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绪论1

第一篇 同步辐射装置5

第一章 同步辐射源5

第一节 同步辐射的发展与现状5

一、同步辐射理论的发展5

二、同步辐射技术的发展6

三、同步辐射装置的现状10

第二节 同步辐射源的构造13

一、总体介绍13

二、电子储存环14

三、注入器20

四、附属设备22

第三节 同步辐射的重要物理参数与特性23

一、弯转磁铁的发射23

二、插入件的发射30

参考文献33

第二章 同步辐射装置中的光路和光学元件34

第一节 同步辐射装置中的光路34

一、前端区34

二、光束线37

第二节 同步辐射装置中的光学元件40

一、透光元件(窗)41

二、反光元件(镜)42

三、聚光元件44

四、分光元件46

五、偏光元件47

参考文献48

第三章 同步辐射装置的计算机控制50

第一节 同步辐射装置的计算机控制系统50

一、同步辐射装置计算机控制系统的任务和功能50

二、同步辐射装置计算机控制系统的体系结构53

三、同步辐射装置计算机控制系统的软件结构55

四、几个实例58

第二节 同步辐射装置中电子束和光束线参数的测量和控制62

一、同步辐射装置的束流测量和诊断系统62

二、同步辐射装置中电子束团的反馈控制系统65

三、同步辐射装置中同步光束线的监测和控制68

参考文献69

第二篇 同步辐射的实验方法73

第四章 同步X射线散射73

第一节 前言73

一、国际上建有X射线散射线站的同步辐射装置74

二、同步X射线散射线站的科学目标74

三、同步X射线散射线束的布置75

第二节 X射线散射的物理学基础77

一、汤姆逊散射78

二、康普顿散射82

三、荧光X射线散射83

四、粒子体系的散射84

五、二相体系的散射85

六、热漫散射87

七、X射线拉曼散射87

九、X射线核共振散射88

第三节 同步X射线实验线站与应用举例88

八、X射线磁散射88

一、同步X射线散射实验线站举例89

二、同步X射线散射应用举例91

参考文献108

第五章 同步X射线衍射110

第一节 X射线衍射原理基础110

一、晶体的周期性与对称性110

二、晶体衍射X射线的基本公式115

第二节 X射线衍射测定晶体结构117

一、测定晶体结构的任务117

二、X射线单晶体衍射117

三、粉末衍射从头测定晶体结构120

第三节 多晶体衍射表征多晶体材料124

一、可从多晶体衍射图上得到的物理量124

二、利用衍射线的位置和衍射线数量可进行的工作124

三、利用衍射线强度可进行的工作125

四、利用衍射线形可进行的研究126

第四节 同步X射线衍射的实验设备与基本方法127

一、基本实验设备127

二、基本实验方法129

第五节 同步X射线特殊衍射技术与应用130

一、高分辨X射线衍射130

二、能量色散与时间分辨衍射136

三、显微衍射138

四、掠射和表面衍射141

五、在位衍射与极端条件衍射144

六、联合技术146

参考文献147

第六章 同步X射线吸收精细结构149

第一节 X射线吸收精细结构149

一、X射线吸收光谱与精细结构149

二、XAFS的发展历程151

一、低能XANES——边前区152

第二节 XAFS的单电子理论解释与表式152

二、XANES——近边区153

三、EXAFS——广延区159

第三节 实验装置与数据处理163

一、X射线吸收谱实验装置163

二、EXAFS谱的数据处理167

第四节 XAFS技术应用举例173

一、非晶态材料与溶液173

二、催化剂与催化作用176

三、生物大分子结构研究180

四、表面与吸附结构184

五、缺陷与杂质的结构187

六、环境和地球化学188

七、用XANES作不同价态元素的定量分析190

第五节 XAFS的一些发展191

一、X射线发射光谱与非弹性散射191

二、联合在位测量与复合光谱191

三、X射线磁圆二色谱193

四、极端条件下的XAFS195

五、时间分辨XAFS195

六、显微XAFS197

七、NEXAFS扫描透射X射线显微镜198

参考文献199

第七章 同步X射线荧光分析202

第一节 X射线荧光分析基础知识简介202

一、特征X射线的产生202

二、特征X射线强度205

三、X射线荧光谱的本底来源206

第二节 同步辐射光源是X射线荧光分析最理想的激发源209

一、荧光产生截面比较210

二、X荧光分析灵敏度比较210

三、不同激发源对样品的损伤比较212

四、单色X射线可对元素进行特征激发212

五、同步辐射X荧光法可作微量元素化学态分析214

第三节 同步辐射X射线荧光分析实验装置215

一、SXRF对光束线的要求215

二、SXRF实验站216

三、X射线谱仪217

第四节 同步X射线荧光分析219

一、谱的采集219

二、谱的分解220

三、SXRF谱的归一化221

四、SXRF定量分析方法222

一、同步辐射微探针225

第五节 X射线荧光分析技术新进展225

二、全反射X荧光分析227

三、同步辐射X荧光图像分析229

第六节 同步X射线荧光分析应用232

一、SXRF在生物医学方面的应用232

二、SXRF在地矿研究中的应用234

三、SXRF在环保方面的应用235

四、SXRF在考古中的应用236

参考文献237

第一节 引言239

第八章 同步辐射光电子能谱239

第二节 基本原理240

一、光电发射的基本物理过程240

二、光电离截面和电子逃逸深度242

三、光电发射中的守恒量和选择定则244

第三节 实验装置245

一、光电子能谱仪的基本构成方式245

二、常规光电子能谱仪中的光源246

三、能量分析器和电子倍增器248

第四节 价带光电子能谱249

一、态密度和能量分布曲线249

二、固体的能带色散及其确定方法250

三、偏振选择定则在价带光电子能谱中的应用253

四、共振光电发射255

第五节 芯态光电子能谱257

一、结合能和化学位移257

二、谱峰的退卷积259

三、固体样品的成分分析260

第六节 同步辐射光电子能谱的特殊工作模式262

一、几种工作模式的比较262

二、恒定初态谱CIS262

三、恒定末态谱CFS和部分产额谱PYS267

第七节 自旋分辨的光电子能谱270

一、电子的自旋极化及其测量270

二、自旋和角度分辨的EDC270

三、非磁性固体的自旋极化光电发射272

第八节 空间分辨的光电子能谱——光电子显微术273

一、进行空间分辨测量的意义和困难所在273

二、两种工作方式：成像和扫描274

三、应用实例276

四、结束语277

参考文献278

第一节 软X射线显微术概述279

第九章 软X射线显微术279

第二节 活细胞的原位高分辨的结构研究与软x射线显微术284

第三节 软X射线接触显微成像285

一、SXCM简史285

二、SXCM与软X射线吸收286

三、软X射线接触显微成像条件的优化288

四、活细胞成像中的几个问题293

五、SXCM图像的读出294

一、Gottingen透射式X射线显微镜296

第四节 透射式X射线显微镜296

二、波带片特性简述298

三、相衬X射线显微镜实验300

四、振幅衬度与相位衬度301

五、辐射剂量和基于相位衬度的X射线显微图像303

六、透射式X射线显微镜的图像显示305

第五节 扫描透射式X射线显微镜307

一、简史307

二、STXM装置307

三、成像的时间及对X射线源的要求308

第六节 软X射线全息显微术310

一、全息术的基本原理310

四、酶原颗粒的STXM实验310

二、低分辨率的软X射线全息显微术是可以实现的313

三、软X射线全息显微术实验系统314

第七节 细胞的X射线显微图例和结语317

参考文献318

第十章 同步辐射红外光谱320

第一节 同步辐射红外光源的产生及其特点320

一、同步辐射红外光源的优点320

二、红外光束强度随出射角和波长的分布关系321

三、弯转磁铁边红外辐射光谱的特点321

五、红外光子能量和波长选择器324

四、红外光束的引出及其与真空系统的隔离324

六、红外光子探测器326

第二节 同步辐射光源在固体红外光学性质研究等领域的应用326

一、光学常数326

二、实验方法329

三、同步辐射红外光源的多种应用领域332

参考文献334

第十一章 软X射线磁圆二色336

第一节 X射线磁圆二色的基本原理337

一、X射线吸收磁圆二色337

二、光电子发射X射线磁圆二色339

三、指定元素的磁性341

第二节 实验原理和主要实验条件342

一、实验原理342

二、主要实验条件和要求343

三、提高测量灵敏度的有效途径——调制光谱技术346

第三节 软X射线磁圆二色在科学研究中的应用347

一、X射线吸收磁圆二色347

二、光电子发射磁圆二色351

第四节 同步辐射X射线磁圆二色工作站358

一、美国359

二、欧洲360

参考文献361

第三篇 同步辐射在一些学科领域中的应用367

第十二章 同步辐射在生命科学中的应用367

第一节 生物大分子的三维结构分析368

一、同步辐射和结构生物学368

二、蛋白质的基本结构369

三、蛋白质的三维结构与生物学功能371

第二节 药物的分子设计375

一、基本原理375

二、设计实例376

一、基本原理377

第三节 生命过程的分子动态“电影”377

二、实例和进展378

第四节 生命科学其他研究领域中的应用379

一、蛋白质工程379

二、生物大分子的x射线吸收波谱学379

三、蛋白质折叠380

四、生物膜结构381

五、活细胞的软X射线显微术381

参考文献382

第一节 基于同步辐射的医学应用研究项目384

第十三章 同步辐射在医学研究中的应用384

一、经静脉冠状动脉造影385

二、同步辐射支气管造影385

三、单色X射线CT385

四、乳腺癌诊断386

五、肿瘤的微束放射治疗MRT386

六、光子活化放射治疗387

七、同步辐射相衬成像387

第二节 冠状动脉血管造影的医学背景387

第三节 双色减影冠状动脉造影389

第四节 同步辐射冠状动脉心血管造影系统390

一、扭摆器392

二、单色器393

三、探测成像系统397

四、计算机系统399

五、病人辐照座椅控制系统400

六、安全系统401

第五节 同步辐射冠状动脉血管造影医学临床应用现状和前景402

参考文献404

第十四章 同步辐射在聚合物科学中的应用407

第一节 聚合物结构简述407

一、相干X射线散射斑纹谱研究嵌段聚合物二维海岛结构408

第二节 同步X射线散射在聚合物研究中的应用408

二、磁场诱导聚合物侧链型液晶(MAPB、APB、MPB)的凝聚态结构409

三、流动场中氧化乙烯-氧化丙烯嵌段共聚物的SAXS413

四、应力场中高密度聚乙烯(HDPE)与线形低密度聚乙烯(LLDPE)的响应414

五、聚乙烯(PE)熔体在结晶初期折叠链片晶的整数倍增厚417

六、低分子量聚氧化乙烯(PEO)非整数折叠向整数折叠链的结晶转变420

七、实时RT-SR-WAXS与SAXS测量聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)的膨胀率422

八、流动场中聚乙烯(PE)相结构的在场研究424

九、微量催化剂对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)结晶速率与晶格畸变的影响427

十、温度场诱发聚氨酯(PU)仿肌纤结构的变化431

十二、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的时分TR-SAXS研究432

十一、微区衍射研究BIOPOL聚合物的球晶结构432

十三、水凝胶微球内部结构的TR-SAXS研究434

十四、互贯聚合物网络(IPN)的相态与结构分析435

十五、偏振XANES研究经摩擦聚合物(PI)表面链的排布436

十六、聚-L-谷氨酸-γ-苯甲酯(PBLG)在空气/水界面上浮置膜的掠入射衍射(GID)研究437

十七、软X射线光降解聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)机制的研究439

十八、嵌段共聚物在振动切应变过程中的TR-SAXS研究440

参考文献441

第十五章 同步辐射在非晶态材料中的应用442

第一节 非晶态材料简介442

一、X射线分析技术444

第二节 研究非晶态的实验方法444

二、各种显微镜445

三、各种能谱和光谱技术446

第三节 同步辐射应用举例446

一、金属玻璃结构的研究446

二、氧化物玻璃结构及结构与功能关系的研究450

三、熔体结构的研究454

四、溶液与胶体457

五、表面与界面460

参考文献462

第十六章 同步辐射在催化中的应用464

一、Ni2＋在Y分子筛中的分散位置465

第一节 催化剂结构及与制备过程关系的研究465

二、TiO2(110)单晶平面上Mo原子簇结构的各向异性及与活性的关系466

三、Ni(acac)2/AIEt2(OEt)/己烯中Ni的配位结构467

四、无载体MoS2催化剂468

五、粉末衍射从头测定分子筛的晶体结构468

六、两种含钴催化剂的电子结构470

七、NiO在NaY分子筛上的分散471

第二节 催化剂结构与催化性能的关系472

一、载体对Pt催化燃烧反应的影响472

二、［RU6C］原子簇的催化作用及与结构的关系474

一、加入γ-Al2O3对Cu/ZnO催化剂使用过程中结构的影响476

第三节 使用过程中催化剂结构的变化、失活与再生476

二、钼酸镍与含硫物反应的化学479

第四节 表面与吸附结构的研究480

一、胶体纳米TiO2表面与抗坏血酸分子的联接480

二、吸附H对Pt表面电子态的影响481

三、CI在Ni(111)上的吸附位置482

第五节 催化反应机理的研究483

一、双核钼原子簇催化乙醇氧化制醛的反应历程483

二、［Co(Ⅱ)］4/Al2O3催化CO氧化的反应历程483

三、乙醇脱水反应中催化剂Nb原子簇的结构变化与反应机理484

四、SO2在贵金属表面的反应487

参考文献488

第十七章 同步辐射推进微电子技术和微电子机械系统的发展490

第一节 微电子技术和微电子机械系统发展需要新型光源490

一、微电子技术工艺发展迅速490

二、微电子机械系统发展前景广阔493

三、同步辐射为微电子及微电子机械系统工艺发展开辟了新途径493

第二节 光刻494

一、同步辐射是理想的X射线曝光光源494

二、光束线站的设计概要496

三、关于光刻掩模的研究498

四、干法表面成像刻蚀工艺500

五、碳化硅刻蚀501

六、GaAs刻蚀502

七、LIGA技术503

第三节 同步辐射光化学反应低温薄膜工艺503

一、硅“原子层外延”503

二、选择性硅外延506

三、选择性硅基碳化硅外延506

四、二氧化硅薄膜淀积507

第四节 辐射改性510

一、固相外延510

二、Ⅲ-V族化合物半导体表面改性512

参考文献512