同步辐射应用及新光源发展课件.ppt

同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用 科学的进步与人类对光的认识紧密相关。在人类 进化的漫长岁月中，光的各种奇异现象使人类认识了 自然，也发展了自己。在这认识自然的文明史中，人 的视觉器官也达到了高度的完善，并凭借着视觉器官 和光发现了自然规律和征服自然。光在人类生活中已 不可缺少，以致于在人类历史上产生了种种与光相关 的神话故事和传说，这也促使人们对光进行多方面的 科学探索和研究并加以利用。最早研究光现象的是我 们中国人。据文字记载，我国古代伟大的物理学家墨 翟（约公元前468-382年）在所著的墨经上就讲到光 沿直线行进和针孔造像原理。这比古希腊欧几里德关 于光的反射律的记载早100 多年。在以后的年代里， 对光的属性不断深入研究，发现了光的各种特性，并 利用其特性发明了各种光学仪器。人们借助于这些仪 器不断扩大了人的视觉器官的功能，深化了人类对物 质世界的认识。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 为了更广泛、深入地 认识自然，人们已意识到 自然光源限制了认识范围 ，迫使人们发明或发现新 的光源，如各种灯、弧光 光源、激光以及同步辐射 光源等。这些光源的诞生 ，使人们的认识不断扩大 ，小至基本粒子大至宇宙 。每一种新的光源的出现 ，不但开拓了新的研究领 域，而且还导致重大的发 现。右图是不同方法产生 的辐射（电磁波辐射）所 对应的可观测的物体简表 。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 应用概述 同步辐射光照射在样品上会产生各种效如右图所示。利 用这些应可进行各种研究。 同步辐射光照射在样品上会产生 各种效应，如右图所示。利用这些效应可进行各种研究。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 次级发射 散射 化学效应 辐射效应 加工 光电子 弹性散射 沉积 辐射损伤 光刻liga 俄歇电子 非弹性散射 反应 cvd 萤光 x-ray衍射 x-ray 激发加工 磁散射 光电子衍射 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 应用举例 同步辐射的应用范围之广是前所未有的， 几乎所有的现代科学领域都可以利用它进行 研究。如她在物理学、化学、生物学、材料 科学、医学、农学、微机械和电子工业等有 着广泛的应用。这里仅选其一部分内容向大 家介绍。 sr-02.avi 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 1、光电子能谱学 物体受到光源照射后所激发出来的电子称为光 电子。从这些光电子的能量及动量的分布情况，可 以了解许多物理和化学现象，这一门科学被称为光 电子能谱学（photoelectron spectroscopy)。它 不仅可探测固体内以及表面或界面的电子能带结构 ，而且还可以探测原子与分子的电子组态以及它们 在固体表面所形成的化学结构。因此光电子能谱学 在固体物理、表面物理以及化学等方面，如半导体 物理、金属材料、磁性薄膜、化学吸附、催化反应 以及超导体等，将起着重要作用。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 pl of s-passivated gaas 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 2、光吸收能谱学 从光的反射与透射来计算光吸收时的光吸收能谱学 (photon absorption spectroscopy)除了研究原子、分子 的振动、转动及电子能级的跃迁外，借以同步辐射的可调性 ，已发展出一个极为重要的分析方法：广延x射线吸收精细 结构exafs (extended x-ray absorption fine structure)，这种方法能鉴别非晶格物体或浓度甚低时，原 子与周边原子间的距离（精度可达0.10.02）。该方法应 用于生物的金属蛋白质(metalloproteins)结构研究，远优 于其他方法。吸收边(absorption edge)形成的原因是由于 sr光源的波长(能量)通过单色仪逐渐精细地调到某一特定 波长时，样品原子中某一特定能级的电子因获得高于其束缚 能的能量而被游离出来，而且会吸收大量的照射光源，这就 是吸收边缘，通常以电子壳层k，l，m，等表示。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 xafs for gan 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 3、xray心血管照相术 (coronary angiography) 利用x-ray血管照影可以观察心脏血管阻塞情 形。普通x-光源强度较弱。需把注射碘的导管直接 导入到心脏，病人较痛苦，而其注射的碘较多，具 有一定的危险性。若用同步辐射观察，只需将少量 的碘注射到血液中，用不同的波长的两束同步辐射 光（一束光的能量略高于碘的吸收边的能量（ 33.3kev），另一束光略低于吸收边的能量）照射 心脏，它们经过心脏后，因软组织和骨骼对两束光 的吸收是一样的，但碘对较高能量的光吸收较多， 因此在图象处理系统中得到的图象是不一样的，再 利用图象减除技术，便可得到清晰的心脏动脉及其 它血管的影象。所得图象的时间仅几秒针，病人不 会感到不适之处。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 4、xray 衍射 利用xray衍射来探测晶体中原子的排列， 是一项业经证明且被广泛应用的技术。x-光光 波经晶体中各个原子散射后，产生不同强度的 干涉光点，它们在底片上形成复杂的图案，根 据这些图案不仅可了解物质的结晶情形，而且 因同步辐射光的强度和波长可调，可将研究领 域拓展到肌肉纤维和蛋白质晶体学(protein crystallography)等。特别是在某些特定频率 下所发生的不规则散射现象，常能补充其他方 法对几何结构难以鉴定的不足。另小角散射对 非单晶材料几何结构的鉴定， 更具威力。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 5、xray显微术 x-ray显微术（x-ray microscopy）是利用x-光（软 x-光）透过物质时产生的萤光、电子时形成的影像。由于不 同元素所产生的结果不同，调整波长可使不同元素在复杂的 成分中突显出来。如将细胞置于x-光底片上，然后用同步辐 射光照射，因为x-光透过不同的细胞部位，其被吸收的程度 不同，该底片经处理后，其结果如同细胞的浮雕。x-ray显 微术所得的结果并不是细胞本身的照片而是细胞吸收x-光的 部位的图案。使用此方法的优点在于所需暴光时间短（秒量 级），大大减少了样品被光源损坏的可能性，另一特点是可 将照射光波长调到20埃50埃范围内（即所谓水窗口），因 此可将活体细胞置于水中，我们将得到活体细胞的信息。此 外，此类实验在大气中或氦气中进行，这是电子显微镜不能 办到的。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 6、时间分辨光谱学 利用同步辐射光的时间结构可进行 时间分辨光谱学（time-resolved spectroscopy）研究，测定原子跃迁的 几率、各种激发态的半衰期或生物形体随 时间的变化。原子分子或固体吸收同步光 后被激发，经过一段时间，被激发的电子 将发出萤光而回到原来的能级上。我们测 量发出的萤光以及它同同步光的时间差可 得到随时间变化的发光光谱。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 7、研究燃烧与火焰 燃烧在日常生活、交通运输及工业生产中随处可见。在世界能 源消耗的总量中，燃烧提供了约90%的能源，然而燃烧也会带 来环境污染，燃烧与大气污染息息相关。因此，对燃烧开展实 验及理论研究，提出相关理论模型和机理，将有利于提高能源 利用效率、节约能源、降低燃烧产生的大气污染，为实际应用 提供理论的依据。 燃烧化学的研究已经有150年历史，尽管全世界数以千计的科 学家依然在此领域努力，但直到同步辐射光电离质谱技术应用 于火焰研究，才使碳氢化合物燃烧过程中的中间体烯醇的发 现成为现实。研究证明不完全氧化在碳氢化合物氧化机理的应 用中占有很重要的地位，像燃料电池中发生的气相化学反应主 要就是不完全氧化过程，而不完全氧化的产物是现今大气污染 物的主要来源之一。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 c6h6/o2火焰中产生的c5h5自由基的光电离效率谱 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 8、软xray光刻 软x-射线光刻（soft-x-ray lithography）用于亚微米尺度的加工，超 大规模集成电路的制造、微型机械、微型 元件的加工等。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 ni height: 200m diameter: 200 m 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 通过倾斜和三次旋转刻蚀出类似脚手架的三维图形（材 料pmma） 圆柱的尺寸为16m, 垂直高度230m 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 成功地在室温、空气环境下对运用化学法制造的“几何明星”凹 陷escher型硫化铜十四面体微晶进行了三维成像，直观地揭 示了该凹陷escher型微晶由四个相同的六角形的板通过相互 交叉构筑成具有14个腔洞（其中包括6个正方形和8个三角形） 的结构。与透视电子显微镜和扫描电子显微镜相比，x射线纳 米三维成像技术具有更直观解析复杂形态纳米结构的优点。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 国内首个256位分子存储器电路的研制成功，为我国分子电路的高集成度 、高速度和低功耗的实现奠定了重要基础,有力推动了我国分子电子学的发 展。 左图为二次掩膜照片，右图为分子存储器的下电极照片，均采用x射线 曝光得到 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 光源发展趋势 近四十年的发展，同步辐射光源已成为科学研究、 高技术研发的极为重要 的手段。是不同领域科学 家、技术人员学术交流和交叉研究的难得场所。 因此，发达国家分别建造了数台同步辐射光源装 置。已有的光源可分为三代： 第一代是寄生在高能加速器上，部分时间用于sr; 第二代是专用机器，始于七十年代末； 第三代是多插入元件的高亮度专用机器； 第四代是基于fel的光源。同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 另还有专门为超大规模集成电路生产等工 业用的小型同步辐射装置，如aurara。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 右图是不同光源产生的辐射光 的波长范围，下图是spring-8 的谱图，若再提高亮度怎么办 ？ 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 第四代光源 为进一步提高光源的亮度以适应 用户的要求，科学家和工程师们正在 致力于所谓第四代光源的研究。其基 本框是基于自由电子激光 fel (free electron laser) 来产生高亮度的光。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 fel基本原理 自由电子激光（free electron laser，简称fel） 是使自由电子的电磁辐射受激放大的新一代强相干 光源。最典型的自由电子激光产生方法是使相对论 性电子在具有空间周期性的磁场结构（相应的磁铁 装置称为波荡器）中同时与周期磁场和光场相互作 用，产生波长由共振条件确定的受激辐射。由于电 子束团中相对于光场纵向位置不同的电子和光场相 互作用的位相不同，与光场作用的结果使一些电子 失去能量，另一些电子则获得能量，即产生能量调 制，而能量调制在电子束行进中又转变为密度调制 ，从而形成以光波长为周期的群聚。群聚的电子束 和光场相互作用得到加强，大部分电子辐射的位相 趋于相同，使辐射相干放大，成为高亮度的相干激 光束。 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 nominal lcls linac parameters for 1.5- fel single bunch, 1-nc charge, 1.2-single bunch, 1-nc charge, 1.2- m m m m sliceslice emittanceemittance, 120-hz repetition rate, 120-hz repetition rate (rf phase: (rf phase: f f rf rf = 0 at accelerating crest)= 0 at accelerating crest) slac slac linaclinac tunnel tunnelresearch yardresearch yard linac-0linac-0 l l =6 m=6 m linac-1linac-1 l l 9 m9 m rf rf - -2525 linac-2linac-2 l l 330 m330 m rf rf - -4141 linac-3linac-3 l l 550 m550 m rf rf - -1010 bc-1bc-1 l l 6 m6 m r r 5656 - -39 mm 39 mm bc-2bc-2 l l 22 m22 m r r 5656 - -25 mm 25 mm ltultu l l =275 m=275 m r r 56 56 0 0 dl-1dl-1 l l 12 m12 m r r 56 56 0 0 undulatorundulator l l =125 m=125 m 6 6 mevmev z z 0.83 mm 0.83 mm 0.05 % 0.05 % 135 135 mevmev z z 0.83 mm 0.83 mm 0.10 % 0.10 % 250 250 mevmev z z 0.19 mm 0.19 mm 1.6 % 1.6 % 4.54 4.54 gevgev z z 0.022 mm 0.022 mm 0.71 % 0.71 % 14.1 14.1 gevgev z z 0.022 mm 0.022 mm 0.01 % 0.01 % .existing .existing linaclinac newnew rfrf gungun 21-1b21-1b 21-1d21-1d x x linaclinac- -x x l l =0.6 m=0.6 m rf rf = = -160-160 21-3b21-3b 24-6d24-6d 25-1a25-1a 30-8c30-8c 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 emittance and energy spread diagnostics* 5 energy spread meas. stations (optimized for small bx) e e e e e e e e 5 5 emittanceemittance meas. stations designed into optics ( meas. stations designed into optics ( d dy y x x, ,y y ) ) slice measurements possible with transverse rf (l0 & l3)slice measurements possible with transverse rf (l0 & l3) gege x x, ,y y gege x x, ,y y gege x x, ,y y gege x x, ,y y gege x x, ,y y .existing .existing linaclinac l0l0 rfrf gungun l3l3l1l1 x x l2l2 3 3 profprof. . mon.smon.s ( (d dy yx x, ,y y = 60 = 60 ) ) e e 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 lcls status 1.5- sase fel linac: requirements acceleration to 14.1 gev (3 gev min.) bunch compression to 3.4 ka emittance preservation ( 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 同步辐射应用及新光源发展 mail goal of phase ii project of nsrl reducing the emittance of the hls increasing the brightness of the ring (27nm.rad and 13.4nm.rad) improving beam stabilities (300ma, lifetime of 8hrs for gpls mode running 150ma, lifetime of 8hrs for hbls mode) improving the injection system improving the rf system new rf genera