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第10期高分子通报·1·

专论

同步辐射小角和广角X射线散射在高分子材料研究中的应用

许璐1,柏莲桂1,颜廷姿1,王玉柱2,王劼2,李良彬13
(11中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029;
21上海光源,中国科学院上海应用物理研究所,上海201204)

摘要:同步辐射X射线散射是研究高分子材料不可替代的重要工具。第三代同步辐射光源—上海光源的
成功建设,标志着我国进入国际先进光源俱乐部,为我国高分子材料研究大发展提供了一个契机。本文结合作
者和国内外同行的工作,以具体案例的形式介绍了同步辐射小角和广角X射线散射在高分子材料研究中的一
些应用,阐述了同步辐射高亮度原位在线研究高分子材料结构形成和演化动力学以及结构与性能关系的独特
优势。同时介绍几种自主研制的原位装置和常用的X射线散射数据处理方法。希望本文能起到抛砖引玉的作
用,吸引更多的高分子研究同行利用同步辐射开展研究。
关键词:同步辐射X射线散射;高分子材料;结构2性能关系

1同步辐射

111同步辐射简介[1]
高速带电粒子在磁场中作曲线运动时会释放出电磁辐射,由于这种辐射是在同步加速器上第一次观
察到的,因此被称为同步加速器辐射,也就是我们通常所说的同步辐射。同步辐射源是产生、增强并利用
同步辐射的大型装置,包括两个部分:
(1)注入器主要功能是将带电粒子加速到同步辐射源要求的额定能量,然后注入到储存环内;
(2)储存环这是同步辐射的核心装置,带电粒子在其中作平稳的圆周运动,同时释放出同步辐射。
图1为第三代同步辐射光源示意图:

图1第三代同步辐射光源示意图[2]
Figure1Aschematicofthethird2generationsynchrotronradiation(SR)lightsource[2]

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50973103);科技部973支持项目(2010CB934504);中国科学院重大仪器支持项目
(YZ200927);百人计划择优支持项目(018);本文部分内容收入《晶体聚合物结构和X射线衍射》一书第15章;
作者简介:许璐(1985-),男,安徽寿县人,硕士研究生,从事高性能纤维的合成与表征,E2mail:[e-mail];
3通讯联系人:E2mail:[e-mail].

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·2·高分子通报2010年10月

高能粒子束在储存环内作循环运动。储存环设计有直线部分以用于安装插入件,如波荡器等。插入
件能够使粒子的振动降低从而得到同步辐射强束。强束通过一系列的光学元件,如单色器、聚焦器等,得
到具有特定性质的光束以用来检测样品。与普通的X射线相比,同步辐射X射线有着众多的优点:
(1)高亮度与一般的X射线相比,同步辐射光源亮度要高出几个数量级,而第三代光源由于使用各
种插件,其亮度比一般光源要高十几个数量级(如图2所示);
(2)偏振性好在高能运动电子方向上,同步辐射的瞬时偏振可达100%;
(3)准直性好同步辐射X射线有着天然的准直性和低发散度,这使得其源尺寸非常小。同步辐射
光束的平行性可以与激光束相媲美,能量越高光束的平行性越好;
(4)光谱连续覆盖了从远红外到硬X射线的各种波长;
(5)可精确计算。同步辐射X射线具有精确的可计算性,可以用来做各种波长的光源。
至今,同步辐射的发展经历了三代。第一代同步辐射光源并非为同步辐射应用来专门设计建设的,
而是伴随着高能物理研究的储存环和加速器运行,同步辐射只是一种副产物。如北京同步辐射装置,美
国康奈尔大学的电子同步加速器。
二十世纪七十年代,第一代同步辐射装置数量迅速增加,然而此时的同步辐射用户已经不满足于第
一代光源了,科学家迫切需要专门用于同步辐射应用的光源,也就是第二代光源。第二代光源是专门为
同步辐射应用而设计的,辐射的质量、储存环的结构都做了优化设计,辐射的性能大大提高,为科学研究
提供了一个非常广阔的平台。在此期间,世界各地建成一大批同步辐射专用光源,如美国Brookhaven实
验室的NSLS、英国Daresbury的SRS和合肥的国家同步辐射实验室(NSRL)。
科技的快速发展以及科学研究的深入对同步辐射有了更高的要求,从而促使了新一代、具有更高亮
度的同步辐射光源的产生,这就是一些国家已经和正在建造的第三代同步辐射光源。第三代同步辐射光
源是大量使用插件的低发射度储存环,其发出的同步辐射光的亮度比第二代光源要高出一百倍以上,比
普通的X射线光源要高出一亿倍。目前,已有11个第三代光源投入运行