同步輻射光源原理構(gòu)造和特征

1、同步輻射光源的原理、結(jié)構(gòu)和特色.同步輻射光源的原理、結(jié)構(gòu)和特色.16/16同步輻射光源的原理、結(jié)構(gòu)和特色.同步輻射光源的原理和發(fā)展歷史同步輻射是電子在作高速曲線運(yùn)動時沿軌道切線方向產(chǎn)生的電磁波，因是在電子同步加快器上初次察看到，人們稱這類由湊近光速的帶電粒子在磁場中運(yùn)動時產(chǎn)生的電磁輻射為同步輻射，因為電子在圖形軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)時能量損失，故發(fā)出能量是連續(xù)散布的同步輻射光。對于由帶電粒子在圓周運(yùn)動時發(fā)出同步輻射的理論考慮可追憶到1889年Lienard的工作，進(jìn)一步的理論工作由Schott，Jassinsky，Kerst及Ivanenko，Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年

2、才達(dá)成，Blewett的研究工作初次波及同步輻射對電子加快器操作的影響，并察看到輻射對電子軌道的影響，Lee和Blewett較詳盡地給出了發(fā)展史的討論。到現(xiàn)在，同步輻射光源的建筑經(jīng)歷了三代，并向第四代發(fā)展。1）第一代同步輻射光源是在為高能物理研究建筑與電子加快器和積蓄環(huán)上的副產(chǎn)品。2）第二代同步輻射光源是專門為同步輻射的應(yīng)用而設(shè)計建筑的，美國的Brokhaven國家實驗室（BNL）兩位加快器物理學(xué)家Chasman和Green1把加快器上使電子彎轉(zhuǎn)、散熱等作用的磁鐵按特其余序列組裝成Chasman2Green陣列(Lattice，這類陣列在電子積蓄環(huán)中采納標(biāo)記住第二代同步輻射的建筑成功。（3）第

3、三代同步輻射光源的特色是大批使用插入件（InserctionDevices），即扭擺磁體（Wiggler）和波蕩磁體（Undulator）而設(shè)計的低發(fā)散度的電子積蓄環(huán)。表1為三代同步輻射光源的重要參數(shù)比較，此中表征性能的指標(biāo)是同步輻射亮度，發(fā)散度以及相關(guān)性。表1三代同步輻射光源主要性能指標(biāo)的比較Tab.1Comparisonofmainpropertiesofthethreegenerationsynchrotronradiationsources當(dāng)前，世界上已使用的第一代光源19臺，第二代24臺，第三代11臺。正在建設(shè)或設(shè)計中的第三代14臺，遍布美、英、歐、德、俄、日、中、印度、韓、瑞典、西

4、班牙和巴西等國家。大體可分為三類：第一類，是成立以VUV（真空紫外）為主的光源，借助積蓄環(huán)直線部分的扭擺磁體把光譜擴(kuò)展到硬X射線范圍，臺灣新竹SRRC和合肥NSRC光源屬此類。第二類，是利用同步電子加快器能在高能和中能兩種能模式下操作，可在同一臺電子同步加快器（加強(qiáng)器）下，成立VUV和X射線兩個電子積蓄環(huán)，位于美國長島Brookhaven國家實驗室（BNL）的國家同步輻光源（NSLS）屬于此類。第三類，是成立以X射線環(huán)為主同時兼?zhèn)銿UV的積蓄環(huán)，因為X射線環(huán)能供給硬X射線、軟X射線或和紫外及可見光到紅外的光譜散布，但長波部分的亮度較VUV環(huán)低些，自然也可用長波段進(jìn)行工作，上海同步輻射裝置（SS

5、RF）就屬此類。圖1為上海同步輻射裝置（SSRF）的平面表示圖，假如加強(qiáng)器能分別采納高能和中能兩種模式工作，在中能模式下操作，注入積蓄環(huán)供給光子通量較高，主要進(jìn)行VUV環(huán)的工作;在高能模式下操作，只需光束線和實驗站作合理部署，既能進(jìn)行硬X射線、軟X射線方面的工作，也能進(jìn)行很多VUV方面的工作。圖1上海同步輻射裝置（SSRF）結(jié)構(gòu)的平面表示圖Fig.1Planarmapofstructureforshanghaisynchrotronradiationfacility（SSRF）（4）近些年來，因為自由電子激光（FEL）技術(shù)的發(fā)展和成功應(yīng)用，以及在電子積蓄環(huán)的應(yīng)用，從自由電子激光（FEL）中引出

6、同步輻射已經(jīng)實現(xiàn)，這就是第四代同步輻射光源。第四代同步輻射光源的標(biāo)記性參數(shù)為：亮度要比第三代大兩個量級以上。第三代光源最高亮度已達(dá)1020phS-1mradmm-2(0.1BW-1，當(dāng)前第四代光源的亮度達(dá)1020phS-1mradmm-2(0.1BW-1；相關(guān)性。要求空間全相干，即橫向全相關(guān)；光脈沖長度要求到皮秒級，甚至小于皮秒級；多用戶和高堅固性。同步輻射光源的一大特色是多用戶和高堅固性，可同時有數(shù)百人進(jìn)行試驗。所以有人以為，同步輻射光源就像能量寬泛散布的一臺超大型激光光源，特別是光的相關(guān)大大改良的第三代和第四代同步輻射光源更是這樣。對于同步輻射理論和裝置方面的文件太多，文件2-4為該方面較

7、新的書本，可供需要者進(jìn)一步查閱。同步輻射光源結(jié)構(gòu)由圖1可見，同步輻射光源由一臺直線加快器、一臺電子同步加快器（又稱加強(qiáng)器，Booste）和電子積蓄環(huán)三大零件構(gòu)成。在直線加快器產(chǎn)生并加快后注入加強(qiáng)器連續(xù)加快到設(shè)定能量后，再注入電子積蓄環(huán)中作曲線運(yùn)動而在運(yùn)轉(zhuǎn)的切線方向射出同步輻射光。2.1直線加快器一般采納電子行波直線加快器，由以下幾部分構(gòu)成：（1）電子槍它供給加快用的電子束，由發(fā)射電子的陰極、對電子束聚焦的聚焦極和吸出電子的陽極構(gòu)成。平常陰極負(fù)高壓為40120keV，脈沖電流強(qiáng)度約幾百毫安。（2）低能電子束流輸運(yùn)線它將從電子槍出來的電子束注入到加快波導(dǎo)中，輸運(yùn)線上還有束流導(dǎo)向、聚焦、丈量及聚束等

8、裝置。（3）盤荷波導(dǎo)是電子直線加快器的主體，行波電子直線加快器的盤荷波導(dǎo)可分常阻抗和常梯度兩種，前者將波導(dǎo)的阻抗設(shè)計得各處同樣，后者則使波導(dǎo)上各處的加快場速度不變，平常采納前者?，F(xiàn)在加快波導(dǎo)幾乎都用無氧銅制成，盤荷波導(dǎo)的加工精度及表面粗拙度等工藝要求很高。（4）微波功率源與微波傳輸系統(tǒng)前者供給在電子直線加快器工作頻次波段成立加快電場所需的微波功率，把微波功率傳輸?shù)郊涌觳▽?dǎo)的傳輸系統(tǒng)包含間隔器、耦合器、真空窗和汲取載荷等元件。（5）真空系統(tǒng)加快波導(dǎo)的真空度一般應(yīng)為1.310-36.710-5Pa。（6）聚焦系統(tǒng)包含成立縱向磁場的螺線管、磁四極透鏡組及其電源與堅固調(diào)理系統(tǒng)，以供給電子束所需的橫向聚

9、焦。（7）水冷與恒溫系統(tǒng)電子行波直線加快器對溫度的堅固度和溫度梯度要求都很嚴(yán)格。（8）束流檢測系統(tǒng)對電子束的強(qiáng)度、剖面、發(fā)散度、能量、能譜、束團(tuán)相寬和相位能等進(jìn)行丈量。（9）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和控制加快器系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)、保護(hù)和調(diào)整等。（10）束流輸出系統(tǒng)把已加快的電子束輸運(yùn)到加強(qiáng)器連續(xù)加快。2.2電子同步加快器和電子盤旋加快器同步加快器的作用是把直線加快器出來的電子束連續(xù)加快到所需的能量，同時使束流強(qiáng)度和束流質(zhì)量獲取改良。一般采納強(qiáng)聚焦電子同步加快器，由以下幾部分構(gòu)成：（1）主導(dǎo)磁鐵（即二極磁鐵）指引電子束曲折作近似圓周運(yùn)動，很多塊二極磁鐵部署在電子束的理想軌道上，使電子展轉(zhuǎn)2角度。（2）聚焦磁鐵在

10、組合作用的同步加快器中設(shè)有獨立的聚焦磁鐵，是靠二極磁鐵極面形狀來實現(xiàn)聚焦的；對于分別作用的加快器，聚焦作用由四極磁鐵來肩負(fù)。不論是那種加快器，聚焦和散焦磁鐵都是交替擺列在電子的關(guān)閉軌道上，用F，D和O分別表示聚焦磁鐵、散焦磁鐵和自由空間。同步加快器的磁鐵結(jié)構(gòu)可寫為FOFDOD，有時用B表示曲折磁鐵，故可寫成FOBOD等形式。（3）校訂磁鐵二極磁鐵和四極磁鐵制造和安裝都會偏離設(shè)計要求，故惹起理想關(guān)閉電子軌道的畸變，所以必然對電子軌道進(jìn)行丈量和校訂。校訂是采納小型二極磁鐵或附帶在四極磁鐵上的二極場繞組進(jìn)行的。（4）真空室對磁場變化速率較快的加快器，其真空室采納高純氧化鋁陶瓷管，內(nèi)壁鍍一層金屬鎳，真

11、空度一般要求10-5Pa。（5）高頻加快腔電子加快是經(jīng)過高頻加快腔來實現(xiàn)的，并在固定頻次下工作。電子盤旋加快器(Microtron，又稱微加快器，是用改變倍頻系數(shù)的方法保證電子諧頻加快的盤旋式諧振加快器它分一般電子盤旋加快器、跑道式和超導(dǎo)跑道式電子盤旋加快器。電子盤旋加快器的加快系統(tǒng)主要由高頻功率源、傳輸波導(dǎo)友好振腔構(gòu)成。跑道式電子盤旋加快器，是把多腔結(jié)構(gòu)的直線電子加快器中加快電子的零件加以組合，于是在圓形軌道的基礎(chǔ)上增添了直線段，形狀像跑道，故稱跑道式電子盤旋加快器。當(dāng)采納超導(dǎo)電子直線加快器作加快設(shè)施時稱超導(dǎo)跑道式電子盤旋加快器。2.3電子積蓄環(huán)電子積蓄環(huán)是同步輻射光源的核心設(shè)施，它不只主要

12、用于累積電子，即不停地讓擁有所需能量電子注入并進(jìn)行累積，使積蓄的電子流抵達(dá)要求值并較長時間在積蓄環(huán)里循環(huán)運(yùn)動，還要使積蓄環(huán)的能量及磁鐵、聚焦結(jié)構(gòu)布局符合同步輻射光源用戶的需要。積蓄環(huán)的特色波長c、同步輻射的亮度和用戶的可容納度是三個重要參數(shù)。一般分為X射線環(huán)和VUV環(huán)兩種。積蓄環(huán)中的主要零件以下：（1）真空室真空度要求在10-7Pa左右。（2）曲折磁鐵使電子在圓弧中運(yùn)動。（3）四極磁鐵因積蓄環(huán)常?？杀辉O(shè)計成多種方式運(yùn)轉(zhuǎn)，即可在不同樣工作點上工作，所以四極磁鐵的磁場梯度在較大范圍內(nèi)變化時都應(yīng)使四極磁鐵有足夠好的場區(qū)。(4插入元件是指在積蓄環(huán)的直線段上插入的扭擺磁鐵(Wiggler多很多周期的扭擺

13、器(multipolewiggler和波蕩磁體(Undulator等，它們的作用是在不提升積蓄環(huán)的能量和束流強(qiáng)度的條件下能獲取更短波長和更高通量的同步輻射光，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。射頻腔和相關(guān)供電系統(tǒng)以增補(bǔ)電子束到同步輻射過程的能量損失。同步輻射光源的主要特色與一般X射線光源比較較，同步輻射光源有以下特色：（1）高強(qiáng)度，更的確講是高亮度同步輻射X射線亮度比60kW旋轉(zhuǎn)陽極X射線源所出的特色輻射的亮度分別超出36個數(shù)目級。描繪高亮度的另一參量是光子通量，即光子/smm2mrad210-3BW。前面提到，第二代同步輻射光源的光通量達(dá)10151016，第三代光源達(dá)10171020，到了第四代，光子能量可1

14、022，已大大超出高功率的激光器。從這個意義上講，一臺同步輻射光源相當(dāng)于無數(shù)臺激光器。（2）寬而連續(xù)散布的譜范圍圖3給出日本光子工廠(PF同步輻射光源的光譜散布圖。可見其波譜的散布超越了從紅外可見光紫外軟X射線硬X射線整個范圍。Wiggler和Undulator的作用也明顯可見。試驗所用的波長能方便地使用光柵單色或晶體單色器從連續(xù)譜中選出。譜散布的一個重要特色是臨界波長c（又稱特色波長），所謂特色波長是指這個波長擁有表征同步輻射譜的特色，即大于c和小于c的光子總輻射能量相等，0.210c占總輻射功率的95%左右，應(yīng)選0.210c為同步輻射裝置的可用波長是有充分原因的。（3）高度偏振同步輻射在運(yùn)

15、動電子方向的剎時軌道平面內(nèi)電場矢量擁有100%偏振，遍布全部角度和波長積分約75%偏振，在中平面之外呈橢圓偏振。圖4歸納了不同樣波長的單個電子的平行偏振重量、垂直偏振重量強(qiáng)度與發(fā)射角的關(guān)系，由圖4可知，當(dāng)c時，即曲線1，張角近似為r-1；在較短波時，張角變得較??；較長時，張角變得大得多，當(dāng)=100c時，張角達(dá)4r-1。（4）脈沖時間結(jié)構(gòu)由積蓄環(huán)的機(jī)構(gòu)惹起，即由輻射阻尼現(xiàn)象惹起，當(dāng)電子從加強(qiáng)器注入積蓄環(huán)，且當(dāng)注入的束團(tuán)幾乎充滿積蓄環(huán)真空不可以再注入電子時，因為自由振蕩和同步輻射以及不停地由高頻腔給電子供給能量增補(bǔ)，使其自由振蕩的振幅愈來愈小，這類現(xiàn)象稱輻射阻尼。當(dāng)經(jīng)過23倍阻尼時間后振幅已變得小

16、得多，這就意味著束團(tuán)尺寸已由注入最后時的滿真空室變得只占真空的1/10空間了。所以可進(jìn)行注入23倍阻尼時間的重復(fù)過程，這樣即累積了電子數(shù)，并且束團(tuán)的橫向尺寸變小，長度也短。詳盡脈沖時間間隔與積蓄環(huán)的參數(shù)和使用模式相關(guān)，已獲取范圍為2.8780ns。第三代同步輻射光源的最小光脈沖時間約達(dá)30ps。同步輻射源的脈沖時間結(jié)構(gòu)能用來進(jìn)行時間分辨光譜和時間分辨衍射研究，已在晶體學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)方面獲取應(yīng)用。（5）準(zhǔn)直性好因為天然的準(zhǔn)直性和低的發(fā)散度，使得有小的源尺寸。同步輻射光束的平行性可以與激光束相媲美。能量越高光束的平行性越好。（6）同步輻射的相關(guān)性不停提升第一代和第二代同步輻射光源的相關(guān)性較差，到了第三代光的相關(guān)性已相當(dāng)好，估計第四代同步輻射光源的相關(guān)性將更好，且擁有空間全相關(guān)性。（7）同步輻射實驗站的設(shè)施弘大，試樣四周空間大