新世紀的同步輻射重點

1、新世紀的同步輻射網(wǎng)站 2004-12-18網(wǎng)站聲明：此文章來源于網(wǎng)絡，歡迎轉載作者簡介冼鼎昌 1935 年 8 月 15 日出生于廣東省廣州市。理論物理學家，同步輻射應 用專家?，F(xiàn)任高能物理所研究員、博士生導師、北京正負電子對撞機國家實驗室科技 委員會副主任、中國晶體學會副理事長、上海光源科技委員會副主任。于 1991 年當 選為中國科學院學部委員（院士）、 2002 年當選為第三世界科學院院士。曾獲國家科 技進步特等獎、國家科學二、三等獎、何梁何利獎及中國科學院和北京市的獎勵。一、同步輻射及其特點同步輻射是接近光速運動的荷電粒子在磁場中改變運動方向時放出的電磁輻射。它是 1947 年在 GE

2、 公司的 Schenectady 實驗室里發(fā)現(xiàn)的，當時它被認為是 一種妨礙得到高能量粒子的禍害。 1965 年發(fā)明了儲存環(huán)，它由一系列二極磁鐵（使 電子作圓周軌道運動）、四極磁鐵（使電子束聚焦）、直線節(jié)和補充能量的高頻腔組成，可以把電子 束（或正電子束）儲存在環(huán)內長時期運行，于是在每一個彎轉磁鐵處都會產生同步輻 射，同步輻射才開始走向實用同步輻射的主要設備，包括儲存環(huán)、光束線和實驗站。儲存環(huán)使高能電 子在其中持續(xù)運轉，是產生同步輻射的光源；光束線利用各種光學元件將同步輻射引 出到實驗大廳，并“裁剪”成所需的狀態(tài)，如單色、聚焦，等等；實驗站則是各種同 步輻射實驗開展的場所。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，其分布范圍從遠紅外一直到X 射線，其中譜分布的特征能量由電子的能量和電子運動的彎轉半徑?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，彎轉半徑2.222 m，特征能量為0.517keV。2. 亮度高同步輻射與轉靶光源相比，X光連續(xù)譜部分要強1061011倍；X光特征譜則強 103108倍。自 20世紀 60年代中期以來，同步輻射光源的亮度已經(jīng)增加了10多個數(shù)量級。上海光源的設計亮度

4、可達到 10171019 光子數(shù) /（mm2 mrad2 s 0.1%BW，位于世界先進行列。3. 準直性好同步輻射基本上是在軌道平面中沿軌道的法線方向放出的，其垂直張角為：?鬃 mrad= 例如，當北京同步輻射裝置在 2.2GeV 運行時， ? 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. 有特定的時間結構電子在儲存環(huán)中是以束團的形式運動的，因此放出的同步輻射具有特定 的脈沖結構。脈沖寬度（ 對應著電子束團的長度）約為ps 量級，脈沖間隔（ 對應電子束團之間的距離）約為 m

5、s 量級。6. 同步輻射是潔凈的光源它是在 10-11 托的超高真空環(huán)境中產生的，沒有燈絲、隔離物質等帶來 的污染。這一性質對于表面科學、計量學等應用特別重要。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，人類所使用光源的每一次進步都對科 技的發(fā)展產生了極大的推動。分別于 1609 年和 1671 年發(fā)明的望遠鏡和顯微鏡，采用的是天然的可見 光源；愛迪生發(fā)明電燈，是一個真正的浦羅米修斯式的功業(yè)，使人類最后戰(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； 1912 年， Laue 等人實 現(xiàn) X 射線在晶體上的衍射； 1913 年 Bragg 開始晶體學研究，從

6、此人類的視野擴展到 肉眼看不到的物體內部和微觀領域； 60 年代激光光源的出現(xiàn)，其波長單一性、方向準 直性、相位的相干性以及它的高亮度，使得它在工業(yè)、通訊、國防、信息、醫(yī)療、科 研、藝術等極為廣泛的領域中發(fā)揮十分重要的作用。同步輻射是人類歷史上第四次對 人類文明帶來革命性推動的新光源。近年來，它已經(jīng)成為物理學、化學、材料科學、 地質科學、生命科學、醫(yī)學等極為眾多的學科領域中基礎研究和應用研究的一種最先 進的手段，在工業(yè)應用中有著極為重要的應用前景。圖 1列出了各種不同光源的頻譜與功率的比較我們知道，使用光來觀察微觀世界時，一個必須遵從的原則是所使用的 光的波長應當與被測對象的尺寸同量級或更小。

7、圖 2 中我們列出了電磁波的波長范圍 及適合研究的對象。同步輻射的波長范圍為1卩mt- 0.01 nm,特別適于研究有關細胞、病毒、蛋白質、晶體分子、原子等類似大小的物體。同步輻射應用早期發(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 60 年代初開始同步輻射應用的可行性研究；（3）1965 年儲存環(huán)在意大利 Frascati 建成；（4）20 世紀 70 年代開始同步輻射應用的現(xiàn)代階段。從 20 世紀 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70 年代的第一代光源是與高能物理加速器共用的儲存環(huán),儲存環(huán)的發(fā)射度大,同步輻 射作為高能物理加速器的副

8、產品加以利用； 20 世紀 80 年代出現(xiàn)的第二代光源是專門 為同步輻射應用建造的加速器,儲存環(huán)的磁結構以 Chasman-Green lattice 為特征；20 世紀 90 年代開始大量出現(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、垂直線，等等）； 較高的相干 性。其中的高亮度、偏振以及相干性是通過插入件磁鐵的應用達到的。因此 各種不同種類插入件的大量應用是第三代同步輻射光源的典型特征。插入件的基本結構是在局

9、部區(qū)域建立正負相間的周期性磁場。在這個周期性磁場中，電子是以近似正弦曲線的軌道運行。由于同步輻射的特征能量為：E =2.218 因而，即使不改變儲存環(huán)的能量，通過局部改變曲率半徑 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半徑由插入件的磁場確定，因而通過 改變插入件的磁場可以獲得不同性能的同步輻射?，F(xiàn)有的插入件一般由電磁鐵或永磁材料(稀土)構成，可以分為兩大 類：( 1 ) 扭擺器( Wiggler )。磁場強，電子軌道扭曲大，曲率半徑小， 因此一般用來提高同步輻射光子的能量；( 2 )波蕩器( Undulator )。磁場弱，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)展的一次重大進展，使得各種不同的磁場 分布得以實現(xiàn)，如平面 undulator 、垂直兩維的 undulator 、 8 字型的 undulator ，等 等。在 undulator 中，電子束團發(fā)射同步輻射，于是束團中的電子總是受 到同步輻射光場的作用，此作用反過來又會影響電子發(fā)出的同步輻射，其結果是不斷 提高 undulator 輻射的亮度和相干度。事實上，這就是實現(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；入為磁場周期長度。上式表明， g 越小，則磁場分量就越強。過去小磁隙的獲得是采用可變真空盒，在儲存環(huán)穩(wěn)定運行之后，通過不同方式來改變真空盒的大小。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)過幾年的發(fā)展，真空盒內插入件的技術已經(jīng)成熟，目前在NSLS SPRING-8 , ESRF上共有12個這樣的插入件在工作，還有更多的在安裝之中。真空盒內插入件可達到的磁隙一般為8mm如熱載容許，可達 5mm；現(xiàn)有的最小磁隙紀錄為NSLS達到的3.3mm,其對

12、束流壽命的影響 v 10%。1999 年 4 月在 Daresbury 召開的第三代同步光源上小磁隙的實現(xiàn)研討會上，各國專家一致認為，真空盒內插入件的技術已經(jīng)成熟，與可變真空盒方案相比可以列為首選。近年來，插入件發(fā)展的另一個方面是強磁場的應用，即超導磁鐵技術的 應用，一般可達到 3 7T 的強磁場。 BESSY I 正在考慮建造 7.5T 的 wiggler （13 極， Ec = 5 keV ）；俄國人甚至在 BINP 建造了 10.14 T 的超導 wiggler 。從上面可以看岀，插入件可以用來： 提高同步輻射的特征能量；提高同步輻射的通量或亮度； 產生各種偏振； 提高輻射的相干度； 產

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的重要方面，我們應該予以足夠的重視。四、同步輻射應用的現(xiàn)狀及展望（一） 同步輻射與物質的相互作用 同步輻射與物質的相互作用可以分為三大類：（1）吸收同步輻射經(jīng)過物質之后，其強度由于各種原因而衰減。相應的實驗技術有：吸收譜、光刻、微細加工、成像、軟X光顯微術、心血管造影、微束CT,等等；2）散射同步輻射與物質相互作用之后改變其傳播方向。其主要實驗技術有：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，等等；（3）二次粒子的發(fā)射即同步輻射與物質相互作用之后產生了次級輻射或粒子。主要

14、實驗方法有：光電子譜、光離子譜、熒光譜、光激勵脫附，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用過程中已經(jīng)得到了很好的應用，如高通量、高亮度和波長可調等，但有三個方面性能的應用一直開展得不夠，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 也才開始得到部分應用。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） 第三代同步光源對科學帶來的主要影響第三代同步輻射的高亮度，使得以前難以開展的工作得以展開，其主要方面有：（1）高通量使得時間分辨實驗成為可能；（ 2 ）高亮度在物理學、化學、材料科學及生命科學中的衍射、散射、譜學等應用的整個領域： 微束：X光掃描

15、顯微學、顯微譜學、微衍射、微XAFS;細小散射體：表面及界面的原子及電子結構、超薄膜、稀薄系統(tǒng)；痕量元素：X光熒光譜學；微弱相互作用：非線性光學、核共振散射。（1 ）波長可調一一反常散射、MAD XAFS DAFS等等；（ 2）潔凈性表面科學；（ 3）高準直性心血管造影、折射反差成像、平面波X 光形貌術；（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、肌肉的時間分辨實驗、用pump-probe法的蛋白時間分辨實驗；（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） 同步輻射應用獨特（傳統(tǒng)）與綜合（創(chuàng)新）下面就最近發(fā)展的趨向

16、舉幾個例子，其中難免摻有個人的愛好。1. 不同實驗方法的綜合兩種不同實驗方法的有機結合，可以產生許多新的內容。這方面的發(fā)展有早期的DAFS（衍射+XAFS、顯微譜學等，近期的選位XAFS（ XAFS+電容測量）、熒光全息術（熒光 +干涉）等。選位XAFS通過在元素的 K吸收邊附近測量電容的變化，可以研究半導體中某一特定狀態(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阱內的Ga原子被激發(fā)后，由阱電子退激時將改變電容。原子分辨的衍射全息術衍射與熟知的全息術結合，得到新的方法。衍射過程是周期結構的相干干涉，不是三維直接圖像，而且還有位相丟失問題。需要 不斷嘗試才能得

17、到原子的位置。原子全息術是一種直接成像的方法，它利用原子產生 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生干涉從而得到全息圖 像，如圖 3 所示。全息學方法處理后可以得到三維直接圖像。利用衍射全息術已經(jīng)得 到一些材料的原子分辨的三維圖像，在生物學和材料科學方面將具有十分重大的應用 前景。2. 偏振光的衍射以及在磁學領域的應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 種方法不準確，而且重復性差；（ 2）利用特殊設計的插入件。這種方法準確、重復性好，而且可同時 變化能量與偏振；其缺點是偏振變化速度緩慢，而且價格較貴；（ 3

18、 ）利用 1/4 波長移相器。這種方法準確、重復性好、簡單、較快 速、較便宜，而且束線的外加設備用起來十分方便。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，會產生不同的結果，可以應用X光的偏振來研究這些有選擇的方向（自旋與軌道角動量）。通過求和規(guī)則可直接、獨立地給岀軌道磁矩卩L與自旋磁矩卩S對的貢獻（值得注意的是，中子實驗是通過在合適模型中擬合形狀因子而得 到這兩個貢獻的）。所以磁線二色、磁圓二色可以大量應用于磁性研究。而各種磁性 材料在工業(yè)應用中具有十分重要的意義。3. X 光顯微技術的發(fā)展近年來，同步輻射顯微術有了十分突岀的進展，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，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是200400，可以穿透比較厚的樣品，例如水對于1波長X光的吸收長度約為2mm。在LBL、BESSY II等實驗室，軟 X-光（波長約25）顯微鏡已達到的 橫向分辨約為 200（T

20、XM）和400（STXM ;其優(yōu)點是工作在“水窗"，可以觀察 活的生物樣品，而且由于在“水窗”波段，水的吸收長度為7卩m,因而樣品厚度比光學和電子顯微鏡放寬許多，達到10卩mo顯微術有三個目的：形態(tài)研究分辨本領；結構研究透入本領；成分研究一一元素分辨。如果只就第一點來說，硬X光顯微鏡不如軟 X光顯微鏡，更不如電鏡。但是它有獨特的優(yōu)點，那就是：深透入一一可實現(xiàn)三維成像；空氣環(huán)境一一使各種實驗容易進行，而且對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； 易于結合其他分析方法，如譜學（吸收、發(fā)射、熒光等）；低樣品損傷一一遠優(yōu)于電子、質子等粒子的激發(fā)。4. X 光聚焦方法的

21、發(fā)展獲得微束的方法可以用狹縫限束（最原始、簡單的方法）、Undulator（減小光源尺寸，龐大但有效）、斜切晶反射型光學（簡單，不能得到太微束）等技術。近年在各實驗室發(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（曲率隨入射波長變化）；變徑毛細管（全反射）；波帶片（理論成熟，實驗室工藝）；折射棱鏡（簡單，十分有前途）。目前ESRF達到的聚焦水平為：毛細管一一500 ，波帶片一一900 , K-B鏡系統(tǒng)一一 < 1卩m采用RU/B4C多層膜，機械彎曲，對820 keV能量光子可有80%的效率；ALS達到的水平為：K-B鏡系統(tǒng)一一0.8卩m<

22、; 0.8卩m。X 光的折射棱鏡是近年來由俄羅斯物理學家 Snigeriev 提出的最新方 法，利用許多個有旋轉拋物表面的棱鏡，經(jīng)過足夠多次折射來實現(xiàn)整個垂切面上的聚 焦，如圖4所示。理論上這是一個無像差的聚焦系統(tǒng)。其特點為：可通過棱鏡的數(shù)目來調節(jié)焦距，典型值：0.52m， （ 560keV廠光闌約1 mm,與波蕩器岀來的X-光束相匹配； 棱鏡采用低 Z元素材料制造，散射本底低，由于尺寸小，可以得 到很高的制造精度； 產生 0.5卩mx 5卩m焦斑，增益> 1000 :制造簡單， 適用面廣（顯微鏡、微區(qū)分析、微CT、微束熒光斷層術），很有發(fā)展前途。APS 報道了在鈹和鋁基底上由空心球組合

23、成的折射棱鏡 R.K. Smither et al, SPIE Vol 3151, 150-1639（ 1997），分別為 Be （ 50 個球，？準 1mm,相距0.1 mm ）和Al （50個球，？準1mm，相距0.01mm）。對10 keV的光子，透過率為 16%焦距為1.356 m，焦斑大小為（FWHM 41卩m SPRING-8報道了用折射棱鏡聚焦 X光進行的高壓衍射實驗，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-光聚焦技術相結合的各種實驗方法有很多，如衍射、位相技術 （原子尺度的相干）、譜學（吸收、光電子發(fā)射、熒光）、極化分析，等等。另一些 大有前

24、途而有待開展的方面是非彈性散射、時間分辨實驗，等等。5. 時間分辨實驗學科研究要求多高的時間分辨？我們可以將一些物理作用的時間尺度列表如下：分子間振動 fs ns有序無序轉變 ns ms酶作用 ms蛋白蛋白相互作用 ps ms質子 / 電子遷移效應 ps ms金屬配合基結合 ps ms用衍射的方法分析一個 10卩m尺度的晶體，其衍射波形成的時間大約 為（設光強足夠） 30fs 量級，而化學鍵形成或斷開的時間尺度則為 psfs 量級。由于 光強、探測效率等因素的影響，實際需要的探測時間比上述要長。但是，我們可以由 此估計學科研究對實驗技術的要求?？紤]一個比較實際的問題， Laue 衍射像。一張好

25、的 Laue 衍射像，需要光子10101013個。對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圖的成像時間需要 大約1s。要提高成像速度，就要提高光強。第三代光源的亮度提高10個量級，因而成像速度可以提高到 100 ps 。最近，俄羅斯科學家報道了納秒時間分辨的原位爆炸研究，利用位敏探測器（AsGa光二極管陣列，也可以是 CCD陣列和IP等），對爆炸產生高壓合成金 剛石過程進行了衍射和小角散射實驗研究。時間分辨達到了125 ns ，根據(jù)動力學理論，所有金剛石產生的化學轉變應當在 250 ns 內完成。但是 SAX

26、S 信號在 1500 ns 才達到最大。這對爆炸物理及金剛石顆粒的形成大有幫助。另一方面，固體、化學反應、生物快過程的相變時間大約為原子振動的 周期，其固有時間大約為 100 fs ，而現(xiàn)有的同步輻射技術（ 3ms 100ps ）與此時間 尺度還相差 3個量級！短脈沖激光可以產生 150 fs 寬度的脈沖，重復頻率為 1kHz，使用短脈沖激光（pump）和同步輻射（probe ）的方法進行研究的關鍵在于探 測器，還需要在探測技術方面大幅度提高現(xiàn)有實驗技術。目前使用兩種探測器：雪崩 二極管（時間分辨 10 ns ，量子效率 1 ）和條紋相機（由光傳導開關驅動，時間分 辨2 ps ），已經(jīng)可以開展

27、由 fs激光激發(fā)的固體中相變的動態(tài)X-光衍射研究，可得聲學聲子與電子的耦合時間等重要常數(shù)。6. 同步輻射在產業(yè)中的應用近年來，同步輻射在產業(yè)界的應用有很大進展，應用領域在不斷擴大， 涵蓋了石油（原油中石蠟的晶化）、塑料（紡織纖維、結晶度）、金屬（應變/ 應力分析、織構分析）、建筑（混凝土配制、渣化、老化）、微電子（半導體器件的表 征）、化妝品（化妝品對頭發(fā)和皮膚的影響）、制藥（生物晶體學、藥品的表征）、食品（食品的穩(wěn)定和老化）、醫(yī)學（衍射增強成像）等許多方面。這里僅舉幾個例子。聚焦光束的高壓衍射在地學中的應用現(xiàn)在人類在實驗室里已經(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

28、在基礎研究開辟了 新的領域，例如金屬氫；之外，還帶來了巨大的產業(yè)的機會，例如人工合成金剛石， 等等。高壓 X 射線衍射為人們提供了研究如此高壓狀態(tài)下物質結構的有效手段。這里 的技術難點也是十分明顯的：樣品的裝填及準直、高壓的獲得、微束SR的獲得及準直、聚焦激光、探測光路間的精確準直、加溫區(qū)域的均勻性及穩(wěn)定度等等。微束X光檢測半導體芯片一一大規(guī)模集成電路（LSI ）的集成度越來越高，各種精巧的結構越來越密集使得這類電子器件中的應力分布變得越來越復雜。測 量其中的微區(qū)成分、應力分布，由此比較不同設計及工藝的優(yōu)劣，對選擇工藝的改進 具有重要意義。日、美的電子產業(yè)界充分注意到此點。SPRING-8 利

29、用白光勞厄衍射 +微束 rocking curve 測量技術，對 Si 片中由于氧化引起的應變進行了測量?？梢詼y 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尾巴的拖長。LIGA 技術與其他工業(yè)技術的結合有很多研究所及研究組在繼續(xù)進行微部件制作方面的工作（IMF am mainz , ALS, ANKA，如微譜儀、光學微器件、一 些醫(yī)學方面的應用等等，但尚未有工業(yè)大批量的生產。LIGA 技術與其他技術結合來開展工業(yè)方面的應用，應該是一個很有潛力的發(fā)展方向。如結合電火花技術中工具電極 的制造，可以比較容易地制備各種形狀的紡織噴嘴。7. 同步輻射的生物學應用從生物分

30、子結構研究的里程碑，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，開始用這個方法進行晶體學研究；1914 Bragg 用 Laue 花樣研究鹵化堿晶體；1938 Pereutz 開始研究血紅蛋白；1960 Pereutz 解出血紅蛋白結構（用了 22 年）；1962 Pereutz 及 Kendrew 獲諾貝爾化學獎；Watson, Crick, Wilkins 獲諾貝爾生物學 / 醫(yī)學獎；1974 SR 白光首次用于材料科學；1976 SR 白光首次用于結構生物學（膠原蛋白的結構因子振幅）；1988 由

31、Laue 數(shù)據(jù)解得小分子結構；1990觀測到RAS致癌基因晶體中籠蔽GTP在光化學釋放GTP后的酶反應；1994 在 50ps 內得到溶菌酶蛋白的 Laue 照片 （ ESRF）；在已解出的生物大分子結構數(shù)中，利用同步輻射技術解出的> 55% ；每年解出的生物大分子晶體結構中，同步輻射解出的結構為60%100%；世界上現(xiàn)有同步輻射生物大分子實驗線站 > 50 ；生物大分子實驗線站在各國同步輻射實驗室中均 占重要地位，用戶需求量大，成果比重大。而且通過對結構的動態(tài)研究可以得出結構 改變與功能實現(xiàn)方面的重要知識。如果說， 20 世紀生物學的最大進展是建立了在分子水平上的結構生物 學，那

32、么， 21 世紀生物學的一個主要探索將是通過結構的改變理解功能的產生機制 也就是人們現(xiàn)在常提到的結構基因組學。從 1914年到 1938 年， Pereutz 用了 22 年才獲得血紅蛋白的結構。而今天同步輻射的應用，也許只要一天的時間就可以解出 類似大小的結構，特別是結構的動態(tài)研究，作為結構功能研究的基礎，離開了同 步輻射技術是難以實現(xiàn)的。值得注意的是，世界上現(xiàn)有超過50 條的大分子晶體學實驗站，但中國一條都沒有。從遺傳學基因組學結構基因組學，從序列結構功能，生物學家 進入一個自身不熟悉的領域。結構基因組學將面臨蛋白質結構的大規(guī)模、自動化的數(shù) 據(jù)采集、結構解析?，F(xiàn)在生物學家采用的方法主要有兩

33、個：核磁共振和X 射線衍射（同步輻射）。(1) NMR 無須結晶，在溶液狀態(tài)下分析； 蛋白的動態(tài)運動學研究；30 kD以下的分子(大分子的局部研究)； 數(shù)據(jù)分析相對復雜。(2) X光衍射： 要結晶； 有動態(tài)運動研究的前景； 可以分析 很大的分子； 數(shù)據(jù)分析相對簡單。繼人類基因組學之后，結構基因組學的國際合作已提到日程上。現(xiàn)在人 們預計結構基因組學的真正發(fā)展還需 5 年左右的時間，但那時是大發(fā)展的時候。我們 是否有資格加入這個國際合作，取決于我國是否有獨立開展大規(guī)模測定蛋白質晶體結 構的能力和條件，同步輻射實驗技術的發(fā)展將是一個十分關鍵的瓶頸。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)

34、狀可以用下面幾句話來簡單概括：( 1 )加速器穩(wěn)定運行是全球普遍現(xiàn)象；( 2)第一代光源陸續(xù)逐步升級為第二代光源；( 3)所有新建的第三代光源都達到或超過設計指標；( 4)儲存環(huán)的運行向衍射極限沖擊；( 5)充分注意應用同步輻射的偏振性；( 6)開始 ms 水平的時間分辨研究；( 7)出現(xiàn)小型專用光源的勢頭。同步輻射不同手段的聯(lián)合使用開辟了很多研究領域，成為許多學科和技 術發(fā)展不能或缺的工具，在產業(yè)中的應用越來越重要；相對來說，探測器的發(fā)展不 快，特別是快速時間響應的探測器拖后腿；隨著光源水平的不斷提高，需要更高的自 動化水平、更快的在線數(shù)據(jù)處理時間。面簡單介紹一下同步輻射飛秒 X 光光源及第

35、四代同步輻射光源的進展情況。1. 同步輻射飛秒 X 光光源ALS 通過改進加速器技術，成功的在現(xiàn)有同步輻射光源上產生了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（ 30 ps ）并行傳播，在電子靜止的座標系中，電子束團感受到 wiggler 的磁場以及 光子的電場和磁場，它們與電子的相互作用產生電子的能量調制；激光的場強產生的 這種能量調制可達到電子在束團中 rms 能量的數(shù)倍，在后續(xù)的能量色散的 B 鐵中， 選出 fs 長度的電子束團，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。正在建設專用的新束線，預期可以提供脈 沖長度 < 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 等人提出電子團引 起的光子散射效應，隨后其他人分別提出了插入件概念和相對論電子在插入件中自發(fā) 輻射的性質。比較完整的自由電子激光理論及實踐