同步辐射装置及其应用讲稿.ppt

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1、同步辐射装置及其应用第一页，讲稿共二十二页哦什么是同步辐射什么是同步辐射第二页，讲稿共二十二页哦什么是同步辐射什么是同步辐射微波微波:用来观察飞机、航母和飓风用来观察飞机、航母和飓风红外线红外线:用于夜视系统和飞弹追踪热源用于夜视系统和飞弹追踪热源可见光可见光紫外线紫外线:观察气体分子及凝聚态物理电子结构观察气体分子及凝聚态物理电子结构X光是研究晶体结构极佳的工具光是研究晶体结构极佳的工具波长最短的伽玛射线波长最短的伽玛射线:核物理研究核物理研究同步辐射同步辐射:覆盖了红外、可见、覆盖了红外、可见、紫外和紫外和X光波段光波段广义的说，所有的电磁波都可以叫做光广义的说，所有的电磁波都可以叫做光.

2、同步辐射又可以同步辐射又可以称为同步光称为同步光.第三页，讲稿共二十二页哦同步辐射的原理实验物理和电动力学的基本结论实验物理和电动力学的基本结论:自由电子在作加速度运动时自由电子在作加速度运动时,将产生电磁辐射将产生电磁辐射 -电子的速率发生变化电子的速率发生变化:在前向产生轫致辐射在前向产生轫致辐射 (bremssthahlung)-电子的方向发生变化电子的方向发生变化:在切线方向产生同步辐射在切线方向产生同步辐射 (synchrotron radiation)第四页，讲稿共二十二页哦同步辐射的特点同步辐射是同步辐射是”超级显微镜超级显微镜”第五页，讲稿共二十二页哦同步辐射的特点高亮度高亮度

3、：同步辐射的亮度比最强的：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。用光管特征线亮度强万倍以上。用X光机拍摄光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几秒。秒。宽波谱宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的频谱是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长,进行进行单色光的实验。单色光的实验。高准直高准直：同步辐射的发射度极小

4、：同步辐射的发射度极小,准直性可以与激光相媲美。准直性可以与激光相媲美。脉冲性脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回旋运动，：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微皮秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。米量级。同步辐射具有时间结构。偏振性偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用 来研究样品中特定参数的来研究样品中特定参数的取向问题。取向问题。第六页，讲稿共二十二页哦同步辐射

5、装置的基本构造合肥同步辐射装置：800MeV第七页，讲稿共二十二页哦同步辐射装置的基本构造电子枪电子枪 电子的源泉电子的源泉直线加速器直线加速器 预加速预加速增强器增强器-加速到满能量加速到满能量储存环储存环光束线光束线实验站实验站美国 APS 7GeV第八页，讲稿共二十二页哦组成同步辐射装置的设备第九页，讲稿共二十二页哦加速器加速器一、几种低能加速器一、几种低能加速器为了避免不断增加速器的长度，为了避免不断增加速器的长度，19301930年劳伦斯年劳伦斯提出建造回旋加速器的建议。提出建造回旋加速器的建议。中国科技大学的电子同步加速器：中国科技大学的电子同步加速器：电子经直线加速器后达到的最终

6、能量是电子经直线加速器后达到的最终能量是200MeV200MeV；直线加速器的长度为直线加速器的长度为3535米；米；为了防护加速电子的电磁辐射，直线加速器建在坑道中；为了防护加速电子的电磁辐射，直线加速器建在坑道中；采用的加速设备是是微波功率源。采用的加速设备是是微波功率源。北京高能物理研究所的直线加速器：北京高能物理研究所的直线加速器：电子能量提高到电子能量提高到1.1GeV1.1GeV；直线加速器长度为直线加速器长度为204204米。米。电子能量提高到电子能量提高到50GeV50GeV的加速器；的加速器；直线加速器长度达直线加速器长度达3 3公里多。公里多。美国斯坦福大学直线加速器：美国

7、斯坦福大学直线加速器：第十页，讲稿共二十二页哦加速器加速器二、同步加速器二、同步加速器1.同步加速器必须具有的功能同步加速器必须具有的功能 使带电粒子作回旋运动使带电粒子作回旋运动 使粒子束在回旋过程中聚焦使粒子束在回旋过程中聚焦 使带电粒子在回旋过程中加速使带电粒子在回旋过程中加速同步加速器：同步加速器：从直线加速器出来的带电粒子围绕着一个固定的从直线加速器出来的带电粒子围绕着一个固定的圆形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达圆形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达到预期的能量。到预期的能量。具备功能具备功能第十一页，讲稿共二十二页哦加速器加速器二、同步加速器二、同步加速器同步加速器示意

8、图同步加速器示意图插入装置：产生各类插入装置：产生各类不同特征的同步辐射不同特征的同步辐射弯转磁铁：使光弯转磁铁：使光束线弯转，产生束线弯转，产生同步辐射同步辐射同步加速腔：加速同步加速腔：加速电子，并补充同步电子，并补充同步辐射损失的能量辐射损失的能量真空槽：保持真空槽：保持1010-10-10托以下托以下的气压，减少因残留气体的气压，减少因残留气体碰撞而损失光束线能量碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜四极磁铁：以透镜机制聚焦光束线机制聚焦光束线第十二页，讲稿共二十二页哦同步辐射的发展第一代同步辐射光源第一代同步辐射光源.在核物理在核物理/粒子物理研究的空挡，利用同粒子物理研究的空挡，利用

9、同步加速器所发射的同步光进行科学研究步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方式。北京高能称为寄生方式。北京高能所同步辐射装置所同步辐射装置(BSRF)。第二代同步辐射光源第二代同步辐射光源.第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，建立了用专门的装置产生同步光建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步辐射装置。例如合肥同步辐射装置。第三代同步辐射光源第三代同步辐射光源.科学家发现在储存环中加入插入件可以使科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入件。

10、台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源件。台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源(SSRL)。高亮度高亮度,高高时间分辨力和空间分辨力时间分辨力和空间分辨力.第十三页，讲稿共二十二页哦同步辐射装置日本Spring 8:第三代法国ESRF:第三代美国NSLS:第二代合肥NSLS:第二代第十四页，讲稿共二十二页哦同步辐射实验站第十五页，讲稿共二十二页哦同步辐射应用同步辐射与物质的相互作用：吸收，散射，二次粒子发射空间分辨实验-X光显微术：物质的形态研究，结构研究，成分研究时间分辨实验：分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋 白相互作用，质子/电子迁移效应在应用领域的研究：石油，塑料，金属，建筑，

11、微电子，化妆品，制药，食品等第十六页，讲稿共二十二页哦BSRF现拥有12个实验站，可提供X射线形貌术、X射线成像、X射线衍射、X射线小角散射和漫散射、生物大分子结构、X射线荧光分析、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、高压项结构研究、LIGA和X射线光刻等实验技术，可以为凝聚态物理、高压物理、化学化工、材料科学、生命科学、地球科学、环境科学、微电子、微机械加工、计量学、光学及探测技术等广泛学科的基础研究和应用基础研究提供强有力的实验研究手段。截至2003年末，BSRF已接待了国家重大攻关项目，中科院及其他部委研究所和高校的重大研究项目、国家自然科学基金

12、项目及知识创新工程项目等200多个用户单位的800多个研究课题。同步辐射可以开展的工作同步辐射可以开展的工作第十七页，讲稿共二十二页哦同步辐射装置是一个服务于多个学科同步辐射装置是一个服务于多个学科的实验技术平台，是科技前沿研究不的实验技术平台，是科技前沿研究不可或缺的先进手段。可或缺的先进手段。(基础研究、应用研究、技术开发）基础研究、应用研究、技术开发）同步辐射是一个用户装置同步辐射是一个用户装置同步辐射装置是一个特殊模式的大同步辐射装置是一个特殊模式的大科学设施，不断在发展。科学设施，不断在发展。第十八页，讲稿共二十二页哦研究领域研究领域同步辐射同步辐射物理学物理学材料科学材料科学化学化

13、学化工化工地矿地矿考古考古农业农业国防国防工业工业生命科学生命科学环境科学环境科学第十九页，讲稿共二十二页哦SARS病毒主蛋白酶（病毒主蛋白酶（SARS-CoV Mpro）晶体结构）晶体结构SARS-CoV MSARS-CoV Mpro与抑制剂复合物与抑制剂复合物抑制剂电子密度抑制剂电子密度抑制剂在酶表面的结抑制剂在酶表面的结合情况合情况第二十页，讲稿共二十二页哦LHC-IILHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，这种复杂的分子体系镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。03年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线站获得了该晶体的高分辨率衍射数据，最终获得2.72分辨率的晶体结构，该结果以封面文章形式发表于04年3月的自然杂志。第二十一页，讲稿共二十二页哦发表于发表于Nature2004年年3月月18日作为封面文章日作为封面文章Chang et al.,Nature 428,287(2004)第二十二页，讲稿共二十二页哦