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加速器与同步辐射

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加速器与同步辐射. 戚伯云教授. 中国科技大学天文与应用物理系. 加速器原理: 利用导体处于静电平衡状态时,所带电 荷全部分布在导体表面和尖端放电原理,使 导体球的表面所带的电荷不断增加,从而使 导体球和地之间的电势差 U 不断增大。 置于导体球壳内的离子源释放出来的带 有电量 q 的带电粒子在通过这个电势差时, 获得能量 ,从而得到加速。. §1 加速器. 一、几种低能加速器. 1. 高电压型加速器 ( 静电加速器 ). 静电加速器能量:最高能量为几十 Mev.

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Presentation Transcript
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加速器与同步辐射

戚伯云教授

中国科技大学天文与应用物理系

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加速器原理:

  • 利用导体处于静电平衡状态时,所带电
  • 荷全部分布在导体表面和尖端放电原理,使
  • 导体球的表面所带的电荷不断增加,从而使
  • 导体球和地之间的电势差U不断增大。
  • 置于导体球壳内的离子源释放出来的带
  • 有电量q的带电粒子在通过这个电势差时,
  • 获得能量 ,从而得到加速。

§1 加速器

一、几种低能加速器

1. 高电压型加速器(静电加速器)

  • 静电加速器能量:最高能量为几十Mev

低能加速器: 10 MeV

范德格拉夫起电机示意图

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§1 加速器

一、几种低能加速器

2. 电子感应加速器

电磁铁

环形真空室

涡旋电场

电子感应加速器原理图

大型的电子感应加速器能量:100MeV

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半径:

周期:

§1 加速器

一、几种低能加速器

3. 回旋加速器

D形盒

出射粒子束

均匀磁场B

振荡器

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§1 加速器

一、几种低能加速器

4. 直线加速器

实景

示意

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为加速电压的幅值

为电子通过加速间隙中心时加速电压的相角

§1 加速器

一、几种低能加速器

粒子获得的能量与加速长度成正比。动能的增长量为:

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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能量是200MeV;
  • 直线加速器的长度为35米;
  • 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。

北京高能物理研究所的直线加速器:

  • 电子能量提高到1.1GeV;
  • 直线加速器长度为204米。

美国斯坦福大学直线加速器:

  • 电子能量提高到50GeV的加速器;
  • 直线加速器长度达3公里多。

为了避免不断增加速器的长度,1930年劳伦斯

提出建造回旋加速器的建议。

§1 加速器

一、几种低能加速器

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具备功能

§1 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:

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

到预期的能量。

使带电粒子作回旋运动

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

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§1 加速器

二、同步加速器

弯转磁铁:使光

束线弯转,产生

同步辐射

插入装置:产生各类

不同特征的同步辐射

同步加速腔:加速

电子,并补充同步

辐射损失的能量

真空槽:保持10-10托以下

的气压,减少因残留气体

碰撞而损失光束线能量

四极磁铁:以透镜

机制聚焦光束线

同步加速器示意图

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§1 加速器

二、同步加速器

(1)使带电粒子作回旋运动

  • 为使从直线加速器中出射的带电粒子(如电子)在储存环中作回旋运动,必须不断的改变电子的速度方向,这个任务由二极磁体来完成。
  • 由二极磁体产生磁场,在磁场中运动的电子受到一个洛仑兹力从而作圆周运动。

二极磁铁

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§1 加速器

二、同步加速器

(2)使电子束在回旋过程中聚焦

  • 设计加速器时要使带电粒子在稳定的“封闭轨道”上运行,粒子会在封闭轨道的附近运动,而不会愈来愈偏离它,这个任务由四极磁铁承担。
  • 四极磁铁分为径向聚距和轴向聚焦两种,两者交替安放,以达到横向聚焦的要求。

四极磁铁

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§1 加速器

二、同步加速器

(3)使电子在回旋过程中加速

  • 为了使电子在回旋过程中加速,整个磁铁系统由若干段磁铁组成,各段磁铁之间留有空隙,叫直线节,在那里没有磁扬,加速设备就安排在那里。
  • 电子的动能的增长率必须和主导磁感应强度的变化率保持一定的关系,以保持电子在恒定的轨道上运动。

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§1 加速器

二、同步加速器

(3)使电子在回旋过程中加速

  • 为了使电子在回旋过程中加速,整个磁铁系统由若干段磁铁组成,各段磁铁之间留有空隙,叫直线节,在那里没有磁扬,加速设备就安排在那里。
  • 电子的动能的增长率必须和主导磁感应强度的变化率保持一定的关系,以保持电子在恒定的轨道上运动。

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例如能量为El的电子与静止质子(Mc2)相碰时,有效能量为 ,有效率为30%,其余约70%的能量都无法利用。

§1 加速器

三、对撞机

  • 高能粒子与一个静止靶中的粒子相碰时,大部分能量都转化为入射粒子与靶粒子所组成系统的“质心”动能,剩余能量不足以激发靶粒子或将靶粒子打碎或与靶粒子激烈相碰后产生出新粒子.

为了探索更深层次的现象,去发现更新、更重的粒子,人们制造了对撞机以提高加速器的能量。

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§1 加速器

三、对撞机

2.对撞机组成示意

  近几十年,加速器的能量每10年提高一个量级,加速器的尺寸由数米增加到数十公里。

1000GeV e+e-对撞机

22GeV

同步加速器

3.5GeV增强器

  • 美国的LEP加速器是目前能量最高的加速器:
  • 最高能量:1000 GeV
  • 周长: 27 km

加速环

600MeV,e+e-直线加速器

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主要工作在t 轻子和C夸克能量区域,精确测量t 子的质量为  MeV,测量精度提高10倍。

§1 加速器

三、对撞机

  • 西欧核子中心在1982年建成了质子-反质子对撞机

碰撞前能量:  2.7×1011eV

碰撞后有效能量: 5.4×1011eV

1983年发现中间玻色子W±及Z°,这项成果支持了弱电统一理论,获得1984年诺贝尔物理学奖。

  • 我国1988年在北京建成的正负电子对撞机

碰撞前能量:  2.8×109eV

碰撞后有效能量: 5.6×109eV

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§1 加速器

三、对撞机

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§1 加速器

三、对撞机

加速器上的粒子发现史

加速器

原定目标

实际发现

2种中微子,

时间反演破缺,

第4种夸克

AGS

(美国布鲁海温)

pN相互作用

FNAL

(巴特维亚)

第5种夸克,

第6种夸克

中微子物理

SLAC

(美国斯坦福)

部分子,Y ,t

ep量子电动力学

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§1 加速器

三、对撞机

加速器上的粒子发现史

加速器

原定目标

实际发现

I. S. R.

(日内瓦)

Z,W

质子-质子总截面增加

PETRA

(汉堡)

顶夸克

胶子喷注

AMS

阿尔法磁谱仪

暗物质、反物质

宇宙线

?

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§1 加速器

三、对撞机

1011eV

1011eV

电子

正电子

对撞机模拟环境:温度是太阳表面温度的4×1011倍

宇宙诞生的最初的10-19秒

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费米梦想的加速器

  • 诺贝尔物理奖获得者费米曾在1954年提出环绕地球建一台加速器的设想,称为费米的梦。其能量可达数千TeV。
  • 有人建议沿我们的万里长城建一台加速器,其能量可达134TeV,这些都是梦,要建造更高能量的加速器,必须在新技术、新原理方面进行探索。

如何建造更高能量的加速器,是摆在科学家和工程技术人员面前的重要课题。

§1 加速器

三、对撞机

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

1.同步辐射的发现

1947年4月16日,美国纽约州通用电气公司的实验室中,正在调试一台能量为70兆电子伏的电子同步加速器,偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”,光的颜色随电子的能量变化而变化。当电子能量降到40兆电子伏时,光变为黄色;降到30兆电子伏时,变为红色且强度变弱;降到20兆电子伏时,就什么也看不见了。

这种由电子作加速运动时所辐射的电磁波是在同步加速器上首先发现的,所以人们就称它为“同步加速器辐射”,简称“同步辐射”。“同步辐射”的发现立即在当时的科学界引起轰动,为同步辐射光的广泛应用揭开了序幕。

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直线加速器

  • 储存环
  • 光束线
  • 实验站

§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

2.同步辐射装置

同步辐射光源的原理图

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

核物理实验大厅

200MeV电子直线加速器

束流输运线

速调管走廊

800MeV电子储存环

合肥中国科技大学电子同步辐射加速器的总体布局图

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

(1)储存环

一台同步辐射装置是一个非常复杂的高科技综合工程,造价十分昂贵。它的主体是一台同步加速器,在加速器的储存环中安排若干插入件,并在储存环上安装若干条光束线,在每条光束线的末端建立若干实验站。

合肥中国科技大学800Mev电子储存环

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

储存环的形状不是一个圆形,而是由40个圆弧形铝制的扁盒子和40个长短不一的直线形铝制的扁盒子组成的一个闭合的环,环的周长是240米,这些扁盒子叫做真空盒,里面抽成真空度为10-9torr(1torr=1.31579×10-3大气压)的超高真空。

在圆弧形真空盒的上下方安装着二极磁铁,每块重七吨,能产生0.5—0.9特斯拉的磁场,其使命是使电子沿圆形轨道运动,所以也称为弯转磁铁。

电子在二极磁体磁场中运动时辐射电磁波

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

在直线段真空盒的外面,安装能使电子束聚焦的四极磁铁,还有用来校正运动中电子束的能量变化的六极磁铁,此外还有为了给电子束在回旋过程中增加能量(或达到稳定后给电子束补充因辐射而损失的能量)的高频电场源,以保证它们的轨道稳定。

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

(2)插入件

对一个储存环来说,当电子能量确定时,它产生的同步辐射的特征能量也就完全确定,有什么办法使得在已有的同步辐射光源上进一步提高辐射光的能量呢? 前苏联科学家金斯保发明一种插入元件来实现这个目的。

a.扭摆器(Wiggler)

由一组N极和S极周期相间的磁铁,安装在直线段真空盒的上下方,电子在扭摆器的磁场里作近似正弦曲线的扭摆运动。

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合肥

北京

电子能量

800 MeV

2500 MeV

同步辐射特征能量

(加Wiggler前)

0.517 KeV

3.31 KeV

Wiggler

的磁场

6 T

1.8 T

同步辐射特征能量

(加Wiggler后)

2.585 KeV

6.62 KeV

§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

扭摆器的作用是在储存环的局部区域增大磁场,在局部形成小的电子轨道曲率半径,使得电子在作扭摆运动时发出的同步辐射有较大的特征能量,从而达到增加高能量光子数目的目的。

北京及合肥同步辐射光源在增加Wiggler前后的一些参数

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

b.波荡器(undulator)在实验中常常需要能量不高,但是亮度很高的光子束,这可用另一种类似扭摆器的装置——波荡器来实现。

波荡器与扭摆器不同的地方,在于磁场弱周期长度短而数目多,使用的是永磁材料。电子在波荡器中运动的轨道也是近似于正弦曲线,但是振幅很小,如微微波荡,所以得名波荡器。由于波荡器的磁场不大,所以它产生的特征能量不高,但是它的周期多,而且从不同周期上产生的光部分相干地叠加在一起,结果使得同步光的亮度成百上千倍的增加。

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

(3)光束线

光束线是把在储存环内作加速运动的高能电子所产生的同步辐射光输送到实验站的装置,并根据不同的实验对光的波长的不同要求,把同步辐射光单色化并使之聚焦。

总的来说,光束线的功能是把同步辐射光准直、聚焦、单色化。

中国科技大学的同步辐射装置上已有5条光束线。

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全反射镜

衍射光栅

§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

光源

四缝准直

前置聚焦镜

出口缝

样品

后置聚焦镜

反射镜

进入缝

衍射光栅

对于波长较长的软X射线

与真空紫外光,可采用衍

射光栅作单色仪。

典型的光束线安排

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

(4)实验站

在每条光束线上可建若干个实验站。不同的实验站作不同类型的科学研究,如材料、生命科学、医学等研究。不同的研究对象,对辐射光的波长、亮度、时间分辨等有不同的要求。在中国科技大学同步辐射实验室中现有光束线5条,已有实验站5个,在建和将建实验站9个。

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

光电子能谱

光声光热

辐射标准与计量

软X射线显微术

光刻

红外与远红外

光化学

时间分辨光谱

扩展X光吸收精细结构

同步辐射

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§2 同步辐射

一、同步辐射简介与装置

同步辐射装置的发展已经历了三代:

  • 第一代同步辐射光源的加速器是因高能物理实验的需要而制造的,同步辐射光源则是一个副产品。我国北京的同步辐射装置是正负电子对撞机的一部分,属第一代。目前世界上在使用的约17台。
  • 第二代是专用型同步辐射光源,1991年在中国科技大学建成的合肥同步辐射光源、日本的光子工厂等就属于第二代光源。目前世界上运行的第二代同步辐射光源有23台之多。
  • 第三代是同步辐射光源的亮度更高、性能更好的光源。从1994年至今世界上已建成多台,它们分布在美、法、意、日、韩及我国台湾的新竹。我国上海正在计划建造的上海同步辐射装置,在性能上将比目前的第三代装置还要优越一些。

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§2 同步辐射

二、同步辐射的特性

1. 辐射光的波长覆盖面大且连续可调

一台同步辐射装置,在储存环中运行的电子的能量和轨道的弯转半径将决定这台同步加速器所辐射的光谱形状。光子能量范围从几个电子伏特到几十MeV,相应的波长从几微米到几百皮米(10-12米),即从远红外到硬X射线。

北京正负电子对撞机:

所辐射的光子能量范围 0.3~2×104eV

相应的光的波长范围 4×103~6× 10-2nm

光子能量(eV)

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§2 同步辐射

二、同步辐射特性

2. 有强的辐射功率

  • 大功率的X光管的最大输出功率约10瓦
  • 同步辐射的功率可达几万瓦
    • 北京同步辐射装置的辐射功率可达6万瓦
    • 合肥的同步辐射装置的辐射功率为6千瓦

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垂直角f

§2 同步辐射

二、同步辐射特性

3. 有好的准直性

e

同步辐射光是沿电子运动轨道的切线方向在一个很小的角度范围内发射出来的,在与轨道平面的垂直方向上所张的角度很小,因此有很好的准直性。

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§2 同步辐射

二、同步辐射特性

4.具有很高的亮度

由于同步辐射光功率强,而且又是在一个很小的立体角中发射出来的,能量高度集中,所以必然有很高的亮度。北京同步辐射装置所发射的光的亮度为1013,这是属于第一代装置,目前世界上已有第三代装置,亮度达1017~1018。

5.脉冲光源,有特定的时间结构

在加速器储存环中电子以束团形式运动。电子束团密度决定了光脉冲的宽度。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期,对于1个周长为L的加速器,由于能量为GeV量级,电子的速度已十分接近光速(V=0.99999987c),所以脉冲周期为T=L/C。 如果电子束团长度为S,则脉冲的持续时间,即脉冲宽度为t=S/c。

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§2 同步辐射

二、同步辐射特性

北京同步辐射装置,周长为240.4米,假设只有一个束团运行,束团长S=3厘米,则脉冲周期为T=0.8微秒,脉冲宽度为τ=0.1纳秒。人们利用这个特定的时间结构,来研究物质的动态和瞬态过程。

t=100ps

T=0.8ms

如在生命科学中为对细胞进行活体动态研究,可利用脉冲光把动态变化的照片一幅幅拍下来。例如上面提到T=0.8微秒,则在8微秒中可拍10张照片,因为τ很小,所以可以观察到活体的瞬间动态变化。也正因为τ很小,所以要求有足够亮度的光,才能在这样短的曝光时间内使照片清晰,新一代的同步辐射光可以满足这种对光亮度的要求。

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§2 同步辐射

二、同步辐射特性

6. 同步辐射是偏振光

在电子轨道平面中的同步辐射光是完全的线偏振光,光的电矢量就在电子的轨道平面内。这种偏振特性很有用,是普通X光所没有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性,也可以研究磁性材料。

7. 同步辐射是“光谱纯”的光

因为同步辐射光是电子在超高真空的环境中作加速运动而产生的,是特别“干净”,非常“纯”的光。不像X光管,管内有残余气体,而残余气体,受电子轰击也会发光。利用这种“干净”的光,可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模集成电路的光刻等。

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§2 同步辐射

二、同步辐射特性

8. 高度稳定性

利用先进的加速技术,目前可以使电子束流在加速器中稳定循环运行十几到二十几个小时,保持电子能量与束流强度不变,从而使辐射光强有高度的稳定性。这对于要求高精度、高分辨率的重复性的实验是必要的。同步辐射还有一个很重要的性质,就是它的谱分布和谱光度都是可以精确计算的。利用这个性质,可把它作为标准来校准其它光源。

综上所述,同步辐射具有如此优良的特性,使得它在许多领域有着重要应用。

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

1. 同步辐射的实验研究方法

散射

次级发射

同步辐射光

反射

样品

……

透射、吸收、折射

同步辐射光与样品的相互作用

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散  射:

(非)弹性散射、x-ray衍射、磁散射、光电子衍射

加 工:

光刻 LIGA、CVD、 x-ray激发加工

次级发射:

光电子、俄歇电子、荧光

辐射效应:

辐射损伤、辐射保鲜

§2 同步辐射

三、同步辐射应用

同步辐射光与物质相互作用时的各种效应:

同步辐射频谱宽,波长可调,亮度大,并具有偏振性等优异的性质,使光与物质相互作用的效应更加明显,使研究时间大大缩短,研究的范围大大扩展,并且可以研究样品在压强、温度等环境变化时的动态性质。

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

利用这些效应,人们发明了各种研究方法:

(1) 光电子能谱

(2) 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)

(3) X射线衍射

(4) 软X射线显微术

(5) 光刻和超微细加工等

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

(2) 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)

吸收系数随波长的变化

K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)6的Fe K边XAFS

EXAFS可获得激发原子附近局域几何结构的信息

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

(3) X射线衍射

已知入射X射线波长λ和掠射角θ,在晶体前方某些角度方向上有强烈的衍射光,在那里放置的X光底片可拍摄到有规律分布的光斑,从而可以定出晶体的结构类型和结构参数(如晶面间距d)。

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

2.同步辐射的广泛应用

  • 原子、分子物理
  • 材料科学
  • 化学
  • 生命科学
  • 医学
  • 药学
  • 微电子技术
  • 微细加工等

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蛋白质结构图

§2 同步辐射

三、同步辐射应用

(1)生命科学

国际上同步辐射应用研究中,生命科学占极重要地位。美国斯坦福同步辐射装置上,1992年全部200个研究课题中,将近一半属生命科学,可以预期本世纪将有更进一步的发展。

  • 利用同步辐射光的X射线衍射图的高分辨率(1.5A)确定生物大分子(如蛋白质、病毒)的三维结构;
  • 研究在生化反应过程中结构随时间变化的动态过程。

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水窗口

§2 同步辐射

三、同步辐射应用

软X射线显微术研究活细胞的特性

  • 活细胞中含有95%的水份,光学显微镜和电子显微镜对氢、氮、碳、氧不易分辨。

氧X光吸收

碳X光吸收

原子截面

  • 波长在2.4nm~4.4nm区间(水窗口)内的X射线与碳的相互作用要比与氧的相互作用强得多,就可用这个区间的X射线来研究含水多的活体生物样品。例如:研究病毒对细胞的浸染。

波长l

水窗口示意图

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

(2)医学

碘对33.16KeVX光能量的K吸收边:

当X光的能量从稍小于33.16KeV变到稍大于33.16KeV时,

它在碘上的吸收有一个不连续的、很大的增加,而在软组织上的吸收基本上没有变化。

双色数值减除造影法:

对病人注射含碘造影剂后,用碘的K吸收边前、后两种能量的X光进行两次造影,然后把所得图像用计算机数值化,再作数值减除,经减除后留下的数值,基本上完全是碘吸收的结果,从而看到清晰的冠状动脉的病理情况。这种造影技术对冠状动脉的病变作出早期诊断,对心血管病的早期控制和治疗有十分重大的意义。

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

摄像系统

单色X光

同步辐射X光

数值处理系统

同步辐射心血管造影装置示意图

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

(3)光刻与微加工

辐射线

光刻:

掩膜

  • 同步辐射光的准直性好、强度高和衍射极小的优点,大大缩小光刻线的线宽。

抗蚀剂

基底

  • 同步辐射已经可以制造0.07mm的芯片。

显影

抗蚀结构

光刻微加工示意图

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§2 同步辐射

三、同步辐射应用

美国IBM公司光刻线宽为0.25微米的芯片

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微型齿轮与蚂蚁

§2 同步辐射

三、同步辐射应用

微型齿轮

高度: 150μm

直径: 260μm

超微加工:

  • 80年代中发展了一种叫做LIGA的技术,它可以制作微齿轮、微马达、微泵、微照明灯具、微传感器等。
  • 这种微机械加工可得到线条宽度为几个或几十个微米、高度为几十到几百微米的机件。

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