同步辐射应用入门

同步辐射是尖端粒子加速器设施，可产生洁净的高能 X 射线，构成 X 射线科学研究市场的重要部分。研究人员利用同步辐射进行蛋白质结构解析、纳米尺度材料成分测绘以及实时化学反应研究等应用。

Teledyne Princeton Instruments 提供专为同步辐射使用定制的高级 X 射线直接和间接探测相机。这些相机擅长处理高强度 X 射线通量，为成像和光谱学提供卓越的灵敏度和分辨率。

同步辐射是尖端粒子加速器设施，可产生洁净的高能 X 射线，构成 X 射线科学研究市场的重要部分。研究人员利用同步辐射进行蛋白质结构解析、纳米尺度材料成分测绘以及实时化学反应研究等应用。

Teledyne Princeton Instruments 提供专为同步辐射使用定制的高级 X 射线直接和间接探测相机。这些相机擅长处理高强度 X 射线通量，为成像和光谱学提供卓越的灵敏度和分辨率。同步辐射需要能够在具有挑战性的环境中将噪声降至最低同时保持稳健的相机，使研究人员能够精确探索原子和分子现象。

随着同步辐射不断开拓新的科学前沿，我们的创新探测技术助力材料科学、生物学等领域的发现。

同步辐射是一种粒子加速器，这些加速器利用电磁场使带电粒子（质子、电子等）以接近光速的速度运动。

加速器可以是直线形（称为 LINAC 或直线加速器），但通常为环形，以便更高效地加速粒子、使 X 射线更稳定，并使设备更紧凑。较旧的环形加速器具有恒定电磁场，称为回旋加速器，但较新设施将电磁场强度与粒子不断增加的速度同步，因此称为同步辐射。

同步辐射环的尺寸至关重要，环直径越大，每个磁铁弯曲粒子所需的程度越小，如图 1 所示。较小的同步辐射需要更强大的磁铁和电磁场来进一步弯曲每个粒子，因此设计难度更大、维护成本更高。设计非常大的环前期成本较高，但运行成本远低于小型环，且大型同步辐射可容纳更多光束线（同步辐射产生的 X 射线能量可用于科学研究区域）。因此，大多数现代同步辐射设施都非常大，最大的是著名的大型强子对撞机（LHC），直径 5.4 英里（8.7 km）。

虽然许多同步辐射设施用于使多个粒子碰撞（如 LHC），但有些同步辐射用作同步辐射光源。当带电粒子在同步辐射内被加速到高速时，会发射电磁辐射，即同步辐射光。在粒子碰撞研究中，这种背景辐射可能产生干扰并被滤除，但其他设施依赖这种辐射进行成像和光谱实验。

同步辐射光覆盖从红外（IR）到 X 射线的宽能量谱。同步辐射产生的 X 射线与典型医院使用的 X 射线在亮度上不同：同步辐射产生的 X 射线极其强烈（比医院 X 射线源强一千亿倍），高度偏振、相干，并以纳秒脉冲发射。这些强烈 X 射线可用于获取极其精确的信息，使同步辐射对希望用 X 射线进行成像或光谱实验的研究人员极具价值。

同步辐射光源的典型结构是设有一个环来加速带电粒子，称为增强器环，当这些粒子能量足够高以发射强烈 X 射线能量时，它们被移入储存环，储存环容纳称为光束线的实验站。每条光束线通常设计用于不同实验（例如成像与散射与光谱学），并在就绪时接收 X 射线能量。

同步辐射光源设施代表一个非常独特且充满活力的领域，截至 2024 年全球仅约 40 座，还有许多正在开发以满足对这些尖端研究设施日益增长的需求。

本节将按地区介绍这些设施。撰写时全球同步辐射数量如下：

• 欧洲/英国 – 15 座设施 • 亚太 – 14 座设施 • 美国/加拿大 – 7 座设施

欧洲/英国（15 座设施） • Diamond Light Source - UK • SOLEIL - France • European Synchrotron Radiation Facility (ERSF) - France • ALBA - Spain • Swiss Light Source - Switzerland • Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY I and II) - Germany • Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY) - Germany • KIT Synchrotron (KARA) - Germany • DELTA - Germany • ASTRID - Denmark • Elettra - Italy • SOLARIS - Poland • MAX IV – Sweden • CANDLE - Armenia • Central European Synchrotron Laboratory (CESLAB) - Czech Republic, In Development

美国/加拿大（7 座设施） • Canadian Light Source (CLS) - Canada • Advanced Light Source (ALS) - Berkeley, California • Stanford Synchrotron Radiation Light source (SSRL) - Stanford, California • Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD) - Louisiana State University • Advanced Photon Source (APS) – Illinois • Cornell High-Energy Synchrotron Source (CHESS) - Ithaca, New York • National Synchrotron Light Source II (NSLS II) - Brookhaven National Laboratory, New York

亚太（14 座设施）

• Indus 2 - India • Singapore Synchrotron Light Source (SSLS) - Singapore • National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL) - Hefei, China • Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) - Shanghai, China • Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF) - Beijing, China • Pohang Light Source II (PLS-II) - Pohang, South Korea • National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) – Taiwan • Hiroshima Synchrotron Radiation Center (HSRC) - Hiroshima, Japan • Ritsumeikan Synchrotron Radiation Center (RSRC) - Kyoto, Japan • Super Photon ring-8 (Spring-8) - Saitama, Japan • Photon Factory (PF) and NanoTerasu - Sendai, Japan • Australian Synchrotron (Melbourne, Australia) • High Energy Photon Source (HEPS) – China, In Development • Fourth-Generation Synchrotron Radiation Source (4GSR) - South Korea, In Development

全球可能仅约 40 座同步辐射，但每座都包含许多光束线。每条光束线本质上是储存环上的专用实验室，强烈的同步辐射可被引导并导向特定实验站和光学器件。

通常，每条光束线使用不同能量的同步辐射光，并针对特定应用，如成像或光谱学。每座同步辐射可有多达 50 条光束线。

例如，以下是英国 Diamond 光源的光束线分布：

研究人员竞标光束线使用时间，获得时段后可携带样品到现场采集数据。因此，每条光束线配备高灵敏度探测器至关重要，以便研究人员在有限时间内回答科学问题。

每条光束线可调至精确能量/波长，某些实验仅能用同步辐射实现。虽然部分光束线使用红外（IR）、近红外（NIR）、可见光和紫外（UV）波长，大多数使用 X 射线。通常，IR/NIR/可见/UV 用波长区分，IR/NIR 为 3200 – 800 nm，可见光为 800 – 350 nm，UV 为 350 – 190 nm。

然而 X 射线不同，通常用电子伏特（eV）能量区分，范围从 100 eV 到 100,000 eV（100 keV）。X 射线常进一步分为"软"或"硬"X 射线能量，虽无严格定义，软 X 射线约 100 – 10,000 eV，其余至 100 keV 为硬 X 射线。

硬 X 射线能量如此之高，直接暴露可损坏电子设备，因此无论使用软或硬 X 射线光束线，使用能检测适当能量范围的合适相机或光谱仪都很重要。

检测硬或软 X 射线能量通常有两种方法：直接和间接。直接 X 射线探测器在传感器上直接接收 X 射线能量，传感器通常为厚（> 100 µm）硅层或其他材料如碲化镉（CdTe）或砷化镓（GaAs），传感器将 X 射线能量转换为电信号和图像。

另一种为间接 X 射线探测器，X 射线能量首先击中闪烁体材料，将 X 射线能量转换为可见光，再用对可见光高灵敏度的相机（如典型现代 CMOS 相机）成像。在可见光相机上应用合适闪烁体本质上将其转换为 X 射线相机，但间接检测空间分辨率较低且有时间延迟。

本质上，直接探测器具有更高空间分辨率、灵敏度和速度，但最适合软 X 射线能量且制造成本通常更高。间接探测器可以较低成本成像极高能量 X 射线，但空间分辨率较低、图像质量下降。

在 Teledyne Princeton Instruments，我们提供一系列用于软 X 射线能量的直接和间接探测 CCD 相机，以及行业领先的 UV CCD 相机和 IR/NIR InGaAs 相机，以及用于可见光或带闪烁体硬 X 射线成像的最新 CMOS 技术。我们覆盖全光谱的解决方案。

让我们看看我们的 X 射线探测器解决方案！

PI-MTE3 系列是大画幅、全真空 CCD 相机，专为软 X 射线直接检测设计（灵敏度 1 – 30,000 eV）。

SOPHIA-XO 系列是大画幅、低噪声 CCD 相机，专为 EUV/VUV 和软 X 射线直接检测设计（灵敏度 1 – 30,000 eV）。

PIXIS-XO 系列是 CCD 相机，专为 EUV/VUV 和软 X 射线直接检测设计（灵敏度 1 – 30,000 eV），有成像或光谱格式可选。

PI-MTE3 系列是大画幅、全真空 CCD 相机，专为软 X 射线直接检测设计（灵敏度 1 – 30,000 eV）。

PIXIS-XF 系列是 CCD 相机，具有独特光纤设计和磷光屏，专为软 X 射线间接检测设计（经屏幕转换为可见光后灵敏度 3 – 20 keV）。可根据特殊要求提供定制磷光体。

多条光束线使用红外波长进行成像或光谱学。1000 nm 以上的红外波长对传统硅相机极具挑战，因低能量使传感器几乎透明。相反，铟镓砷（InGaAs）传感器在 900-1700 nm 具有极高灵敏度，在短波红外（SWIR）及 NIR-I/NIR-II 窗口表现优异。

NIRvana 系列 InGaAs 相机代表红外光束线的最佳选择。

NIRvana LN 是先进的 SWIR 相机，为具有挑战性的弱光应用提供卓越灵敏度和稳定性。适合需要在 SWIR 范围以长曝光时间捕获最微弱信号、采用低温冷却系统（故"LN"代表液氮）的研究人员。

NIRvana HS 是先进的 SWIR 相机，提供高速成像，全传感器可达 250 fps。适合需要捕获动态、快速 SWIR 信号而不牺牲灵敏度或分辨率的研究人员。