È Ö ¼ Â æ ¡ £
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
• 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)