新世紀(jì)的同步輻射重點(diǎn)

1、新世紀(jì)的同步輻射網(wǎng)站 2004-12-18網(wǎng)站聲明：此文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，歡迎轉(zhuǎn)載作者簡(jiǎn)介冼鼎昌 1935 年 8 月 15 日出生于廣東省廣州市。理論物理學(xué)家，同步輻射應(yīng) 用專(zhuān)家?，F(xiàn)任高能物理所研究員、博士生導(dǎo)師、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科技 委員會(huì)副主任、中國(guó)晶體學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、上海光源科技委員會(huì)副主任。于 1991 年當(dāng) 選為中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員（院士）、 2002 年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士。曾獲國(guó)家科 技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、國(guó)家科學(xué)二、三等獎(jiǎng)、何梁何利獎(jiǎng)及中國(guó)科學(xué)院和北京市的獎(jiǎng)勵(lì)。一、同步輻射及其特點(diǎn)同步輻射是接近光速運(yùn)動(dòng)的荷電粒子在磁場(chǎng)中改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)放出的電磁輻射。它是 1947 年在 GE

2、 公司的 Schenectady 實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)它被認(rèn)為是 一種妨礙得到高能量粒子的禍害。 1965 年發(fā)明了儲(chǔ)存環(huán)，它由一系列二極磁鐵（使 電子作圓周軌道運(yùn)動(dòng)）、四極磁鐵（使電子束聚焦）、直線(xiàn)節(jié)和補(bǔ)充能量的高頻腔組成，可以把電子 束（或正電子束）儲(chǔ)存在環(huán)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)期運(yùn)行，于是在每一個(gè)彎轉(zhuǎn)磁鐵處都會(huì)產(chǎn)生同步輻 射，同步輻射才開(kāi)始走向?qū)嵱猛捷椛涞闹饕O(shè)備，包括儲(chǔ)存環(huán)、光束線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)站。儲(chǔ)存環(huán)使高能電 子在其中持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，是產(chǎn)生同步輻射的光源；光束線(xiàn)利用各種光學(xué)元件將同步輻射引 出到實(shí)驗(yàn)大廳，并“裁剪”成所需的狀態(tài)，如單色、聚焦，等等；實(shí)驗(yàn)站則是各種同 步輻射實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的場(chǎng)所。同步輻射具有十分優(yōu)異的

3、特性，主要表現(xiàn)為：1. 連續(xù)譜同步輻射具有連續(xù)分布的寬廣頻譜，其分布范圍從遠(yuǎn)紅外一直到X 射線(xiàn)，其中譜分布的特征能量由電子的能量和電子運(yùn)動(dòng)的彎轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定：E keV=0.665E GeV BT=2.22 北京同步輻射的電子能量為 2.5 GeV ，彎轉(zhuǎn)半徑為 10.345 m ，特征能量 為3.31keV ;合肥同步輻射的電子能量為0.8 GeV，彎轉(zhuǎn)半徑2.222 m，特征能量為0.517keV。2. 亮度高同步輻射與轉(zhuǎn)靶光源相比，X光連續(xù)譜部分要強(qiáng)1061011倍；X光特征譜則強(qiáng) 103108倍。自 20世紀(jì) 60年代中期以來(lái)，同步輻射光源的亮度已經(jīng)增加了10多個(gè)數(shù)量級(jí)。上海光源的設(shè)計(jì)亮度

4、可達(dá)到 10171019 光子數(shù) /（mm2 mrad2 s 0.1%BW，位于世界先進(jìn)行列。3. 準(zhǔn)直性好同步輻射基本上是在軌道平面中沿軌道的法線(xiàn)方向放出的，其垂直張角為：?鬃 mrad= 例如，當(dāng)北京同步輻射裝置在 2.2GeV 運(yùn)行時(shí)， ? 鬃 = 0.15 mrad 。4. 高偏振度在電子軌道平面放出的同步輻射是完全線(xiàn)偏振的，偏振向量就在軌道平 面中。電子軌道平面上下放出的同步輻射則具有橢圓偏振。5. 有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)電子在儲(chǔ)存環(huán)中是以束團(tuán)的形式運(yùn)動(dòng)的，因此放出的同步輻射具有特定 的脈沖結(jié)構(gòu)。脈沖寬度（ 對(duì)應(yīng)著電子束團(tuán)的長(zhǎng)度）約為ps 量級(jí)，脈沖間隔（ 對(duì)應(yīng)電子束團(tuán)之間的距離）約為 m

5、s 量級(jí)。6. 同步輻射是潔凈的光源它是在 10-11 托的超高真空環(huán)境中產(chǎn)生的，沒(méi)有燈絲、隔離物質(zhì)等帶來(lái) 的污染。這一性質(zhì)對(duì)于表面科學(xué)、計(jì)量學(xué)等應(yīng)用特別重要。二、同步輻射光源的發(fā)展從科技發(fā)展的歷程我們可以看到，人類(lèi)所使用光源的每一次進(jìn)步都對(duì)科 技的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動(dòng)。分別于 1609 年和 1671 年發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡，采用的是天然的可見(jiàn) 光源；愛(ài)迪生發(fā)明電燈，是一個(gè)真正的浦羅米修斯式的功業(yè)，使人類(lèi)最后戰(zhàn)勝了黑 暗，消除了白天和黑夜的差別； 1895 年，倫琴發(fā)現(xiàn)了 X 射線(xiàn)； 1912 年， Laue 等人實(shí) 現(xiàn) X 射線(xiàn)在晶體上的衍射； 1913 年 Bragg 開(kāi)始晶體學(xué)研究，從

6、此人類(lèi)的視野擴(kuò)展到 肉眼看不到的物體內(nèi)部和微觀領(lǐng)域； 60 年代激光光源的出現(xiàn)，其波長(zhǎng)單一性、方向準(zhǔn) 直性、相位的相干性以及它的高亮度，使得它在工業(yè)、通訊、國(guó)防、信息、醫(yī)療、科 研、藝術(shù)等極為廣泛的領(lǐng)域中發(fā)揮十分重要的作用。同步輻射是人類(lèi)歷史上第四次對(duì) 人類(lèi)文明帶來(lái)革命性推動(dòng)的新光源。近年來(lái)，它已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、 地質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等極為眾多的學(xué)科領(lǐng)域中基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的一種最先 進(jìn)的手段，在工業(yè)應(yīng)用中有著極為重要的應(yīng)用前景。圖 1列出了各種不同光源的頻譜與功率的比較我們知道，使用光來(lái)觀察微觀世界時(shí)，一個(gè)必須遵從的原則是所使用的 光的波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)與被測(cè)對(duì)象的尺寸同量級(jí)或更小。

7、圖 2 中我們列出了電磁波的波長(zhǎng)范圍 及適合研究的對(duì)象。同步輻射的波長(zhǎng)范圍為1卩mt- 0.01 nm,特別適于研究有關(guān)細(xì)胞、病毒、蛋白質(zhì)、晶體分子、原子等類(lèi)似大小的物體。同步輻射應(yīng)用早期發(fā)展的里程碑如下：（1）1947 年在加速器上發(fā)現(xiàn)同步輻射；（2）20 世紀(jì) 60 年代初開(kāi)始同步輻射應(yīng)用的可行性研究；（3）1965 年儲(chǔ)存環(huán)在意大利 Frascati 建成；（4）20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始同步輻射應(yīng)用的現(xiàn)代階段。從 20 世紀(jì) 70年代到現(xiàn)在,同步輻射光源的發(fā)展已經(jīng)歷了三代。20 世紀(jì)70 年代的第一代光源是與高能物理加速器共用的儲(chǔ)存環(huán),儲(chǔ)存環(huán)的發(fā)射度大,同步輻 射作為高能物理加速器的副

8、產(chǎn)品加以利用； 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)的第二代光源是專(zhuān)門(mén) 為同步輻射應(yīng)用建造的加速器,儲(chǔ)存環(huán)的磁結(jié)構(gòu)以 Chasman-Green lattice 為特征；20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始大量出現(xiàn)的第三代光源則以小發(fā)射度及采用大量的插入件為特 征。表 1列出了有代表性的三代同步輻射光源裝置的基本參數(shù)。三、第三代同步輻射光源第三代同步輻射光源具有以下的典型特征：小發(fā)射度； 亮度；各種可選擇的偏振（左旋圓、右旋圓、水平線(xiàn)、垂直線(xiàn)，等等）； 較高的相干 性。其中的高亮度、偏振以及相干性是通過(guò)插入件磁鐵的應(yīng)用達(dá)到的。因此 各種不同種類(lèi)插入件的大量應(yīng)用是第三代同步輻射光源的典型特征。插入件的基本結(jié)構(gòu)是在局

9、部區(qū)域建立正負(fù)相間的周期性磁場(chǎng)。在這個(gè)周期性磁場(chǎng)中，電子是以近似正弦曲線(xiàn)的軌道運(yùn)行。由于同步輻射的特征能量為：E =2.218 因而，即使不改變儲(chǔ)存環(huán)的能量，通過(guò)局部改變曲率半徑 R, 也可以提 高或減小特征能量。在插入件中電子軌道的偏轉(zhuǎn)半徑由插入件的磁場(chǎng)確定，因而通過(guò) 改變插入件的磁場(chǎng)可以獲得不同性能的同步輻射。現(xiàn)有的插入件一般由電磁鐵或永磁材料(稀土)構(gòu)成，可以分為兩大 類(lèi)：( 1 ) 扭擺器( Wiggler )。磁場(chǎng)強(qiáng)，電子軌道扭曲大，曲率半徑小， 因此一般用來(lái)提高同步輻射光子的能量；( 2 )波蕩器( Undulator )。磁場(chǎng)弱，電子軌道扭曲小，曲率半徑大， 一般并不提高光子能量

10、，但是提高同步輻射的亮度和相干度。永磁鐵的成功使用是插入件發(fā)展的一次重大進(jìn)展，使得各種不同的磁場(chǎng) 分布得以實(shí)現(xiàn)，如平面 undulator 、垂直兩維的 undulator 、 8 字型的 undulator ，等 等。在 undulator 中，電子束團(tuán)發(fā)射同步輻射，于是束團(tuán)中的電子總是受 到同步輻射光場(chǎng)的作用，此作用反過(guò)來(lái)又會(huì)影響電子發(fā)出的同步輻射，其結(jié)果是不斷 提高 undulator 輻射的亮度和相干度。事實(shí)上，這就是實(shí)現(xiàn)自由電子激光的一種途 徑。真空盒中插入件的制成是插入件發(fā)展的另一重要里程碑。插入件磁場(chǎng)分 布的公式為：B = B = exp ( -n n g/ 入)式中：g為插入件

11、的磁隙；入為磁場(chǎng)周期長(zhǎng)度。上式表明， g 越小，則磁場(chǎng)分量就越強(qiáng)。過(guò)去小磁隙的獲得是采用可變真空盒，在儲(chǔ)存環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行之后，通過(guò)不同方式來(lái)改變真空盒的大小。由于真空盒本身有一定的厚度，獲得的磁隙不可能太小。要獲得更小的磁隙，就需要把插入件放入真空盒中。但是永磁材料是多孔材料，吸附有大量的氣體，不能直接用于超高真空環(huán)境中，必須用薄膜加以隔離。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，真空盒內(nèi)插入件的技術(shù)已經(jīng)成熟，目前在NSLS SPRING-8 , ESRF上共有12個(gè)這樣的插入件在工作，還有更多的在安裝之中。真空盒內(nèi)插入件可達(dá)到的磁隙一般為8mm如熱載容許，可達(dá) 5mm；現(xiàn)有的最小磁隙紀(jì)錄為NSLS達(dá)到的3.3mm,其對(duì)

12、束流壽命的影響 v 10%。1999 年 4 月在 Daresbury 召開(kāi)的第三代同步光源上小磁隙的實(shí)現(xiàn)研討會(huì)上，各國(guó)專(zhuān)家一致認(rèn)為，真空盒內(nèi)插入件的技術(shù)已經(jīng)成熟，與可變真空盒方案相比可以列為首選。近年來(lái)，插入件發(fā)展的另一個(gè)方面是強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用，即超導(dǎo)磁鐵技術(shù)的 應(yīng)用，一般可達(dá)到 3 7T 的強(qiáng)磁場(chǎng)。 BESSY I 正在考慮建造 7.5T 的 wiggler （13 極， Ec = 5 keV ）；俄國(guó)人甚至在 BINP 建造了 10.14 T 的超導(dǎo) wiggler 。從上面可以看岀，插入件可以用來(lái)： 提高同步輻射的特征能量；提高同步輻射的通量或亮度； 產(chǎn)生各種偏振； 提高輻射的相干度； 產(chǎn)

13、生在 插入件中的電子的特殊軌道，如 8 字型插入件，可減小正前方的輻射。因此，插入件是第三代光源建設(shè)的重要方面，我們應(yīng)該予以足夠的重視。四、同步輻射應(yīng)用的現(xiàn)狀及展望（一） 同步輻射與物質(zhì)的相互作用 同步輻射與物質(zhì)的相互作用可以分為三大類(lèi)：（1）吸收同步輻射經(jīng)過(guò)物質(zhì)之后，其強(qiáng)度由于各種原因而衰減。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)有：吸收譜、光刻、微細(xì)加工、成像、軟X光顯微術(shù)、心血管造影、微束CT,等等；2）散射同步輻射與物質(zhì)相互作用之后改變其傳播方向。其主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)有：衍射譜、圓二色譜、小角散射、大角散射、漫散射、非彈性散射、形貌術(shù)，等等；（3）二次粒子的發(fā)射即同步輻射與物質(zhì)相互作用之后產(chǎn)生了次級(jí)輻射或粒子。主要

14、實(shí)驗(yàn)方法有：光電子譜、光離子譜、熒光譜、光激勵(lì)脫附，等等。同步輻射的部分優(yōu)異性能在第一代和第二代光源的應(yīng)用過(guò)程中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，如高通量、高亮度和波長(zhǎng)可調(diào)等，但有三個(gè)方面性能的應(yīng)用一直開(kāi)展得不夠，它們分別是光的偏振性、脈沖性和相干性。到了第三代同步輻射光源，它們 也才開(kāi)始得到部分應(yīng)用。表 2 列出了同步輻射各種性能在三代光源中的利用情況。（二） 第三代同步光源對(duì)科學(xué)帶來(lái)的主要影響第三代同步輻射的高亮度，使得以前難以開(kāi)展的工作得以展開(kāi)，其主要方面有：（1）高通量使得時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)成為可能；（ 2 ）高亮度在物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)及生命科學(xué)中的衍射、散射、譜學(xué)等應(yīng)用的整個(gè)領(lǐng)域： 微束：X光掃描

15、顯微學(xué)、顯微譜學(xué)、微衍射、微XAFS;細(xì)小散射體：表面及界面的原子及電子結(jié)構(gòu)、超薄膜、稀薄系統(tǒng)；痕量元素：X光熒光譜學(xué)；微弱相互作用：非線(xiàn)性光學(xué)、核共振散射。（1 ）波長(zhǎng)可調(diào)一一反常散射、MAD XAFS DAFS等等；（ 2）潔凈性表面科學(xué)；（ 3）高準(zhǔn)直性心血管造影、折射反差成像、平面波X 光形貌術(shù)；（4）偏振性一一（特別是 X光）磁圓二色、磁散射、Compton磁散射；（ 5）脈沖性核共振散射、肌肉的時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)、用pump-probe法的蛋白時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)；（6）相干性一一X光波段的相干光、X光干涉儀、X光全息、相干斑圖像。三） 同步輻射應(yīng)用獨(dú)特（傳統(tǒng)）與綜合（創(chuàng)新）下面就最近發(fā)展的趨向

16、舉幾個(gè)例子，其中難免摻有個(gè)人的愛(ài)好。1. 不同實(shí)驗(yàn)方法的綜合兩種不同實(shí)驗(yàn)方法的有機(jī)結(jié)合，可以產(chǎn)生許多新的內(nèi)容。這方面的發(fā)展有早期的DAFS（衍射+XAFS、顯微譜學(xué)等，近期的選位XAFS（ XAFS+電容測(cè)量）、熒光全息術(shù)（熒光 +干涉）等。選位XAFS通過(guò)在元素的 K吸收邊附近測(cè)量電容的變化，可以研究半導(dǎo)體中某一特定狀態(tài)的原子（如位于深層電子阱的原子）的濃度和近鄰狀態(tài)，如AIGaAs: Se中DX阱內(nèi)的Ga原子被激發(fā)后，由阱電子退激時(shí)將改變電容。原子分辨的衍射全息術(shù)衍射與熟知的全息術(shù)結(jié)合，得到新的方法。衍射過(guò)程是周期結(jié)構(gòu)的相干干涉，不是三維直接圖像，而且還有位相丟失問(wèn)題。需要 不斷嘗試才能得

17、到原子的位置。原子全息術(shù)是一種直接成像的方法，它利用原子產(chǎn)生 的熒光作為參考光；熒光在臨近原子上的散射光與參考光產(chǎn)生干涉從而得到全息圖 像，如圖 3 所示。全息學(xué)方法處理后可以得到三維直接圖像。利用衍射全息術(shù)已經(jīng)得 到一些材料的原子分辨的三維圖像，在生物學(xué)和材料科學(xué)方面將具有十分重大的應(yīng)用 前景。2. 偏振光的衍射以及在磁學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用獲得不同偏振的同步輻射X光有以下幾種方法：（ 1）最早期的做法是利用電子軌道面上、下發(fā)光的橢圓偏振差異。這 種方法不準(zhǔn)確，而且重復(fù)性差；（ 2）利用特殊設(shè)計(jì)的插入件。這種方法準(zhǔn)確、重復(fù)性好，而且可同時(shí) 變化能量與偏振；其缺點(diǎn)是偏振變化速度緩慢，而且價(jià)格較貴；（ 3

18、 ）利用 1/4 波長(zhǎng)移相器。這種方法準(zhǔn)確、重復(fù)性好、簡(jiǎn)單、較快 速、較便宜，而且束線(xiàn)的外加設(shè)備用起來(lái)十分方便。由于磁性是由自旋狀態(tài)決定的，因而具有不同的選擇方向。不同偏振的X光與磁性材料作用，會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，可以應(yīng)用X光的偏振來(lái)研究這些有選擇的方向（自旋與軌道角動(dòng)量）。通過(guò)求和規(guī)則可直接、獨(dú)立地給岀軌道磁矩卩L與自旋磁矩卩S對(duì)的貢獻(xiàn)（值得注意的是，中子實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在合適模型中擬合形狀因子而得 到這兩個(gè)貢獻(xiàn)的）。所以磁線(xiàn)二色、磁圓二色可以大量應(yīng)用于磁性研究。而各種磁性 材料在工業(yè)應(yīng)用中具有十分重要的意義。3. X 光顯微技術(shù)的發(fā)展近年來(lái)，同步輻射顯微術(shù)有了十分突岀的進(jìn)展，除了傳統(tǒng)的軟X光顯微鏡

19、之外，還發(fā)展了許多基于X光的顯微技術(shù)，如透射X光顯微鏡（Transmission X-ray Microscope, TXM ）、掃描透射 X 光顯微鏡（Seanning Transmission X-ray microscope, STXM ）、X 光電子發(fā)射顯微鏡（ X-ray Photo-Electron Emission microscope, XPEEM ）以及X光全息，等等。目前，X光顯微鏡的最好分辨本領(lǐng)是200400，可以穿透比較厚的樣品，例如水對(duì)于1波長(zhǎng)X光的吸收長(zhǎng)度約為2mm。在LBL、BESSY II等實(shí)驗(yàn)室，軟 X-光（波長(zhǎng)約25）顯微鏡已達(dá)到的 橫向分辨約為 200（T

20、XM）和400（STXM ;其優(yōu)點(diǎn)是工作在“水窗，可以觀察 活的生物樣品，而且由于在“水窗”波段，水的吸收長(zhǎng)度為7卩m,因而樣品厚度比光學(xué)和電子顯微鏡放寬許多，達(dá)到10卩mo顯微術(shù)有三個(gè)目的：形態(tài)研究分辨本領(lǐng)；結(jié)構(gòu)研究透入本領(lǐng)；成分研究一一元素分辨。如果只就第一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，硬X光顯微鏡不如軟 X光顯微鏡，更不如電鏡。但是它有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，那就是：深透入一一可實(shí)現(xiàn)三維成像；空氣環(huán)境一一使各種實(shí)驗(yàn)容易進(jìn)行，而且對(duì)某些生物樣品有決定意義；良好的反差圖像一一可選擇最有利的波長(zhǎng)； 易于結(jié)合其他分析方法，如譜學(xué)（吸收、發(fā)射、熒光等）；低樣品損傷一一遠(yuǎn)優(yōu)于電子、質(zhì)子等粒子的激發(fā)。4. X 光聚焦方法的發(fā)展獲得微束

21、的方法可以用狹縫限束（最原始、簡(jiǎn)單的方法）、Undulator（減小光源尺寸，龐大但有效）、斜切晶反射型光學(xué)（簡(jiǎn)單，不能得到太微束）等技術(shù)。近年在各實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了許多聚焦X光的新方法，如：Kirkpatrik -Baez鏡系統(tǒng)（掠入射，龐大）；彎晶（曲率隨入射波長(zhǎng)變化）；變徑毛細(xì)管（全反射）；波帶片（理論成熟，實(shí)驗(yàn)室工藝）；折射棱鏡（簡(jiǎn)單，十分有前途）。目前ESRF達(dá)到的聚焦水平為：毛細(xì)管一一500 ，波帶片一一900 , K-B鏡系統(tǒng)一一 1卩m采用RU/B4C多層膜，機(jī)械彎曲，對(duì)820 keV能量光子可有80%的效率；ALS達(dá)到的水平為：K-B鏡系統(tǒng)一一0.8卩m 1000 :制造簡(jiǎn)單， 適

22、用面廣（顯微鏡、微區(qū)分析、微CT、微束熒光斷層術(shù)），很有發(fā)展前途。APS 報(bào)道了在鈹和鋁基底上由空心球組合成的折射棱鏡 R.K. Smither et al, SPIE Vol 3151, 150-1639（ 1997），分別為 Be （ 50 個(gè)球，？準(zhǔn) 1mm,相距0.1 mm ）和Al （50個(gè)球，？準(zhǔn)1mm，相距0.01mm）。對(duì)10 keV的光子，透過(guò)率為 16%焦距為1.356 m，焦斑大小為（FWHM 41卩m SPRING-8報(bào)道了用折射棱鏡聚焦 X光進(jìn)行的高壓衍射實(shí)驗(yàn)，值得注意的是折射棱鏡組合是用光刻的方法由塑鑄法從 PMMA模制作的。與硬X-光聚焦技術(shù)相結(jié)合的各種實(shí)驗(yàn)方法有

23、很多，如衍射、位相技術(shù) （原子尺度的相干）、譜學(xué)（吸收、光電子發(fā)射、熒光）、極化分析，等等。另一些 大有前途而有待開(kāi)展的方面是非彈性散射、時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)，等等。5. 時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)學(xué)科研究要求多高的時(shí)間分辨？我們可以將一些物理作用的時(shí)間尺度列表如下：分子間振動(dòng) fs ns有序無(wú)序轉(zhuǎn)變 ns ms酶作用 ms蛋白蛋白相互作用 ps ms質(zhì)子 / 電子遷移效應(yīng) ps ms金屬配合基結(jié)合 ps ms用衍射的方法分析一個(gè) 10卩m尺度的晶體，其衍射波形成的時(shí)間大約 為（設(shè)光強(qiáng)足夠） 30fs 量級(jí)，而化學(xué)鍵形成或斷開(kāi)的時(shí)間尺度則為 psfs 量級(jí)。由于 光強(qiáng)、探測(cè)效率等因素的影響，實(shí)際需要的探測(cè)時(shí)間比上述

24、要長(zhǎng)。但是，我們可以由 此估計(jì)學(xué)科研究對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的要求。考慮一個(gè)比較實(shí)際的問(wèn)題， Laue 衍射像。一張好的 Laue 衍射像，需要光子10101013個(gè)。對(duì)于第一代同步輻射光源，亮度為1010，譜寬為0.61.6，樣品尺寸約為 1mm3樣品與光源距離約 10 m，于是每張Laue圖的成像時(shí)間需要 大約1s。要提高成像速度，就要提高光強(qiáng)。第三代光源的亮度提高10個(gè)量級(jí)，因而成像速度可以提高到 100 ps 。最近，俄羅斯科學(xué)家報(bào)道了納秒時(shí)間分辨的原位爆炸研究，利用位敏探測(cè)器（AsGa光二極管陣列，也可以是 CCD陣列和IP等），對(duì)爆炸產(chǎn)生高壓合成金 剛石過(guò)程進(jìn)行了衍射和小角散射實(shí)驗(yàn)研究。時(shí)間分

25、辨達(dá)到了125 ns ，根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，所有金剛石產(chǎn)生的化學(xué)轉(zhuǎn)變應(yīng)當(dāng)在 250 ns 內(nèi)完成。但是 SAXS 信號(hào)在 1500 ns 才達(dá)到最大。這對(duì)爆炸物理及金剛石顆粒的形成大有幫助。另一方面，固體、化學(xué)反應(yīng)、生物快過(guò)程的相變時(shí)間大約為原子振動(dòng)的 周期，其固有時(shí)間大約為 100 fs ，而現(xiàn)有的同步輻射技術(shù)（ 3ms 100ps ）與此時(shí)間 尺度還相差 3個(gè)量級(jí)！短脈沖激光可以產(chǎn)生 150 fs 寬度的脈沖，重復(fù)頻率為 1kHz，使用短脈沖激光（pump）和同步輻射（probe ）的方法進(jìn)行研究的關(guān)鍵在于探 測(cè)器，還需要在探測(cè)技術(shù)方面大幅度提高現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)。目前使用兩種探測(cè)器：雪崩 二極管（

26、時(shí)間分辨 10 ns ，量子效率 1 ）和條紋相機(jī)（由光傳導(dǎo)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，時(shí)間分 辨2 ps ），已經(jīng)可以開(kāi)展由 fs激光激發(fā)的固體中相變的動(dòng)態(tài)X-光衍射研究，可得聲學(xué)聲子與電子的耦合時(shí)間等重要常數(shù)。6. 同步輻射在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用近年來(lái)，同步輻射在產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用有很大進(jìn)展，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大， 涵蓋了石油（原油中石蠟的晶化）、塑料（紡織纖維、結(jié)晶度）、金屬（應(yīng)變/ 應(yīng)力分析、織構(gòu)分析）、建筑（混凝土配制、渣化、老化）、微電子（半導(dǎo)體器件的表 征）、化妝品（化妝品對(duì)頭發(fā)和皮膚的影響）、制藥（生物晶體學(xué)、藥品的表征）、食品（食品的穩(wěn)定和老化）、醫(yī)學(xué)（衍射增強(qiáng)成像）等許多方面。這里僅舉幾個(gè)例子。聚焦光束的高

27、壓衍射在地學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)在人類(lèi)在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)能夠 制造出如同在地球中心處一樣巨大的壓力。這樣巨大的壓力，除了在基礎(chǔ)研究開(kāi)辟了 新的領(lǐng)域，例如金屬氫；之外，還帶來(lái)了巨大的產(chǎn)業(yè)的機(jī)會(huì)，例如人工合成金剛石， 等等。高壓 X 射線(xiàn)衍射為人們提供了研究如此高壓狀態(tài)下物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效手段。這里 的技術(shù)難點(diǎn)也是十分明顯的：樣品的裝填及準(zhǔn)直、高壓的獲得、微束SR的獲得及準(zhǔn)直、聚焦激光、探測(cè)光路間的精確準(zhǔn)直、加溫區(qū)域的均勻性及穩(wěn)定度等等。微束X光檢測(cè)半導(dǎo)體芯片一一大規(guī)模集成電路（LSI ）的集成度越來(lái)越高，各種精巧的結(jié)構(gòu)越來(lái)越密集使得這類(lèi)電子器件中的應(yīng)力分布變得越來(lái)越復(fù)雜。測(cè) 量其中的微區(qū)成分、應(yīng)力分布，由此比較不

28、同設(shè)計(jì)及工藝的優(yōu)劣，對(duì)選擇工藝的改進(jìn) 具有重要意義。日、美的電子產(chǎn)業(yè)界充分注意到此點(diǎn)。SPRING-8 利用白光勞厄衍射 +微束 rocking curve 測(cè)量技術(shù)，對(duì) Si 片中由于氧化引起的應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量?？梢詼y(cè) 到晶格常數(shù)變化的精度為Dd/d5X 10 -6，在氧化的邊界處可看到搖擺曲線(xiàn)尾巴的拖長(zhǎng)。LIGA 技術(shù)與其他工業(yè)技術(shù)的結(jié)合有很多研究所及研究組在繼續(xù)進(jìn)行微部件制作方面的工作（IMF am mainz , ALS, ANKA，如微譜儀、光學(xué)微器件、一 些醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用等等，但尚未有工業(yè)大批量的生產(chǎn)。LIGA 技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合來(lái)開(kāi)展工業(yè)方面的應(yīng)用，應(yīng)該是一個(gè)很有潛力的發(fā)展方向。如

29、結(jié)合電火花技術(shù)中工具電極 的制造，可以比較容易地制備各種形狀的紡織噴嘴。7. 同步輻射的生物學(xué)應(yīng)用從生物分子結(jié)構(gòu)研究的里程碑，我們可以看到同步輻射在其中起到的重要作用。1912 Laue 在CuS04 5H20晶體上得岀X 光衍射；1913 Bragg 方法，開(kāi)始用這個(gè)方法進(jìn)行晶體學(xué)研究；1914 Bragg 用 Laue 花樣研究鹵化堿晶體；1938 Pereutz 開(kāi)始研究血紅蛋白；1960 Pereutz 解出血紅蛋白結(jié)構(gòu)（用了 22 年）；1962 Pereutz 及 Kendrew 獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；Watson, Crick, Wilkins 獲諾貝爾生物學(xué) / 醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)；1974 S

30、R 白光首次用于材料科學(xué)；1976 SR 白光首次用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)（膠原蛋白的結(jié)構(gòu)因子振幅）；1988 由 Laue 數(shù)據(jù)解得小分子結(jié)構(gòu)；1990觀測(cè)到RAS致癌基因晶體中籠蔽GTP在光化學(xué)釋放GTP后的酶反應(yīng)；1994 在 50ps 內(nèi)得到溶菌酶蛋白的 Laue 照片 （ ESRF）；在已解出的生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)中，利用同步輻射技術(shù)解出的 55% ；每年解出的生物大分子晶體結(jié)構(gòu)中，同步輻射解出的結(jié)構(gòu)為60%100%；世界上現(xiàn)有同步輻射生物大分子實(shí)驗(yàn)線(xiàn)站 50 ；生物大分子實(shí)驗(yàn)線(xiàn)站在各國(guó)同步輻射實(shí)驗(yàn)室中均 占重要地位，用戶(hù)需求量大，成果比重大。而且通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)研究可以得出結(jié)構(gòu) 改變與功能實(shí)現(xiàn)方

31、面的重要知識(shí)。如果說(shuō)， 20 世紀(jì)生物學(xué)的最大進(jìn)展是建立了在分子水平上的結(jié)構(gòu)生物 學(xué)，那么， 21 世紀(jì)生物學(xué)的一個(gè)主要探索將是通過(guò)結(jié)構(gòu)的改變理解功能的產(chǎn)生機(jī)制 也就是人們現(xiàn)在常提到的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)。從 1914 年到 1938 年， Pereutz 用了 22 年才獲得血紅蛋白的結(jié)構(gòu)。而今天同步輻射的應(yīng)用，也許只要一天的時(shí)間就可以解出 類(lèi)似大小的結(jié)構(gòu)，特別是結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)研究，作為結(jié)構(gòu)功能研究的基礎(chǔ)，離開(kāi)了同 步輻射技術(shù)是難以實(shí)現(xiàn)的。值得注意的是，世界上現(xiàn)有超過(guò)50 條的大分子晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)站，但中國(guó)一條都沒(méi)有。從遺傳學(xué)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，從序列結(jié)構(gòu)功能，生物學(xué)家 進(jìn)入一個(gè)自身不熟悉的領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)基因

32、組學(xué)將面臨蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模、自動(dòng)化的數(shù) 據(jù)采集、結(jié)構(gòu)解析?，F(xiàn)在生物學(xué)家采用的方法主要有兩個(gè)：核磁共振和X 射線(xiàn)衍射（同步輻射）。(1) NMR 無(wú)須結(jié)晶，在溶液狀態(tài)下分析； 蛋白的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究；30 kD以下的分子(大分子的局部研究)； 數(shù)據(jù)分析相對(duì)復(fù)雜。(2) X光衍射： 要結(jié)晶； 有動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)研究的前景； 可以分析 很大的分子； 數(shù)據(jù)分析相對(duì)簡(jiǎn)單。繼人類(lèi)基因組學(xué)之后，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的國(guó)際合作已提到日程上。現(xiàn)在人 們預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的真正發(fā)展還需 5 年左右的時(shí)間，但那時(shí)是大發(fā)展的時(shí)候。我們 是否有資格加入這個(gè)國(guó)際合作，取決于我國(guó)是否有獨(dú)立開(kāi)展大規(guī)模測(cè)定蛋白質(zhì)晶體結(jié) 構(gòu)的能力和條件，同步輻射

33、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展將是一個(gè)十分關(guān)鍵的瓶頸。五、 同步輻射光源的現(xiàn)狀、發(fā)展及前瞻同步輻射光源的現(xiàn)狀可以用下面幾句話(huà)來(lái)簡(jiǎn)單概括：( 1 )加速器穩(wěn)定運(yùn)行是全球普遍現(xiàn)象；( 2)第一代光源陸續(xù)逐步升級(jí)為第二代光源；( 3)所有新建的第三代光源都達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)；( 4)儲(chǔ)存環(huán)的運(yùn)行向衍射極限沖擊；( 5)充分注意應(yīng)用同步輻射的偏振性；( 6)開(kāi)始 ms 水平的時(shí)間分辨研究；( 7)出現(xiàn)小型專(zhuān)用光源的勢(shì)頭。同步輻射不同手段的聯(lián)合使用開(kāi)辟了很多研究領(lǐng)域，成為許多學(xué)科和技 術(shù)發(fā)展不能或缺的工具，在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越重要；相對(duì)來(lái)說(shuō)，探測(cè)器的發(fā)展不 快，特別是快速時(shí)間響應(yīng)的探測(cè)器拖后腿；隨著光源水平的不斷提高，

34、需要更高的自 動(dòng)化水平、更快的在線(xiàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)間。面簡(jiǎn)單介紹一下同步輻射飛秒 X 光光源及第四代同步輻射光源的進(jìn)展情況。1. 同步輻射飛秒 X 光光源ALS 通過(guò)改進(jìn)加速器技術(shù)，成功的在現(xiàn)有同步輻射光源上產(chǎn)生了fs 同步輻射脈沖。其基本原理：是使短脈沖激光（100 fs ）與在 wiggler 中的電子束團(tuán)（ 30 ps ）并行傳播，在電子靜止的座標(biāo)系中，電子束團(tuán)感受到 wiggler 的磁場(chǎng)以及 光子的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，它們與電子的相互作用產(chǎn)生電子的能量調(diào)制；激光的場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生的 這種能量調(diào)制可達(dá)到電子在束團(tuán)中 rms 能量的數(shù)倍，在后續(xù)的能量色散的 B 鐵中， 選出 fs 長(zhǎng)度的電子束團(tuán)，并發(fā)出 fs 同步輻射脈沖。利用現(xiàn)在的演示性裝置，目前 已經(jīng)可以得到 300 fs 的同步輻射脈沖。正在建設(shè)專(zhuān)用的新束線(xiàn)，預(yù)期可以提供脈 沖長(zhǎng)度 100 fs的同步輻射 X- 光。2. 自由電子激光及第四代光源自由電子激光的發(fā)展最早可追溯到 1933 年， Kapitza 等人提出電子團(tuán)引 起的光子散射效應(yīng)，隨后其他人分別提出了插入件概念和相對(duì)論電子在插入件中自發(fā) 輻射的性質(zhì)。比較完整的自由電子激光理論及實(shí)踐則到了 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始出現(xiàn)， 20世紀(jì)8