同步辐射基础

上次我们介绍了X射线吸收光谱的基础知识，相信大家已有一些初步印象。

与常规XPS、XRD、TEM等表征手段相比，基于同步辐射的XAFS测试一直都是珍贵紧俏的资源，一个重要原因就是作为大科学装置的同步辐射光源，造价高昂。今天我们给大家介绍一些同步辐射的基本知识。

1.       什么叫同步辐射？（Synchrotron Radiation，SR）

同步辐射是相对论性带电粒子在电磁场的作用下沿弯转轨道行进时发出的电磁辐射。（《同步辐射光源物理引论》，刘祖平，中国科学技术大学出版社）

从定义可以看出，同步辐射或者同步光的产生需要满足以下三个条件：

（1）      有带电粒子，即不一定是电子，也可以其他带电荷的粒子；

（2）      粒子要是“相对论性”的，也就是要求粒子能量要高，速度要接近光速；

（3）      要求粒子运动方向与电磁场有夹角。

满足以上三个要求，就可以产生同步辐射了。它是一种“辐射”，为什么是“同步”的呢？那是因为最早的“人工”同步辐射是在一台“同步加速器”上观察到的（1947年在美国），后来就约定俗成的叫开了。根据同步辐射的定义，我们可以推想，宇宙射线中包含有大量“天然”同步辐射。

图1 电子在磁场中偏转产生同步辐射的示意图

2.       为什么需要同步辐射？

1. 同步辐射强度高，亮度大

严格的光源亮度(Brilliance)考虑了径向发散度(Radialdivergence)，比较复杂。此处我们简单地可以将亮度理解为单位面积和单位时间内的光子数目。典型的同步辐射光源亮度比X射线靶产生的亮度，高约6-10个数量级。一般而言，光源亮度越高，其信噪比就越好。

图2 美国的一些同步光源的亮度对比

一般而言，XAFS实验的光束亮度典型值为10^14-10^15量级，其能量约为10 KeV.

2. 同步辐射光连续可调

XAFS得到的是吸收系数—光子能量的谱图，因此要求在采谱过程中，吸收光谱的的入射光子能量要求在较大能量范围内连续可调，只有同步辐射光在大的能量范围内能保持高的强度。

作为对比，实验室用的阳极靶材一般只有亮度最高的X线用于实验，如XRD 用Cu靶，Cu的特征谱线波长为：Kα1(8265.6eV , 1.54056 Å), 而XPS双阳极对应的X射线能量为Mg靶Kα1为9.8903Å(1256.3eV)，Al为8.34Å（1486.6eV）。X射线腔的其他能量的X射线，一般亮度很难达到实验的要求。

3.其他特点

 同步辐射还具有高准直性、偏振性（SR是偏振光）、脉冲时间结构（因为SR通常由电子束团产生）、洁净性（因为SR在超高真空下产生）等特性。

4. 同步辐射实验方法

结合同步辐射自身的特点，科研人员开发了许多实用的同步辐射实验方法（特别是X-射线技术），并通过这些实验方法，在诸多领域开展广泛的研究。目前比较典型的同步辐射表征手段主要有以下几种：X-射线衍射（XRD），小角X-射线散射（SAXS），X-射线生物大分子结构分析，X-射线吸收谱精细结构（XAFS），X射线磁圆二色（XMCD）技术，X-射线荧光分析（XRF），X-射线成像技术，真空紫外光电离质谱技术，光电发射技术和角分辨光电子能谱（ARPES），材料结构分析高压技术，同步辐射微纳加工技术（LIGA）等。

图3. 基于同步辐射的表征手段（图片来源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）

3.       同步辐射装置的分代及基本构造

能够产生同步辐射的装置被称为同步辐射装置或同步辐射光源。自从同步辐射被发现，人们就开始对同步辐射进行理论研究，并对同步辐射装置进行设计和建造，以期能够获得优质稳定的同步光。到20世纪70年代，同步辐射光源逐渐开始投入实际应用。事物是不断变化和发展的，会经历更新换代，同步辐射光源也有自己的“代”。到目前为止，同步辐射光源可分为以下四代：

第一代是以高能物理实验为主的兼用光源，可以是储存环或同步加速器。如美国康奈尔大学CHESS光源，BSRF。BSRF依托于北京正负电子对撞机，部分时间按同步辐射专用模式运行，在专用模式下，总体性能大体达到第二代光源水平。

第二代是同步辐射专用光源，典型设计为利用弯转磁铁产生同步辐射，它们都是电子储存环，通常能量较低。如美国布鲁克海文国家实验室NSLS光源（800MeV），巴西国家同步辐射实验室LNLS光源（1.37GeV），合肥国家同步辐射实验室NSRL光源（800MeV）。NSRL适于开展软X射线和真空紫外波段的研究，可向波长更长的红外、远红外波段扩展。第一代和第二代是按照加速器装置的首要目的进行分类的。

第三代也是同步辐射专用光源，与第二代光源的区别在于光源能量更高。比如美国阿贡国家实验室的APS光源（7GeV），劳伦斯伯克利国家实验室的ALS光源（1.9GeV），欧洲同步辐射装置ESRF（6GeV），德国的BESSYⅡ光源（1.7GeV），英国的Diamond光源（3GeV），法国的SOLEIL光源，日本的SPring-8光源（8GeV），上海同步辐射装置SSRF（3.5GeV）。SSRF建成后，中国大陆有三台同步辐射光源同时运行，布局更趋合理。目前在世界范围内，第三代是同步辐射光源的主流。

第四代则被认为是自由电子激光（FEL）光源。X射线自由电子激光不仅能产生无与伦比的高亮度辐射，而且辐射具有完全的横向相干性，并且是脉冲式的。比较有代表性的FEL光源有美国的LCLS光源，德国的Euro XFEL光源等。中国在近期也提出了兴建软XFEL和硬XFEL装置的计划。

图4. 同步辐射装置的发展（图片来源：Science, 2011, 334, 1234-1239.）

同步辐射光源的建设和维护都是系统复杂的工程，装置本身由大量元件组成。我们以典型的第三代光源——APS为例，简单介绍机器的基本构成。

（1）     直线加速器：为电子提供初速度；

（2）     增强器：电子被进一步加速；

（3）     储存环：注入电子后产生同步辐射，储存环会安装各种插入原件，比如扭摆磁铁（Wiggler，是磁场最强、总辐射功率最高的插入元件）、波荡器（Undulator，最大特点是高亮度）；

（4）     光束线及实验站：由端口引出若干条光束线，束线末端建实验站。

图5. 同步辐射光源的基本构造

4.       国内的同步辐射光源

目前，国内已经有多套同步辐射光源装置，如玉泉路上的北京同步辐射装置（BSRF，第一代光源）、中科大里的合肥国家同步辐射国家实验室（NSRL，第二代光源）、张江高科的上海光源（SSRF，第三代光源），以及马上投入运行的大连的深紫外以及上海软X射线自由电子激光（FEL）装置（第四代光源）。另外在台湾也有两台光源。

下面我们将对这些光源做一些简单介绍。

4.1.      上海同步辐射光源

上海光源（ShanghaiSynchrotron Radiation Facility, SSRF）由150MeV电子直线加速器、3.5GeV 增强器、3.5GeV电子储存环（周长为432米）以及沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成。SSRF设计为先进的第三代中能同步辐射光源，其主要性能指标居国际前列。SSRF 产生的同步辐射光覆盖从远红外到硬X射线的宽广波段。利用低发射度的中能强流电子束和国际上插入件技术发展的新成就，在用途最广泛的X射线能区（光子能量为0.1~40 keV）产生高亮度和高通量的同步辐射光。

目前上海光源有软X射线谱学显微(ＳＴＸＭ)光束线站，Ｘ射线成像及生物医学应用光束线站，Ｘ射线衍射光束线实验站，Ｘ射线吸收精细结构谱线站，硬Ｘ射线微聚焦及应用（微束）光束线站，Ｘ射线小角散射光束线站(ＳＡＸＳ)，生物大分子晶体学光束线站和软X射线干涉光刻分支线站(XIL)。

4.2.      合肥国家同步辐射实验室

实验室建有我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源（简称“合肥光源”）。其主体设备是一台能量为800MeV、平均流强为300mA的电子储存环，用一台能量800MeV的电子直线加速器作注入器。

2014年合肥光源升级改造完毕，储存环束流发散度显著降低，光源稳定性明显改善，接近三代同步辐射光源水平。合肥光源目前拥有10条光束线及实验站，包括5条插入元件线站，分别为燃烧、软X射线成像、催化与表面科学、角分辨光电子能谱和原子与分子物理光束线和实验站；以及5条弯铁线站，分别为红外谱学和显微成像、质谱、计量、光电子能谱、软X射线磁性圆二色光束线和实验站。

4.3.      北京同步辐射装置

同步辐射专用光运行的能量提高到2.5GeV，流强达到250毫安，提供从真空紫外到硬 X 波段的同步辐射光，提供 X 射线形貌术、 X 射线成像、 X 射线衍射、 X 射线小角散射、漫散射、生物大分子结构、 X 射线荧光微分析、 X 射线吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、软X射线刻度和计量、中能 X 射线光学、高压结构研究、 LIGA 和 X 射线光刻等实验技术。

图6. 北京光源光束线及实验站示意图

此外，规划中的北京先进光源，预计建成全球最亮的光源。它建成以后将比美国已经刚刚建成的NSLS-II要亮70倍，比瑞典刚刚建成还没有投入运行的MAXIV要亮10倍。

5.       国外的同步辐射光源

关于国外同步辐射光源的介绍推荐如下网站：

图7. 世界主要同步辐射光源（图片来源于NSRL-Wu Group）

目前世界上正在运行或者在建的同步辐射光源约有80台，主要光源列举如下：

亚洲：

Spring-8——Super Photon ring-8GeV，目前世界最高能量的光源，位于日本兵库县，第三代光源；

PF——PhotonFactory，即著名的光子工厂，位于日本筑波市，2.5GeV；

PLS——PohangLight Source，即浦项光源，第三代光源；

印度、新加坡、泰国等国家也有同步辐射光源。

欧洲：

ESRF——EuropeanSynchrotron Radiation Facility，世界排名第三的高能光源，位于法国，第三代光源，6GeV；

SOLEIL——即著名的“太阳”光源，SOLEIL在法语中位太阳之意，第三代光源，2.75GeV；

BESSY Ⅱ——位于德国柏林市，第三代光源，1.7GeV；

Diamond——英国钻石光源，第三代，3GeV；

另外意大利、俄罗斯、瑞士、瑞典、丹麦、西班牙等国家也建有同步辐射光源。

美洲：

APS——AdvancedPhoton Source，世界排名第二的高能光源，位于美国阿贡国家实验室，第三代光源，7GeV；

ALS——AdvancedLight Source，位于美国劳伦斯-伯克利国家实验室，第三代光源，1.9GeV；

NSLS——NationalSynchrotron Light Source，位于美国布鲁克海文国家实验室，第二代光源，2.8GeV；

SSRL——StanfordSynchrotron Radiation Laboratory，属于美国斯坦福直线加速器中心（SLAC），改造后为第三代光源，3GeV；

CHESS——CornellHigh Energy Synchrotron Source，位于美国康内尔大学，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；

巴西等国家也有同步辐射光源。

大洋洲：

AS——AustralianSynchrotron，澳大利亚光源，位于墨尔本市附近，第三代光源，3GeV。

6.       后记

同步辐射理论及实验技术的发展有利推动了物理、化学、生物、材料、环境等学科的发展，许多重要的科技进展都是在同步辐射装置这一交叉学科平台上完成的。如英国的V.Ramakrishnan、美国的T.Steitz和以色列的A.Yonath在研究核糖体的结构和功能时，采用同步辐射X射线蛋白质晶体学方法成功绘制了核糖体原子的3D位置，并于2009年获得诺贝尔化学奖。日本科学家在Spring-8光源上利用同步辐射非弹性散射等技术，对水和冰的结构进行了研究，一些新发现解决了长久以来争论不休的关于水的性质问题。同步辐射在宇宙学研究方面也发挥着重要作用，比如科学们利用SOLEIL光源上的SMIS红外显微光谱，分析了彗星颗粒的内部结构和矿物组成，可更清晰地揭开太阳系的神秘面纱；日本的科研人员利用X射线微断层摄影技术（CT）等技术对隼鸟号探测器带回的小行星粉尘样品的三维结构及性质进行了分析，从而得到了有关小行星的演化信息。在国内，上海瑞金医院的陈竺和陈赛娟院士等利用同步辐射XAS技术研究了As2O3治疗白血病的机理，为白血病的治疗提供了理论和实践依据。清华大学的施一公院士和颜宁教授等利用同步辐射X射线晶体学及生物大分子结构分析技术，在细胞凋亡及转运蛋白的研究等方面取得了一系列进展。中国政府依托上海光源等大科学装置，筹建了国家蛋白质科学中心，并开始了“五站六线”的建设，同步辐射在生命科学研究中发挥着越来越重要的作用。可以说同步辐射光源是促进人类科技进步的“神灯”。

推荐参考资料：

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