同步輻射(Synchrotron Radiation)是速度接近光速（v≈c）的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運動時放出的電磁輻射，由於它最初是在同步加速器上觀察到的，便又被稱為“同步輻射”或“同步加速器輻射”

。同步輻射是具有從寬範圍、高強度、高準直、

高純淨

、特性可精確控制

等優異效能的脈衝光源，可以用以開展其它光源無法實現的許多前沿科學技術研究。

同步輻射的特點

1、

高亮度

：

第三代同步輻射光源的

X

射線亮度

是X光機的上億倍。

2、

寬波段

：覆蓋了

遠

紅外、可見光、紫外和X光波段，是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜範圍又能得到高亮度的光源。

3、

高準直

：同步輻射的發射度極小，

集中在以電子運動方向為中心的一個很窄的圓錐內，

準直性可以與鐳射相媲美。

4、

窄脈衝

：同步輻射是脈衝光源，

寬度在10

-11

~10

-8

秒之間可調，脈

衝之間的間隔為幾十納秒至微秒量級。

5、

高強度

：在真空紫外和X射線波段，能提供比常規 X射線管強度高10

3

～10

6

倍的光源，相當於幾平方毫米麵積上有100千瓦的能流。

6、

高偏振

：同步輻射在電子軌道平面內是完全偏振的光，偏振度達100%；在軌道平面上下是橢圓偏振；在全部輻射中，水平偏振佔75%。

7、

高純淨

：由於同步輻射是在超高真空（10

-7

～10

-9

帕）或高真空（10

-4

～10

-6

帕）的條件下產生的，不存在普通光源中的電極濺射等干擾，是非常潔淨的光源。

8、其他：高度穩定性、高通量、微束徑、準相干等。

同步輻射的應用領域

1、

近代生物學

。例如測定蛋白質的結構和蛋白質的分子結構，透過X射線小角散射可研究蛋白質生理活動過程和神經作用過程等的動態變化，透過

X射線熒光分析

可測定生物樣品中原子的種類和含量，靈敏度可達10

-9

克/克。

2、

醫學

。可用於腫瘤的診斷和治療，如測定血液內一些元素的含量、血管造影、診斷人體內各種腫瘤和進行微型手術以除去人體特殊部位的一些異常分子等。

3、

結構化學

。可用於測定原子的配位結構、大分子之間的化學鍵引數等，如對催化劑、金屬酶的結構測定。

4、

固體物理學

。可用於研究固體的電子狀態、固體的結構、激發態壽命及晶體的生長和固體的損壞等動態過程。

5、

表面物理學和表面化學

。可用於研究固體的表面性質，如半導體和金屬表面的光特性；物質的氧化、催化、腐蝕等過程的

表面電子結構

和變化。

6、

材料科學

。利用同步輻射光，可以清楚地揭示出材料中原子的精確構造和有價值的電磁結構引數等資訊，它們既是理解材料效能的“鑰匙”，也是設計新穎材料的原理和來源。

7、

光刻技術

。由於衍射效應，普遍採用的紫外線光刻的最小線寬約2微米，而同步輻射光近似平行光束，用於光刻時其線寬可降至20埃，使解析度提高几個數量級；這對計算機、自動控制和光通訊技術等意義重大。

同步輻射吸收譜XAFS

X射線吸收精細結構（X-ray Absorption Fine Structure，簡稱XAFS），也叫X射線吸收譜（X-ray Absorption Spectroscopy，簡稱XAS），是一種基於同步輻射光源、研究材料局域原子或電子結構的一種有力工具，廣泛應用於催化、能源、奈米等熱門領域。

XAFS的優勢

1、不依賴於長程有序結構，可用於非晶態材料的研究；

2、不受其它元素干擾，可對同一材料中不同元素分別研究；

3、不受樣品狀態影響，可測量固體（晶體、粉末），液體（溶液、熔融態）和氣體等；

4、對樣品無破壞，可進行原位測試；

5、能獲得高精度的配位原子種類、配位數及原子間距等結構引數，一般認為原子間距精確度可達0。01Å。

XAFS的原理

當X射線穿過材料時會因為吸收而發生強度衰減，根據比爾定律，這種衰減可以透過吸收係數來表示：

式中：I0和It分別為入射X射線和透射X射線的強度；x（mm）為樣品厚度；μ（E）是依賴於光子能量的吸收係數。XAFS就是基於X射線吸收係數的能量依賴性精細結構。吸收係數與入射X射線能量之間的關係受基本化學狀態和區域性環境的影響，可分為邊前、邊後和擴充套件邊區域。當入射X射線能量低於電子結合能時，電子不會被激發到高能非佔據軌道或真空；此時X射線與電子的弱相互作

用導致 μ（E）-E譜中出現平坦區域；一些符合躍遷定則的較低能躍遷也可在此區域表現為邊前峰。當X射線能量足夠高時，芯電子被激發至高能非佔據軌道，μ（E）顯著增大，邊前區和近邊區對被檢測元素的氧化態和電子水平敏感，因此一起稱為XANES。XANES包含豐富的結構資訊，可以從配位化學、分子軌道、能帶結構和多重散射等方面進行定性描述。進一步增加X射線能量，被激發到連續態的出射和被散射電子的波函式與吸收原子的波函式相互作用，出現EXAFS；對EXAFS進行最小二乘擬合，可以得到吸收原子的鍵長和配位數等局域配位資訊。

文獻：

［1］任詩傑，譙思聰，劉崇靜，張文華，宋禮。鉑單原子催化劑同步輻射X射線吸收譜的研究進展［J］。高等學校化學學報，2022，43（09）：107-120。