同步輻射科學(xué)基礎(chǔ)

前言

同步輻射（synchrotron radiation）是電子以接近光速的速度作圓周運(yùn)動(dòng)或蛇行運(yùn)動(dòng)，在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，沿著運(yùn)動(dòng)軌道的切線方向發(fā)出的電磁輻射，或稱作光。這種輻射覆蓋從紅外線、紫外線、軟X射線到硬x射線的寬廣的波段，即它是可在寬廣的能量區(qū)域中利用的高亮度的性能優(yōu)越的光。特別在軟X射線和硬x射線波段，除了同步輻射，尚無強(qiáng)度足夠并且可以自由選擇波長的光。另外，在合成或提煉新物質(zhì)的過程中，研究物質(zhì)的微細(xì)構(gòu)造非常重要。利用同步輻射得到的物質(zhì)的吸收譜學(xué)、光電子譜學(xué)、發(fā)光譜學(xué)和X射線結(jié)構(gòu)解析、擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）、X射線熒光分析、圖像攝影等測量手段，目前在物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)的評價(jià)和分析中不可或缺。全世界正在運(yùn)行的同步輻射設(shè)施多達(dá)50臺(tái)以上，從中也可看出同步輻射的重要性。在中國大陸，從20世紀(jì)80年代末開始，有兩臺(tái)同步輻射光源供用戶使用。2009年，上海光源的建成并投入運(yùn)行，更是標(biāo)志著中國的同步輻射應(yīng)用研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。本書的原著是日本東北大學(xué)在倡議同步輻射設(shè)施計(jì)劃的建議時(shí)，為了促進(jìn)有關(guān)人員對于同步輻射的了解，由東北大學(xué)研究人員執(zhí)筆的關(guān)于同步輻射科學(xué)的一本入門書。本書可以作為有志于利用同步輻射開展研究或?qū)ν捷椛涔庠从秒娮蛹铀倨鞲信d趣的學(xué)者的教科書。主編者重點(diǎn)闡述有關(guān)同步輻射的基礎(chǔ)知識(shí)，各領(lǐng)域的專家主要根據(jù)他們的研究成果解說各自的同步輻射應(yīng)用研究。本書的讀者須具備電磁學(xué)、量子力學(xué)和固體物理學(xué)等基礎(chǔ)。第1章是序論，主要闡述同步輻射科學(xué)總體概要，并側(cè)重對同步輻射的特征加以說明。第2章從公式的導(dǎo)出詳細(xì)說明同步輻射產(chǎn)生的原理。第3章闡述光源加速器的原理和基礎(chǔ)知識(shí)。第4章闡述光和物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)，這是學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)的必要基礎(chǔ)性理論，但并未詳細(xì)闡述有關(guān)固體物理等理論。第5章簡單介紹基于同步輻射的新的分光與光譜技術(shù)。第6章起是關(guān)于應(yīng)用研究的解說。根據(jù)真空紫外、軟X射線波段的光譜學(xué)，第6章和第7章分別介紹氣體（原子、分子）和固體（晶體及晶體表面）的電子構(gòu)造是如何利用同步輻射理論來闡明的。第8章的主題是同步輻射的一個(gè)很大的應(yīng)用研究領(lǐng)域，即利用同步輻射的工藝研究，跨越軟X射線與硬X射線的應(yīng)用。第9、10、11和12章是關(guān)于硬X射線的應(yīng)用研究，分別闡述關(guān)于X射線衍射的結(jié)構(gòu)解析、EXAFS的局域結(jié)構(gòu)分析、利用X射線熒光的分析和結(jié)構(gòu)解析，以及關(guān)于非彈性散射的電子結(jié)構(gòu)研究等，研究對象涉及無機(jī)材料和有機(jī)材料的晶體、非晶體、液體、表面和界面以及蛋白質(zhì)等多方面。第13章是在長波長波段的研究，即紅外光譜學(xué)的介紹。第14章闡述從紅外線到軟X射線和硬X射線波段的成像研究。相信通過對第6章及之后各章的學(xué)習(xí)，可望全面了解同步輻射在物質(zhì)科學(xué)及生命科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性。另外，附錄中闡述了若干基本且重要的公式及其導(dǎo)出過程。本書除個(gè)別有特殊說明之處外，統(tǒng)一使用SI單位。

內(nèi)容概要

　　同步輻射是被加速到接近光速的電子，在磁場中困向心加速度而改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)產(chǎn)生的亮度極高、性能極佳的輻射?；谕捷椛涞母鞣N現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)、化學(xué)與聚合物科學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)、分子環(huán)境科學(xué)、農(nóng)學(xué)和林學(xué)等眾多領(lǐng)域以及廣泛的工業(yè)應(yīng)用中，已是不可或缺的手段。該書從同步輻射的特性及其產(chǎn)生原理說起，闡述了同步輻射光源和光束線技術(shù)；解說了原子、分子，晶體及晶體表面的關(guān)于真空紫外、軟x射線譜學(xué)和光電子能譜的電子結(jié)構(gòu)研究；解說了利用硬X射線的X射線衍射的晶體結(jié)構(gòu)解析，利用擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)技術(shù)的物質(zhì)局域結(jié)構(gòu)分析，以及X射線熒光分析和關(guān)于非彈性散射的電子結(jié)構(gòu)研究，等等。研究對象涉及無機(jī)材料和有機(jī)材料的晶體、非晶體、液體，表面與界面以及蛋白質(zhì)等諸多療面。此外，還介紹了利用同步輻射的工藝應(yīng)用研究、紅外線譜學(xué)、從紅外線到軟X射線、硬X射線的成像研究等。《同步輻射科學(xué)基礎(chǔ)》可以作為同步輻射科學(xué)研究人員的教材和參考工具。

作者簡介

譯者：（日本）渡辺誠 丁劍 喬山 等 編者：（日本）佐藤繁渡辺誠（WATANABE，Makoto）1941年生于日本京都，1963年畢業(yè)于京都大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)科。1967年起，擔(dān)任京都大學(xué)理學(xué)部助教，參與利用日本東京大學(xué)原子核研究所電子同步加速器產(chǎn)生同步輻射fINS.SOR）的研究。1973年擔(dān)任東京大學(xué)物性研究所助教，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存環(huán)SOR-RING電子注入系統(tǒng)，該儲(chǔ)存環(huán)完成后，研究堿鹵化物真空紫外吸收譜。1979年擔(dān)任日本分子科學(xué)研究所副教授，負(fù)責(zé)UvSOR整體設(shè)計(jì)，之后擔(dān)任同步輻射光束線負(fù)責(zé)人，研究鎘鹵化物等離子晶體真空紫外激發(fā)吸收和發(fā)光。1993年起，擔(dān)任日本東北大學(xué)科學(xué)計(jì)測研究所、多元物質(zhì)科學(xué)研究所教授，研究軟x射線多層膜和利用它的顯微鏡及鐵磁多層膜磁旋光譜。2004年起，擔(dān)任日本東北大學(xué)名譽(yù)教授，作為上海市外國專家受聘為上海電機(jī)學(xué)院客座教授以及上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任教授，日本佐賀大學(xué)同步輻射應(yīng)用研究中心特任教授以及同大學(xué)Venture Business Laboratory特任教授。日本物理學(xué)會(huì)會(huì)員，日本放射光學(xué)會(huì)會(huì)員，1991年Synchrotron Radiation Instrunaen tation.國際會(huì)議咨詢委員。研究領(lǐng)域：加速器物理、真空紫外光學(xué)技術(shù)、固體分光。理學(xué)博士。佐藤繁（SATO，shigeru）1940年生于日本巖手，1964.年畢業(yè)于日本東北大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)科。1966年擔(dān)任東北大學(xué)教養(yǎng)部助教，1967年參與利用日本東京大學(xué)原子核研究所電子同步加速器產(chǎn)生同步輻射（INSSOR）的研究，1968年擔(dān)任東北大學(xué)理學(xué)部助教。1973年擔(dān)任東京大學(xué)物性研究所助教，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存環(huán)SOR-RING磁鐵，該儲(chǔ)存環(huán)完成后，研究堿金屬真空紫外吸收譜。1979年起，歷任日本高能物理研究所光子工廠PhotonFactory）副教授、教授，負(fù)責(zé)同步輻射光束線前端區(qū)，研發(fā)高速閥門、Sic前置鏡等。1989年起，擔(dān)任東北大學(xué)理學(xué)部教授，1995年擔(dān)任東北大學(xué)大學(xué)院理學(xué)研究科教授，1999年～2001年擔(dān)任理學(xué)研究科科長，開展稀土金屬、金屬介觀體系、納米電子材料的同步輻射光電子譜研究。2004.年起，擔(dān)任日本東北大學(xué)名譽(yù)教授、日本東北工業(yè)大學(xué)教授、日本廣島大學(xué)同步輻射研究中心顧問。日本物理學(xué)會(huì)會(huì)員，日本放射光學(xué)會(huì)會(huì)員，1999～2000年日本放射光學(xué)會(huì)會(huì)長，1992～1998年Vactlum Ultra Violet Radiation Physics國際會(huì)議咨詢委員。研究領(lǐng)域：加速器物理、同步輻射光束線工程、固體光電子分光。理學(xué)博士。張新夷，復(fù)旦大學(xué)教授，物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心主任.1 964年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系。1981年獲法國國家博士學(xué)位。曾任中科院長春物理所副所長，中國科技大學(xué)副校長，國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室副主任、主任，兼任中國物理學(xué)會(huì)同步輻射專業(yè)委員會(huì)主任和發(fā)光分科學(xué)會(huì)副理事長等職，主要研究領(lǐng)域?yàn)樵ぐl(fā)態(tài)光譜、發(fā)光動(dòng)力學(xué)，稀磁半導(dǎo)體和鐵電體等功能材料的結(jié)構(gòu)與性能，以及人體穴位的物質(zhì)基礎(chǔ)等同步輻射應(yīng)用研究..曾主持國家自然科學(xué)基金和國家“九五”大科學(xué)工程等多項(xiàng)課題?，F(xiàn)為“國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位”和“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)國家級精品課程”負(fù)責(zé)人，獲中國科學(xué)院自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，中科院優(yōu)秀研究生導(dǎo)師和寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。馬禮敦，復(fù)旦大學(xué)教授。1956年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系.留校任教，工作至2007年。主要從事結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)與科研。開出過六門本科或研究生課程。負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金和上海市科研項(xiàng)目七個(gè)。主要研究絡(luò)合物、催化劑、非晶態(tài)和納米材料的合成、結(jié)構(gòu)及和性能的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行x射線粉末衍射和x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜的方法學(xué)研究、發(fā)表論文130余篇，四項(xiàng)研究曾獲國家或省部級獎(jiǎng)勵(lì)六次。撰寫、參與編撰或翻譯的著作有八本，其中二本已出第二版，曾三次獲省部級獎(jiǎng)勵(lì)參加中國物理學(xué)會(huì)、中國化學(xué)會(huì)、中國晶體學(xué)會(huì)、中國分析測試協(xié)會(huì)、國際x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)等多個(gè)國內(nèi)和國際學(xué)會(huì)。周映雪，復(fù)旦大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師。1966年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系。，在中科院長春物理所從事光電材料的研制和材料物理研究；1981～1982年在法國巴黎第六大學(xué)固體物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高壓物理研究；1993年調(diào)入中國科技大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，從事同步輻射在材料科學(xué)中的應(yīng)用和光學(xué)工程研究；2001年調(diào)入復(fù)旦大學(xué)物理系，從事II-vI族寬禁帶材料、ZnO稀磁半導(dǎo)體的研制及同步輻射應(yīng)用研究。曾到美國Brookhavcn國家同步輻射光源（NSLS）、日本光子工廠、SPring-8，臺(tái)灣新竹同步輻射實(shí)驗(yàn)室和德國吉森大學(xué)第一物理研究所等訪問及開展實(shí)驗(yàn)研究。獲中國科學(xué)院科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國科學(xué)院長春分院科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

書籍目錄

1.緒言——同步輻射的特征及用途1.1 發(fā)展歷史1.2 同步輻射的特性1.2.1 電子束的形狀及同步輻射強(qiáng)度的單位1.2.2 來自彎轉(zhuǎn)磁鐵(圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生)的輻射1.2.3 波蕩器產(chǎn)生的輻射1.2.4 相干性1.2.5 光束線站處的同步輻射1.3 應(yīng)用研究1.3.1 真空紫外、軟X射線的應(yīng)用研究1.3.2 硬X射線的應(yīng)用研究1.3.3 紅外線的應(yīng)用研究1.4 同步輻射光源與其他光源的比較參考文獻(xiàn)2.同步輻射產(chǎn)生的機(jī)理2.1 電子運(yùn)動(dòng)的相對論描述2.1.1 狹義相對論概要2.1.2 電磁場中電子的運(yùn)動(dòng)方程2.2 運(yùn)動(dòng)電子發(fā)出的電磁波2.2.1 李納一維謝爾(Riennard-weichert)勢2.2.2 運(yùn)動(dòng)電子產(chǎn)生的電磁波2.3 圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射2.3.1 輻射的方向性2.3.2 輻射功率2.3.3 輻射強(qiáng)度的能量分布2.3.4 角度分布2.4 波蕩器產(chǎn)生的輻射2.4.1 平面波蕩器產(chǎn)生的輻射2.4.2 螺旋波蕩器產(chǎn)生的輻射3.同步輻射光源3.1 整體結(jié)構(gòu)3.2 電子束的軌道3.2.1 磁鐵對電子束的作用3.2.2 磁場3.2.3 運(yùn)動(dòng)方程3.2.4 運(yùn)動(dòng)方程的解3.2.5 軌道的各種參數(shù)3.2.6 磁鐵3.3 高頻加速3.3.1 同步加速器振蕩3.3.2 運(yùn)動(dòng)方程3.3.3 輻射衰減3.3.4 高頻腔3.4 電子束的壽命及不穩(wěn)定性3.4.1 真空3.4.2 圖謝克(Touschek)效應(yīng)3.4.3 不穩(wěn)定性3.5 相干光的發(fā)生3.5.1 紅外線相干輻射3.5.2 自由電子激光參考文獻(xiàn)4.物質(zhì)對光的響應(yīng)4.1 物質(zhì)與光的電磁學(xué)4.1.1 介電常數(shù)和光學(xué)常數(shù)4.1.2 菲涅爾(Fresmel)公式4.1.3 克拉默斯一克勒尼希(Kramers-Kr6nig)分析4.2 物質(zhì)和光響應(yīng)的微觀經(jīng)典論4.2.1 洛倫茲(Lorentz)模型4.2.2 德魯?shù)?Drude)模型4.2.3 原子散射因子、偏振因子4.3 光躍遷的量子論4.3.1 光躍遷的一般理論4.3.2 一階過程4.3.3 二階過程4.3.4 俄歇(Auger)過程和輻射過程參考文獻(xiàn)5.分光與光譜技術(shù)5.1 物質(zhì)對光的吸收5.2 聚焦鏡5.2.1 單一物質(zhì)的反射率5.2.2 多層膜5.2.3 成像的條件5.2.4 鏡子材料、冷卻和污染等問題5.3 單色器5.3.1 衍射光柵單色器5.3.2 晶體單色器5.4 濾波器5.5 起偏器5.6 探測器5.6.1 零維探測器5.6.2 一維探測器5.6.3 二維探測器5.7 時(shí)間分辨測定5.8 光束線參考文獻(xiàn)6.氣體的真空紫外、軟x射線光譜6.1 原子光譜6.1.1 單電子躍遷譜6.1.2 雙電子激發(fā)——自電離6.1.3 巨大共振6.2 分子光譜6.2.1 玻恩一奧本海默(BormOppenheimer)近似和內(nèi)殼層光電子譜6.2.2 形狀共振效應(yīng)6.2.3 簡并內(nèi)殼層激發(fā)態(tài)的分裂和動(dòng)量畫像測量參考文獻(xiàn)7.固體的真空紫外、軟X射線光譜7.1 晶體的電子構(gòu)造7.2 在晶體中的光躍遷過程7.3 光譜測量7.3.1 吸收、發(fā)光譜測量7.3.2 光電子能譜測量7.4 半導(dǎo)體、離子晶體7.5 金屬7.5.1 貴金屬及堿金屬7.5.2 過渡金屬7.5.3 稀土金屬7.6 高溫超導(dǎo)體7.7 有機(jī)材料7.7.1 有機(jī)材料的軟X射線吸收譜7.7.2 有機(jī)材料的光電子譜7.8 金屬介觀體系的光電子譜7.9 固體表面7.9.1 固體表面的光電子譜7.9.2 固體表面的光電子衍射參考文獻(xiàn)8.利用同步輻射的工藝研究8.1 表面光反應(yīng)8.1.1 固體表面的光激發(fā)反應(yīng)的基本過程8.1.2 用光激發(fā)清潔半導(dǎo)體表面8.1.3 利用光激勵(lì)表面反應(yīng)生長新材料和產(chǎn)生刻蝕8.2 微細(xì)加工參考文獻(xiàn)9.X射線的結(jié)構(gòu)解析9.1 晶體的彈性散射9.1.1 衍射強(qiáng)度9.1.2 德拜一沃勒(Debye-Waller)因子9.1.3 電子密度分布9.2 衍射實(shí)驗(yàn)法9.2.1 粉末晶體結(jié)構(gòu)解析9.2.2 單晶結(jié)構(gòu)解析9.2.3 同步輻射X射線衍射的優(yōu)點(diǎn)9.3 高溫超導(dǎo)體、有機(jī)導(dǎo)體及鐵電體的結(jié)構(gòu)解析9.3.1 高溫超導(dǎo)體9.3.2 有機(jī)導(dǎo)體9.3.3 鐵電體9.4 電荷、軌道有序體系——鈣鈦礦型Mn氧化物9.4.1 電荷分布規(guī)律的觀測9.4.2 軌道分布規(guī)律的觀測9.5 高壓下的結(jié)構(gòu)解析……10.擴(kuò)散X射線吸收精細(xì)胞（EXAFS)局域結(jié)構(gòu)解析11.利用熒光X射線的元素分析和結(jié)構(gòu)分析12.X射線非彈性散射13.紅外光譜14.成像附錄索引

章節(jié)摘錄

插圖：在波長短于人們熟知的可見光（波長：750~400nm，能量：23eV）和紫外光（波長：400～200nm，能量：3～6eV）的寬廣的波段范圍里，存在著人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦杏玫降暮芏喾N光，在不同波段它們分別被稱為真空紫外、軟X射線（200～0.4nm，6eV～3keV）和硬X射線（0.4～0.0lnm，3100keV）。同步輻射（S）rnchmtronradiation，SR）是一種能提供上述寬廣范圍中各種光的性能優(yōu)越的光源。這種輻射是當(dāng)電子以接近于光速的高速作圓周運(yùn)動(dòng)或者蛇行運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電子運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向得到的。目前，它已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)及生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域中的強(qiáng)有力的研究手段。此外，同步輻射在紅外線波段也得到了應(yīng)用[1-6]。1.1發(fā)展歷史同步輻射是1947年在美國通用電氣公司的同步加速器中首次被觀測到的m。盡管產(chǎn)生輻射的原理與天線中的電流振蕩（電荷的交變流運(yùn)動(dòng)）所釋放的電磁波相似，但有所不同，其不同點(diǎn)是發(fā)射同步輻射的電子運(yùn)動(dòng)是相對論性質(zhì)的。這種來自電子圓周運(yùn)動(dòng)的輻射曾經(jīng)被認(rèn)為是同步加速器加速電子時(shí)的不利副產(chǎn)物。之所以這樣說，是因?yàn)橥捷椛涞尼尫疟仨毥o電子額外補(bǔ)充能量。不過，這種輻射的波長（能量）范圍廣、波長連續(xù)、強(qiáng)度高，而且具有優(yōu)良的偏振特性。這些性質(zhì)是在20世紀(jì)60年代前半期，在真空紫外、軟X射線波段尚不具備良好的實(shí)驗(yàn)室連續(xù)光源時(shí)，由研究原子、分子及固體光譜學(xué)的科學(xué)家們首次認(rèn)識(shí)到的。最初的實(shí)驗(yàn)是美國（國家標(biāo)準(zhǔn)局，NIST）利用加速能量為180MeV的電子同步加速器（SURFI）進(jìn)行的雙電子激發(fā)吸收譜實(shí)驗(yàn)。隨后，意大利（Frascati國家試驗(yàn)室，LNF）、日本（東京大學(xué)原子核研究所，INS-SOR）、德國（電子同步加速器研究所，DESY）、英國（Daresbury研究所，NINA）等分別發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，物質(zhì)對于真空紫外、軟X射線的響應(yīng)（吸收等）非常之大，這使這種輻射成為研究物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)不可缺少的工具。而隨著這種輻射變?yōu)橛瞂射線，它對物體的透射率逐漸增大，用它可以拍攝到倫琴（R6ntgen）照片。由于其波長接近于原子間距離，從而被利用來研究晶體中的原子配置成為可能。真空紫外、軟X射線及硬X射線能夠激發(fā)具有元素固有束縛能的內(nèi)殼層電子。此外，由于它們的波長短于可見光，衍射造成的圖像的模糊（衍射模糊）程度理所當(dāng)然地比較小。20世紀(jì)60年代后半期開始，研究人員逐漸認(rèn)識(shí)到同步輻射X射線的用途，有關(guān)它的利用研究也得到了全力開展。同步加速器是將電子加速到高能后沖擊到靶上，用于進(jìn)行高能物理學(xué)（基本粒子或原子核物理學(xué)）實(shí)驗(yàn)的裝置，它的加速頻率約為每秒數(shù)十次。這種情況下，每一次加速后的電子束強(qiáng)度非常離散，造成同步輻射的強(qiáng)度也相應(yīng)離散，并不適合進(jìn)行精密實(shí)驗(yàn)。在這種背景下，從20世紀(jì)70年代開始，利用同步輻射的研究人員開始利用電子儲(chǔ)存環(huán)。

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《同步輻射科學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)及工程學(xué)科教材系列之一。

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