X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)

1、 第一章第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 1-1 X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)射線的產(chǎn)生及其性質(zhì) 1-2 X射線譜射線譜 1-3 X射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用 1-4 X射線的衰減規(guī)律及其應(yīng)用射線的衰減規(guī)律及其應(yīng)用 1-5 X射線的探測與防護射線的探測與防護 1-1 X射線的產(chǎn)生及性質(zhì)射線的產(chǎn)生及性質(zhì)X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)X射線和可見光一樣，都顯示射線和可見光一樣，都顯示波粒二象性波粒二象性，故兩，故兩者的本質(zhì)是相同的，者的本質(zhì)是相同的， 都會產(chǎn)生干涉、衍射、吸收都會產(chǎn)生干涉、衍射、吸收和光電效應(yīng)等現(xiàn)象，兩者的主要差別于和光電效應(yīng)等現(xiàn)象，兩者的主要差別于波長不同

2、波長不同。X射線是由高能量粒子轟擊原子所產(chǎn)生的射線是由高能量粒子轟擊原子所產(chǎn)生的電磁輻電磁輻射射，電磁輻射的輻射能是由，電磁輻射的輻射能是由光子光子傳輸?shù)模庾觽鬏數(shù)?，而光子所取的路徑是由所取的路徑是由波動場波動場引?dǎo)。引導(dǎo)。X射線這種波、粒二象性，可隨不同的實驗條件射線這種波、粒二象性，可隨不同的實驗條件表現(xiàn)出來。顯示其波動性有：以光速直線傳播、表現(xiàn)出來。顯示其波動性有：以光速直線傳播、反射、折射、衍射、偏振和相干散射；顯示其微反射、折射、衍射、偏振和相干散射；顯示其微粒性有：光電吸收、非相干散射、氣體電離和產(chǎn)粒性有：光電吸收、非相干散射、氣體電離和產(chǎn)生閃光等。生閃光等。 X X射線的波長

3、范圍射線的波長范圍 X X射線是一種波長較短的電磁輻射：射線是一種波長較短的電磁輻射： 波長波長0.01 100.01 10nmnm；能量：能量：124 124 keV - keV - 0.124 keV0.124 keV 其短波段與其短波段與射線長波段相重疊，其長波射線長波段相重疊，其長波段則與真空紫外的短波段相重疊。段則與真空紫外的短波段相重疊。g-raysX-raysUVVisual0.0010.01 0.11.0 10.0 100 200 nm X X射線的能量射線的能量 量子理論將量子理論將X射線看成由一種量子或光子組射線看成由一種量子或光子組成的粒子流，每個光子具有的能量為：成的粒

4、子流，每個光子具有的能量為：( (依據(jù)依據(jù)X X射線的波長即可計算出其能量射線的波長即可計算出其能量) )(24. 1)(nmchhkeVE公式MgKCaKFeKPbLE(keV)1.2533.697.05710.55 (nm) =1.24/ E(nm)0.98950.33600.17570.1175X射線的本質(zhì)習(xí)慣上，稱波長短的習(xí)慣上，稱波長短的X射線為硬射線為硬X射線，射線，波長長的波長長的X射線為軟射線為軟X射線。軟、硬表示射線。軟、硬表示X射線穿透物質(zhì)的能力。射線越硬，即其波射線穿透物質(zhì)的能力。射線越硬，即其波長越短，則穿透物質(zhì)的能力就越大。長越短，則穿透物質(zhì)的能力就越大。 用于結(jié)構(gòu)分

5、析和成分分析的一般為軟用于結(jié)構(gòu)分析和成分分析的一般為軟X射線，用于醫(yī)學(xué)透視的為硬射線，用于醫(yī)學(xué)透視的為硬X射線。射線。 X X射線波長的度量單位常用埃（射線波長的度量單位常用埃（）或晶）或晶體學(xué)單位（體學(xué)單位（kXkX）表示；通用的國際計量單）表示；通用的國際計量單位中用納米（位中用納米（nmnm）表示，它們之間的換算）表示，它們之間的換算關(guān)系為：關(guān)系為： 1nm=10 1nm=10=10=10-9-9m m 人們根據(jù)人們根據(jù)X射線的干涉和衍射現(xiàn)射線的干涉和衍射現(xiàn)象，確定了象，確定了X射線具有波動性。然射線具有波動性。然而，波動理論對而，波動理論對X射線的短波限、射線的短波限、光電效應(yīng)、熒光輻

6、射和康譜頓散射光電效應(yīng)、熒光輻射和康譜頓散射等現(xiàn)象則無法解釋。所以，波動性等現(xiàn)象則無法解釋。所以，波動性僅僅是僅僅是X射線本性的一個方面。在射線本性的一個方面。在大量科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，人們又認大量科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，人們又認識到識到X射線本質(zhì)的另一個方面射線本質(zhì)的另一個方面粒粒子性。即子性。即X射線在空間傳播時，也射線在空間傳播時，也具有粒子性。具有粒子性。 X射線的性質(zhì)：射線的性質(zhì)： 1）X射線能使照相底片感光；射線能使照相底片感光； 2）X射線有很大的貫穿本領(lǐng)；射線有很大的貫穿本領(lǐng)； 3）X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離；離； 4）X射線是不可見光，它能使某些

7、物質(zhì)射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見光的熒光；發(fā)出可見光的熒光； 5）X射線本質(zhì)上是一種電磁波，同此它射線本質(zhì)上是一種電磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì)具有反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì) 綜上所述，綜上所述，X射線和一切微觀粒子（電子、射線和一切微觀粒子（電子、中子、質(zhì)子等）一樣，都同時具有波動性及粒子中子、質(zhì)子等）一樣，都同時具有波動性及粒子性雙重特性，簡稱波粒二象性。它的波動性主要性雙重特性，簡稱波粒二象性。它的波動性主要表現(xiàn)為以一定的頻率和波長在空間傳播，反映了表現(xiàn)為以一定的頻率和波長在空間傳播，反映了物質(zhì)運動的連續(xù)性；它的粒子性主要表現(xiàn)為以光物質(zhì)運動的連續(xù)性；它的粒子性

8、主要表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有一定的質(zhì)量、能量和動子形式輻射和吸收時具有一定的質(zhì)量、能量和動能，反映了物質(zhì)運動的分立性。能，反映了物質(zhì)運動的分立性。 波粒二象性是波粒二象性是X射線的客觀屬性，二者是相射線的客觀屬性，二者是相互補充的，在不同的實驗條件下，它們有時波動互補充的，在不同的實驗條件下，它們有時波動性表現(xiàn)明顯，有時粒子性表現(xiàn)明顯。由于性表現(xiàn)明顯，有時粒子性表現(xiàn)明顯。由于X射線射線波長短，頻率高，光子能量相對來說比較大，因波長短，頻率高，光子能量相對來說比較大，因此它的粒子性比較明顯。此它的粒子性比較明顯。 此外，此外，X射線具有很強的穿透物質(zhì)射線具有很強的穿透物質(zhì)的能力，經(jīng)電場和

9、磁場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，的能力，經(jīng)電場和磁場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)穿過物質(zhì)時當(dāng)穿過物質(zhì)時X射線可被偏振化、可被吸射線可被偏振化、可被吸收而強度衰減，它能使空氣或其他氣體收而強度衰減，它能使空氣或其他氣體電離，能激發(fā)熒光效應(yīng)，使照相底片感電離，能激發(fā)熒光效應(yīng)，使照相底片感光，并能殺死生物細胞與組織等。光，并能殺死生物細胞與組織等。 由于由于X射線具有上述一系列性質(zhì)，使射線具有上述一系列性質(zhì)，使它成為研究晶體結(jié)構(gòu)、進行元素分析、它成為研究晶體結(jié)構(gòu)、進行元素分析、工業(yè)探傷和醫(yī)療透視等多種問題的有力工業(yè)探傷和醫(yī)療透視等多種問題的有力工具。工具。迷人的迷人的X光片光片在在X射線下，任何射線下，任何東西都會很美！東西

10、都會很美！ 1-1-2 X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 大量實際所用大量實際所用X射線是由射線是由X射線管產(chǎn)生射線管產(chǎn)生的，不論是探傷用的，不論是探傷用X光機還是照相法用的光機還是照相法用的X光機和光機和X射線衍射儀，都包括：高壓發(fā)生器射線衍射儀，都包括：高壓發(fā)生器（包括整流部分），控制線路、（包括整流部分），控制線路、X射線管及射線管及探測記錄系統(tǒng)。其中，探測記錄系統(tǒng)。其中，X射線管和探測記錄射線管和探測記錄系統(tǒng)是系統(tǒng)是X射線儀特有的。本節(jié)主要介紹射線儀特有的。本節(jié)主要介紹X射射線管，而探測系統(tǒng)將在后面的章節(jié)里討論。線管，而探測系統(tǒng)將在后面的章節(jié)里討論。至于高壓發(fā)生器和控制部分屬于一般電氣裝至于高壓

11、發(fā)生器和控制部分屬于一般電氣裝置，可查閱有關(guān)電工書籍。置，可查閱有關(guān)電工書籍。一、一、X射線管的種類射線管的種類 關(guān)于陰極射線管式發(fā)生器，自倫琴以來已有了很多發(fā)關(guān)于陰極射線管式發(fā)生器，自倫琴以來已有了很多發(fā)展，突出表現(xiàn)在展，突出表現(xiàn)在X射線管的功率、光強上，因光強越射線管的功率、光強上，因光強越強，靈敏度就越高，分辨率也越好，還可減少實驗的強，靈敏度就越高，分辨率也越好，還可減少實驗的時間。當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)、材料等許多方面也有許多變化。時間。當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)、材料等許多方面也有許多變化。從構(gòu)造上來講可分為兩類，即密封式從構(gòu)造上來講可分為兩類，即密封式X射線管及旋轉(zhuǎn)射線管及旋轉(zhuǎn)陽極式陽極式X射線管。射線

12、管。 X射線管實際上就是一只特殊的高壓二極真空管，其射線管實際上就是一只特殊的高壓二極真空管，其中有陰極和陽極，外有玻璃殼。按發(fā)生電子的方式來中有陰極和陽極，外有玻璃殼。按發(fā)生電子的方式來分，有：分，有： 1、熱陰極、熱陰極X射線管；射線管； (1)密封式燈絲密封式燈絲X射線管；射線管；(2)可可拆式燈絲拆式燈絲X射線管射線管。 2、冷陰極、冷陰極X射線管射線管X射線管的種類射線管的種類 密封式密封式X射線管實際上就是一只特殊的高射線管實際上就是一只特殊的高壓二極真空管，其中有陰極和陽極，外壓二極真空管，其中有陰極和陽極，外有玻璃殼。按發(fā)生電子的方式來分，有：有玻璃殼。按發(fā)生電子的方式來分，有

13、： 1、熱陰極、熱陰極X射線管；射線管； (1)密封式燈絲密封式燈絲X射射線管；線管；(2)可拆式燈絲可拆式燈絲X射線管射線管。 2、冷陰極、冷陰極X射線管射線管 X射線管 二、二、X射線管的結(jié)構(gòu)射線管的結(jié)構(gòu) 封閉式封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空射線管實質(zhì)上就是一個大的真空 （ ）二極管。基本組成包括：）二極管?；窘M成包括： (1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地射線的地方。方。mmHg751010(3)窗口：窗口是窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出射線從陽極靶向外射出的地

14、方。的地方。 (4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。射線。X射線管的結(jié)構(gòu)為：精密陶瓷精密陶瓷X X射線管射線管 近年來近年來Philips公司推出了一公司推出了一種陶瓷管，其種陶瓷管，其構(gòu)造與前述封構(gòu)造與前述封閉管基本一樣，閉管基本一樣，只是用陶瓷代只是用陶瓷代替了玻璃。替了玻璃。三、三、X射線射線光源的新發(fā)展光源的新發(fā)展 (1)旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極X射線管射線管：一般的一般的X射線管，射線管，往往因受散熱的限制，管功率不大，主要往往因受散熱的限制，管功率不大，主要原因是功率過大，會造成陽極靶過

15、熱而燒原因是功率過大，會造成陽極靶過熱而燒熔。所以發(fā)展了一種旋轉(zhuǎn)陽極的熔。所以發(fā)展了一種旋轉(zhuǎn)陽極的X射線管。射線管。其陽極靶是一個用金屬作成的圓盤，利用其陽極靶是一個用金屬作成的圓盤，利用電動機使陽極以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，電動機使陽極以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，這樣使得靶面受電子束轟擊的位置隨時間這樣使得靶面受電子束轟擊的位置隨時間改變，因此可以達到散熱快的效果。其制改變，因此可以達到散熱快的效果。其制造困難之處在于轉(zhuǎn)動部分的真空密封問題。造困難之處在于轉(zhuǎn)動部分的真空密封問題。旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極X射線管射線管的功率可比固定陽極管的功率可比固定陽極管的功率大數(shù)十倍。目前已有的功率大數(shù)十倍。目前已

16、有100KW的的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)陽極陽極X射線管射線管。 旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極X射線管的關(guān)鍵技術(shù)是使陽極靶高速射線管的關(guān)鍵技術(shù)是使陽極靶高速旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)（20006000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/min），這帶來了如何密），這帶來了如何密封真空和密封冷卻水的問題。封真空和密封冷卻水的問題。 旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極X射線管的另一特點是德國生產(chǎn)的陽射線管的另一特點是德國生產(chǎn)的陽極靶是由銅和鉬兩種材料混合制成的。故同時極靶是由銅和鉬兩種材料混合制成的。故同時可以得到兩種不同波長的可以得到兩種不同波長的X射線，可選擇使用。射線，可選擇使用。 最流行的、操作管理比較方便的轉(zhuǎn)靶最流行的、操作管理比較方便的轉(zhuǎn)靶X射線發(fā)射線發(fā)生器的總功率已從生器的

17、總功率已從6kW、12kW發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)展到現(xiàn)在的18kW。靶的直徑一般小于。靶的直徑一般小于100mm，比較輕，比較輕，操作方便。操作方便。D/max2550VPC儀器外觀 X射線衍射實驗儀器 轉(zhuǎn)靶機 X光管室X光管室（內(nèi)有Mo陽極，在高壓作用下發(fā)射X射線） 熱電偶列陣，測量溫度。 旋轉(zhuǎn)靶臺 （2）同步輻射）同步輻射 什么是同步輻射什么是同步輻射 （SR-Synchrotron Radiation) ? * 同步輻射的特性同步輻射的特性 (寬光譜、高強度、高準直寬光譜、高強度、高準直性、高偏振、快脈沖性、高偏振、快脈沖) * 同步輻射在微結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用同步輻射在微結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用同步輻射光

18、源的發(fā)展歷史同步輻射光源的發(fā)展歷史 電磁場理論早就預(yù)言：在真空中以光速電磁場理論早就預(yù)言：在真空中以光速運動的相對論帶電粒子在二極磁場作用運動的相對論帶電粒子在二極磁場作用下偏轉(zhuǎn)時，會沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)下偏轉(zhuǎn)時，會沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁波。射連續(xù)譜的電磁波。1947年人類在電子年人類在電子同步加速器上首次觀測到這種電磁波，同步加速器上首次觀測到這種電磁波，并稱其為同步輻射，后來又稱為同步輻并稱其為同步輻射，后來又稱為同步輻射光，并稱產(chǎn)生和利用同步輻射光的科射光，并稱產(chǎn)生和利用同步輻射光的科學(xué)裝置為同步輻射光源或裝置。學(xué)裝置為同步輻射光源或裝置。 同步輻射光源的發(fā)展歷史同步輻射

19、光源的發(fā)展歷史 30多年來，同步輻射光源已經(jīng)歷了三代多年來，同步輻射光源已經(jīng)歷了三代的發(fā)展，它的主體是一臺電子儲存環(huán)。的發(fā)展，它的主體是一臺電子儲存環(huán)。第一代同步輻射光源的電子儲存環(huán)是為第一代同步輻射光源的電子儲存環(huán)是為高能物理實驗而設(shè)計的，只是高能物理實驗而設(shè)計的，只是“寄生寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，故又稱故又稱“兼用光源兼用光源”；第二代同步輻射；第二代同步輻射光源的電子儲存環(huán)則是專門為使用同步光源的電子儲存環(huán)則是專門為使用同步輻射光而設(shè)計的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出輻射光而設(shè)計的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光；同步輻射光； 同步輻射光源的發(fā)展歷史

20、同步輻射光源的發(fā)展歷史 第三代同步輻射光源的電子儲存環(huán)對電子束發(fā)射第三代同步輻射光源的電子儲存環(huán)對電子束發(fā)射度和大量使用插入件進行了優(yōu)化設(shè)計，使電子束度和大量使用插入件進行了優(yōu)化設(shè)計，使電子束發(fā)射度比第二代小得多，因此同步輻射光的亮度發(fā)射度比第二代小得多，因此同步輻射光的亮度大大提高，并且從波蕩器等插入件可引出高亮度、大大提高，并且從波蕩器等插入件可引出高亮度、部分相干的準單色光。第三代同步輻射光源根據(jù)部分相干的準單色光。第三代同步輻射光源根據(jù)其光子能量覆蓋區(qū)和電子儲存環(huán)中電子束能量的其光子能量覆蓋區(qū)和電子儲存環(huán)中電子束能量的不同，又可進一步細分為高能光源、中能光源和不同，又可進一步細分為高能

21、光源、中能光源和低能光源。憑借優(yōu)良的光品質(zhì)和不可替代的作用，低能光源。憑借優(yōu)良的光品質(zhì)和不可替代的作用，第三代同步輻射光源已成為當(dāng)今眾多學(xué)科基礎(chǔ)研第三代同步輻射光源已成為當(dāng)今眾多學(xué)科基礎(chǔ)研究和高技術(shù)開發(fā)應(yīng)用研究的最佳光源。究和高技術(shù)開發(fā)應(yīng)用研究的最佳光源。同步輻射光的特性同步輻射光的特性 寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從遠紅外、可見光、紫外直到遠紅外、可見光、紫外直到 X射線范圍內(nèi)的連射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需要獲得特定波續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需要獲得特定波長的光。長的光。 高準直：同步輻射光的發(fā)射集中在以電子運動高準直：同步

22、輻射光的發(fā)射集中在以電子運動方向為中心的一個很窄的圓錐內(nèi)，張角非常小，方向為中心的一個很窄的圓錐內(nèi)，張角非常小，幾乎是平行光束，堪與激光媲美。幾乎是平行光束，堪與激光媲美。 高偏振：從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光在電子高偏振：從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光在電子軌道平面上是完全的線偏振光，此外，可以從軌道平面上是完全的線偏振光，此外，可以從特殊設(shè)計的插入件得到任意偏振狀態(tài)的光。特殊設(shè)計的插入件得到任意偏振狀態(tài)的光。同步輻射光的特性同步輻射光的特性 高純凈：同步輻射光是在超高真空中產(chǎn)生的，不存高純凈：同步輻射光是在超高真空中產(chǎn)生的，不存在任何由雜質(zhì)帶來的污染，是非常純凈的光。在任何由雜質(zhì)帶來的污染，是非

23、常純凈的光。 高亮度：同步輻射光源是高強度光源，有很高的輻高亮度：同步輻射光源是高強度光源，有很高的輻射功率和功率密度，第三代同步輻射光源的射功率和功率密度，第三代同步輻射光源的 X射線射線亮度是亮度是 X光機的上千億倍。光機的上千億倍。 窄脈沖：同步輻射光是脈沖光，有優(yōu)良的脈沖時間窄脈沖：同步輻射光是脈沖光，有優(yōu)良的脈沖時間結(jié)構(gòu)，其寬度在結(jié)構(gòu)，其寬度在10-1110-8秒秒(幾十皮秒至幾十納秒幾十皮秒至幾十納秒)之間可調(diào)，脈沖之間的間隔為幾十納秒至微秒量級，之間可調(diào)，脈沖之間的間隔為幾十納秒至微秒量級，這種特性對這種特性對“變化過程變化過程”的研究非常有用，如化學(xué)的研究非常有用，如化學(xué)反應(yīng)過

24、程、生命過程、材料結(jié)構(gòu)變化過程和環(huán)境污反應(yīng)過程、生命過程、材料結(jié)構(gòu)變化過程和環(huán)境污染微觀過程等。染微觀過程等。同步輻射光的特性同步輻射光的特性 可精確預(yù)知：同步輻射光的光子通量、可精確預(yù)知：同步輻射光的光子通量、角分布和能譜等均可精確計算，因此它角分布和能譜等均可精確計算，因此它可以作為輻射計量可以作為輻射計量特別是真空紫特別是真空紫外到外到 X射線波段計量射線波段計量的標(biāo)準光源。的標(biāo)準光源。 此外，同步輻射光還具有高度穩(wěn)定性、此外，同步輻射光還具有高度穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準相干等獨特而優(yōu)異高通量、微束徑、準相干等獨特而優(yōu)異的性能。的性能。 已運行的已運行的SR裝置裝置 70 80多個多個

25、 正在建設(shè)和計劃中正在建設(shè)和計劃中 20多個多個 關(guān)于世界各地同步輻射裝置的狀況詳細信關(guān)于世界各地同步輻射裝置的狀況詳細信息可以從下列兩個網(wǎng)站得到：息可以從下列兩個網(wǎng)站得到：http:/srs.dl.ac.uk/SRWORLD/index.html http: //sr-sources.html （SR裝置的水平是國家經(jīng)濟實力的標(biāo)志裝置的水平是國家經(jīng)濟實力的標(biāo)志） 同步輻射如此強大，以致被一些人認為是深刻同步輻射如此強大，以致被一些人認為是深刻影響人類生活的四大革命性光源之一。這四大影響人類生活的四大革命性光源之一。這四大革命性光源是：革命性

26、光源是： 1、1879年美國發(fā)明家愛迪生發(fā)明的電光源；年美國發(fā)明家愛迪生發(fā)明的電光源； 2、1895年德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的年德國科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的X光；光； 3、20世紀世紀60年代由美國和前蘇聯(lián)的一批科學(xué)家年代由美國和前蘇聯(lián)的一批科學(xué)家研制成的激光光源；研制成的激光光源； 4、同步輻射，、同步輻射，1998年美國的第三代高能同步輻年美國的第三代高能同步輻射源（射源（Advanced Photo Source，APS)的投入使的投入使用曾被美國用曾被美國“Science”雜志評為繼克隆羊多利及雜志評為繼克隆羊多利及“探路者探路者”火星之旅以后的當(dāng)年世界十大發(fā)明火星之旅以后的當(dāng)年世界十大發(fā)明之第三

27、，可見同步輻射的重要。之第三，可見同步輻射的重要。世界上主要的同步輻射裝置世界上主要的同步輻射裝置歐洲：歐洲：ESRF(6GeV)； 法國法國 （2個）個）; 英國（英國（1個）個）; 德國德國 （5個）個）;俄羅斯（俄羅斯（9個）個）美國：美國：APS(7Gev) 10個個 日本：日本：Spring 8 (8GeV) 7個個 中國的同步輻射裝置中國的同步輻射裝置北京北京 BSRF 第一代第一代 1.5-2.8GeV 運行運行 合肥合肥 NSRL 第二代第二代 0.8 MeV 運行運行新竹新竹 SRRC 第三代第三代 1.5GeV 運行運行上海上海 SSRF 第三代第三代 3.5GeV 運行運

28、行(GeV：千兆電子伏；：千兆電子伏；MeV：兆電子伏）：兆電子伏）其他：其他：瑞典、瑞士、荷蘭、烏克蘭、亞美尼亞、瑞典、瑞士、荷蘭、烏克蘭、亞美尼亞、韓國、印度、巴西等韓國、印度、巴西等世界上最大的同步輻射光源世界上最大的同步輻射光源 Spring-8 (日本日本)臺灣同步輻射研究中心臺灣同步輻射研究中心 ( SRRC)實驗大廳實驗大廳 (Hefei)北京同步輻射實驗室北京同步輻射實驗室 (BSRF)上海同步輻射光源上海同步輻射光源 “上海光源上海光源”不僅是我國目前最大的大科學(xué)不僅是我國目前最大的大科學(xué)裝置，性能也超過同能區(qū)現(xiàn)有的第三代同步裝置，性能也超過同能區(qū)現(xiàn)有的第三代同步輻射光源，是

29、目前世界上建造的性能最好的輻射光源，是目前世界上建造的性能最好的中能光源之一。它還是僅次于日本中能光源之一。它還是僅次于日本SPring-8、美國美國APS、歐洲、歐洲ESRF，電子束能量居世界，電子束能量居世界第四位的第三代同步輻射光源。不僅如此，第四位的第三代同步輻射光源。不僅如此，“上海光源上海光源還是一個大科學(xué)平臺，是一還是一個大科學(xué)平臺，是一個涉及學(xué)科眾多、應(yīng)用廣泛的科研平臺，在個涉及學(xué)科眾多、應(yīng)用廣泛的科研平臺，在這里可以增進科學(xué)家之間的相互交流、溝通，這里可以增進科學(xué)家之間的相互交流、溝通，甚至可能碰撞出科學(xué)的靈感。甚至可能碰撞出科學(xué)的靈感。 上海同步輻射光源上海同步輻射光源 “

30、上海光源上海光源”工程占地面積約工程占地面積約20萬平方米，包括一萬平方米，包括一臺臺150兆電子伏特的電子直線加速器，一臺周長為兆電子伏特的電子直線加速器，一臺周長為180米、能在米、能在0.5秒內(nèi)把電子束從秒內(nèi)把電子束從150兆電子伏特加速兆電子伏特加速到到3.5千兆電子伏特全能量的增強器，和一周長為千兆電子伏特全能量的增強器，和一周長為432米、能量為米、能量為3.5千兆電子伏特的高性能電子儲存環(huán)，千兆電子伏特的高性能電子儲存環(huán)，以及首批建成的以及首批建成的7條光束線和實驗站、公用設(shè)施、主條光束線和實驗站、公用設(shè)施、主體建筑和輔助建筑。首批建造的體建筑和輔助建筑。首批建造的7條光束線站分

31、別是條光束線站分別是基于插入件的基于插入件的5條光束線站，即生物大分子晶體學(xué)線條光束線站，即生物大分子晶體學(xué)線站、站、XAFS線站、硬線站、硬X射線微聚焦及應(yīng)用線站、射線微聚焦及應(yīng)用線站、X射射線成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站、軟線成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站、軟X射線譜學(xué)顯微線站射線譜學(xué)顯微線站和基于彎轉(zhuǎn)磁鐵的衍射線站、和基于彎轉(zhuǎn)磁鐵的衍射線站、X射線小角散射線站射線小角散射線站2條光束線站。條光束線站。 先進的第三代同步輻射光源先進的第三代同步輻射光源 上海同步輻射裝置上海同步輻射裝置( Shanghai ( Shanghai Synchrotron Radiation FacilitySynchrot

32、ron Radiation Facility，簡稱，簡稱 SSRF)SSRF)，是一臺世界先進的中能第三代同步輻，是一臺世界先進的中能第三代同步輻射光源。上海同步輻射裝置的電子儲存環(huán)電子射光源。上海同步輻射裝置的電子儲存環(huán)電子束能量為束能量為3.5GeV(353.5GeV(35億電子伏特億電子伏特) )，僅次于世界，僅次于世界上僅有的三臺高能光源上僅有的三臺高能光源( (美、日、歐各一臺美、日、歐各一臺) )，居世界第四，超過其它所有的中能光源；居世界第四，超過其它所有的中能光源； X X射射線的亮度和通量被優(yōu)化在用戶最多的區(qū)域。線的亮度和通量被優(yōu)化在用戶最多的區(qū)域。 上海光源猶如一臺功能強大

33、的上海光源猶如一臺功能強大的“超級超級X光機光機”和和“超級顯微鏡超級顯微鏡”，其亮度是最強的光機的，其亮度是最強的光機的上億倍，具有波長范圍寬、高強度、高亮度、上億倍，具有波長范圍寬、高強度、高亮度、高準直性、高偏振與準相干性、高純凈并可準高準直性、高偏振與準相干性、高純凈并可準確計算等一系列比其他人工光源更優(yōu)異的特性，確計算等一系列比其他人工光源更優(yōu)異的特性，是繼電光源、是繼電光源、X光源、激光光源之后第四次為光源、激光光源之后第四次為人類文明帶來革命性推動的一個新光源。人類文明帶來革命性推動的一個新光源。 “它提供性能非常優(yōu)異的光它提供性能非常優(yōu)異的光從紅外線到高從紅外線到高能能X射線（

34、硬射線（硬X射線）寬廣波段、光譜連續(xù)的射線）寬廣波段、光譜連續(xù)的光，為我國及全世界諸多學(xué)科的前沿基礎(chǔ)研究光，為我國及全世界諸多學(xué)科的前沿基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，提供了一個很先進又不和高新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用，提供了一個很先進又不可替代的工具?？商娲墓ぞ摺！?先進的第三代同步輻射光源先進的第三代同步輻射光源 上海同步輻射裝置是國家級大科學(xué)裝置和多學(xué)上海同步輻射裝置是國家級大科學(xué)裝置和多學(xué)科的實驗平臺，由全能量注入器、電子儲存環(huán)、科的實驗平臺，由全能量注入器、電子儲存環(huán)、光束線和實驗站組成。全能量注入器提供電子光束線和實驗站組成。全能量注入器提供電子束并使其加速到所需能量，電子儲存環(huán)儲存電束并使其加

35、速到所需能量，電子儲存環(huán)儲存電子束并提供同步輻射光，光束線對引出的同步子束并提供同步輻射光，光束線對引出的同步輻射光進行傳輸、加工，提供給實驗站上的用輻射光進行傳輸、加工，提供給實驗站上的用戶使用。戶使用。 上海同步輻射光源的特性上海同步輻射光源的特性 今后，上海同步輻射光源將陸續(xù)向廣大用戶提供今后，上海同步輻射光源將陸續(xù)向廣大用戶提供掃描光電子能譜、掃描透射掃描光電子能譜、掃描透射 X射線顯微、射線顯微、 X射線射線熒光顯微、熒光顯微、 X射線非彈性散射等實驗站。向用戶射線非彈性散射等實驗站。向用戶的供光機時將超過的供光機時將超過5000小時小時/年，每天可容納幾百年，每天可容納幾百名來自海

36、內(nèi)外不同學(xué)科領(lǐng)域或公司企業(yè)的科學(xué)家名來自海內(nèi)外不同學(xué)科領(lǐng)域或公司企業(yè)的科學(xué)家/工程師，日以繼夜地在各自的實驗站上同時使用工程師，日以繼夜地在各自的實驗站上同時使用同步輻射光。同步輻射光。(2)靈活性：上海同步輻射光源可運靈活性：上海同步輻射光源可運行于單束團、多束團、高通量、高亮度和窄脈沖行于單束團、多束團、高通量、高亮度和窄脈沖等多種模式，可依據(jù)用戶需求快速變換運行模式，等多種模式，可依據(jù)用戶需求快速變換運行模式，以滿足用戶的多種需求。以滿足用戶的多種需求。(3)前瞻性：上海同步輻前瞻性：上海同步輻射光源的科學(xué)壽命至少射光源的科學(xué)壽命至少30年，電子直線加速器同年，電子直線加速器同時用于發(fā)展

37、深紫外區(qū)高增益自由電子激光。時用于發(fā)展深紫外區(qū)高增益自由電子激光。 廣闊的應(yīng)用前景廣闊的應(yīng)用前景 利用上海同步輻射光源的高亮度、短波長的同步輻利用上海同步輻射光源的高亮度、短波長的同步輻射光在空間分辨上的優(yōu)勢，將可以進行許多前沿學(xué)射光在空間分辨上的優(yōu)勢，將可以進行許多前沿學(xué)科的探索。生物學(xué)家依托同步輻射光，能獲得生物科的探索。生物學(xué)家依托同步輻射光，能獲得生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，進而研究其結(jié)構(gòu)與功能之間的大分子的三維結(jié)構(gòu)，進而研究其結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系；材料科學(xué)家利用同步輻射光，可以清楚地揭關(guān)系；材料科學(xué)家利用同步輻射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精確構(gòu)造和有價值的電磁結(jié)構(gòu)參示出材料中原子的精

38、確構(gòu)造和有價值的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息，它們既是理解材料性能的數(shù)等信息，它們既是理解材料性能的“鑰匙鑰匙”，也，也是設(shè)計新穎材料的原理來源，所以材料科學(xué)家和他是設(shè)計新穎材料的原理來源，所以材料科學(xué)家和他們所服務(wù)的企業(yè)成了第三代同步輻射光源的大用戶。們所服務(wù)的企業(yè)成了第三代同步輻射光源的大用戶。廣闊的應(yīng)用前景廣闊的應(yīng)用前景 利用上海同步輻射光源的高亮度、窄脈沖的同利用上海同步輻射光源的高亮度、窄脈沖的同步輻射光在時間分辨上的優(yōu)勢，將可以實現(xiàn)在步輻射光在時間分辨上的優(yōu)勢，將可以實現(xiàn)在分子水平上直接觀察生命現(xiàn)象和物質(zhì)運動過程。分子水平上直接觀察生命現(xiàn)象和物質(zhì)運動過程。對于生命科學(xué)來說，靜態(tài)地了解生物大分

39、子或?qū)τ谏茖W(xué)來說，靜態(tài)地了解生物大分子或生物體的結(jié)構(gòu)只是第一層次的研究，生物大分生物體的結(jié)構(gòu)只是第一層次的研究，生物大分子或生物體結(jié)構(gòu)變化的實時觀察則是更高層次子或生物體結(jié)構(gòu)變化的實時觀察則是更高層次的研究。上海同步輻射光源為這一類動態(tài)過程的研究。上海同步輻射光源為這一類動態(tài)過程的研究開啟了大門，預(yù)計在不遠的將來，人們的研究開啟了大門，預(yù)計在不遠的將來，人們將有可能像看電影那樣直接觀察生物大分子之將有可能像看電影那樣直接觀察生物大分子之間相互作用的精細過程，生命科學(xué)的研究將進間相互作用的精細過程，生命科學(xué)的研究將進入一個嶄新的天地。入一個嶄新的天地。 對于材料科學(xué)來說，上海同步輻射光源將可

40、以使我對于材料科學(xué)來說，上海同步輻射光源將可以使我國材料科學(xué)家獲得發(fā)生在原子水平的材料形成過程國材料科學(xué)家獲得發(fā)生在原子水平的材料形成過程的動態(tài)圖像，這些過程包括生長機制、相變過程、的動態(tài)圖像，這些過程包括生長機制、相變過程、固態(tài)作用、裂縫擴散、高分子聚合物硬變、交界面固態(tài)作用、裂縫擴散、高分子聚合物硬變、交界面過程和其他與時間相關(guān)的過程，它們是發(fā)明優(yōu)秀新過程和其他與時間相關(guān)的過程，它們是發(fā)明優(yōu)秀新材料不可或缺的材料不可或缺的“源頭信息源頭信息”。而對于作為同步輻。而對于作為同步輻射光源的基本用戶的化學(xué)科學(xué)來說，上海同步輻射射光源的基本用戶的化學(xué)科學(xué)來說，上海同步輻射光源將是我國化學(xué)科學(xué)躋身世

41、界前列的必不可少的光源將是我國化學(xué)科學(xué)躋身世界前列的必不可少的現(xiàn)代工具，將使我國化學(xué)科學(xué)家可以直接觀測小至現(xiàn)代工具，將使我國化學(xué)科學(xué)家可以直接觀測小至1立方微米的化學(xué)樣品在化學(xué)反應(yīng)期間原子的重新立方微米的化學(xué)樣品在化學(xué)反應(yīng)期間原子的重新排列和位置，跟蹤發(fā)生在快于排列和位置，跟蹤發(fā)生在快于10-9秒秒(十億分之一秒十億分之一秒)的化學(xué)過程，在最基礎(chǔ)的水平上掌握形成新化學(xué)產(chǎn)的化學(xué)過程，在最基礎(chǔ)的水平上掌握形成新化學(xué)產(chǎn)品的整個過程。品的整個過程。 利用上海同步輻射光源的高亮度、能量可選的同步利用上海同步輻射光源的高亮度、能量可選的同步輻射光，將大大提高對生命體內(nèi)結(jié)構(gòu)與形態(tài)的觀察輻射光，將大大提高對生

42、命體內(nèi)結(jié)構(gòu)與形態(tài)的觀察精度。通過同步輻射精度。通過同步輻射 X光顯微成像和斷層掃描成像光顯微成像和斷層掃描成像技術(shù)能夠直接獲取活細胞結(jié)構(gòu)圖像?；谏虾Ｍ郊夹g(shù)能夠直接獲取活細胞結(jié)構(gòu)圖像?；谏虾Ｍ捷椛涔庠磸姸雀摺⒛芰靠蛇x的輻射光源強度高、能量可選的 X射線，發(fā)展起來的射線，發(fā)展起來的“雙色減影心血管造影雙色減影心血管造影”新技術(shù)，可以為心血管病新技術(shù)，可以為心血管病的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷方法。的早期診斷提供安全、快速、高清晰的診斷方法。最近，利用第三代同步輻射最近，利用第三代同步輻射 X光源射線橫向相干性光源射線橫向相干性好的特性，發(fā)展了好的特性，發(fā)展了 X射線相位反襯成像技

43、術(shù)，能夠射線相位反襯成像技術(shù)，能夠清晰地拍攝出吸收反襯很弱的軟組織如血管、神經(jīng)清晰地拍攝出吸收反襯很弱的軟組織如血管、神經(jīng)等的照片，有望發(fā)展出不需要造影劑的等的照片，有望發(fā)展出不需要造影劑的“心血管造心血管造影術(shù)影術(shù)”。 利用上海同步輻射光源在空間分辨、時間分辨上利用上海同步輻射光源在空間分辨、時間分辨上的優(yōu)勢，將大大促進和加快我國的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基的優(yōu)勢，將大大促進和加快我國的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究。目前，人類基因組測序已完成，但因組學(xué)研究。目前，人類基因組測序已完成，但這只是生命科學(xué)進入新時代的開端。因為要從根這只是生命科學(xué)進入新時代的開端。因為要從根本上掌握生命現(xiàn)象基本規(guī)律，必須了解基因載本

44、上掌握生命現(xiàn)象基本規(guī)律，必須了解基因載體體蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)，破解其結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)，破解其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。測定蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的最有效的手的關(guān)系。測定蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的最有效的手段是段是 X射線蛋白質(zhì)晶體衍射。由于蛋白質(zhì)晶體體射線蛋白質(zhì)晶體衍射。由于蛋白質(zhì)晶體體積小積小(幾十個微米幾十個微米)，且分子數(shù)目少，要求所用的，且分子數(shù)目少，要求所用的 X射線光具有高亮度。如用射線光具有高亮度。如用 X光機束測一套蛋白質(zhì)光機束測一套蛋白質(zhì)晶體衍射數(shù)據(jù)的話，需要幾十個小時；用二代光晶體衍射數(shù)據(jù)的話，需要幾十個小時；用二代光源，需要幾十分鐘；用第三代光源則只要幾秒鐘。源，需要幾十分

45、鐘；用第三代光源則只要幾秒鐘。另外，同步光源還具有短脈沖另外，同步光源還具有短脈沖(小于小于100皮秒皮秒)時間時間結(jié)構(gòu)，為實時觀測生物分子結(jié)構(gòu)動態(tài)變化過程提結(jié)構(gòu)，為實時觀測生物分子結(jié)構(gòu)動態(tài)變化過程提供了可能性，將把生命科學(xué)研究帶入一個嶄新的供了可能性，將把生命科學(xué)研究帶入一個嶄新的時代。時代。 同步輻射光源已經(jīng)成為材料科學(xué)、生命同步輻射光源已經(jīng)成為材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的一種最先進的、不可替代的工具，究的一種最先進的、不可替代的工具，并且在電子工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、石油

46、工業(yè)、并且在電子工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、生物工程和微細加工工業(yè)等化學(xué)工業(yè)、生物工程和微細加工工業(yè)等方面具有重要而廣泛的應(yīng)用。上海同步方面具有重要而廣泛的應(yīng)用。上海同步輻射光源將成為我國迎接知識經(jīng)濟時代、輻射光源將成為我國迎接知識經(jīng)濟時代、創(chuàng)立國家知識創(chuàng)新體系的必不可少的國創(chuàng)立國家知識創(chuàng)新體系的必不可少的國家級大科學(xué)裝置。家級大科學(xué)裝置。 上海光源等上海光源等X射線角波動相干光譜射線角波動相干光譜方法學(xué)研究取得新突破方法學(xué)研究取得新突破 中科院上海應(yīng)用物理研究所上海光源的陳剛中科院上海應(yīng)用物理研究所上海光源的陳剛研究員通過與美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究員通過與美國勞倫斯伯克利國家實

47、驗室以及太平洋西北國家實驗室的課題組合作，以及太平洋西北國家實驗室的課題組合作，從理論上將從理論上將X射線角波動相干光譜方法進一射線角波動相干光譜方法進一步推廣到多粒子混合體系的結(jié)構(gòu)分析中，利步推廣到多粒子混合體系的結(jié)構(gòu)分析中，利用這一方法有望實現(xiàn)實時原位地追蹤蛋白分用這一方法有望實現(xiàn)實時原位地追蹤蛋白分子形變以及納米材料的生長和自組裝過程。子形變以及納米材料的生長和自組裝過程。這一成果已在線發(fā)表于物理雜志這一成果已在線發(fā)表于物理雜志Physical Review Letters PRL 110, 195501 (2013). 同步輻射較之常規(guī)光源有許多優(yōu)點。它同步輻射較之常規(guī)光源有許多優(yōu)點。

48、它在科學(xué)、技術(shù)、醫(yī)學(xué)等眾多方面解決了在科學(xué)、技術(shù)、醫(yī)學(xué)等眾多方面解決了一批常規(guī)實驗室無法解決的問題，做出一批常規(guī)實驗室無法解決的問題，做出了重大貢獻。同步輻射裝置是一個龐然了重大貢獻。同步輻射裝置是一個龐然大物，小的有一個禮堂大，大的要比足大物，小的有一個禮堂大，大的要比足球場還大許多。美國斯坦福大學(xué)的球場還大許多。美國斯坦福大學(xué)的50GeV的電子直線加速器長達的電子直線加速器長達3.2Km（正在建設(shè)）。要建造這樣一個裝置，（正在建設(shè)）。要建造這樣一個裝置，投資是很大的。投資是很大的。北京同步輻射裝置（BSRF）簡史簡史1983. 6批準批準BEPC 規(guī)劃規(guī)劃1984. 6批準批準BEPC 同

49、步輻射規(guī)劃同步輻射規(guī)劃1985. 6同步輻射實驗室成立同步輻射實驗室成立1986. 12 開始光束線設(shè)計開始光束線設(shè)計1987. 3 開始加工前端區(qū)部件開始加工前端區(qū)部件 . 11安裝前端區(qū)安裝前端區(qū)1988. 7在前端區(qū)窗口第一次觀察到同步光在前端區(qū)窗口第一次觀察到同步光1989. 1安裝第一個插入件安裝第一個插入件 4W1 .4開始裝開始裝4W1A (形貌學(xué)形貌學(xué))、4W1B (EXAFS)、 4B9A(衍射衍射)、及、及4B9B(光電子能譜光電子能譜) 束束線線 .11形貌學(xué)線站安裝完畢形貌學(xué)線站安裝完畢1990.5成功進行第一個晶體樣品形貌學(xué)同步輻射實驗成功進行第一個晶體樣品形貌學(xué)同步

50、輻射實驗90年代初的年代初的12大廳大廳90年代初的年代初的13大廳大廳9090年代后期，年代后期，1212實驗廳建設(shè)新束線實驗廳建設(shè)新束線包括包括7 7條光束線，用于形貌學(xué)、條光束線，用于形貌學(xué)、X X射線熒光分析、高壓衍射線熒光分析、高壓衍射實驗、射實驗、X X射線衍射、射線衍射、X X射線小角散射、光電子譜、射線小角散射、光電子譜、XAFSXAFS、漫散射實驗研究。、漫散射實驗研究。9090年代后期，年代后期，1313廳建造新束線廳建造新束線 引出窗口引出窗口7插入件插入件4光束線光束線13增加增加:生物大分子、高壓、真空紫外生物大分子、高壓、真空紫外LIGA、熒光分析、軟、熒光分析、軟

51、X光應(yīng)用光應(yīng)用中能束線、中能束線、 X光漫散射光漫散射實驗站實驗站132003 年的年的BSRFBEPC4w1漫散射漫散射XAFSX-射線成像射線成像4B9衍射和小角散射衍射和小角散射光電子能譜光電子能譜3B1光刻光刻VUV3W1軟軟X射線光學(xué)射線光學(xué)4W1B4W1A4B9B4B9A3B1B3B1A3W1A3W1B1W1 熒光分析熒光分析4W2生物大分子生物大分子高壓高壓3B3中能束線中能束線LIGA1313條光束線條光束線1313個實驗站個實驗站Beam LineStation生物大分子晶體學(xué)實驗站（生物大分子晶體學(xué)實驗站（2003）20032003年年6 6月開始運行月開始運行 同步輻射裝

52、置是一個服務(wù)于多個同步輻射裝置是一個服務(wù)于多個學(xué)科的實驗技術(shù)平臺，是科技前學(xué)科的實驗技術(shù)平臺，是科技前沿研究不可或缺的先進手段。沿研究不可或缺的先進手段。 ( (基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)）基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)） 同步輻射是一個用戶裝置同步輻射是一個用戶裝置 同步輻射裝置是一個特殊模式的同步輻射裝置是一個特殊模式的大科學(xué)設(shè)施，不斷在發(fā)展。大科學(xué)設(shè)施，不斷在發(fā)展。研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域同步輻射同步輻射物理學(xué)物理學(xué)材料科學(xué)材料科學(xué)化學(xué)化學(xué)化工化工地礦地礦考古考古農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)國防國防工業(yè)工業(yè)生命科學(xué)生命科學(xué)環(huán)境科學(xué)環(huán)境科學(xué) 每年為用戶提供專用機時每年為用戶提供專用機時20002000小小時左右，部分

53、光束線可以兼用運行時左右，部分光束線可以兼用運行 每年要為每年要為6060多個科研單位的多個科研單位的200200多個課題提供服務(wù)多個課題提供服務(wù) 課題主要來自課題主要來自863863、973973、國家和、國家和部門的重大科技計劃、自然科學(xué)基部門的重大科技計劃、自然科學(xué)基金等金等pro）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)pro與抑制劑復(fù)合物與抑制劑復(fù)合物抑制劑電子密度抑制劑電子密度抑制劑在酶表面的抑制劑在酶表面的結(jié)合情況結(jié)合情況LHC-IILHC-II是綠色植物中含量最豐富的主要捕光復(fù)合物，這種復(fù)雜的是綠色植物中含量最豐富的主要捕光復(fù)合物，這種復(fù)雜的分子體系鑲嵌在生物膜中，具有很強的疏水性，難以分離和結(jié)晶。

54、分子體系鑲嵌在生物膜中，具有很強的疏水性，難以分離和結(jié)晶。對其晶體結(jié)構(gòu)的測定是國際公認的高難課題，也是一個國家結(jié)構(gòu)對其晶體結(jié)構(gòu)的測定是國際公認的高難課題，也是一個國家結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究水平的重要標(biāo)志。生物學(xué)研究水平的重要標(biāo)志。0303年利用北京同步輻射實驗室生物年利用北京同步輻射實驗室生物大分子晶體學(xué)線站獲得了該晶體的高分辨率衍射數(shù)據(jù)，最終獲得大分子晶體學(xué)線站獲得了該晶體的高分辨率衍射數(shù)據(jù)，最終獲得2.722.72分辨率的晶體結(jié)構(gòu)。分辨率的晶體結(jié)構(gòu)。(3)脈沖脈沖X射線發(fā)生器射線發(fā)生器 這是這是60年代發(fā)展起來的新型年代發(fā)展起來的新型X射線管，它是一射線管，它是一種高壓電脈沖下形成的脈沖種高壓電脈

55、沖下形成的脈沖X射線，它的脈沖射線，它的脈沖速度非?？焖俣确浅？?僅幾十毫微秒僅幾十毫微秒)例如，例如，X射線管射線管在在80KV高壓下產(chǎn)生的電流達高壓下產(chǎn)生的電流達10002000A，這種管子可以進行快速閃光衍射照相，對于這種管子可以進行快速閃光衍射照相，對于研究生物，相變及其他動態(tài)瞬時的過程極為研究生物，相變及其他動態(tài)瞬時的過程極為有利有利 這種管子的主要元件是一個低阻耗的電這種管子的主要元件是一個低阻耗的電容，使它充電后，在瞬時經(jīng)過射線管容，使它充電后，在瞬時經(jīng)過射線管放電，從而得到瞬時超強電流用這種放電，從而得到瞬時超強電流用這種管子研究相變過程時，技術(shù)上的困難是管子研究相變過程時，技

56、術(shù)上的困難是閃光要和相變過程同步，要求在毫微秒閃光要和相變過程同步，要求在毫微秒數(shù)量級上相對應(yīng)，故需要計算機控制數(shù)量級上相對應(yīng)，故需要計算機控制（）細聚焦（）細聚焦 常用的密封式和可折式熱陰極射線管中，常用的密封式和可折式熱陰極射線管中，雖然采用了一些聚焦陰極射線束的措施，但雖然采用了一些聚焦陰極射線束的措施，但所得焦點的線度仍為幾毫米而在進行結(jié)構(gòu)所得焦點的線度仍為幾毫米而在進行結(jié)構(gòu)分析時，為了提高分辨本領(lǐng)及精確度，通常分析時，為了提高分辨本領(lǐng)及精確度，通常利用線度為十分之幾毫米的光闌來限制原入利用線度為十分之幾毫米的光闌來限制原入射線束，因而所利用的只是其中一小部分，射線束，因而所利用的只是

57、其中一小部分，大部分輻射均浪費掉大部分輻射均浪費掉 更主要的是由于焦點面積大，焦點上最大的更主要的是由于焦點面積大，焦點上最大的比功率（單位面積上的功率）只能達到比功率（單位面積上的功率）只能達到5050200200瓦瓦/ /2 2，故需要很長的攝照時間（幾小時，故需要很長的攝照時間（幾小時至幾十小時），效率很底至幾十小時），效率很底 當(dāng)縮小焦點的線度時，焦點的比功率可以顯當(dāng)縮小焦點的線度時，焦點的比功率可以顯著提高，這是因為當(dāng)焦點縮小時，熱傳導(dǎo)的著提高，這是因為當(dāng)焦點縮小時，熱傳導(dǎo)的條件大為改善的緣故細聚焦射線管就是條件大為改善的緣故細聚焦射線管就是采用一套極好的靜電透鏡或電磁透鏡，使電采用

58、一套極好的靜電透鏡或電磁透鏡，使電子束高度聚焦，焦點尺寸為幾微米到幾十微子束高度聚焦，焦點尺寸為幾微米到幾十微米，比功率可提高到米，比功率可提高到1010千瓦千瓦/ /2 2，應(yīng)當(dāng)指出，應(yīng)當(dāng)指出，隨著焦點的縮小，必須減小管電流強度，才隨著焦點的縮小，必須減小管電流強度，才不致于燒熔化陽極靶不致于燒熔化陽極靶故細聚焦射線管的功率比普通故細聚焦射線管的功率比普通射線管的功率低（只有幾十瓦），所提射線管的功率低（只有幾十瓦），所提高的是比功率，但是比功率決定輻射的高的是比功率，但是比功率決定輻射的強度，從而決定衍射線強度所以使用強度，從而決定衍射線強度所以使用細聚焦管，暴光時間可以大大縮短此細聚焦管

59、，暴光時間可以大大縮短此外，小焦點的重要作用還在于可以產(chǎn)生外，小焦點的重要作用還在于可以產(chǎn)生細的衍射線條，這不僅有助于提高分辨細的衍射線條，這不僅有助于提高分辨率，而且還可進行一些特殊的精細結(jié)構(gòu)率，而且還可進行一些特殊的精細結(jié)構(gòu)分析分析(5)離子轟擊法離子轟擊法 很早以前，人們就發(fā)現(xiàn)用高速運動的離子轟很早以前，人們就發(fā)現(xiàn)用高速運動的離子轟擊靶面也能產(chǎn)生標(biāo)識射線，但是很少應(yīng)用。擊靶面也能產(chǎn)生標(biāo)識射線，但是很少應(yīng)用。這是因為離子和電子相比，每一次碰撞產(chǎn)生這是因為離子和電子相比，每一次碰撞產(chǎn)生的標(biāo)識射線光子數(shù)目很少。但是近年來，的標(biāo)識射線光子數(shù)目很少。但是近年來，人們發(fā)現(xiàn)離子射線譜中基本上不存在連續(xù)

60、人們發(fā)現(xiàn)離子射線譜中基本上不存在連續(xù)譜，從而使譜線的峰譜，從而使譜線的峰情景比提高了兩個情景比提高了兩個數(shù)量級，所以這種譜線可以用于射線光譜數(shù)量級，所以這種譜線可以用于射線光譜分析，并且在探針分析中它只要求較小的樣分析，并且在探針分析中它只要求較小的樣品尺寸，這是由于由于一個適當(dāng)能量的離子品尺寸，這是由于由于一個適當(dāng)能量的離子只能進入固態(tài)樣品幾百埃的深度，所以利用只能進入固態(tài)樣品幾百埃的深度，所以利用這種探針可以探測不同深度表層內(nèi)的成分變這種探針可以探測不同深度表層內(nèi)的成分變化，所以，這種譜線在射線光譜分析中有化，所以，這種譜線在射線光譜分析中有很大的前途。很大的前途。 上述這些射線新光源的發(fā)