同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運動時(受到徑向的加速度，v⊥a)，沿著偏轉軌道切線方向發射連續譜的電磁波。由于是1947年在美國通用電氣公司的一個電子同步加速器中意外發現的，因此命名為同步輻射。
1895年11月8日，德國科學家倫琴發現X射線，從此科學領域多了一種行之有效的研究手段，對20世紀以來的整個科學技術的發展產生了巨大而深遠的影響。
目前的X射線吸收譜學應用在許多方面，比如結構表征及性能研究。最常用的X射線譜來源于X射線管，即高能電子束轟擊靶材產生X射線。而同步輻射X高能射線的表征具有更精確、更微觀、更高效的特點，可以實現在關鍵部位下的無損應力測量和原位表征，從而在生命科學、材料科學、物理、化學、醫學等領域應用廣泛。
02 為什么要用同步輻射?
同步輻射具有以下特點：
(1) 高準直、方向性強
同步輻射光的發散集中在一電子運動方向為中心的一個很窄的圓錐內，張角非常小，幾乎是平行的。
(2) 寬波段、連續可調
同步輻射是一個聯系可調的波譜，從紅外到幾千KeV能量的硬X射線均有分布。可根據需要，利用單色器選取不同波長的單色光。
(3) 高亮度、通量大
同步輻射光源與旋轉陽極X射線管相比，亮度高了5-10個數量級。除了具有波長連續可調的優勢，還可以用更少的樣品在更短的時間內獲得更好的信號，另外具有更高的能量分辨率和空間分辨率。第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機的上千億倍。
(4) 有時間結構、脈沖性
電子在環形軌道中的分布不是連續的。是一團一團的電子束做回旋運動。因此，同步光為脈沖光，具有時間結構。
(5) 潔凈光源、無污染
03 同步輻射裝置的組成
(1)電子槍：發射電子。
(2)直線加速器：初步加速，加速到幾十至幾百MeV，形成電子團。
(3)增強器：加速電子至最高的能量，可達GeV。
(4)輸送線
(5)儲存環
(6)光束線
(7)實驗站
04 同步輻射的發展歷史
1947年，美國通用電氣公司在同步加速器上做實驗時，首次在環形加速器的管壁上觀察到同步輻射現象。截至目前，同步輻射已經經過了四代的發展。
1970s末，第一代同步輻射與高能物理研究兼用，屬于寄生方式。即主要依托在高能物理研究所建造的單子加速器和儲存環上運行。例如北京同步輻射裝置BSRF。
1980s，第二代同步輻射裝置是準用于同步輻射研究的。美國的Brookhaven國家實驗室(BNL)兩位加速器物理專家Chasman和Green把加速器上使電子彎轉、散熱等作用的磁鐵按特殊的序列組裝成Chasman-Green陳列(Lattice)，這種陳列在電子儲存環中采用標志著第二代同步輻射的建造成功。例如合肥國家同步輻射國家實驗室NSRL光源。
1990s，第三代同步輻射裝置大量使用插入器件的高亮度和低發射度光源，即扭擺磁體和波蕩磁體而設計的低發散度的電子儲能環。第三代同步輻射是世界目前的主流光源。例如上海同步輻射裝置SSRF。
第四代同步輻射是自由電子激光器。其主要特征是高度想干的輻射，具體參數如光源亮度、相干性將比三代光源提高若干個數量級，脈沖間隔也將縮短幾個數量級。
05 同步輻射的實驗方法
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X射線光刻 |
高空間分辨X射線成像 |
X射線衍射及散射 |
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擴展X光吸收精細結構 |
X射線顯微術 |
XFEL結構解析方法 |
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真空紫外分析 |
軟X射線磁性圓二色 |
小角X射線散射 |
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光電子能譜 |
真空紫外光譜 |
雙色減值造影術 |
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光譜輻射標準與計量 |
光聲與真空紫外圓二色光譜 |
燃燒 |
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X射線熒光分析 |
微電子技術 |
同步輻射光電發射技術 |
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光子非彈性散射 |
X射線多波長反常衍射 |
全息成像 |
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同步輻射探測器 |
XAFES，XANES |
角分光電子能譜 |
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圓二色光譜 |
VUV單光子電離技術 |
光激勵分解 |
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X射線駐波術 |
超快時間分辨 |
(1)同步輻射X射線吸收譜(EXAFS和XANES)
X射線照射到物質后，會被物質吸收，但是吸收系數在整個波段不是單調改變的，在某些位置會出現吸收突躍，成為吸收邊(absorption edge)。
在吸收邊附近及其高能擴展段存在著一些分立的峰或波動起伏，稱為X射線吸收譜(XAS)。其分布從吸收邊前至吸收邊后高能一側約1000eV。根據形成機制及處理方法的不同，通常將其分為兩個明顯不同的部分：EXAFS和XANES。
EXAFS(extended X-ray absorption fine structure)：吸收邊后50eV-1000eV，形態上是連續緩慢的弱振蕩。可以表示小范圍內原子簇結構的信息，包括近鄰原子的配位數、原子間距、配位數，種類，熱擾動等吸收原子周圍的近鄰幾何結構。
XANES(X-ray absorption near edge structure)：吸收邊前-吸收邊后50eV，特點是連續的強振蕩。可以表示更豐富的近鄰結構信息，例如近鄰原子的鍵角，探測元素原子的電子態，價態等信息。
(2)同步輻射X射線小角散射(SAXS)
試樣內存在納米尺寸(1-100nm)的不均勻區，在入射X射線周圍小角范圍內(<5°)給出散射信號，稱為小角散射。同步輻射小角散射的分辨率可達到9-11Å。
(3)同步輻射X射線光電子能譜(PES)
同步輻射X射線光電子能譜的波長連續可調，可以開展常規光源無法進行的實驗，如CFS，CIS及表面靈敏等實驗;強度高，分辨率高;采譜時間短，可以吸附動力學實驗。利用廣德偏振性質可以開展吸附分子去向研究等。
06 同步輻射的應用
同步輻射能為各相關科學研究提供連續譜、高強度、高準直性的優質光源，為研究物質的微觀動態結構和各種瞬態的過程提供前所未有的手段和機會，是物理學、化學、材料科學、生命科學、醫學等領域最先進又不可替代的工具。
2021年6月28日，高能同步輻射光源(HEPS)首臺科研設備在北京懷柔安裝，這是我國第一臺高能量同步輻射光源!也將是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一!
其包括超導高頻測試平臺、磁測與準直平臺、X射線精密光學元件加工與監測平臺、X射線探測器研發平臺等，將對我國的材料科學、生命醫藥領域的基礎研究和應用研究提供重要的支撐平臺!
