材料物理基礎(chǔ)IV小角X射線散射原理與應(yīng)用

1、小角小角X射線散射射線散射(SAXS)原理與應(yīng)用原理與應(yīng)用(Small Angle X-ray Scattering)楊雷課程主要內(nèi)容 小角X射線衍射研究歷史及特點(diǎn) 小角X射線衍射基礎(chǔ)理論 小角X射線衍射研究的幾種常見體系 小角X射線衍射系統(tǒng)簡(jiǎn)介一般介紹根據(jù)研究試樣的角度范圍分為以下幾類(1) 廣角X射線衍射(Wide Angle X-ray Diffraction，簡(jiǎn)稱WAXD) 測(cè)試范圍(2): 5100o以上(2) 小角X射線衍射(Small Angle X-ray Diffraction，簡(jiǎn)稱SAXD) 測(cè)試范圍(2): 110o(3) 小角X射線散射(Small Angle X-ra

2、y Scattering，簡(jiǎn)稱SAXS) 測(cè)試范圍(2): 0.085o一、SAXS的概述 1.概念 當(dāng)X射線照到試樣上,如果試樣內(nèi)部存在納米尺寸的密度不均勻區(qū)(1-100nm),則會(huì)在入射X射線束周圍0.08-5的小角度范圍內(nèi)出現(xiàn)散射X射線.稱為X射線小角度散射,英文為Small Angle X-ray Scattering,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SAXS.2.發(fā)展歷史 自20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)小角X射線散射現(xiàn)象以來,它已成為材料幾何結(jié)構(gòu)表征的有效手段之一。 歷史上,SAXS發(fā)展緩慢,主要是因?yàn)樾〗窍鄼C(jī)的裝配操作麻煩,還受X射線強(qiáng)度的限制,曝光時(shí)間(特別是稀溶液)很長。 20世紀(jì)70年代以后,隨著同步輻射(

3、SR)裝置的建立,以同步輻射為X射線源的小角散射(SR-SAXS)平臺(tái)成了小角X射線散射實(shí)驗(yàn)的主要基地。 小角散射l小角散射得到的結(jié)構(gòu)信息有兩類：一個(gè)是微顆粒信息，一個(gè)是長周期信息。與原子尺度和小分子晶體點(diǎn)陣相比較，可以認(rèn)為這些是結(jié)構(gòu)的“大尺度”信息。l因此小角散射方法主要有這兩方面的應(yīng)用： 一個(gè)是測(cè)量微顆粒形狀、大小及其分布； 一個(gè)是測(cè)量樣品長周期，并通過衍射強(qiáng)度分析，進(jìn)行有關(guān)的結(jié)構(gòu)分析SAXS的研究對(duì)象及特點(diǎn)1.SAXS的研究對(duì)象: (1)納米材料研究 (2)生物大分子研究 (3)高分子研究2.SAXS的特點(diǎn): SAXS對(duì)試樣的適用范圍較寬,可以是液體、固體、晶體、非晶體或它們之間的混合體

4、,也可以是包留物和多孔性材料等。 SAXS可以研究高聚物的動(dòng)態(tài)過程,如熔體到晶體的轉(zhuǎn)變過程。 當(dāng)研究生物體的微結(jié)構(gòu)時(shí),SAXS可以對(duì)活體或動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行研究。 SAXS可以得到試樣內(nèi)統(tǒng)計(jì)平均信息。 試樣制備簡(jiǎn)單,在SAXS 測(cè)試中一般不被破壞,而且還可反復(fù)使用或供其它測(cè)量使用。小角X射線散射方法的特點(diǎn) 研究溶液中的微粒，最為簡(jiǎn)便 研究生物體微結(jié)構(gòu)，研究活體和動(dòng)態(tài)過程 某些高分子材料的散射強(qiáng)度很強(qiáng) 研究高聚物流態(tài)過程 確定粒子內(nèi)部封閉內(nèi)孔 獲得試樣內(nèi)統(tǒng)計(jì)平均信息 可準(zhǔn)確確定兩相間比內(nèi)表面和離子體積百分?jǐn)?shù)等參數(shù) 制樣方便研究高分子結(jié)構(gòu)的范圍 通過Guinier散射測(cè)定溶液中高分子的形態(tài)和尺寸，測(cè)定膠

5、體中膠粒的形狀、粒度及粒度分布，研究結(jié)晶高分子中晶粒、共混高分子中微區(qū)（分散相、連續(xù)相），高分子中空洞和裂紋的形狀、尺寸及其分布。 通過Zimm圖測(cè)定粒子量與相互作用參數(shù) 通過Bragg衍射測(cè)定晶體空間結(jié)構(gòu)分布 通過長周期測(cè)定研究高分子體系中晶片的取向、厚度與結(jié)晶百分?jǐn)?shù) 研究分子運(yùn)動(dòng)和相變不同儀器可能探測(cè)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸范圍SANS 小角中子散射SAXS 小角X射線散射小角X射線散射基礎(chǔ)理論20世紀(jì)初，倫琴發(fā)現(xiàn)了比可見光波長小的輻射。由于對(duì)該射線性質(zhì)一無所知，倫琴將其命名為X射線 (X-ray)。 到20世紀(jì)30年代，人們以固態(tài)纖維和膠態(tài)粉末為研究物質(zhì)發(fā)現(xiàn)了小角度X射線散射現(xiàn)象。 當(dāng)X射線照射到

6、試樣上時(shí)，如果試樣內(nèi)部存在納米尺度的電子密度不均勻區(qū)，則會(huì)在入射光束周圍的小角度范圍內(nèi)（一般2 6）出現(xiàn)散射X射線，這種現(xiàn)象稱為X射線小角散射或小角X射線散射（Small Angle X-ray Scattering），簡(jiǎn)寫為SAXS 。 其物理實(shí)質(zhì)在于散射體和周圍介質(zhì)的電子云密度的差異。 SAXS已成為研究亞微米級(jí)固態(tài)或液態(tài)結(jié)構(gòu)的有力工具。三、SAXS工作原理1.SAXS的原理能用布拉格定律2dsin=n來解釋，具體的應(yīng)用場(chǎng)合則因?yàn)槿肷渖渚€的本質(zhì)和被檢測(cè)樣品的本質(zhì)不同而有所區(qū)別。 由布拉格方程可以看出:入射線經(jīng)過樣品時(shí)的光程差(對(duì)于一般晶體材料，主要由面間距d決定；對(duì)于膠體顆粒，主要由顆粒電

7、子密度起伏決定)；入射角度和入射射線的波長。電子衍射和普通X射線衍射的區(qū)別在于入射線本質(zhì)不同；普通X射線衍射和小角度X射線衍射在于樣品對(duì)光程差的貢獻(xiàn)不同。 SAXSAX與與WAXWAX的區(qū)別的區(qū)別Bragg equation：d2/sinSmall Large Large dSmall d ： 110 o 4.4120 ： 10100 o K=0.154nmSAXSAX與與WAXWAX的區(qū)別的區(qū)別SAXSAX與與WAXWAX的區(qū)別的區(qū)別一般X射線管射出X射線束寬1-2o，所以小角度衍射在普通大角 衍射圖中，被掩蓋在透射束內(nèi)而觀察不到。若要觀察到小角度衍射，則對(duì)整個(gè)準(zhǔn)直系統(tǒng)有特別的要求：1 準(zhǔn)直

8、系統(tǒng)要長，而且光柵狹縫要小，才能使焦點(diǎn)變細(xì)。但焦點(diǎn)太細(xì)，X射線光太弱，將導(dǎo)致記錄時(shí)間過長，因此X射線源要強(qiáng)。2 在準(zhǔn)直系統(tǒng)很長的工作距離內(nèi)，空氣對(duì)X射線有很強(qiáng)的散射作用，因而整個(gè)系統(tǒng)要置于真空中。微顆粒信息對(duì)于微顆粒情況，散射尺度為d的小角散射中央峰的角寬度可以由布喇格公式 2dsin =得到，當(dāng)2 非常小時(shí)，2 = , sin = sin(/2) /2因此可以得到 散射角 /d由此可以看出中央峰的角寬度隨著散射體尺度d的減小而增加X射線與物質(zhì)的作用吸吸收收體體入射入射X射線射線熱效應(yīng)熱效應(yīng)透射透射X射線射線散射散射X射線射線 相干散射相干散射 不相干散射不相干散射熒光X射線電子電子反沖電子反

9、沖電子俄歇電子俄歇電子光電子光電子康普頓散康普頓散射射湯姆遜散射湯姆遜散射光電效應(yīng)光電效應(yīng)X射線 X X射線是一種波長很短（射線是一種波長很短（0.05-0.25nm0.05-0.25nm）的電磁波）的電磁波 當(dāng)一束當(dāng)一束X射線照射到試樣時(shí)，可觀察到兩個(gè)過程：射線照射到試樣時(shí)，可觀察到兩個(gè)過程： 1.若試樣具有周期性結(jié)構(gòu)（晶區(qū)），則若試樣具有周期性結(jié)構(gòu)（晶區(qū)），則X射線被相射線被相干散射，入射光和散射光之間沒有波長的改變，這干散射，入射光和散射光之間沒有波長的改變，這種過程稱為大角種過程稱為大角X射線衍射效應(yīng)或廣角射線衍射效應(yīng)或廣角X射線衍射射線衍射效應(yīng)。效應(yīng)。 2.若試樣具有不同電子密度的非

10、周期性結(jié)構(gòu)（晶區(qū)若試樣具有不同電子密度的非周期性結(jié)構(gòu)（晶區(qū)和非晶區(qū)），則和非晶區(qū)），則X射線被不相干散射，有波長改變，射線被不相干散射，有波長改變，這種過程稱為小角這種過程稱為小角X射線衍射效應(yīng)。射線衍射效應(yīng)。產(chǎn)生小角X射線散射的體系 納米尺寸的微粒子 納米尺寸的微孔洞 存在某種任意形式的電子云密度起伏 在高聚物和生物體中，結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)交替排列形成的長周期結(jié)構(gòu)（long distance） 其物理實(shí)質(zhì)在于散射體和周圍介質(zhì)的電子云密度的差異。小角X射線散射的體系 單散系。單散系。由稀疏分散、隨機(jī)取向的、大小和形狀一致的，具有均勻電子云密度的粒子組成。所謂的大小和形狀一致是根據(jù)不同的研究對(duì)象進(jìn)行

11、不同的近似。隨機(jī)取向是粒子處于各種取向的幾率相同，總散射強(qiáng)度是粒子各種取向平均的結(jié)果。稀疏分散是粒子的尺寸比粒子間的距離小得多，可忽略粒子間散射的相干散射，將散射強(qiáng)度看做多個(gè)粒子的散射強(qiáng)度之和。均勻電子云密度指的是各個(gè)粒子的電子云密度相同。 稀疏取向系。由相同形狀和大小、均勻電子云密度，但相同一致取向的粒子組成。 多分散系。由形狀和電子云密度相同，但尺寸不同粒子所形成的隨機(jī)取向、稀疏分布的粒子體系。 稠密粒子系。大小、形狀和電子云密度相同，隨機(jī)取向的，粒子間距很小的粒子體系 密度不均勻粒子系。大小、形狀相同，隨機(jī)取向的，稀疏分布的，電子云密度不均勻的粒子體系。 任意系。不能包括在上述的體系。

12、長周期結(jié)構(gòu)。小角X射線散射的體系小角X射線散射研究的幾種常見粒子體系粒子形狀相同，粒子形狀相同，大小均一，稀大小均一，稀疏分散，隨機(jī)疏分散，隨機(jī)取向的稀薄體取向的稀薄體系系粒子形狀相同，粒子形狀相同，大小不一的稀大小不一的稀薄體系薄體系粒子形狀相同，粒子形狀相同，大小均一的稠大小均一的稠密體系密體系粒子形狀相同，粒子形狀相同，大小不均一的大小不均一的稠密體系稠密體系a單散系 b稀疏取向系 c多分散系 d稠密粒子系 e密度不均勻粒子系 f 任意系 g長周期結(jié)構(gòu)小角X射線散射研究的幾種常見體系 膠體分散體系(溶膠、凝膠、表面活性劑締合結(jié)構(gòu)) 生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸) 聚合物溶液，結(jié)晶取向聚合物(

13、工業(yè)纖維、薄膜)，嵌段聚合物 溶致液晶、液晶態(tài)生物膜、囊泡、脂質(zhì)體為什么是電子云密度分布?帶電粒子電場(chǎng)強(qiáng)度E 帶電粒子所受作用力：F=qE=maa=E*q/m6222222p1039. 31840IIeppeemmEmqEmq帶電粒子的散射強(qiáng)度正比于帶電粒子的加速度。對(duì)一個(gè)原子而言：兩個(gè)電子對(duì)X射線的散射ophrs0s如左圖所示，入射方向與散射方向夾角為2。散射矢量02sshsin4 hh散 射 強(qiáng) 度SAXSSAXS用于數(shù)埃至數(shù)百埃尺度的電子密度不均勻區(qū)的定性和定量分析；用于數(shù)埃至數(shù)百埃尺度的電子密度不均勻區(qū)的定性和定量分析；系統(tǒng)的電子密度起伏（系統(tǒng)的電子密度起伏（ ）決定其小角散射的強(qiáng)弱；

14、）決定其小角散射的強(qiáng)弱；相關(guān)函數(shù)相關(guān)函數(shù) ( (r)r)決定著散射強(qiáng)度的分布。決定著散射強(qiáng)度的分布。散射強(qiáng)度散射強(qiáng)度散射矢量散射矢量電子云密度起伏電子云密度起伏X射線輻照射線輻照體積體積相關(guān)函數(shù)相關(guān)函數(shù)散射體間距散射體間距022sin)(4)(drqrqrrrVqI粒子及其互補(bǔ)體系的SAXS分析定性分析：定性分析： (1) (1)體系電子密度的均勻性體系電子密度的均勻性( (不均勻才有散射不均勻才有散射) )； (2) (2)散射體的分散性散射體的分散性( (單分散或多分散，由單分散或多分散，由GuinierGuinier圖判定圖判定) )； (3) (3)兩相界面是否明銳兩相界面是否明銳(

15、(對(duì)對(duì)PorodPorod或或DebyeDebye定理的負(fù)偏離定理的負(fù)偏離) )； (4) (4)每一相內(nèi)電子密度的均勻性每一相內(nèi)電子密度的均勻性( (對(duì)對(duì)PorodPorod或或DebyeDebye定理的正偏離定理的正偏離) ) (5) (5)散射體的自相似性散射體的自相似性( (是否有分形特征是否有分形特征) )。定量分析：定量分析： 散射體尺寸分布、平均尺度、回轉(zhuǎn)半徑、相關(guān)距離、平均壁厚、散射體尺寸分布、平均尺度、回轉(zhuǎn)半徑、相關(guān)距離、平均壁厚、 散射體體積分?jǐn)?shù)、比表面、平均界面層厚度、分形維數(shù)等。散射體體積分?jǐn)?shù)、比表面、平均界面層厚度、分形維數(shù)等。Guinier Lawq1/RGuini

16、er 范圍Scattering curveRadius of Gyration3/) 0()(22qReIhIR . Measure of particle sizeSolution SAX-Scattering of Ag nanoparticlesX-ray power: 2kW (CuK), exposure-time: 1000 s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 2 3 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03Rg = 35.5 Background-subtracted

17、 raw-dataGuinier-Plotq (-1)Intensity (counts)log I(q)q2Distance Distribution Function P(r)0)sin()(21)(dQQrQrQIrP尼 龍 11Porod principlePorod定理，如曲線即在散射矢量h較大值區(qū)域曲線走向趨于平行橫坐標(biāo)軸曲線表示正偏離，這是由于體系中除散射體外還存在電子密度不均勻區(qū)或者熱密度起伏 。曲線表示負(fù)偏離，這是由于兩相間界面模糊，存在彌散的過渡層 。過渡層的厚度E為 （為界面厚度參數(shù) ）：h2I(h)h3Schematic description for Porod pr

18、inciple and its deviations khIhh3lim2E比 表 面 PorodPorod定理主要提示了散射強(qiáng)度隨散射角度變化的漸定理主要提示了散射強(qiáng)度隨散射角度變化的漸近行為。近行為。 它可用于判斷散射體系的理想與否，以及計(jì)算不變量它可用于判斷散射體系的理想與否，以及計(jì)算不變量Q Q和比表面和比表面S SP P等結(jié)構(gòu)參數(shù)。等結(jié)構(gòu)參數(shù)。 hIhIh01Characterization of Fractal System For surface fractal,where3 4 It holds, that Ds6 - ln hlnI(h)h-1Slope= - For mas

19、s fractal, where 0 3 , it holds,that Dm = SURFACE FRACTALS Different DSThe peak maximum at large distances for native LDL was rmax 20.20.4 nm, which corresponds to the electron density autocorrelation of the phospholipid headgroups and protein moiety. Broadening of maximum peak for LDL control witho

20、ut significant difference in rmax value indicate formation of LDL aggregates during incubation.Increase in rmax value (r=1.30.6 nm) and broadening of peak maximum for LDL-DOT indicate slightly increase in the maximum particle diameter and formation of LDL aggregates.Experimental SAXS curves from LDL

21、 below the phase transition 0510152025LDL control 20.40.1 nm LDL native 20.20.4 nmLDL-DOT 21.5 0.4 nm p(r) r nm0.00.51.01.52.02.53.0 LDL native LDL control LDL-DOT (5 DOT molecules per LDL) log I(h)h nm-1No significant differences have been observed in rmax value of peak maximum for native, reconsti

22、tuted LDL as also for LDL-MOT complex with 50 molecules of drug per LDL particle. Incorporation of MOT have no significant effect on particle diameter and core lipid arrangementExperimental SAXS curves from LDL below the phase transition Real space electron-pair distance distribution functions0.00.5

23、1.01.52.02.53.0 LDL native LDL control LDL-MOT (50 MOT molecules per LDL) log I(h)h nm-1051015202519.6 nm20.2 nm20.0 nm LDL native LDL reconstituted LDL-MOT (50 MOT molecules per LDL) p(r) r nm聚合物SAXS曲線不均一體系SAXS散射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)曲線是凹面曲線，如右圖(a)在稠密體系中，考慮粒子間相互干涉對(duì)散射的影響，實(shí)驗(yàn)曲線產(chǎn)生極大部分，如右圖(b)和(c)。有長周期結(jié)構(gòu)存在的纖維，其小角散射強(qiáng)度曲線常屬于

24、此類型。等規(guī)立構(gòu)聚等規(guī)立構(gòu)聚丙烯丙烯X-射線射線圖圖聚合物SAXS曲線常見聚合物的常見聚合物的 X 射線衍射曲線射線衍射曲線聚乙烯l典型兩相結(jié)構(gòu)聚合物典型兩相結(jié)構(gòu)聚合物l晶態(tài)衍射銳峰和非晶態(tài)漫射寬峰共存晶態(tài)衍射銳峰和非晶態(tài)漫射寬峰共存l高密度聚乙烯比低密度聚乙烯的晶態(tài)銳射強(qiáng)，除高密度聚乙烯比低密度聚乙烯的晶態(tài)銳射強(qiáng)，除0.41nm0.41nm和和0.37nm0.37nm結(jié)晶衍射峰外，在較高角度還有結(jié)晶衍射峰外，在較高角度還有其他比較弱的銳衍射峰其他比較弱的銳衍射峰l非晶漫射峰最大強(qiáng)度在非晶漫射峰最大強(qiáng)度在2 2 =20=20 ，相應(yīng)，相應(yīng)d d=0.44nm=0.44nm聚甲基丙烯酸甲酯非晶態(tài)

25、聚合物非晶態(tài)聚合物兩個(gè)非晶漫射極大位置分別在兩個(gè)非晶漫射極大位置分別在2 =14 和和 2 =30 一維電子密度相關(guān)函數(shù)(SDCF)可求得過渡層厚度(dtr)，平均片層厚度(d)，長周期(L)以及比內(nèi)表面積等48Fig.1 The SAXS curves of PCL-1 isothermally crystallized at 50 Fig.2 The relationship between long distance of PCL-1 and isothermal time1 等溫時(shí)間與長周期的關(guān)系49Fig.1 Desmeared SAXS curves of PCL-1 isothe

26、rmally crystallized at TcsFig.2 The relationship between Tc and Lp of samples2 2 用用Gibbs-ThomsonGibbs-Thomson關(guān)系式外推關(guān)系式外推PCLPCL平衡熔點(diǎn)平衡熔點(diǎn)50Fig.4 The relationship between Tc and Lc of samples()()caccaw()/()/cacaccvw 通過通過wc可以求得可以求得PCL晶體的平均密度晶體的平均密度，可計(jì)算出體積結(jié)晶度（可計(jì)算出體積結(jié)晶度（vc），），cpcLL v根據(jù)根據(jù)vc和和Lp可以分別計(jì)算可以分別計(jì)算晶區(qū)

27、尺寸（晶區(qū)尺寸（Lc）與非晶區(qū)尺寸（）與非晶區(qū)尺寸（La），），我們可以根據(jù)我們可以根據(jù)PCL晶體的一維廣角衍射晶體的一維廣角衍射峰面積計(jì)算質(zhì)量結(jié)晶度（峰面積計(jì)算質(zhì)量結(jié)晶度（wc），），/() ()/cccatotalamorphoustotalwIIISSS3c=1.2000/g cm根據(jù)文獻(xiàn)得知根據(jù)文獻(xiàn)得知PCL的非晶區(qū)密度和晶區(qū)密的非晶區(qū)密度和晶區(qū)密度分別為：度分別為：-43a=0.9106+(6.013 10 )/cT g cmFig.3 WAXS curves of crystal and amorphous of PCL常見溶致液晶種類lyotropic liquid crysta

28、l respectively for lamellar(層狀), Hexagonal(六角) and Cubic (立方)phaselyotropic lamellar liquid crystal200400600800100002000400060008000Intesity (a.u.)# detector channel1/d2/d3/d4/d5/d#0q = 2/d 2 2 * * # * * cw / / * *a #0 = beam centercw = channel width (54 m) = wave-length = 1.542 Aa = sample-detector

29、 distance # # #dSketch model of lyotropic lamellar liquid crystal3:2:1:321qqqlyotropic Hexagonal liquid crystal0.00.10.20.30.40.50204060I(q)q2:3:1:321qqqlyotropic Cubic liquid crystalIm3mP-surface0.00.10.20.30.40.5020406080I(q)qPn3mD-surface0.00.10.20.30.40.5020406080I(q)qIa3dG-surface0.00.10.20.30.

30、40.5020406080I(q)q6:4:2:321qqq14:8:6:321qqq4:3:2:321qqq立方體心，空間群號(hào)229立方晶系，空間群號(hào)224立方晶系，空間群號(hào)230小角X射線散射儀 準(zhǔn)直系統(tǒng)，獲得發(fā)散度很小的平行光束，分點(diǎn)準(zhǔn)直和線準(zhǔn)直。準(zhǔn)直系統(tǒng)的狹縫越細(xì)越好，準(zhǔn)直系統(tǒng)長度越長越好，這樣可獲得發(fā)散度很小的平行光束。 試樣架 真空室 接收系統(tǒng)小角X射線散射系統(tǒng)X X 光源：（光源：（1 1）旋轉(zhuǎn)陽極靶）旋轉(zhuǎn)陽極靶 （2 2）同步輻射）同步輻射探測(cè)器：（探測(cè)器：（1 1）照相法）照相法 （2 2）計(jì)數(shù)管法）計(jì)數(shù)管法 （3 3）位敏探測(cè)器）位敏探測(cè)器 （4 4）成像板法）成像板法 S

31、AXSSAXS幾何裝置示意圖幾何裝置示意圖SAXS 準(zhǔn) 直 系 統(tǒng)針孔準(zhǔn)直系統(tǒng)四狹縫準(zhǔn)直系統(tǒng)Kratky U 準(zhǔn)直系統(tǒng)錐形準(zhǔn)直系統(tǒng)Bruker SAXS儀Rigaku SAXS儀Philips SAXS儀同步輻射SAXS儀（1）產(chǎn)生原理）產(chǎn)生原理利用電子 在作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)能輻射電磁波的原理，輻射電磁波的光子能量在2479.70.0496 keV 范圍的稱為同步輻射X射線。 同步輻射同步輻射同步輻射是由以接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中作曲線運(yùn)動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射,其本質(zhì)與日常接觸的可見光和X光一樣，都是電磁輻射。（2）同步輻射光源）同步輻射光源 20世紀(jì)世紀(jì)60年代末出現(xiàn)。是速度接近光速的

32、帶年代末出現(xiàn)。是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿切線方向發(fā)出電磁輻電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿切線方向發(fā)出電磁輻射射同步光（同步輻射）。同步光（同步輻射）。 電子同步加速器電子同步加速器 （1947美國通用電器）。美國通用電器）。 同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的，后來成為一種從紅外到硬物而加以研究的，后來成為一種從紅外到硬X-射射線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源。線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源。 （3）同步輻射光的特點(diǎn)）同步輻射光的特點(diǎn)（1）波段寬：具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào)；（2）高亮度；（3）高準(zhǔn)直度；（4）高偏振性；（5）高純凈

33、性；（6）窄脈沖；（7）精確度高；（8）高穩(wěn)定性；（9）高通量；（10）微束徑；（11）準(zhǔn)相干等獨(dú)特的性能。 （4）同步輻射裝置）同步輻射裝置世界上有近世界上有近40臺(tái)同步輻射光源正在運(yùn)行，還有幾十臺(tái)在設(shè)計(jì)建造中。臺(tái)同步輻射光源正在運(yùn)行，還有幾十臺(tái)在設(shè)計(jì)建造中。同步輻射光源自同步輻射光源自1947年代誕生以來，已有近年代誕生以來，已有近60年的歷史，隨著應(yīng)用研究工年的歷史，隨著應(yīng)用研究工作不斷深入，應(yīng)用范圍不斷拓展，對(duì)同步輻射光源的要求也不斷提高，并作不斷深入，應(yīng)用范圍不斷拓展，對(duì)同步輻射光源的要求也不斷提高，并經(jīng)歷了三代的快速歷史發(fā)展階段。第一代同步輻射光源是寄生于高能經(jīng)歷了三代的快速歷史發(fā)

34、展階段。第一代同步輻射光源是寄生于高能物理物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)專用的高能對(duì)撞機(jī)的兼用機(jī)，如專用的高能對(duì)撞機(jī)的兼用機(jī)，如北京光源北京光源（BSR）就是寄生于北京正）就是寄生于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）的典型第一代同步輻射光源；第二代同步輻射光）的典型第一代同步輻射光源；第二代同步輻射光源是基于同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的專用機(jī)，如源是基于同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的專用機(jī)，如合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（HLS）；第三代同步輻射光源是基于性能更高的同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的）；第三代同步輻射光源是基于性能更高的同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的專用機(jī)，如專用機(jī)，如上海光源上海光源(SSRF)。世界上已建成

35、的第一代同步輻射光源有。世界上已建成的第一代同步輻射光源有17臺(tái)，臺(tái)，第二代有第二代有23臺(tái)，第三代有臺(tái)，第三代有13臺(tái)（包括中國臺(tái)灣及韓國的各臺(tái)（包括中國臺(tái)灣及韓國的各1臺(tái)），正在建臺(tái)），正在建造和設(shè)計(jì)的第三代同步輻射光源有造和設(shè)計(jì)的第三代同步輻射光源有12臺(tái)。臺(tái)。第一代、第二代、第三代同步輻射光源之間的最主要的區(qū)別，是在于第一代、第二代、第三代同步輻射光源之間的最主要的區(qū)別，是在于作為發(fā)光光源的作為發(fā)光光源的電子束斑尺寸或電子發(fā)射度的迥異電子束斑尺寸或電子發(fā)射度的迥異。例如第二代的。例如第二代的合合肥肥同步輻射光源，其電子束發(fā)射度約同步輻射光源，其電子束發(fā)射度約150納米弧度，而第三代的上

36、海光納米弧度，而第三代的上海光源，其電子束發(fā)射度約源，其電子束發(fā)射度約4納米弧度，二者相差近納米弧度，二者相差近40倍，結(jié)果得到的光亮倍，結(jié)果得到的光亮度差度差1600倍，近三個(gè)量級(jí)！另一顯著差別是可使用的插入件的數(shù)量懸倍，近三個(gè)量級(jí)！另一顯著差別是可使用的插入件的數(shù)量懸殊，第二代光源僅能安裝幾個(gè)插入件，而第三代光源可有十幾個(gè)到幾殊，第二代光源僅能安裝幾個(gè)插入件，而第三代光源可有十幾個(gè)到幾十個(gè)插入件。由于插入件產(chǎn)生的光較之彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的光具有更高的十個(gè)插入件。由于插入件產(chǎn)生的光較之彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的光具有更高的亮度和更好的性能，可見插入件數(shù)量的多寡可直觀地表征光源的性能亮度和更好的性能，可見插入件

37、數(shù)量的多寡可直觀地表征光源的性能的優(yōu)劣。的優(yōu)劣。SSRF電子束能量為電子束能量為3.5GeV,居世界第四（僅次于居世界第四（僅次于日本日本SPring-8(8GeV)、美美國國APS(7GeV)、歐洲歐洲ESRF(6GeV)），性能超過同能區(qū)現(xiàn)有的第三代同步），性能超過同能區(qū)現(xiàn)有的第三代同步輻射光源，是世界上正在建造或設(shè)計(jì)中的性能最好的中能光源之一；輻射光源，是世界上正在建造或設(shè)計(jì)中的性能最好的中能光源之一；BSRF4w1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(gè)實(shí)驗(yàn)站個(gè)實(shí)驗(yàn)站北京同步輻射裝置北京同步輻射裝置（5）同步輻射的特殊應(yīng)用）同步輻射的特殊應(yīng)用-利用高的空間分辨率：1、同步輻射X-衍射技術(shù)在三維結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的應(yīng)用2、細(xì)胞膜通道的研究3、光合作用機(jī)制的研究4、能量轉(zhuǎn)換的研究5、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究6、基因轉(zhuǎn)錄的研究7、病毒生物大分子結(jié)構(gòu)的研究HMBG小角X射線散射系統(tǒng)簡(jiǎn)介HMBGSAX 小角X射線散射系統(tǒng) ，Philips公司。SAXS系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直系統(tǒng)、試樣