同步辐射光源与技术介绍

1同步辐射技术同步辐射（synchrotronradiation）是速度接近光速的带电粒子在磁场中做变速运动时放出的电磁辐射，具有能量高、亮度大、发射度低、脉冲时间短、能量连续可调等优异特性。固体物理学家将其应用于X射线谱学研究领域，发展出了一大批先进的X射线谱学技术。本项目主要应用X射线吸收精细结构（XAFS）、同步辐射X射线衍射（SR-XRD）、同步辐射X射线荧光分析（SR-XRF）等技术，用以解析矿物及其分解过程中间产物的物相和电子结构信息，监测矿物在生物冶金过程中转化过程和元素迁移，以及阐述微生物与矿物间相互作用对矿物表面元素分布的影响。2谱学技术XRD技术是应用最广泛的X射线谱学技术之一，其中粉末衍射应用较为广泛，它可以给出固体结构在多晶凝聚态结构、晶体结构、实际晶体微结构三个层次上的信息，而同步辐射XRD的分辨率为常规光源XRD的十倍以上。应用本技术除了可以对矿物和矿物分解过程中间产物进行表征之外，进一步对数据进行峰宽峰形、全谱拟合分析，还可以获得各个物相晶体结构和结晶学参数。本项目利用同步辐射XRD技术对不同来源、不同成矿条件下的矿物进行矿物化学成分、结晶度、纯度、表面化学元素分布、晶格掺杂与缺陷、晶体结构与类型等矿物学性质进行详细解析。应用同步辐射gXRD技术进行矿物微区物相的定性表征，分析矿物中微量、痕量物相所占的比例和其分布。应用SR-XRD和gXRD技术解析生物冶金过程中的矿物溶解过程的中间产物。基于电化学原位检测装置，应用原位XRD等技术实现对界面电化学反应过程和反应产物的实时原位监测。同步辐射XRD研究将在北京光源的4B9A实验站和上海光源的BL14B1线站上实施。BSRF的4B9A实验站也即衍射站，光束能量4-15keV，具有专用、兼用两种用光模式，可进行以下试验项目：X射线衍射（XRD）、X射线反射率（XRR）、小角散射（SAXS）、衍射异常精细结构（DAFS）、XAFS；主要应用于材料科学、纳米科学、催化能源、生物科学等学科领域。SSRF的BL14B1实验站也即X射线衍射光束线实验站，采用弯铁光源，光子能量在4-22keV的范围，定位于材料科学应用的通用衍射线站，以多晶粉末、薄膜、纳米材料等为主要研究对象，建成为以粉末晶体衍射实验方法为主，可同时开展纳米和表面材料的掠入射（反常）衍射（GIXAD）、反射率、倒易空间mapping.DAFS测量等实验技术及动态过程等研究。XAFS通常可以分成两个部分：扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和X射线吸收近边结构（XANES）oXAFS技术具有对中心吸收原子的局域结构和化学环境敏感的特征，能够在原子尺度上给出某一原子周围几个邻近配位壳层的结构信息，包括配位原子的种类及其与中心原子的距离、配位数、无序度等，并且XAFS可以研究固态、液态和气体等几乎所有凝聚态物质的局域结构。本技术将用来解析矿物分解过程中各元素原子电子结构的变化，阐述矿物所经历的氧化还原反应和元素迁移过程。本项目利用同步辐射XANES等技术研究微生物在矿物表面的吸附、生物膜及其胞外多聚物（EPS）的形成。应用XAFS和XANES技术研究中间产物的电子结构，解析矿物的价态变化和氧化还原反应历程，分析中间产物对矿物表面电荷传递与物质迁移的影响。应用原位XANES等技术实现对界面电化学反应过程和反应产物的实时原位监测。利用同步辐射XAFS和XANES技术研究生物冶金体系多元离子组分行为与机制，包括基本离子组元和实际矿石生物冶金体系伴生离子组元对硫化矿溶解过程的影响。同步辐射XAFS、XANES等的研究将在北京光源的1W1B、4W1B实验站和上海光源的BL14W1线站上实施。BSRF的1W1B实验站也即XAFS实验站，光束能量4-29keV,具有专用、兼用两种用光模式，可进行以下试验项目：透射XAFS、荧光XAFS；主要应用于材料科学、纳米科学、生物医学、环境科学、化学化工、能源催化、人文考古等学科领域。BSRF的4W1B实验站也即X射线荧光微分析实验站，准单色光聚焦模式下光子能量为8-15keV，单色光聚焦模式下光子能量为5-18.5keV，使用专用用光模式，可进行以下试验项目：XRF、微区XRF、微区XAFS；主要应用于地质矿产、生物医学、环境科学、材料科学、人文考古、法学鉴定等学科领域°SSRF的BL14W1实验站也即X射线吸收精细结构谱线站，是一个基于多极wiggler光源(MPW)的通用、高性能X射线吸收光谱实验装置；本光束线站将主要用于高能量分辨、高光谱纯度和高信噪比的X射线吸收精细结构谱学研究，光子能量在聚焦模式下为4-22keV、非聚焦模式4-40kev，其主要技术指标如下：对于土壤环境样品和地质样品等有很多荧光本底的样品中的重金属元素的实际检测限可望接近10ppm；对于金属蛋白溶液样品，检测限可以达到20gM；通过调节wiggler的磁场强度，对于低浓度的K、Ca、V、Ti等低K能量边的元素的检测十分有利；更适合开展时间分辨的EXAFS并缩短快速扫描时间。XRF根据探测来自样品的特征X射线的能量或波长，可以分析样品中有何种元素，而计算相应特征X射线的强度便可以得到该元素的含量以及分布。而同步辐射XRF技术的特点在于可以实现亚微米级的空间分辨，成为对微量元素进行定量分析的高灵敏度的光子微探针，同时联合EXAFS、XANES、CT(计算机断层成像分析技术)，能够获得非常有用的结构、成分和形貌信息。本技术将用来分析微生物与矿物间相互作用对矿物表面元素分布的影响，即元素溶解的具体过程。本项目应用XRF和XRF成像技术研究生物冶金体系下矿物表面元素的分布和变化，分析微生物对矿物表面元素溶解的具体影响。同步辐射XRF研究将在北京光源的4W1B实验站和上海光源的BL15U线站上实施。SSRF的BL15U实验站也即硬X射线微聚焦及应用(微束)光束线站，采用真空室内波荡器作为光源，通过引出高次谐波使得光子能量在2-23keV连续可调；本试验站主要用于开展微束X射线荧光分析(p-XRF)、微束X射线谱学(p-XAFS)以及微束成像实验研究，具备原位分析样品的元素组分、化学特性、物质结构及其二维分布的能力；其空间分辨达到微米至亚微米量级，元素分析的灵敏度达到ppb级。（2）SCI分析报告截至2015年8月在SCI数据库生物冶金研究领域以文章总数排名的世界前100位作者内中南大学作者有19名。SCI文章总数为1961篇，其中中南大学独占215篇，占10.9%，为所有文章机构排名的第一位。近五年全世界共新增文章978篇，中南大学新增文章122篇，为世界新增文章总数的12.5%，且近三年来增速明显，在目前同研究领域竞争者越来越多的情况下保持高水平增长。中南大学在冶金工程方面相比世界上其他研究机构具有相当大的优