探索物质世界的利器——同步辐射

洪　宾　罗震林　孙　松,2　杨远俊　丁建军,2　鲍　骏,2　高　琛,2

(1 中国科学技术大学国家同步辐射实验室&能源材料化学协同创新中心，安徽 合肥　230029;

2 中国科学院能量转换材料重点实验室，安徽 合肥　230026)

探索物质世界的利器——同步辐射

洪宾1罗震林1孙松1,2杨远俊1丁建军1,2鲍骏1,2高琛1,2

(1中国科学技术大学国家同步辐射实验室&能源材料化学协同创新中心，安徽 合肥230029;

2中国科学院能量转换材料重点实验室，安徽 合肥230026)

摘要当近光速的带电粒子在磁场中转向时，沿运动轨迹的切线方向将会发出很窄的电磁辐射，这种高亮度的“光”称为同步辐射.同步辐射的波段范围从THz到远红外/红外，一直扩展到X射线/γ射线，其卓越的性能已经成为探索物质世界强有力的工具，在物理、化学、材料科学、生命科学、医学、纳米科技等领域获得了广泛的应用.本文就同步辐射的发光机制、特点及其应用作了简单的介绍，并结合我们课题组的两个研究实例展示了同步辐射的巨大潜力.

关键词同步辐射;方法学;光催化材料;多铁性材料

POWERFUL TOOLS INSIGHT INTO MATTERS: SYNCHROTRON RADIATION

Hong Bin1Luo Zhenlin1Sun Song1,2Yang Yuanjun1Ding Jianjun1,2Bao Jun1,2Gao Chen1,2

(1National Synchrotron Radiation Laboratory & Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials,

University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China;

2Key Laboratory of Materials for Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences，Department of Materials Science

and Engineering， University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China)

AbstractWhen charged particles move at a speed relative to the light, electromagnetic wave will be radiated along the tangential direction in a narrow cone—this high brightness “light” is called synchrotron radiation. Synchrotron radiation covers a broad region of electromagnetic spectrum: from THz to FarIR/IR, ..., X-ray/γ ray. Due to its excellent characteristics, synchrotron radiation becomes one of the most powerful tools insight into matters in many different fields, such as physics, chemistry, materials sciences, biology, medical science, nanotechnology, etc. This paper briefly introduces the radiation mechanism and characteristics of synchrotron radiation sources and their applications. Based on the research works of our group, as the examples, we also demonstrate the potential power of synchrotron radiation.

Key wordssynchrotron radiation; methodology; photocatalyst; multiferroics

特別说明: 扩展内容请关注本期封3风采实录栏目文章《高琛教授课题组和他的同步辐射应用研究》.

光既是古老的又是年轻的.说她古老是因为对光的好奇可以追溯到人类进化的早期，说她年轻是因为对光本质的认识不过是近一个世纪的事.太阳光供应了地球上所有生物所需要的能量，对人类的进化和人类文明的进程扮演着重要角色，为人类认识宏观世界和微观世界提供了武器.人类虽然很早就利用了光，但对光本质的认识却经历了漫长的过程，从粒子说，到电磁波，再到波粒二象性.可以相信现在对光的认识也并非终点.在我们不断加深对光认识的同时，基于光的各种技术也极大地推动了科学的进步与发展.

光由光源产生，对光的认识和利用离不开光源.由于天然光源(阳光)所产生的辐射仅占整个光家族的很小一部分，所以人们一直在致力于开发和利用各种人工光源.任何一种人工光源的发明和利用，通常都引发人类文明的进步，如爱迪生发明的电灯、伦琴发现的X射线、第二次世界大战中发明的微波、20世纪60年代发明的激光等.

同步辐射是一种先进光源[1].当接近光速的带电粒子在磁场中转向时，沿切线方向将发出强力的电磁辐射.这一现象在19世纪末已被预言，1947年在美国纽约州通用电器公司实验室的一台70MeV同步加速器上首次观察到，并因此得名“同步辐射”(synchrotron radiation).“同步辐射”让被加速的电子损失能量，对高能物理而言是一种有害的副产物，但这种副产物作为光源却具有单色亮度高、光谱极宽并连续可调、脉冲时间结构、高相干性、高偏振性、高准直性、高强度、可精确计算(光子通量、光谱分布、角分布等特性)等常规光源所不具有的优异性能[2]；因此，人们开始尝试利用同步辐射.早期的同步辐射光源是“寄生”在高能物理研究的储存环上的，称为第一代光源.由于同步辐射和高能物理在电子储存环设计上的矛盾，并随着同步辐射应用的推广，1970年以后，人们开始建造专用的同步辐射科学装置，这就是第二代光源.为了进一步提高光源的亮度，1990年开始，人们在进一步压缩储存环中电子束流的发射度的同时，开始大量使用插入件(波荡器、 扭摆器)，形成第三代光源.目前，人们正在大力发展以自由电子激光为代表的第四代光源.图1给出了四代先进光源单色亮度的比较.四代光源已经在凝聚态物理、生命科学、材料科学技术、化学等领域获得了广泛的应用.

图1　常规光源和四代先进光源在X射线波段单色亮度的比较

1同步辐射理论

同步辐射是一个庞大而复杂的大科学装置，其基本构造由注入器和电子储存环构成.图2是合肥光源重大改造后的布局图.注入器主要由电子枪和电子加速管构成.注入器把电子加速到额定能量，并通过输运线注入电子储存环.电子储存环是同步辐射的核心部分，由许多弯转磁铁(二极铁)、磁聚焦结构(四极铁)、插入件(波荡器或扭摆器)和高频腔构成.图3是电子储存环的典型结构， 其 作 用是让具有特定能 量的电子在固定的真空管道中作稳定的回转运动并发出同步辐射.同步辐射中给电子提供加速能量的是高频微波场，因此，电子在储存环中以束团的形式存在和运行.

图2　合肥光源的布局图

图3　典型电子储存环的结构

忽略束团中电子间的相互作用，由电动力学可以给出弯转轨道上单电子匀速圆周运动时的同步辐射[3].对于任意电子的运动，观察者在t时刻所观察到的电磁场是这个电子在较早的t′时刻产生的辐射场，t′时刻电子与观察者之间的距离是R=c(t-t′)，这个电子所激发的势可以由李纳-威谢尔公式给出：

其中,ε0为真空介电常数;μ0为真空磁导率;c为光速;e为电子电荷;β=/c，为电子速度，κ=dt/dt′=1-β·n，n为电子到观察点的单位矢量.将势对观察点的时空求导，得到观察者坐标系中的电子辐射场强：

其中,ρ为电子弯转的轨道半径.由上式可以知道，只有相对论性电子才能发出功率可观的同步辐射.这样的辐射是一个连续谱，随电子能量和磁场的不同可以覆盖从远红外直至γ射线的广阔频段.图4给出了二极铁和插入元件的结构及其辐射谱特点.

图4　二极铁、插入元件的结构和辐射谱

为了获得更高的单色辐射亮度或者更短的辐射波长，可以在储存环两个磁聚焦结构间的直线节安装插入元件.插入件由一组周期排列的磁铁构成，磁铁两极在电子束轨道的上下.插入元件分为两类：扭摆器和波荡器.扭摆器由较宽、较强的若干对磁铁构成，电子进入扭摆器后受到强磁场的作用，偏离原轨道，按小半径轨道运动，在不同取向磁铁间来回作几次扭摆，形成几个突起.由于扭摆器的磁场强度大，电子在突起处的运动半径就小，因此其临界波长就短，整个光谱向短波长方向移动.波荡器由几十至几百组磁铁组成，磁铁周期小，磁场强度较低.电子在其中运动时也像扭摆器，电子偏离原轨迹，但因周期短，磁场强度低，电子偏离小，其辐射可以相干叠加.对于磁场周期为λu的波荡器，电子运动的路程因扭摆而延长为：λu(1+K2)，其中K为波荡器磁场的rms归一化矢量势，是电子轨道上磁场强度的度量.根据相对论效应，将此值从电子静止参照系变换到实验室参照系，长度伸长2γ2倍，由此得到相干增强的波长为

通过相干增强，辐射向特定的波长集中.因此，相比于弯铁的辐射，波荡器的单色亮度有约3个量级的提高.

为了利用电子储存环的同步辐射，需要对其进行单色化、聚焦，引入实验站，并隔离储存环的超高真空等，这就是光束线的任务.由于不同波段的单色元件、聚焦元件差异很大，在此不再一一赘述.

2我国大陆同步辐射装置简介

目前，我国大陆建有3台同步辐射装置，分别是：北京同步辐射装置(BSRF)、国家同步辐射实验室(NSRL，合肥)、上海光源(SSRF)[4].北京同步辐射装置为第一代同步辐射光源，它是北京正负电子对撞机每年3个月的时间按照同步辐射专用模式运行的，专用模式运行时总体性能在二代水平，特别是在利用硬X射线波段实验方面具有优势；国家同步辐射实验室是一个专用同步辐射装置，由于储存环电子能量只有0.8GeV，在软X射线波段、真空紫外和红外波段的应用具有优势，同时还适合向波长更长的中红外、远红外波段扩展，因此NSRL发展侧重于光谱中低能段.SSRF是21世纪后，我国在上海浦东新区建立的一个国际先进水平的第三代中能同步辐射装置，是中能区域性能最好的X射线光源，电子储存环能量为3.5GeV，束流强度为300mA.这3台同步辐射光源波段布局互补，各自突出各自的特点，充分发挥潜力，对我国前沿科学研究提供了有力的支撑.

3同步辐射应用简介

当一束光与物质发生相互作用时，可以产生反射、透射、吸收、散射/衍射，而吸收之后还可以产生荧光、光电子、俄歇电子、分子碎片等效应.利用这些效应，并结合不同的波段，同步辐射几乎可以表征物质的所有的微观结构，成为人们探索物质微观世界的利器.一般说来，同步辐射都会根据自身装置的特点建设一批实验站，也欢迎用户筹资建设专门的实验站.常见的实验站有：XRD、XAFS、X射线显微、XMCD、PEEM、光电子能谱、光化学、VUV光谱、光电离质谱、红外光谱等.受专业背景的限制，作者仅结合课题组的研究工作，介绍利用高分辨XRD和红外漫散射光谱研究关联电子体系应变调控和光催化反应过程的实例，供读者参考.

光催化降解气相有机污染物(VOCs)在大气污染治理方面具有良好的应用前景，但目前对光催化剂表面活性位、VOCs在光催化剂表面的吸附构型和种类的研究仍然较少，对于一些实验规律也缺乏认识；而这些问题的研究对于进一步提高光催化活性，改善降解芳烃化合物的稳定性具有理论指导意义.原位红外光谱是跟踪光催化降解气相有机物过程、研究催化剂表面吸脱附和中间产物的种类与变化的有效手段.然而常规红外光谱的光源亮度低，一定程度上限制了其在该领域深入研究.我们课题组依托合肥光源，发展了光催化降解VOCs的(同步辐射)原位红外光谱研究方法，揭示了气相甲苯、甲醛等在TiO2表面的弱键吸附构型，建立了表面吸附和光催化效率之间的关系，从而提出了高效降解VOCs的光催化剂应具备的表面结构[5-9].

图5　用于光催化降解VOCs红外光谱研究的原位反应池

此外， 我们还基于光谱显微技术发展了降解VOC光催化剂的材料基因组学研究方法[10].如图7所示，利用红外显微的空间分辨能力(~10μm@2000cm-1)，对La3+/Nd3+-TiO2光催化剂样品库吸附、光催化降解气相甲苯的性能进行了表征，实现了多组分光催化剂的快速筛选和红外显微光谱分析.

图6　甲醛在干燥和潮湿条件下在TiO2表面吸附和光催化降解的原位红外漫散射光谱图

图7　材料基因组方法筛选高效光催化降解VOCs材料

我们课题组还发展了同步辐射高分辨X射线衍射倒易空间扫描技术(reciprocalspacemapping,RSM).RSM是表征外延薄膜晶体结构与畴结构的重要手段，通过测量衍射斑在倒易空间的位置、形状及分布，可得到晶格参数、应变状态、晶粒形状、晶畴取向等信息[11-12].常规X光源由于分辨率差、光强弱等问题几乎无法开展RSM工作，同步辐射是开展RSM的主要平台.

功能薄膜材料，如多铁BiFeO3/LaAlO3(BFO/LAO)薄膜，具有多相多畴的复杂结构，其在倒易空间某个格点附近的衍射是分布在三维空间的一群斑点，常规的二维RSM显然无法得到准确完整的信息.我们发展了3D-RSM技术，并用其表征了一些功能薄膜复杂的畴结构[13].图8展示了BFO/LAO(002)倒易点附近的3D-RSM.该图全面地展示薄膜晶体/畴结构的整体信息，并给出衍射斑的准确强度以进行定量的畴取向分布计算.人们可以截取任意的二维截面以进行细节研究，甚至能展示畴与畴衍射斑之间微弱的衍射尾巴(tail)，这些尾巴反映了相邻BFO畴之间晶格常数连续变化的途径，正是这些连续变化的晶格导致畴之间非常容易相互转化，进而在外电场下表现出巨大的电致形变效应.

图8　BiFeO3/LaAlO3(002)倒易点附近的3D-RSM

致谢

以上工作得到国家基础研究发展规划项目(973项目，2010CB934501, 2012CB922004)，国家自然科学基金，安徽省自然科学基金(1308085MB27,1408085MB25,090416226)，中国博士后基金(2011M501062)等的资助.上海光源、国家同步辐射实验室和美国APS提供了宝贵的机时支持，在此一并感谢.

参考文献

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作者简介：高琛，男，教授，主要从事物理、材料、化学、核科学技术交叉学科的研究，研究方向包括同步辐射应用、新型光电磁功能材料、可见光光催化、材料基因组学和科学仪器的研发等.cgao@ustc.edu.cn

基金项目:国家基础研究发展规划项目(973项目，2010CB934501,2012CB922004)，国家自然科学基金，安徽省自然科学基金(1308085MB27,1408085MB25,090416226)，中国博士后基金(2011M501062).

收稿日期:2015-03-05