（三） 同步輻射應用——獨特（傳統）與綜合（創新）

　　下面就最近發展的趨向舉幾個例子，其中難免摻有個人的愛好。

　　1. 不同實驗方法的綜合

　　兩種不同實驗方法的有機結合，可以産生許多新的內容。這方面的發展有早期的DAFS（衍射+XAFS）、顯微譜學等，近期的選位XAFS（XAFS+電容測量）、熒光全息術（熒光+干涉）等。

　　選位XAFS——通過在元素的K 吸收邊附近測量電容的變化，可以研究半導體中某一特定狀態的原子（如位於深層電子阱的原子）的濃度和近鄰狀態，如AlGaAs: Se 中DX阱內的 Ga 原子被激發後，由阱電子退激時將改變電容。

　　原子分辨的衍射全息術——衍射與熟知的全息術結合，得到新的方法。衍射過程是週期結構的相干干涉，不是三維直接圖像，而且還有位相丟失問題。需要不斷嘗試才能得到原子的位置。原子全息術是一種直接成像的方法，它利用原子産生的熒光作為參考光；熒光在臨近原子上的散射光與參考光産生干涉從而得到全息圖像，如圖3所示。全息學方法處理後可以得到三維直接圖像。利用衍射全息術已經得到一些材料的原子分辨的三維圖像，在生物學和材料科學方面將具有十分重大的應用前景。

　　2. 偏振光的衍射以及在磁學領域的應用

　　獲得不同偏振的同步輻射X光有以下幾種方法：

　　（1）最早期的做法是利用電子軌道面上、下發光的橢圓偏振差異。這種方法不準確，而且重復性差；

　　（2）利用特殊設計的插入件。這種方法準確、重復性好，而且可同時變化能量與偏振；其缺點是偏振變化速度緩慢，而且價格較貴；

　　（3）利用1/4 波長移相器。這種方法準確、重復性好、簡單、較快速、較便宜，而且束線的外加設備用起來十分方便。

　　由於磁性是由自旋狀態決定的，因而具有不同的選擇方向。不同偏振的X光與磁性材料作用，會産生不同的結果，可以應用X光的偏振來研究這些有選擇的方向（自旋與軌道角動量）。通過求和規則可直接、獨立地給出軌道磁矩μL與自旋磁矩μS對的貢獻（值得注意的是，中子實驗是通過在合適模型中擬合形狀因子而得到這兩個貢獻的）。所以磁線二色、磁圓二色可以大量應用於磁性研究。而各種磁性材料在工業應用中具有十分重要的意義。

　　3. X光顯微技術的發展

　　近年來，同步輻射顯微術有了十分突出的進展，除了傳統的軟X光顯微鏡之外，還發展了許多基於X光的顯微技術，如透射X光顯微鏡（Transmission X-ray Microscope, TXM）、掃描透射X光顯微鏡（Scanning Transmission X-ray microscope, STXM）、X光電子發射顯微鏡（X-ray Photo-Electron Emission microscope, XPEEM）以及X光全息，等等。目前，X光顯微鏡的最好分辨本領是200～400■，可以穿透比較厚的樣品，例如水對於1■波長X光的吸收長度約為2mm。

　　在LBL、BESSY II等實驗室，軟X-光 （波長約25■）顯微鏡已達到的橫向分辨約為200■（TXM）和400■（STXM）；其優點是工作在“水窗”，可以觀察活的生物樣品，而且由於在“水窗”波段，水的吸收長度為7μm，因而樣品厚度比光學和電子顯微鏡放寬許多，達到10μm。

　　顯微術有三個目的：①形態研究——分辨本領；②結構研究——透入本領；③成分研究——元素分辨。如果只就第一點來説，硬X光顯微鏡不如軟X光顯微鏡，更不如電鏡。但是它有獨特的優點，那就是：① 深透入——可實現三維成像；② 空氣環境——使各種實驗容易進行，而且對某些生物樣品有決定意義；③ 良好的反差圖像——可選擇最有利的波長；④ 易於結合其他分析方法，如譜學（吸收、發射、熒光等）；⑤ 低樣品損傷——遠優於電子、質子等粒子的激發。

　　4. X光聚焦方法的發展

　　獲得微束的方法可以用狹縫限束（最原始、簡單的方法）、Undulator（減小光源尺寸，龐大但有效）、斜切晶反射型光學（簡單，不能得到太微束）等技術。近年在各實驗室發展了許多聚焦X光的新方法，如：①Kirkpatrik-Baez 鏡系統 （掠入射，龐大）；②彎晶（曲率隨入射波長變化）；③變徑毛細管（全反射）；④ 波帶片（理論成熟，實驗室工藝）；⑤ 折射棱鏡（簡單，十分有前途）。

　　目前ESRF達到的聚焦水平為：毛細管——500 ■，波帶片——900 ■，K-B 鏡系統—— ≤ 1μm，採用Ru/B4C 多層膜，機械彎曲，對8~20 keV 能量光子可有80%的效率；ALS 達到的水平為：K-B 鏡系統——0.8 μm0.8 μm。

　　X光的折射棱鏡是近年來由俄羅斯物理學家 Snigeriev提出的最新方法，利用許多個有旋轉拋物表面的棱鏡，經過足夠多次折射來實現整個垂切面上的聚焦，如圖4所示。理論上這是一個無像差的聚焦系統。其特點為：① 可通過棱鏡的數目來調節焦距，典型值：0.5~2m，（5~60keV）；② 光闌約1 mm，與波蕩器出來的 X-光束相匹配；③ 棱鏡採用低 Z 元素材料製造，散射本底低，由於尺寸小，可以得到很高的製造精度；④ 産生 0.5 μm5 μm 焦斑，增益 > 1000；⑤ 製造簡單，適用面廣（顯微鏡、微區分析、微CT、微束熒光斷層術），很有發展前途。

　　APS 報道了在鈹和鋁基底上由空心球組合成的折射棱鏡[R.K. Smither et al, SPIE Vol 3151, 150-1639（1997）]，分別為Be（50個球，?準 1mm，相距 0.1 mm）和Al（50個球，?準 1mm ，相距 0.01mm）。對10 keV的光子，透過率為16%，焦距為1.356 m，焦斑大小為（FWHM）41μm。SPRING-8報道了用折射棱鏡聚焦 X光進行的高壓衍射實驗，值得注意的是折射棱鏡組合是用光刻的方法由塑鑄法從 PMMA 模製作的。

　　與硬X-光聚焦技術相結合的各種實驗方法有很多，如衍射、位相技術（原子尺度的相干）、譜學（吸收、光電子發射、熒光）、極化分析，等等。另一些大有前途而有待開展的方面是非彈性散射、時間分辨實驗，等等。

　　5. 時間分辨實驗

　　學科研究要求多高的時間分辨？我們可以將一些物理作用的時間尺度列表如下：

　　分子間振動 fs ~ ns

　　有序—無序轉變 ns ~ ms

　　酶作用 ms

　　蛋白—蛋白相互作用 ps ~ ms

　　質子/電子遷移效應 ps ~ ms

　　金屬—配合基結合 ps ~ ms

　　用衍射的方法分析一個 10 μm尺度的晶體，其衍射波形成的時間大約為（設光強足夠）30fs量級，而化學鍵形成或斷開的時間尺度則為ps~fs量級。由於光強、探測效率等因素的影響，實際需要的探測時間比上述要長。但是，我們可以由此估計學科研究對實驗技術的要求。

　　考慮一個比較實際的問題，Laue 衍射像。一張好的 Laue 衍射像，需要光子1010～1013個。對於第一代同步輻射光源，亮度為 1010，譜寬為 0.6 ~ 1.6 ■，樣品尺寸約為1mm3，樣品與光源距離約10 m，於是每張Laue圖的成像時間需要大約1s。要提高成像速度，就要提高光強。第三代光源的亮度提高 10 個量級，因而成像速度可以提高到 100 ps。

　　最近，俄羅斯科學家報道了納秒時間分辨的原位爆炸研究，利用位敏探測器（ AsGa 光二極管陣列，也可以是CCD陣列和IP等），對爆炸産生高壓合成金剛石過程進行了衍射和小角散射實驗研究。時間分辨達到了125 ns，根據動力學理論，所有金剛石産生的化學轉變應當在250 ns 內完成。但是 SAXS 信號在1500 ns 才達到最大。這對爆炸物理及金剛石顆粒的形成大有幫助。

　　另一方面，固體、化學反應、生物快過程的相變時間大約為原子振動的週期，其固有時間大約為100 fs，而現有的同步輻射技術（3ms ~ 100ps）與此時間尺度還相差3個量級！短脈衝激光可以産生 150 fs 寬度的脈衝，重復頻率為 1kHz，使用短脈衝激光（pump）和同步輻射（probe）的方法進行研究的關鍵在於探測器，還需要在探測技術方面大幅度提高現有實驗技術。目前使用兩種探測器：雪崩二極管（時間分辨 10 ns，量子效率 ~1）和條紋相機（由光傳導開關驅動，時間分辨 2 ps ），已經可以開展由 fs激光激發的固體中相變的動態X-光衍射研究，可得聲學聲子與電子的耦合時間等重要常數。

　　6. 同步輻射在産業中的應用

　　近年來，同步輻射在産業界的應用有很大進展，應用領域在不斷擴大，涵蓋了石油（原油中石蠟的晶化）、塑料（紡織纖維、結晶度）、金屬（應變/應力分析、織構分析）、建築（混凝土配製、渣化、老化）、微電子（半導體器件的表徵）、化粧品（化粧品對頭髮和皮膚的影響）、制藥（生物晶體學、藥品的表徵）、食品（食品的穩定和老化）、醫學（衍射增強成像）等許多方面。這裡僅舉幾個例子。

　　聚焦光束的高壓衍射在地學中的應用——現在人類在實驗室裏已經能夠製造出如同在地球中心處一樣巨大的壓力。這樣巨大的壓力，除了在基礎研究開闢了新的領域，例如金屬氫；之外，還帶來了巨大的産業的機會，例如人工合成金剛石，等等。高壓X射線衍射為人們提供了研究如此高壓狀態下物質結構的有效手段。這裡的技術難點也是十分明顯的：樣品的裝填及準直、高壓的獲得、微束SR的獲得及準直、聚焦激光、探測光路間的精確準直、加溫區域的均勻性及穩定度等等。

　　微束X光檢測半導體芯片——大規模集成電路（LSI）的集成度越來越高，各種精巧的結構越來越密集使得這類電子器件中的應力分佈變得越來越複雜。測量其中的微區成分、應力分佈，由此比較不同設計及工藝的優劣，對選擇工藝的改進具有重要意義。日、美的電子産業界充分注意到此點。SPRING-8利用白光勞厄衍射 + 微束 rocking curve 測量技術，對Si片中由於氧化引起的應變進行了測量。可以測到晶格常數變化的精度為 Dd/d≈510-6，在氧化的邊界處可看到搖擺曲線尾巴的拖長。

　　LIGA技術與其他工業技術的結合——有很多研究所及研究組在繼續進行微部件製作方面的工作（IMF am mainz，ALS，ANKA），如微譜儀、光學微器件、一些醫學方面的應用等等，但尚未有工業大批量的生産。LIGA技術與其他技術結合來開展工業方面的應用，應該是一個很有潛力的發展方向。如結合電火花技術中工具電極的製造，可以比較容易地製備各種形狀的紡織噴嘴。

　　7. 同步輻射的生物學應用

　　從生物分子結構研究的里程碑，我們可以看到同步輻射在其中起到的重要作用。

　　1912 Laue 在 CuSO45H2O 晶體上得出 X 光衍射；

　　1913 Bragg 方法，開始用這個方法進行晶體學研究；

　　1914 Bragg 用 Laue 花樣研究鹵化鹼晶體；

　　1938 Pereutz 開始研究血紅蛋白；

　　1960 Pereutz 解出血紅蛋白結構（用了22 年）；

　　1962 Pereutz 及 Kendrew 獲諾貝爾化學獎；

　　Watson, Crick, Wilkins 獲諾貝爾生物學/醫學獎；

　　1974 SR白光首次用於材料科學；

　　1976 SR白光首次用於結構生物學（膠原蛋白的結構因子振幅）；

　　1988 由 Laue 數據解得小分子結構；

　　1990 觀測到RAS致癌基因晶體中籠蔽GTP在光化學釋放GTP後的酶反應；

　　1994 在 50ps 內得到溶菌酶蛋白的 Laue 照片 （ESRF）；

　　在已解出的生物大分子結構數中，利用同步輻射技術解出的 > 55%；每年解出的生物大分子晶體結構中，同步輻射解出的結構為 60%~100%；世界上現有同步輻射生物大分子實驗線站 > 50；生物大分子實驗線站在各國同步輻射實驗室中均佔重要地位，用戶需求量大，成果比重大。而且通過對結構的動態研究可以得出結構改變與功能實現方面的重要知識。

　　如果説，20世紀生物學的最大進展是建立了在分子水平上的結構生物學，那麼，21世紀生物學的一個主要探索將是通過結構的改變理解功能的産生機制——也就是人們現在常提到的結構基因組學。從1914年到1938年，Pereutz 用了22年才獲得血紅蛋白的結構。而今天同步輻射的應用，也許只要一天的時間就可以解出類似大小的結構，特別是結構的動態研究，作為結構——功能研究的基礎，離開了同步輻射技術是難以實現的。值得注意的是，世界上現有超過50條的大分子晶體學實驗站，但中國一條都沒有。

　　從遺傳學—基因組學—結構基因組學，從序列—結構—功能，生物學家進入一個自身不熟悉的領域。結構基因組學將面臨蛋白質結構的大規模、自動化的數據採集、結構解析。現在生物學家採用的方法主要有兩個：核磁共振和X射線衍射（同步輻射）。

　　（1）NMR：① 無須結晶，在溶液狀態下分析；② 蛋白的動態運動學研究；③ 30 kD 以下的分子（大分子的局部研究）；④ 數據分析相對複雜。

　　（2）X光衍射：① 要結晶；② 有動態運動研究的前景；③ 可以分析很大的分子；④ 數據分析相對簡單。

　　繼人類基因組學之後，結構基因組學的國際合作已提到日程上。現在人們預計結構基因組學的真正發展還需5年左右的時間，但那時是大發展的時候。我們是否有資格加入這個國際合作，取決於我國是否有獨立開展大規模測定蛋白質晶體結構的能力和條件，同步輻射實驗技術的發展將是一個十分關鍵的瓶頸。

　　五、 同步輻射光源的現狀、發展及前瞻

　　同步輻射光源的現狀可以用下面幾句話來簡單概括：

　　（1）加速器穩定運行是全球普遍現象；

　　（2）第一代光源陸續逐步升級為第二代光源；

　　（3）所有新建的第三代光源都達到或超過設計指標；

　　（4）儲存環的運行向衍射極限衝擊；

　　（5）充分注意應用同步輻射的偏振性；

　　（6）開始 ms 水平的時間分辨研究；

　　（7）出現小型專用光源的勢頭。

　　同步輻射不同手段的聯合使用開闢了很多研究領域，成為許多學科和技術發展不能或缺的工具，在産業中的應用越來越重要；相對來説，探測器的發展不快，特別是快速時間響應的探測器拖後腿；隨著光源水平的不斷提高，需要更高的自動化水平、更快的在線數據處理時間。

　　下面簡單介紹一下同步輻射飛秒X光光源及第四代同步輻射光源的進展情況。

　　1. 同步輻射飛秒X光光源

　　ALS通過改進加速器技術，成功的在現有同步輻射光源上産生了 fs 同步輻射脈衝。其基本原理：是使短脈衝激光（100 fs）與在 wiggler 中的電子束團 （30 ps）並行傳播，在電子靜止的座標係中，電子束團感受到wiggler 的磁場以及光子的電場和磁場，它們與電子的相互作用産生電子的能量調製；激光的場強産生的這種能量調製可達到電子在束團中rms 能量的數倍，在後續的能量色散的 B 鐵中，選出 fs 長度的電子束團，併發出 fs 同步輻射脈衝。利用現在的演示性裝置，目前已經可以得到 ~300 fs 的同步輻射脈衝。正在建設專用的新束線，預期可以提供脈衝長度 < 100 fs 的同步輻射 X-光。

　　2. 自由電子激光及第四代光源

　　自由電子激光的發展最早可追溯到1933年，Kapitza等人提出電子團引起的光子散射效應，隨後其他人分別提出了插入件概念和相對論電子在插入件中自發輻射的性質。比較完整的自由電子激光理論及實踐則到了20世紀70年代開始出現，20世紀80年代開始提出自放大自發輻射（SASE）的概念。

　　在常規波蕩器中，電子軌道作輕微振蕩，所放出的輻射是部分相干的，並在特定的波長處有一系列的峰（波蕩器輻射）。如果令一束激光與電子並行傳播，電子與光的電磁場相互作用，條件合適時電子將從光場得到能量；在光場對電子的反作用下，電子束産生“群聚”（bunching），波蕩器輻射也從非相干逐漸變為相干，産生完全相干的自由電子激光。注意：部分反射鏡的使用決定了FEL波長短不了。表3列出了目前正在進行實驗的FEL裝置。

　　自放大自發輻射的基本概念是：

　　（1）自發輻射比電子走得快，電子束總是在後來的輻射的電磁場中；

　　（2）電磁場增強電子束團中的微團聚；

　　（3）增強的微團聚的電子放出更強、更相干的自發輻射；

　　（4）此輻射強度以指數增加最後達到飽和。

　　因此，實現自放大自發輻射的基本要求為：

　　（1）品質足夠好的電子束流；

　　（2）足夠好的插入件磁場；

　　（3）足夠長的插入件。

　　表4列出了目前已建及擬建的較短波長 FEL 裝置。

　　第四代光源以其前所未有的高亮度、高相干性，將對科學的發展産生極為深遠影響，為人們打開一大片陌生的研究領域。比如：① 稀薄系統的電子態及幾何結構的動力學研究；② 光與物質的非線性作用；③ 馳豫、反應動力學等的時間分辨研究；④ 時間分辨顯微學、時間分辨微譜學，等等。

　　六、 結 束 語

　　可以預計，在今後10年中，同步輻射的應用將獲得以下重大的進展。

　　（1）空間分辨率提高到1nm，納米光刻；

　　（2）X-光的偏振的改變率提高到100Hz ；

　　（3）時間-空間分辨達到：5ps，5nm；

　　（4）同步輻射的脈衝性開始有實質性的應用；

　　（5）位相問題有實質性的進步；

　　（6）多晶物質中 10 nm 尺度晶粒的測量；

　　（7）證實在臨界溫度附近臨界長度的存在；

　　（8）動力學自旋積累，電荷和自旋現象；

　　（9）降低開關時間到 1ns 以下，磁儲存和磁電子學的研究；

　　（10）第四代 X 光源問世。

　　同步輻射應用的發展實在太快了，在世界範圍中它正在予科技發展以空前的可能性。中國絕對承受不了在這個關鍵時刻的舉棋不定甚或失著，因為它影響著我國在新世紀裏整個科學技術發展的格局，這裡出現的決策失著與一個單獨的項目或一個單獨的學科規劃失著有著根本的差別。