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同步辐射与同步辐射理论

在现代科学领域中，同步辐射被认为是一种非常先进和强大的实验和研究工具。它可以提供高强度、高光谱纯度和高时空分辨率的电磁波辐射，被广泛应用于物理、化学、生物等多个学科领域。

同步辐射源是产生同步辐射的设备，它通常由加速器和一系列磁铁组成。首先，加速器将电子或正电子加速到高速，并通过磁铁使它们保持在一个轨道中。然后，这些高速带电粒子在磁铁中发生曲率辐射出电磁波，这就是同步辐射。

同步辐射的理论基础是经典电动力学，即麦克斯韦方程组。这个方程组描述了

电磁场的行为和相互作用。通过求解麦克斯韦方程组，可以得到同步辐射的详细特性和行为。

同步辐射的光谱范围非常广，从红外光到 X 射线都可以覆盖。不同波长的同步辐射可以用于研究不同的材料和现象。例如，红外同步辐射可以用于研究分子振动、热力学性质等。可见光同步辐射可用于研究表面和界面性质，而 X 射线同步辐射

可用于材料结构和电子行为的研究。

同步辐射在化学领域中有着广泛应用。通过使用同步辐射，化学家可以获得具

有高分辨率的电子结构信息，例如轨道能级、键长、键角等。这些信息对于理解和设计新型催化剂、材料和药物具有重要意义。

生物领域也是同步辐射的重要应用领域之一。同步辐射可以通过衍射技术解析

蛋白质的三维结构，揭示蛋白质的构象和功能。通过了解蛋白质的结构，我们可以更好地理解生物反应的机理，为药物设计和生物技术提供有力支持。

除了在实验研究中的应用，同步辐射还可以用于医学和医学成像。例如，同步

辐射 X 射线技术可以提供高分辨率的乳腺癌和肿瘤成像，帮助医生更准确地诊断

同步辐射技术在生命科学中的应用研究

同步辐射技术（Synchrotron Radiation）是一种高度强化的x射

线照射技术，可以发出高能量、高亮度和高空间解析度的x射线，有很广泛的应用。近年来，同步辐射技术在生命科学领域中的应

用研究得到了广泛关注，其在生命科学、医学领域中有很多重要

的应用。

同步辐射技术在生命科学领域中的应用可以从以下三个方面进

行阐述：

一、结晶学

同步辐射技术在结晶学中有很重要的作用。通过同步辐射技术，可以获取到结晶原子之间的距离信息，从而确定蛋白质的三维结构。这个技术已经成为了分子生物学的基础技术之一。

同时，同步辐射技术也可以应用于大分子复合物的结晶，比如

在各种生命过程中参与的复合物，它不但可以帮助解析大分子复

合物的结构，还可以为药物发现、生物工程项目和抗体设计等提

供指导。

二、成像技术

同步辐射技术可以应用于生物成像技术的开发，这个技术可以

帮助人们探索生物体内的各种细胞和分子的三维图像。例如，同

步辐射技术可以用于生物切片成像，这个方法可以把一些非常薄

的样本切片成100微米，然后将这些切片照射成x射线，再通过

计算机重组成三维图像。这个方法可以做到细胞和细胞器级别的

分辨率。

同步辐射成像技术在生物医学中的应用也很广泛，可以应用于

机体脏器、组织器官和分子成像，是疾病检测和治疗的重要工具。

三、生物大分子结构测定

同步辐射技术将成为研究生物大分子结构的关键工具，如蛋白质、核酸和生物大分子的组装体。同步辐射成像技术在这个领域

的应用，包括斑点扫描技术, 衍射模式, 非晶态成像模式等，它们

同步辐射的原理与应用

1. 原理介绍

•同步辐射是高能粒子穿过磁场或电场时，发射出非常强大的电磁辐射的现象。

•在同步辐射源中，高能粒子经过弯曲的轨道，并同时受到磁场的影响，使其以弧形轨迹运动。

•在粒子加速运动的过程中，将失去能量，并以窄束束团的形式以光速释放出来。

2. 原理的应用

2.1 光源技术

•同步辐射可产生高亮度、低发散度的强辐射光束，可以被用于多种实验室和工业应用中。

•用于光源技术的同步辐射非常接近自然光，波长范围从红外到X射线，因此能够满足不同实验需求。

•同步辐射被广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学等领域的实验研究，并取得了重要的科学研究成果。

2.2 结构生物学

•同步辐射在结构生物学中起着关键的作用，可以用于研究生物分子的结构、功能和相互作用。

•结构解析方法包括X射线晶体学、小角散射技术等，通过同步辐射

产生的高亮度光源，可以提供更高的分辨率和更详细的结构信息。

•结构生物学的研究有助于了解生物体内分子之间的相互作用，从而揭示生物过程的机制。

2.3 表面科学

•同步辐射可应用于表面科学，用于研究物质表面的性质和反应行为。

•通过X射线和光学技术，可以对材料的表面结构、成分和电子状态

进行表征。

•表面科学的研究对于材料制备、薄膜涂覆和能源存储等领域具有重要的应用价值。

2.4 医学影像学

•同步辐射在医学影像学中的应用主要集中在CT和X射线成像。

•同步辐射的高强度光源可提供高分辨率的影像，用于检测和诊断疾病。

•同步辐射的应用在医学领域有望改善影像质量、减少辐射剂量，并提高诊断准确性。

3. 同步辐射设施

X射线的产生原理及其应用

1. X射线的产生原理

X射线是一种高能电磁辐射，它可以穿透物体并被物体内部的结构吸收或散射。X射线的产生原理主要包括以下几个方面：

1.阴极射线产生：X射线最早是由威廉·康拉德·伦琴巴赤裸眼发现的，

他在实验中使用了有阴阳极的真空管。当在真空管中加高电压时，阴极放出高速电子射线。这些电子射线击中阳极的金属靶上，发生急剧减速并产生浓缩在一点的电子云，这个电子云发出了非常强烈的辐射，即X射线。

2.布拉格衍射：布拉格衍射是一种通过晶体表面的定向散射来分析物

质内部结构的方法。X射线经过晶体时，由于晶格间距的规则性，X射线通过晶格后将会发生衍射现象。这种衍射现象可以用来测定晶体的晶格常数和分子结构。

3.同步辐射：同步辐射是指将高能电子束注入到加速器中，使其具有

几千万伏的能量，然后将电子束高速注入磁场中，使电子束做同步回转运动。

在电子束的运动中，会发生辐射，产生出能量非常高的X射线。同步辐射具

有狭谱、高亮度和极短脉冲等特点，广泛应用于材料科学、生物学和化学研究中。

2. X射线的应用

X射线由于其穿透力强、能量高等特点，在科学研究和工业领域有着广泛的应用。以下为X射线在不同领域的应用：

2.1 医学领域

•医学影像学：X射线在医学影像学中得到广泛应用，例如X射线造影、X射线摄影和计算机断层扫描（CT扫描）。这些技术通过对人体内部的组织和器官进行X射线照射和记录，可以提供重要的诊断和治疗信息。

•放射治疗：X射线也可以用于放射治疗，即利用X射线对肿瘤进行有针对性的照射，以杀死癌细胞或减少其生长。这种治疗方法在肿瘤学中有着重要的地位。

同步辐射技术在生命科学中的应用

近年来，随着科技的不断进步，同步辐射技术（Synchrotron Radiation，简称SR）在生命科学领域中的应用也愈加广泛。同步辐射技术是一种利用加速器产生

的高能电子流与磁场相互作用所产生的电磁辐射，并通过现代的光学元件进行处理和利用的技术。这种技术具有较高的亮度、极窄的谱带宽和较短的脉冲时间等特点，因此在生命科学中深受青睐。

1. 生物大分子结构分析

同步辐射技术的较高亮度和较短脉冲时间使得其可以提供较高分辨率与最小探

针尺寸，从而应用于生物大分子的结构分析。结晶学是同步辐射技术在生命科学中应用最为广泛的领域，其通过对大分子结晶进行X射线衍射实验，解析其原子之

间的空间排列，从而获得各种生物大分子的三维结构，如DNA、蛋白质以及膜蛋

白等。同步辐射技术对生物大分子的结构分析与解析，对于深入了解生物分子结构、功能及其生命过程具有重要的意义。

2. 生物医学影像学技术

同步辐射技术的高能量光谱和高辐射亮度特性，使其在生物医学影像学技术中

也有着广泛的应用。同步辐射成像技术是指使用同步辐射X射线通过对样品的不

同吸收率进行探测，分析样品中分子、原子乃至结构的位置、化学成分及其状态。同步辐射微观影像技术常用于对体内病变的定位与判别，如对肿瘤细胞、瘤样细胞、细胞活性成分以及具有特定生物性质的分子进行显微成像。同步辐射影像技术通过高能量的X射线穿透力，有助于以非侵入性的方式获得高分辨率的细胞及其结构

图像，为诊断和治疗疾病提供了新的手段。

3. 环境生态监测技术

同步辐射技术在生态环境监测中也有着广泛的应用。同步辐射技术可以通过X

同步辐射及其应用(讲义)

同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。

1．什么是同步辐射

1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。

同步辐射在生物学中的应用

同步辐射是一种高能量的电磁辐射，通过粒子加速器中的电子

与物质相互作用而产生。同步辐射具有极高的亮度、波长可调节

和极短的时间分辨率等特点，是一种非常强大的实验工具。在生

物学研究中，同步辐射已经成功应用于许多领域，如结构生物学、细胞生物学和生物医学等，为科学研究提供了重要的帮助。

由于同步辐射具有极高的亮度和波长可调节等特点，因此在生

物学研究中的应用也非常广泛，以下将分别介绍同步辐射在结构

生物学、细胞生物学和生物医学中的应用。

一、结构生物学

同步辐射在结构生物学中的应用主要是通过X射线衍射技术来

解析生物分子的三维结构。通过同步辐射的高亮度和较小的束斑，可以获得高质量的大分子晶体衍射数据，进而解析出生物分子的

准确结构。同步辐射在结构生物学中的应用已经取得了一系列重

要成果，如解析了HIV蛋白复合体的结构，揭示了九联糖的合成

途径等。这些研究结果有助于我们深入了解生物大分子的结构与

功能，为药物设计和治疗提供了重要的参考。

二、细胞生物学

同步辐射在细胞生物学中的应用主要是通过X射线荧光成像和

X射线断层扫描成像技术来研究细胞内分子和元素的分布和转运。同步辐射荧光成像技术可以通过X射线在样品中激发荧光，进而

观察到不同分子或化合物在细胞内的定位和运动；同步辐射断层

扫描成像技术可以获得细胞内部的三维信息，观察细胞中不同分

子和结构的分布。这些技术的应用使我们能够更深入地了解细胞

内分子的运作机制，为治疗疾病提供了新的思路和途径。

三、生物医学

同步辐射在生物医学中的应用主要是用于肿瘤治疗和新药研制。同步辐射可以通过对细胞的精准辐照来杀灭癌细胞，减少对正常

同步辐射光源应用领域

同步辐射光源（Synchrotron Radiation Light Source，简称SR）是一种高亮度、高能量、高稳定性的光源，广泛应用于多个领域。本文将介绍同步辐射光源的应用领域，并探讨其在这些领域中的重要性和作用。

1. 材料科学与工程领域：

同步辐射光源在材料科学与工程领域中有着广泛的应用。通过利用同步辐射光源的高能量和高亮度特性，研究人员可以深入研究材料的结构、物性和性能。例如，同步辐射光源可以用于研究材料的晶体结构、表面形貌以及微观缺陷等。此外，同步辐射光源还可以用于材料的成分分析、界面研究以及材料的动态行为等方面的研究。同步辐射光源的应用可以推动材料科学与工程领域的发展，帮助人们设计和开发新型材料。

2. 生命科学与医学领域：

同步辐射光源在生命科学与医学领域中也有着重要的应用。通过利用同步辐射光源的高能量和高亮度特性，研究人员可以研究生物分子的结构和功能，揭示生命的奥秘。例如，同步辐射光源可以用于确定蛋白质的结构，研究蛋白质的折叠和功能。此外，同步辐射光源还可以用于研究生物分子与药物的相互作用，探索新药的研发途径。同步辐射光源的应用可以促进生命科学与医学领域的研究和进展，为人类健康事业做出贡献。

3. 物理学与化学领域：

同步辐射光源在物理学与化学领域中也发挥着重要作用。通过利用同步辐射光源的高能量和高亮度特性，研究人员可以研究物质的基本性质和相互作用。例如，同步辐射光源可以用于研究材料的电子结构、磁性和光学性质等。此外，同步辐射光源还可以用于研究化学反应的动力学过程，揭示反应机理和催化剂的作用。同步辐射光源的应用可以推动物理学与化学领域的发展，为人类提供更好的材料和化学品。

同步辐射与生命组织结构研究

同步辐射是指由同步加速器产生的高速运动电子在做曲线运动时，因

外加磁场作用于电子运动轨迹的切线方向而产生的电磁辐射。其光谱波段

覆盖从远红外到硬X射线的范围。同步辐射装置属于大科学设施，目前全

世界大约有70个左右，主要提供高品质的X射线。X射线与物质作用可

发生散射/衍射、吸收/透射、光电作用等现象。由于同步辐射X射线具有

亮度高、空间相干性好、光谱连续可调等特点，因而基于同步辐射的X射

线晶体衍射/相干衍射、X射线小角散射、x射线影像（吸收、相衬成像/

显微断层扫描）、X射线光谱学等方法及应用获得了长足的发展，为越来

越多的科学研究提供了重要的技术支撑。

在生命科学中，生命组织是分层次的。从分子、细胞、组织、器官，

进而个体、种群，“结构与功能”这一主题贯穿于各个层次。在微观层面，同步辐射X射线晶体学已经是蛋白质结构生物学研究中不可或缺的主要方法，而X射线相干衍射成像便于为观察细胞、病毒进行有益的探索。在宏

观层面，以同步辐射显微CT为代表的同步辐射影像技术，展示了若干脏

器的内部三维解剖结构和重要生理活动过程，而对化石物种精细解剖结构

的揭示又为物种起源与演化提供了关键证据。本文对相关进展作一简略。

在微观层次结构与功能研究中的应用

蛋白质、核酸等是实现生命活动的基本生物大分子，细胞是绝大多数

生物的基本功能单位。同步辐射X射线晶体衍射和X射线小角散射

（small-angleX-rayscattering，SAXS）是认识生物大分子结构之重要方法：前者提供原子坐标下的蛋白质分子三维结构，揭示原子分辨率水平的

同步辐射技术应用及发展

摘要：同步辐射是圆周运动和蛇行运动时高速电子发射的亮的电磁波，分别有连续和准单色的光谱。真空紫外软X射线、硬X射线和红外线波段是优秀的光，被应用在基础科学、工程学、生物学、医学和环境科学。本文叙述了同步辐射的特点、发生的方法及其应用实例，通过介绍其在生命科学、生物医学、高分子结构分析等领域的应用研究，说明同步辐射广泛的应用。

关键词：同步辐射，生命科学、生物医学、高分子结构分析

1 绪论

1947年，美国纽约州通用电气公司实验室的电子同步加速器首次在可见光范围内观察到了强烈的辐射，从此这种辐射被称为“同步辐射。同步辐射是强度高、覆盖频谱范围广、可以任意选择所需波长，而且连续可调，是继激光光源之后的又一种新型光源。同步辐射发现9年后，美国康奈尔大学用真空紫外波段同步辐射对稀有气体的吸收进行了系统研究，并取得了重要成果，从而使人们认识到同步辐射可作为真空紫外波段和X射线光源。直到1974年，美国斯坦福直线加速器中心的研究小组在SPEAR对撞机上用同步辐射开展物理、化学、生物学方面的研究，使同步辐射的应用得到了迅猛的发展。

1.1 同步辐射的发现

1947年4月16日，在美国纽约州通用电气公司的实验室中正在调试一台新设计的能量为70MeV的电子同步加速器，这台加速器与其他类型的电子加速器的一个重要不同点是它的真空室是透光的，原想这样可方便地观察到真空室里的装置(如电极位置)情况，但竟导致了一个重大发现。就在这一天的调试中一位技工偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”。经仔细分析，说明不是气体放电，而是加速运动的电子所产生的辐射，被称为同步辐射。试验指出，这种辐射光的颜色随电子能量的变化而变化。当电子能量降到40MeV时，光的颜色变为黄色;降到30MeV时，变为红色，且光强变弱;降到20MeV时，就看不到光了。同步辐射的发现在当时科学界引起了轰动，不少科学家着手研究这种辐射的性质。但在当时，这种辐射阻碍了加速粒子能量的进一步提高，使科学家感到头痛，直到同步辐射发现后约20年，科学家才逐步认识

同步辐射及应用

同步辐射是什么？

同步辐射是一种性能优异的光源，是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。形象的说，同步辐射的轨迹就如同转动湿漉的雨伞时沿着伞的切线方向飞出的水滴。由于它最初是在同步加速器上观察到的，所以被称为“同步辐射”。

图1. 同步辐射装置示意图

自1965年发现同步辐射以来，经历三代的发展，目前已开始建造第四代同步辐射光源。同步辐射的亮度也从107增加到1024，大约相当于太阳光亮度的100亿倍和医用X光机的1000亿倍。

如果把光比作一把尺子，那么波长就是尺子上的刻度。波长连续可调的同步辐射就像一把可以连续调节长度的软尺，包含了从红外线、可见光、紫外线、到X射线等一系列不同波长的光。

同步辐射的另一个特点是准直性好，也就是说方向性好，能把高亮度的光集中在一个很小的区域内沿着某个特定的方向发射出去，类似激光。

不同的同步辐射光源其光的特性也有不同。以合肥的国家同步辐射实验室（NSRL）为例，它是我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源，由一台能量200 MeV的电子直线加速器作注入器，加速电子至接近光速后注入一台能量为800 MeV的电子储存环中，在一个均匀磁场的作用下，电子在一个环形中运行，在环的不同位置的切线方向上引出十四条光束线，产生的同步

辐射光最强区域在真空紫外和软X射线波段；而日本SPRing8光源的储存环能量是8 GeV（居世界第一），其能量是合肥同步辐射光源的十倍，最强波段则在硬X射线波段。

同步辐射能做什么？

同步辐射是多学科交叉的研究平台。当我们想研究特定样品体系时，依照微观尺寸范围选取不同波长的光，而同步辐射宽光谱特性可以保证我们方便地选取和利用不同波长的光。例如：研究分子团簇的类别时，使用红外光；研究分子间结构时，使用真空紫外光；对原子内部结构进行解析时，则需要X射线。