说明：本文介绍了同步辐射与XAFS（X射线吸收精细结构）的基本概念、特征、关联以及在不同领域的应用，读者可系统学习到同步辐射和XAFS的原理与特性，了解二者在材料科学、化学、物理、生命科学以及能源环境等领域的广泛应用。
同步辐射是指当相对论性带电粒子（通常是电子，其速度接近光速）在磁场中做曲线运动时，沿切线方向发出的电磁辐射。1947年，在调试70MeV电子同步加速器时首次被观测到。
这种辐射的产生源于电子在磁场中受到洛伦兹力作用而改变运动方向，根据电动力学原理，做加速运动的带电粒子会辐射出电磁波。
同步辐射装置主要由电子加速器、储存环、光束线和实验站等部分组成。电子加速器将电子加速到接近光速，然后注入储存环。
在储存环中，电子在磁场作用下做圆周运动并持续辐射出同步辐射光。光束线则负责将储存环中引出的同步辐射光进行准直、聚焦、单色化等处理，使其满足不同实验的需求。最后，经过处理的光被传输到实验站，供科研人员开展各种实验研究。
图1：基于同步辐射的表征手段
XAFS即X射线吸收精细结构（X-ray Absorption Fine Structure），是指X射线吸收系数在吸收边附近的精细结构。当X射线照射到物质上时，原子中的电子会吸收X射线的能量并发生跃迁。
在吸收边附近，吸收系数随X射线能量的变化不是平滑的，而是呈现出一些振荡结构。
XAFS可分为两个区域，即近边X射线吸收精细结构（XANES，X-ray Absorption Near-Edge Structure）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS，Extended X-ray Absorption Fine Structure）。
XANES区域通常在吸收边附近0-50eV范围内，它对原子的局部几何结构和电子结构非常敏感，能提供诸如原子的氧化态、化学键的类型和对称性等信息。
EXAFS区域一般在吸收边以上50-1000eV甚至更高能量范围，主要反映吸收原子周围近邻原子的种类、数量、距离和无序度等结构信息。
图2：Mo单质的K边X射线吸收谱
光谱特性：同步辐射具有很宽的连续光谱，从远红外、可见光、紫外直到硬X射线波段（104~10-1埃）。这意味着它能覆盖众多科学研究领域所需的不同波段。例如，在材料科学中，红外波段可用于研究材料的分子振动特性，而硬X射线波段可用于研究材料的晶体结构。
其光谱的强度分布与电子的能量、磁场的强度以及电子运动的轨道半径等因素有关。通过调节这些参数，可以在一定程度上改变光谱的强度和分布。
偏振特性：在电子轨道平面内，同步辐射是完全偏振光，偏振度达到100%；在轨道平面上下则是椭圆偏振光，并且全部辐射中水平偏振占比约75%。
这种高度偏振的特性使得同步辐射在研究具有各向异性的材料时具有独特优势。比如在研究磁性材料时，利用偏振光可以更深入地了解材料中电子的自旋和轨道磁矩的取向。
准直特性：能量大于10亿电子伏的电子储存环产生的同步辐射光锥张角小于1毫弧度，接近平行光束，发射角小于普通激光束。这使得同步辐射光能够在长距离传输过程中保持较高的强度和分辨率，适用于对微小样品或远距离样品进行高精度的研究。
图3：同步辐射光源加速器
XAFS本身并不是一种辐射源，它是物质对X射线吸收的一种现象。XAFS谱图是基于物质对不同能量X射线的吸收情况绘制而成的。因此，它没有像同步辐射那样的光谱、偏振和准直等辐射特性。
不过，XAFS测量需要X射线源，常用的X射线源包括同步辐射光源和实验室X射线管。当使用同步辐射光源进行XAFS测量时，能够充分利用同步辐射的高亮度、宽光谱等特性，快速获得高质量的XAFS谱图。
相比之下，实验室X射线管产生的X射线强度较低，能量范围相对较窄，测量时间较长，但具有设备成本低、操作相对简单等优点，适用于一些对测量精度要求不是特别高的初步研究。
图:4：X射线实验示意图
XAFS作为一种基于物质对X射线吸收的分析技术，依赖于高质量的X射线源来进行精确的结构和电子态分析。
同步辐射作为一种高强度、宽光谱的X射线源，能够为XAFS测量提供理想的实验条件。其高亮度和宽光谱特性使得XAFS能够快速获得高质量的谱图，尤其适合对复杂样品或低浓度元素进行高精度分析。
此外，同步辐射的高偏振度和准直特性也为XAFS测量提供了独特的优势，使其在研究具有各向异性的材料时表现出色。因此，同步辐射是XAFS测量的优质光源，而XAFS则是同步辐射应用的重要领域之一。
物理领域：在凝聚态物理中，用于研究材料的电子结构、磁性、超导特性等。例如，通过角分辨光电子能谱（ARPES）技术，利用同步辐射光源可以精确测量材料中电子的能量和动量分布，从而揭示材料的能带结构和费米面。
在原子分子物理中，同步辐射可用于研究原子和分子的激发态、电离过程以及化学反应动力学等。
化学领域：在催化化学中，同步辐射技术可实时观察催化剂在反应过程中的结构变化和活性中心的动态演变，为开发高效催化剂提供理论依据。
在材料化学中，可用于研究材料的合成过程、晶体结构以及材料的表面和界面性质。例如，通过X射线衍射（XRD）和X射线吸收精细结构（XAFS）等技术，研究新型纳米材料的晶体结构和原子配位环境。
生命科学领域：在医学影像学方面，同步辐射光源可用于发展高分辨率的X射线成像技术，如相衬成像，能够提供比传统X射线成像更清晰的软组织图像，有助于早期疾病的诊断。
在分子生物学中，利用同步辐射的小角X射线散射（SAXS）和X射线晶体学等技术，可以研究生物大分子的结构和功能，如蛋白质的三维结构解析。
能源环境领域：在新能源材料研究中，同步辐射可用于研究太阳能电池材料、锂离子电池材料等的结构和性能关系，为提高能源转换和存储效率提供支持。
在环境科学中，可用于研究污染物在环境介质中的形态、分布和转化机制，例如利用XAFS技术研究土壤中重金属的化学形态和生物有效性。
材料科学：在金属材料研究中，XAFS可用于分析金属合金中原子的配位环境和化学键的变化，从而了解合金的性能与结构之间的关系。可用于探究陶瓷材料中离子的局部原子结构与畸变情况。例如，通过EXAFS研究了解BCZT陶瓷中铁电性能。
图5：原位XAFS用于量化场致八面体畸变（Ti偏心位移），并更好地了解BCZT陶瓷中铁电性能的起源
DOI：10.1016/j.ceramint.2021.05.201
地球科学：在地质样品研究中，XAFS可用于分析矿物中元素的化学形态和赋存状态。比如，研究地壳中微量元素在不同矿物相中的分布和结合方式，有助于了解地球的化学演化过程。在环境地球化学中，可研究土壤和沉积物中重金属的化学形态及其对环境的影响。
图6：XAFS用于重金属的形态分析
DOI：10.1016/j.trac.2019.115721
催化研究：XAFS是研究催化剂结构和活性中心的重要手段。它可以在原位条件下（即反应条件下）实时监测催化剂中活性组分的结构变化，如金属纳米颗粒的粒径、氧化态和配位环境的变化。
通过对这些信息的分析，能够深入理解催化反应的机理，为设计和优化高效催化剂提供关键依据。
图7：XAFS揭示了氧化铈Pt纳米颗粒的动态结构行为
DOI：10.1002/anie.201707842
本文系统介绍了同步辐射与XAFS的区别与联系。同步辐射是一种高强度、宽光谱的X射线源，具有独特的光谱、偏振和准直特性，广泛应用于物理、化学、生命科学和能源环境等领域。
XAFS是基于物质对X射线吸收的分析技术，依赖于X射线源，主要用于研究材料的局部结构和电子态。同步辐射为XAFS提供了理想的实验条件，二者结合在复杂样品分析中展现出巨大优势。
未来，随着同步辐射技术的不断发展和XAFS应用的拓展，其在新材料研发、环境治理和生物医学等领域的应用前景将更加广阔。