同步辐射光源及其应用

序

前言

下册

第12章同步辐射角分辨光电子能谱

12.1角分辨光电子能谱的工作原理

12.1.1角分辨光电子能谱的基本原理

12.1.2角分辨光电子能谱的功能

12.1.3角分辨光电子能谱技术的进展

12.1.4表面敏感性与体效应

12.1.5光电子能谱实验中的空间电荷效应

12.2角分辨光电子能谱实验装置

12.2.1光源

12.2.2电子能量分析仪

12.2.3超高真空系统

12.2.4温度可控样品转角系统

12.3角分辨光电子能谱的理论描述

12.3.1三步模型和单步模型

12.3.2突发近似和单粒子谱函数

12.3.3矩阵元效应

12.4实验数据分析

12.4.1能量分布曲线和动量分布曲线

12.4.2色散关系和费米面

12.4.3电子自能分析和最大熵方法

12.5角分辨光电子能谱的应用

12.5.1高温超导体能带结构和费米面

12.5.2高温超导体超导能隙

12.5.3高温超导体中的赝能隙研究

12.5.4高温超导体中的多体相互作用

12.5.5角分辨光电子能谱对其他材料电子结构的研究

12.6结束语

参考文献

第13章同步辐射X射线成像

13.1引言

13.2光传播的物理性质

13.2.1光的波粒二象性

13.2.2光束的基本单元波包

13.2.3光的相位和相位探测

13.2.4光的相干性

13.2.5相干光子数和亮度

13.2.6光的传播性质和成像的关系

13.3X射线投影成像

13.3.1投影成像模型的建立

13.3.2相位衬度投影成像的原理和方法

13.3.3相位衬度CT

13.3.4同步辐射投影成像应用实例

13.4X射线"透镜"成像

13.4.1X射线"透镜"的发展

13.4.2波带片的光学性质

13.4.3全场X射线显微镜成像原理

13.4.4X射线相衬显微镜成像原理

13.4.5X射线显微镜纳米CT三维成像原理

13.4.6同步辐射(全场)软X射线显微镜

13.4.7同步辐射(全场)硬X射线显微镜

13.4.8X射线显微镜应用实例

13.5X射线探针扫描成像

13.5.1小孔滤波获得相干照明方法

13.5.2长距离获得相干照明的方法

13.5.3增大X射线"透镜"数值孔径的方法

13.5.4软X射线扫描探针成像应用举例

13.5.5硬X射线显微谱学方法

13.6相干X射线无透镜成像

13.6.1X射线全息成像

13.6.2X射线全息成像对相干性的要求

13.6.3X射线全息成像应用和最近发展

13.6.4X射线相干衍射成像

13.6.5相干衍射成像对相干性的要求

13.6.6X射线相干衍射成像应用举例

参考文献

第14章同步辐射软X射线显微术

14.1引言

14.2软X射线显微术的成像机理

14.2.1软X射线显微术的衬度

14.2.2衬度、剂量及辐射损伤

14.3软X射线显微术

14.3.1波带片

14.3.2扫描透射软X射线显微镜

14.3.3透射软X射线显微镜

14.3.4其他软X射线显微镜

14.3.5几种显微术的优缺点

14.4上海光源软X射线谱学显微光束线站

14.4.1上海光源软X射线谱学显微光束线布局

14.4.2实验站布局及实验方法

14.5TXM和STXM的应用

14.5.1在生命科学中的应用

14.5.2在材料科学和物理学中的应用

14.6结束语

参考文献

第15章同步辐射材料结构分析高压技术

15.1实验装置

15.1.1高压装置

15.1.2X射线衍射装置

15.1.3光束线和微束聚焦系统

15.2实验方法

15.2.1样品准备

15.2.2高压衍射数据的获取

15.2.3能量色散衍射实验

15.2.4角色散衍射实验

15.2.5激光加温DAC实验

15.2.6径向X射线衍射

15.3实验数据分析

15.3.1数据格式的转换

15.3.2谱峰分析及指派

15.3.3晶胞参数的确定

15.3.4全谱拟合及Rietveld结构精修

15.3.5状态方程拟合

15.4应用实例

15.4.1钙钛矿结构PbCrO3的等结构相变

15.4.2Ta的准静水压状态方程

15.4.3非静水压下材料弹性模量及强度研究

参考文献

第16章真空紫外光电离质谱技术

16.1引言

16.2同步辐射VUV单光子电离技术

16.3实验方法和实验装置简介

16.3.1光束线介绍

16.3.2高次谐波的消除

16.3.3实验站简介

16.4真空紫外光电离质谱的应用

16.4.1在化学反应动力学研究中的应用

16.4.2在燃烧研究中的应用

16.4.3大气气溶胶的光电离

16.4.4纳米粒子的VUV光散射

16.4.5低温等离子体诊断

16.4.6在分析化学中的应用

16.5结论与展望

参考文献

第17章同步辐射X射线磁圆二色

17.1基本原理

17.2实验装置

17.2.1圆偏振X射线源

17.2.2光束线

17.2.3磁铁系统

17.2.4X射线吸收探测设备

17.3实验技术

17.3.1轨道与自旋磁矩的测量

17.3.2电子产额的饱和效应

17.3.3磁矩测量的实验误差

17.3.4数据分析

17.4应用实例

17.4.1在磁性多层膜和磁性合金薄膜中的应用

17.4.2在自旋电子学中的应用

17.4.3在磁性低维体系中的应用

17.4.4磁各向异性的表征

17.4.5元素分辨的磁滞回线测量

17.4.6深度分辨的磁矩图像

17.5XMCD相关实验技术

17.5.1光电发射磁圆二色

17.5.2X射线磁线二色

参考文献

第18章同步辐射紫外圆二色光谱

18.1引言

18.2实验方法

18.2.1检测原理

18.2.2同步辐射紫外圆二色装置组成

18.2.3SRCD相对常规CD的优越性

18.2.4SRCD谱仪性能及其对测试结果的影响

18.2.5SRCD实验注意事项

18.3圆二色光谱数据分析

18.3.1定性分析

18.3.2定量分析

18.3.3CD的单位

18.4SRCD应用

18.5时间分辨SRCD

参考文献

第19章同步辐射微纳加工技术

19.1引言

19.2同步辐射微纳加工技术原理

19.2.1LIGA技术

19.2.2高分辨率X射线曝光技术

19.2.3X射线干涉光刻技术，

19.3同步辐射微纳加工的技术要求

19.3.1同步辐射深度光刻技术要求

19.3.2高分辨率X射线光刻技术要求

19.3.3X射线干涉光刻技术要求

19.4同步辐射微纳加工技术的研究现状及展望

19.4.1LIGA技术

19.4.2高分辨率X射线曝光技术

19.4.3X射线干涉光刻技术

参考文献

索引

……

上册

《同步辐射光源及其应用(下册)》可供从事材料科学、生命科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科领域的高等院校和科研院所的教师、科研人员和工程技术人员以及研究生参考，也可供从事同步辐射应用专业人员和各实验站管理人员参阅，尤其适合那些计划到同步辐射实验站进行实验的研究人员阅读和参考。

​同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置。第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机，第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机，第三代同步辐射光源为性能更高且储存环之直线段可加装插件磁铁组件之同步辐射专用储存环的专用机，现在正在研究的自由电子激光器则为新一代的高强度光源设施。

利用上海同步辐射光源的高亮度、短波长的同步辐射光在空间分辨上的优势，将可以进行许多前沿学科的探索。生物学家依托同步辐射光，能获得生物大分子的三维结构，进而研究其结构与功能之间的关系;而通过对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解，有望设计出能与该病原特异结合的药物小分子，以阻断病原对细胞的感染，或抑制其致病的功能，这就是基于分子结构的药物设计新概念。材料科学家利用同步辐射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁结构参数等信息，它们既是理解材料性能的"钥匙"，也是设计新颖材料的原理来源，所以材料科学家和他们所服务的企业成了第三代同步辐射光源的大用户。

利用上海同步辐射光源的高亮度、窄脉冲的同步辐射光在时间分辨上的优势，将可以实现在分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。上海同步辐射光源为这一类动态过程的研究开启了大门，预计在不远的将来，人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程，生命科学的研究将进入一个崭新的天地。对于材料科学来说，上海同步辐射光源将可以使中国材料科学家获得发生在原子水平的材料形成过程的动态图像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂缝扩散、高分子聚合物硬变、交界面过程和其他与时间相关的过程，它们是发明优秀新材料不可或缺的"源头信息"。而对于作为同步辐射光源的基本用户的化学科学来说，上海同步辐射光源将是中国化学科学跻身世界前列的必不可少的现代工具，将使中国化学科学家可以直接观测小至1立方微米的化学样品在化学反应期间原子的重新排列和位置，跟踪发生在快于10-9秒(十亿分之一秒)的化学过程，在最基础的水平上掌握形成新化学产品的整个过程。

利用上海同步辐射光源的高亮度、能量可选的同步辐射光，将大大提高对生命体内结构与形态的观察精度。通过同步辐射 X光显微成像和断层扫描成像技术能够直接获取活细胞结构图像。基于上海同步辐射光源强度高、能量可选的 X射线，发展起来的"双色减影心血管造影"新技术，可以为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断方法。最近，利用第三代同步辐射 X光源射线横向相干性好的特性，发展了 X射线相位反衬成像技术，能够清晰地拍摄出吸收反衬很弱的软组织如血管、神经等的照片，有望发展出不需要造影剂的"心血管造影术"。

利用上海同步辐射光源在空间分辨、时间分辨上的优势，将大大促进和加快中国的蛋白质结构基因组学研究。在过去的十多年里，基因测序是生物学的热门话题，目前，人类基因组测序已完成，但这只是生命科学进入新时代的开端。因为要从根本上掌握生命现象基本规律，必须了解基因载体---蛋白质分子的三维结构，破解其结构与功能的关系。测定蛋白质分子三维结构的最有效的手段是 X射线蛋白质晶体衍射。由于蛋白质晶体体积小(几十个微米)，且分子数目少，要求所用的 X射线光具有高亮度。如用 X光机束测一套蛋白质晶体衍射数据的话，需要几十个小时;用二代光源，需要几十分钟;用第三代光源则只要几秒钟。另外，同步光源还具有短脉冲(小于100皮秒)时间结构，为实时观测生物分子结构动态变化过程提供了可能性，将把生命科学研究带入一个崭新的时代。

同步辐射光源已经成为材料科学、生命科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科领域的基础和应用研究的一种最先进的、不可替代的工具，并且在电子工业、医药工业、石油工业、化学工业、生物工程和微细加工工业等方面具有重要而广泛的应用。上海同步辐射光源将成为中国迎接知识经济时代、创立国家知识创新体系的必不可少的国家级大科学装置。

"上海同步辐射光源"2004年12月25日破土开工，由中国科学院与上海市人民政府共同向国家申请建造，由中国科学院上海应用物理研究所承建，总投资约12亿元，我国迄今最大的大科学装置"上海同步辐射光源"。在我国，第一代同步辐射光源是"北京光源"，第二代光源是合肥国家同步辐射实验室，第三代光源就是"上海光源"。

"上海光源"发出的超强X光将对微观世界的认知带来一场"成像革命"--它将利用比普通X光机亮上亿倍、强百万倍的同步辐射光对物质进行微观"成像"。接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射，也就是同步辐射光源。从上世纪70年代起，全球建成和在建的同步辐射光源装置已有60余座。在国际上已经建成的20台第三代同步辐射光源中，"上海光源"的能量居世界第四，仅次于日本、美国、欧洲的有关设施。它还将与我国台湾地区以及日本、韩国、印度的第三代同步辐射光源一起，形成堪与美欧媲美的亚洲光源群。与第二代合肥同步辐射光源相比，第三代"上海光源"其电子束发射度约4纳米弧度，二者相差近40倍，其得到的光亮度相差约1600倍(约三个量级)。"上海光源"拥有的高强度、高亮度、高稳定性等特性，可用以从事生命科学、材料科学、环境科学、医学、药学等多学科的前沿基础研究，以及微电子、石油、医疗诊断等高技术的开发应用的实验研究。以生命科学为例，生命科学已进入了后基因组时代，蛋白质科学已成为各发达国家竞相抢占的制高点。而以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。开放共享是大科学装置的显著特点。"上海光源"具有建设60多条光束线的能力，届时可以同时向上百个实验站提供从红外光到硬X射线的各种同步辐射光，给用户的供光机时将超过5000小时/年。目前，首批7条光束线与实验站全部完成安装和调试，所有60多条光束线计划在未来15年内完成安装调试。"上海光源"已收到全国78所大学的301份使用申请，共计2868个机时段23000个小时。如此大规模的申请，恐怕将'上海光源'明年的机时量排进去都不够。