1、北 京 同 步 辐 射 装 置X射 线 成 像 技 术 介 绍北 京 正 负 电 子 对 撞 机一 机 两 用 ：对撞模式，研究高能物理， 6个月 同 步 模 式 ， 3个 月 环 周 长 ： 240m 能量：2.5GeV北 京 同 步 辐 射 装 置 14条 光 束 线 和 15个 实 验 站4W1A光 束 线 （ 两 种 模 式 ）1. 纳 米 分 辨 三 维 成 像成像视场 10um60um 分 辨 率 50nm100nm单 色 聚 焦 光 束 模 式白 光 模 式2. X射 线 形 貌 术成像视场 10mm内可调 分辨率35um3. 相 位 衬 度 三 维 成 像成 像 视 场 约 1
2、0mm可 调 分辨率315um一、X射线形貌术原理底片光强减弱光强增强衍射光入射光晶格衍 射 成 像 : 晶 格 缺 陷 衍 射 异 常 光 强 分 布 改 变 产 生 衬 度点 缺 陷 （ 微 缺 陷 ） 、 位 错 、 层 错 、 晶 界 、 畴 壁 、 亚 晶 粒 、 杂 质 分 凝 、 裂 缝 等X射线形貌术实验方法 同步辐射白光形貌术（透射）样品 狭缝白光X射线成像探测器实 验 原 理 ： 当 一 束 同 步 辐 射 白 光 X射 线 束 入 射 到 晶 体 样 品 上 时 ， 根 据 布喇 格 衍 射 公 式 2dhkl sin n （ n 1,2,3） ， 晶 体 中 不 同 指
3、 数 面各 自 分 别 选 择 相 应 波 长 的 X射 线 ， 衍 射 形 成 相 应 的 劳 厄 衍 射 斑 （ 图 5.8-1） ， 每 个 劳 厄 斑 点 就 代 表 了 相 应 衍 射 面 的 信 息 。eX射 线 形 貌 术 样 品 研究对象：晶体（单晶体） 单晶样品先经过切割、磨抛成薄片状 样品尺寸：通常 5mm左右 样品厚度：通常几百微米 吸 收 衰 减 公 式 I I t0： 线 衰 减 系 数 ， 即 样品 厚度 中每 厘米 的 吸收 几率 ，具 有cm -1的 量纲 。t： 样 品 厚 度样品厚度根据 t 1计算，此时出射 X射线强度约为入射 X射线的 0.37。 The
4、 Center for X-Ray Optics http:/www.cxro.lbl.govX射 线 形 貌 术 -应 用 实 例1、 一 次 曝 光 拍 摄 多 组 晶 面 的 衍 射 图 像 -白 光 形 貌 术透射式白光形貌术获得的金刚石晶体的白光形貌像（入射光沿100方向）2. KDP晶 体 的 形 貌 研 究KDP晶体的劳厄斑点 103晶面的衍射斑点 132晶面的衍射斑点3. 晶体相变过程的实时观察 -铌酸钾（ KNbO3）晶体相变过程的实时研究铌酸钾晶体的相变过程为：三方相 10C正 交 相 225C 四 方 相 435C立 方 相图 (a)是室温下的形貌像，晶体为正交相。图 (
5、b)是相变温度附近的形貌像，显示晶 体正发生相的转变。图 (c)为相变后的形貌像，晶体为四方相。二 、 X射 线 相 位 衬 度 成 像， 干 涉 法 ， 衍 射 增 强 成 像 、 光 栅 成 像 2， 同 轴 相 位 衬 度 成 像干 涉 法衍 射 增 强 成 像同 轴 相 位 衬 度 成 像（ 菲 涅 尔 衍 射 成 像 ）提 供 比 吸 收 成 像 更 高 的 分 辨 率 和 衬 度 的 一 种 成 像 方 法同 轴 相 位 衬度成像同步辐射白光 Si(111)单 晶同步辐射 Si(111)单 晶 白光单色光 单色光探测器 探测器SD大 鼠 的 肺 组 织可 看 出 肺 组 织 气 管
6、 和 动 脉 管RelativeIntensityI/I0DEI Physical principles衍 射 增 强 成 像 方 法White beam SampleAnalyzer 同步辐射白光经单色器 反 射 成 单 一 能 量 光 束 AbsorptionRefraction Darwin Width DMonochromator Small angle scattering 该单色光束在样品中发生 吸 收 、 折 射 和 小 角 散 射Low Angle SideHigh Angle Side分 析 晶 体 的 作 用 相 当 于 一 个 角 度 过 滤 器 和 衬 度 放 大 器
7、， 从 而 得 到 消 光 衬 度 和-20 -10 0 10 20Analyzer Angle (s) 折 射 衬 度Si(111)晶 体 摇 摆 曲 线 （ 8 keV）相 位 衬 度 三 维 成 像 实 验 平 台单 色 晶 体 样 品 转 台 分 析 晶 体研 究 对 象 动 、 植 物 ； 医 学 材 料 ； 复 合 材 料 ； 合 金 材 料 ， 岩 石 矿 石 类 等研 究 范 围 生 物 医 学 材 料 、 复 合 材 料 等 各 种 材 料 的 内 部 精 细 结 构 ； 原 位 观 察 材 料 在 加 载 或 加 温 等 外 界 环 境 条 件 下 的 动 态 行 为 ；
8、相 位 衬 度 成 像 及 CT的 原 理 和 方 法 学 研 究 ；能 量 范 围 ：1K520keV10K20K30K能量keV 布 拉 格 角 光 斑 视 场 mm8 14.3 201212 9.5 141216 7.1 111220 5.6 81224 4.7 712e成 像 能 量 的 选 择透 过 率 ： T NSN02030%吸 收 衰 减 公 式 I I t 计 算0成 像 视 场 及 样 品 尺 寸 成 像 视 场 ： 探 测 器 能 接 收 到 的 X射 线 照 射 的 区 域 ， 即 探 测 器 视 场 和 光 斑 视 场 的 交 集 光 斑 视 场 主 要 由 晶 体
9、长 度 决 定8keV15keV空 间 分 辨 率光源 物点 像斑s L d空间分辨率主要由三个因素决定：光 源 尺 寸 s 光 源 到 物 的 距 离 L 物到像的距离dh 2x d L2y d5m （ 水 平 ）v 1.8mL （ 竖 直 ）探 测 器 英国Photonic Science公司 FDI-18mm X射线CCD 探测器 像素尺寸：10.9m10.9m，像素阵列：13001030视场范围：14mm11mm 英国Photonic Science公司 VHR-16M X射线CCD 探测器 像素尺寸：7.4m7.4m ，像素阵列 48723248视场范围：36mm 24mm（可选区成
10、像） 美国 Xradia公司分辨率可调X射线CCD 探测器可选像素尺寸3.25m，视场范围3.3mm 3.3mm可选像素尺寸0.65m，视场范围0.66mm0.66mm 像素阵列1024 1024。豚 鼠 耳 蜗 的 相 位 衬 度 成 像 与 首 都 医 科 大 学 合 作吸 收 衬 度 成 像 同 轴 相 位 衬 度 成 像 衍 射 增 强 相 位 衬 度 成 像大 鼠 肝 血 管 的 衍 射 增 强 成 像左 右 趾 位 图 像 左 右 腰 位 图 像 上 图 ： 峰 位 图 像下 图 ： 计 算 的 折 射 像原 位 观 察 合 金 生 长 过 程 枝 晶 生 长 形 态 的 动 态
11、过 程 。加 热 炉单 色 器 晶 体 分析晶体 探 测 器样 品 架 大 连 理 工 大 学 王 同 敏 课 题 组 合 作项 目 概 述三 、 纳 米 分 辨 成 像 系 统 由 科 学 院 和 财 政 部 联 合 支 持 的 重 大 科 研 装 备 研 制 项 目 ， 研 制 经 费 2300万 元 ， 研 制 周 期 为 30个 月 项 目 承 担 单 位 ： 中 国 科 学 院 高 能 物 理 所 2007年 7月 1日 启 动 2010年10月22日获得26nm的二维空间分辨率 2010年 10月 26日 通 过 测 试 验 收 2010年 10月 正 式 向 用 户 开 放 经
12、过 两 年 的 稳 定 运 行 ， 于 2012年 12月 20日 通 过 验 收 专 家 组 验 收泥页岩油气运移通道集 成 电 路纳 米 科 学 生 物 医 学硅酸锌纳米棒催化剂颗粒隐 翅 虫 储 精 囊 管高分子材料 PLGA氧化铁纳米颗粒土 壤 微 团 聚 体仿 生 材 料 (龙 虾 壳 )聚乳酸超大孔微球纳米CT成像技术的应用领域研 究 领 域 研 究 内 容 课 题 单 位铁系磁性空心微纳米材料的结构与性质研究 北 京 航 空 航 天 大 学微 纳 多 级 结 构 材 料 的 三 维 成 像 中 科 院 化 学 所新 型 生 化 微 载 体 的 制 备 与 结 构 表 征 中国科学
13、院过程工程研 究 所纳 米 科 学 微 纳 结 构 材 料催 化 剂 材 料 的 生 长 机 理 研 究 中 科 院 高 能 所仿生轻质高强纳米复合材料的功能与结构研究 北 京 大 学摩擦腐蚀多场耦合对医用钴合金纳米晶化的影响 北 京 科 技 大 学金属添加剂颗粒在高分子基质中分散行为的研究 北 京 大 学纳米材料及结构的力学新原理及精细表征技术研究 中 国 科 技 大 学功 能 材 料仿 生 材 料人 工 关 节 材 料复合材料、高分 子 材 料压力诱导流动场在通用高分子中构筑多级有序层状 微 观 结 构 东 华 大 学尼 龙 材 料 的 三 维 纳 米 结 构 研 究 北 京 大 学在 线
14、 可 控 多 功 能 聚 酯 纤 维 制 备 技 术 中 国 纺 织 科 学 研 究 院纺 织 化 工高 性 能 聚 合 物 纤 维 的 显 微 成 像 研 究 中 石 化 北 京 化 工 研 究 院纳米CT成像技术的应用领域研 究 领 域 研 究 内 容 课 题 单 位电 极 材 料 的 三 维 纳 米 结 构 研 究 中 科 院 物 理 所锂 电 池 材 料 的 三 维 结 构 研 究 北 京 大 学基于X射线成像技术研究SOFC电极的三维微结构 中科大国家同步辐 射 实 验 室利用微生物燃料电池研究典型复合污染对根际微生物 的 生 态 毒 理 效 应南 开 大 学能 源 材 料 电极、电
15、池材料 等中温固体氧化物燃料电池阴极铬沉积和铬毒化机理研 究中科院上海应用物 理 所天然气生成机理、资源潜力评价与战略选区 中国石油勘探开发 研 究 院页 岩 三 维 结 构 成 像 研 究 中科院地质与地球 物 理 研 究 所不同变形机制下煤岩纳米级孔隙结构演化过程及其机 理中 国 科 学 院 大 学中国华北地区中上元古界古油藏的成藏潜力 中国石油勘探开发 研 究 院石 油 勘 探 油页岩、泥页岩、 煤 岩 等页 岩 气 储 层 特征研 究与目 标优选 中 国 石 油 大 学纳米CT成像技术的应用领域研 究 领 域 研 究 内 容 课 题 单 位甲 虫 后 翅 的 纳米级 三维结 构研究 中
16、 科 院 动 物 所尘 螨 的 显 微 CT成 像 北 京 协 和 医 院生 物 形 态 学 动植物或体内微系 统水 稻 扇 型 植 硅体的 三维形 态结构 研究 中 国 科 学 院 大 学利用同步辐射技术研究金属纳米材料与生物体系的作 用中 科 院 高 能 所含钨、铌类多阴离子药物与细胞作用成像研究 苏 州 大 学利用纳米成像技术研究纳米材料与细胞的相互作用 中 科 院 高 能 所细 胞 生 物 学 细 胞细胞及组织内金属Zn分布硬X射线成像 南 京 大 学环 境 科 学 土 壤 微观尺度上土壤有机质稳定机理的研究 中 国 科 学 院 大 学其 它 太 空 灰 尘 太 空 灰 尘 的 内 部
17、 结 构 研 究 意大利INFN纳 米 分 辨 成 像 设 备光 学 显 微 镜 成 像 原 理纳 米 分 辨 成 像 原 理纳 米 分 辨 CT装 置 及 内 部 结 构纳 米 分 辨 成 像 系 统 主 要 性 能 指 标 分辨率：30 100 nm，视场范围： 10 60 m，能量覆盖范围：5 12keV常 规 X光 源 视 场 /分 辨 率8 keV（铜靶） 1515 m2/50 nm6060 m2/100 nm5.4 keV (铬 靶 ) 1515 m2/50 nm同 步 辐 射 光 源 视 场 /分 辨 率57 keV 1515 m2/50 nm79 keV1010 m2/30 n
18、m1515 m2/50 nm6060 m2/100 nm912 keV 1515 m2/50 nm海 胆 状 自 组 装 硅 酸 锌 纳 米 棒 催 化 剂 颗 粒 三 维 成 像TEM和 SEM结 果 纳 米 成 像 三 维 重 建 结 果 中 科 院 化 学 所 宋 卫 国 课 题 组 合 作高分子材料PLGA微球三维成像蛋白微 孔5um微球内部含孔隙，并附着有牛血清蛋白，纳米三维成像可准确探明蛋 白 在 微 球 内 部 的 分 布 及 体 积 比 等 ， 阐 明 微 球 携 带 蛋 白 的 能 力 。 中 山 大 学 张 永 明 课 题 组 合 作油 页 岩 纳 米 分 辨 三 维 成 像左 图 ： 三 维 透 视 显 示 右 图 ： 成 份 分 割 显 示油 页 岩 中 孔 的 体 积 、 形 状 和 连 通 性 等 特 性 对 评 估 油 页 岩 储 油 量 及 开 采 价 值 等 具 有 重 要 意 义 。Thanks！
