同步輻射和課程

同步輻射和課程第1頁/共47頁2·微波波段的開發(fā)

?雷達(dá)、導(dǎo)航、射頻加速器技術(shù)迅速發(fā)展促進(jìn)了波譜學(xué)、核物理、航天科學(xué)的發(fā)展。

·x射線波段的開發(fā)

?透視、探傷、集成電路光刻，

促進(jìn)了晶體學(xué)、醫(yī)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展。

·激光技術(shù)開發(fā)了紅外—紫外的強(qiáng)電磁波源?激光手術(shù)，激光加工，激光通訊……。第2頁/共47頁3·

同步輻射和自由電子激光則是下一代的激光，

它們大大促進(jìn)了表面物理，光化學(xué)，光生物學(xué)，形貌術(shù)，血管造影等的發(fā)展并開辟出新的科學(xué)研究領(lǐng)域，誰掌握了新的電磁波資源誰就掌握了新的科學(xué)技術(shù)手段，并開辟出新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。第3頁/共47頁41947年4月16日，美國通用電氣公司的實(shí)驗(yàn)室在調(diào)試能量為70MeV的電子同步加速器時，偶然看到加速器里有強(qiáng)烈“藍(lán)白色的弧光”，光的顏色隨電子的能量變化而變化：當(dāng)電子能量降到40兆電子伏時，光變?yōu)辄S色；降到30兆電子伏時，變?yōu)榧t色且強(qiáng)度變?nèi)?；降?0兆電子伏時，就什么也看不見了。一.同步輻射(SynchrotronRadiation)第4頁/共47頁51,原理

帶電粒子有加速度時就會放出電磁輻射qv帶電粒子(流)以恒定速度運(yùn)動,相當(dāng)于穩(wěn)恒電流,產(chǎn)生恒定的磁場若有加速度產(chǎn)生變化的磁場感應(yīng)出變化的電場產(chǎn)生電磁輻射

這種由同步加速器中的電子輻射的電磁波稱為“同步加速器輻射”，簡稱“同步輻射”。第5頁/共47頁6

電荷q，加速度a,在與成

q角方向上的單位立體角內(nèi)的輻射功率為rav,aqqddpdqacSinPSinW==2220320216peqq

(1)對4p空間積分得輻射的總功率為：(2)pdEdtqac==?è???2342203pe第6頁/共47頁7通常遇到的有三種典型情況:

偶極輻射——

軔致輻射——X射線的連續(xù)譜

同步輻射——環(huán)形軌道上加速電子，轉(zhuǎn)圈，有向心加速度，放出輻射。

19世紀(jì)末林納德等人就提出這將是一種很強(qiáng)的輻射源。

1947年FloydHaber首次在70MeV的同步加速器上觀察到這種輻射。無線電天線av第7頁/共47頁8電子能量很高考慮相對論，()Pqac=?è???-23411220322peb在軌道平面內(nèi)，取q為相對于rv的夾角()()520cos1cosqbbq--=WPddpb?0時，rrav^時在pdEdtqac==?è???2342203pedpdqacSinPSinW==2220320216peqqav過渡到非相對論情況第8頁/共47頁9q=0o時，dpdPW=-????￥?0311()bbcoscosqbqb==±-，1=0

時，

dpdW=0輻射向前方發(fā)射原因：動量守恒，加速的能量動量為光子帶走2q0()()520cos1cosqbbq--=WPddp第9頁/共47頁102,特點(diǎn)A.能譜范圍寬可從紅外到x射線產(chǎn)生連續(xù)譜，峰值和電子能量有關(guān)，特征波長lcA()o：

lcARE().o=5593R：電子軌道半徑(m)，E：電子能量(GeV)

cl)(oA2.5Gev10.70.4110102

103104λN第10頁/共47頁11B.方向性好q0軌道平面內(nèi)的半張角

，cosqb0=gbq/1/1220==-=EcmeEMeVrad===510100000010，，gq.BEPCEGeV：，==￠￠￠2821150.q離光源幾十米也可得高強(qiáng)度的小光斑q01b2q0第11頁/共47頁12

C.高功率高亮度

()Pqac=?è???-23411220322peb

Emce=-2121()/b2avRcR==222b環(huán)形電流

IvqR=2p，

avRvcRIR242332==μb

()b?1E4第12頁/共47頁13可得:PEIR=88474./單位：

Pkw-，EGeV-，IA-，Rm-，若E=1GeV，R=3.33m，I=0.5A,P=13.3kw超大功率X光管P?10w同步輻射發(fā)光點(diǎn)小(mm2),

功率大,亮度高北京同步輻射裝置的輻射功率可達(dá)6萬瓦合肥的同步輻射裝置的輻射功率為6千瓦第13頁/共47頁14D.

脈沖光源，有特定的時間結(jié)構(gòu)在加速器儲存環(huán)中電子以束團(tuán)形式運(yùn)動。電子束團(tuán)長度決定了光脈沖的寬度。環(huán)形加速器的周長則決定了脈沖的周期，對于1個周長為L的加速器，由于能量為GeV量級，電子的速度已十分接近光速，所以脈沖周期為T=L/c。如果電子束團(tuán)長度為S，則脈沖的持續(xù)時間，即脈沖寬度為t=S/c。第14頁/共47頁15北京同步輻射裝置：周長=240.4米，假設(shè)只有一個束團(tuán)運(yùn)行，束團(tuán)長S=3厘米脈沖周期T=0.8微秒脈沖寬度τ=0.1納秒t=100psT=0.8ms

利用特定的時間結(jié)構(gòu)可以研究物質(zhì)的動態(tài)和瞬態(tài)過程。

如在生命科學(xué)中為對細(xì)胞進(jìn)行活體動態(tài)研究，可利用脈沖光把動態(tài)變化的照片一幅幅拍下來。第15頁/共47頁16

E.高度偏振在電子軌道平面內(nèi)是線偏振光，有利于研究各向異性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

F.高穩(wěn)定度強(qiáng)度穩(wěn)定，發(fā)光點(diǎn)位置穩(wěn)定，重復(fù)性好。例如T=0.8微秒，則在8微秒中可拍10張照片，因?yàn)棣雍苄?，所以可以觀察到活體的瞬間動態(tài)變化。第16頁/共47頁173.

同步輻射總體裝置同步輻射加速器總體組成直線加速器增強(qiáng)器儲存環(huán)光束線實(shí)驗(yàn)站第17頁/共47頁18合肥中國科技大學(xué)電子同步輻射加速器的總體布局圖速調(diào)管走廊200MeV電子直線加速器核物理實(shí)驗(yàn)大廳束流輸運(yùn)線800MeV電子儲存環(huán)第18頁/共47頁19合肥中國科技大學(xué)800MeV電子儲存環(huán)儲存環(huán)(StorageRing)

第19頁/共47頁20儲存環(huán)示意圖插入裝置：產(chǎn)生各類不同特征的同步輻射彎轉(zhuǎn)磁鐵：產(chǎn)生同步輻射同步加速腔：加速電子，補(bǔ)充能量真空槽：10-10托以下減少碰撞損失光束線能量四極磁鐵：以透鏡機(jī)制聚焦光束線第20頁/共47頁21軟X射線顯微術(shù)光化學(xué)時間分辨光譜光電子能譜光刻擴(kuò)展X光吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光聲光熱輻射標(biāo)準(zhǔn)與計量紅外與遠(yuǎn)紅外同步輻射實(shí)驗(yàn)站第21頁/共47頁22生物蛋白大分子結(jié)構(gòu)分析，生物細(xì)胞三維成象，斷層掃描分析，微電子學(xué):心血管造影，光刻，微機(jī)械加工，…………生物：醫(yī)學(xué)：………………4,應(yīng)用晶體缺陷研究,表面界面研究，極端條件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，材料科學(xué)：……第22頁/共47頁23輻射線光刻微加工示意圖

同步輻射光的準(zhǔn)直性好強(qiáng)度高衍射極小大大縮小光刻線的線寬。光刻：掩膜基底抗蝕結(jié)構(gòu)顯影

同步輻射已經(jīng)可以制造0.07mm的芯片?？刮g劑第23頁/共47頁24美國IBM公司光刻線寬為0.25微米的芯片第24頁/共47頁25微型齒輪與螞蟻微型齒輪高度:150μm直徑:260μm超微加工：80年代中發(fā)展了一種叫做LIGA的技術(shù)，它可以制作微齒輪、微馬達(dá)、微泵、微照明燈具、微傳感器等。這種微機(jī)械加工可得到線條寬度為幾個或幾十個微米、高度為幾十到幾百微米的機(jī)件。第25頁/共47頁265,進(jìn)展第一代光源17臺

與高能物理兼用第二代光源23臺

專用·BSRL(北京)2.8GeV

lc26=.Ao·

NSRL(合肥)0.8GeV

lc=24Ao第三代光源～20臺在存儲環(huán)中加入插入件:

扭擺磁鐵波蕩器....大大提高同步輻射光的亮度并產(chǎn)生部分相干光第26頁/共47頁27·臺灣1.3GeVlc=889.Ao·上海3.5GeV

能量世界第四

投資14.34億，2009.4建成，包括：

?150MeV的電子直線加速器，

?周長為180米、能量為3.5GeV的增強(qiáng)器，

?周長達(dá)432米、能量為3.5GeV的電子儲存環(huán)，

?沿電子儲存環(huán)外側(cè)分布的多條光束線，可建60條

產(chǎn)生0.1-70KeV高性能同步輻射光

Ec=10KeV第27頁/共47頁28首批開放的7條光束線與實(shí)驗(yàn)站：

?生物大分子晶體學(xué)線站

?XAFS（x射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)）線站

?硬X射線微聚焦及應(yīng)用線站

?X射線成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站

?軟X射線譜學(xué)顯微線站

?衍射線站和X射線小角散射線站參考：“現(xiàn)代物理知識”2010.3

第28頁/共47頁29第29頁/共47頁30第30頁/共47頁31第31頁/共47頁32第32頁/共47頁33第33頁/共47頁34二.自由電子激光(FreeElectronLaser)普通激光：原子或分子產(chǎn)生的受激相干輻射自由電子激光：自由電子產(chǎn)生的受激相干輻射1971年JohnMaday從理論上提出

76—77建成了第一臺紅外波長(10.6)的

FELE=24MeVI=74mA第34頁/共47頁35SNSNSNSNSN

扭擺磁鐵電子加速器反射鏡半透反射鏡電子在磁場中作搖擺運(yùn)動輻射出電磁波，裝置：主要在Z方向，半角寬為xyz第35頁/共47頁36A，B兩點(diǎn)發(fā)光要相干即要B點(diǎn)剛發(fā)的光和B’的光同相位，即前方原理

1,相干AB兩點(diǎn)相距(磁場周期),輻射波長為ABB’A’z電子沿Z方向的速度為xyzn=1,2,3,..第36頁/共47頁37ABB’A’zxyz這是同一個電子(團(tuán))在不同位置處發(fā)光(z方向)的相干條件如果不同的電子(團(tuán))在z方向的間距等于則它們在z方向發(fā)光的光程差為,即為相干光產(chǎn)生相長干涉。第37頁/共47頁382,受激——電子動能轉(zhuǎn)化為光能

光輻射是偏振的，電矢量沿x方向振動扭擺電子有x方向的分速度，若光的電場正好使電子減速，則電子能量減少，光輻射能量增加——受激。xyzvvz第38頁/共47頁39dtdmcEve2=.-rr單位時間內(nèi)電場對電子作的功為:若的積分效果大于零，則電子束能量減少輻射場受激當(dāng)電子沿Z方向穿過半個距離使反向時也要反向。即要輻射場多走半個的奇數(shù)倍或vvz第39頁/共47頁40k=0,1,2,..n=1,3,5,..通常取n=1由電子在扭擺磁場中的運(yùn)動軌跡和上述條件可得:

：扭擺磁場強(qiáng)度，單位為T，單位為m相干:如果不同的電子(團(tuán))在z方向的間距都等于則所有的電子都把能量傳給輻射場使其受激第40頁/共47頁41當(dāng)電子束能量為100MeV時～3,群聚電子在一個波長范圍內(nèi)聚集成團(tuán),各團(tuán)在z方向的間距為一個波長向左B向外，向右vvz