同步輻射光源的原理構(gòu)造和特征(共9頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1 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(dòng)時(shí)沿軌道切線方向產(chǎn)生的電磁波，因是在電子同步加速器上首次觀察到，人們稱這種由接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射為同步輻射，由于電子在圖形軌道上運(yùn)行時(shí)能量損失，故發(fā)出能量是連續(xù)分布的同步輻射光。關(guān)于由帶電粒子在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出同步輻射的理論考慮可追溯到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年才完成，Blewett的研究工作首次涉及同步輻射對(duì)電子加速器操作的影響

2、，并觀察到輻射對(duì)電子軌道的影響，Lee和Blewett較詳細(xì)地給出了發(fā)展史的評(píng)論。至今，同步輻射光源的建造經(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造與電子加速器和儲(chǔ)存環(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(jì)建造的，美國(guó)的 Brokhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BNL）兩位加速器物理學(xué)家Chasman和Green1把加速器上使電子彎轉(zhuǎn)、散熱等作用的磁鐵按特殊的序列組裝成 Chasman2Green 陣列(Lattice，這種陣列在電子儲(chǔ)存環(huán)中采用標(biāo)志著第二代同步輻射的建造成功。（3）第三代同步輻射光源的特征是大量使用插入件（Inserction

3、Devices），即扭擺磁體（Wiggler）和波蕩磁體（Undulator）而設(shè)計(jì)的低發(fā)散度的電子儲(chǔ)存環(huán)。表1為三代同步輻射光源的重要參數(shù)比較，其中表征性能的指標(biāo)是同步輻射亮度，發(fā)散度以及相干性。表1 三代同步輻射光源主要性能指標(biāo)的比較Tab.1 Comparison of main properties of the three generationsynchrotron radiation sources目前，世界上已使用的第一代光源19臺(tái)，第二代24臺(tái)，第三代11臺(tái)。正在建設(shè)或設(shè)計(jì)中的第三代14臺(tái)，遍及美、英、歐、德、俄、日、中、印度、韓、瑞典、西班牙和巴西等國(guó)家。大概可分為三類：第一

4、類，是建立以VUV（真空紫外）為主的光源 ，借助儲(chǔ)存環(huán)直線部分的扭擺磁體把光譜擴(kuò)展到硬X射線范圍，臺(tái)灣新竹SRRC和合肥NSRC光源屬此類。第二類，是利用同步電子加速器能在高能和中能兩種能模式下操作，可在同一臺(tái)電子同步加速器（增強(qiáng)器）下，建立VUV和X射線兩個(gè)電子儲(chǔ)存環(huán)，位于美國(guó)長(zhǎng)島Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BNL）的國(guó)家同步輻光源（NSLS）屬于此類。第三類，是建立以X射線環(huán)為主同時(shí)兼顧VUV 的儲(chǔ)存環(huán)，因?yàn)閄射線環(huán)能提供硬X射線、軟X射線或和紫外及可見(jiàn)光到紅外的光譜分布，但長(zhǎng)波部分的亮度較VUV環(huán)低些，當(dāng)然也可用長(zhǎng)波段進(jìn)行工作，上海同步輻射裝置（SSRF）就屬此類。圖1為上海同步輻射

5、裝置（SSRF）的平面示意圖，如果增強(qiáng)器能分別采用高能和中能兩種模式工作，在中能模式下操作，注入儲(chǔ)存環(huán)提供光子通量較高，主要進(jìn)行VUV環(huán)的工作;在高能模式下操作，只要光束線和實(shí)驗(yàn)站作合理布置，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)的平面示意圖Fig.1 Planar map of structure for shanghai synchrotron radiation facility（SSRF）（4）近些年來(lái)，由于自由電子激光（FEL）技術(shù)的發(fā)展和成功應(yīng)用，以及在電子儲(chǔ)存環(huán)的應(yīng)用，從自由電子激光（FEL）中引出同步輻射已經(jīng)實(shí)

6、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)志性參數(shù)為：亮度要比第三代大兩個(gè)量級(jí)以上。第三代光源最高亮度已達(dá)1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW-1，目前第四代光源的亮度達(dá)1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW-1；相干性。要求空間全相干 ，即橫向全相干；光脈沖長(zhǎng)度要求到皮秒級(jí)，甚至小于皮秒級(jí)；多用戶和高穩(wěn)定性。同步輻射光源的一大特點(diǎn)是多用戶和高穩(wěn)定性，可同時(shí)有數(shù)百人進(jìn)行試驗(yàn)。因此有人認(rèn)為，同步輻射光源就像能量廣泛分布的一臺(tái)超大型激光光源，特別是光的相干大大改善的第三代和第

7、四代同步輻射光源更是如此。關(guān)于同步輻射理論和裝置方面的文獻(xiàn)太多，文獻(xiàn)2-4為該方面較新的書籍，可供需要者進(jìn)一步查閱。2 同步輻射光源構(gòu)造由圖1可見(jiàn)，同步輻射光源由一臺(tái)直線加速器、一臺(tái)電子同步加速器（又稱增強(qiáng)器，Booste）和電子儲(chǔ)存環(huán)三大部件組成。在直線加速器產(chǎn)生并加速后注入增強(qiáng)器繼續(xù)加速到設(shè)定能量后，再注入電子儲(chǔ)存環(huán)中作曲線運(yùn)動(dòng)而在運(yùn)行的切線方向射出同步輻射光。2.1直線加速器一般采用電子行波直線加速器，由以下幾部分組成：（1）電子槍 它提供加速用的電子束，由發(fā)射電子的陰極、對(duì)電子束聚焦的聚焦極和吸出電子的陽(yáng)極組成。通常陰極負(fù)高壓為40120keV，脈沖電流強(qiáng)度約幾百毫安。（2）低能電子束

8、流輸運(yùn)線 它將從電子槍出來(lái)的電子束注入到加速波導(dǎo)中，輸運(yùn)線上還有束流導(dǎo)向、聚焦、測(cè)量及聚束等裝置。（3）盤荷波導(dǎo) 是電子直線加速器的主體，行波電子直線加速器的盤荷波導(dǎo)可分常阻抗和常梯度兩種，前者將波導(dǎo)的阻抗設(shè)計(jì)得各處相同，后者則使波導(dǎo)上各處的加速場(chǎng)速度不變，通常采用前者。現(xiàn)在加速波導(dǎo)幾乎都用無(wú)氧銅制成，盤荷波導(dǎo)的加工精度及表面粗糙度等工藝要求很高。（4）微波功率源與微波傳輸系統(tǒng) 前者提供在電子直線加速器工作頻率波段建立加速電場(chǎng)所需的微波功率，把微波功率傳輸?shù)郊铀俨▽?dǎo)的傳輸系統(tǒng)包括隔離器、耦合器、真空窗和吸收載荷等元件。（5）真空系統(tǒng) 加速波導(dǎo)的真空度一般應(yīng)為1.3×10-36.7&#

9、215;10-5 Pa。（6）聚焦系統(tǒng) 包括建立縱向磁場(chǎng)的螺線管、磁四極透鏡組及其電源與穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以提供電子束所需的橫向聚焦。（7）水冷與恒溫系統(tǒng) 電子行波直線加速器對(duì)溫度的穩(wěn)定度和溫度梯度要求都很嚴(yán)格。（8）束流檢測(cè)系統(tǒng) 對(duì)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)行測(cè)量。（9）控制系統(tǒng) 負(fù)責(zé)管理和控制加速器系統(tǒng)的運(yùn)行、保護(hù)和調(diào)整等。（10）束流輸出系統(tǒng) 把已加速的電子束輸運(yùn)到增強(qiáng)器繼續(xù)加速。2.2電子同步加速器和電子回旋加速器同步加速器的作用是把直線加速器出來(lái)的電子束繼續(xù)加速到所需的能量，同時(shí)使束流強(qiáng)度和束流品質(zhì)得到改善。一般采用強(qiáng)聚焦電子同步加速器，由下列幾部分組成

10、：（1）主導(dǎo)磁鐵（即二極磁鐵）引導(dǎo)電子束彎曲作近似圓周運(yùn)動(dòng)，很多塊二極磁鐵安放在電子束的理想軌道上，使電子回轉(zhuǎn) 2角度。（2）聚焦磁鐵在組合作用的同步加速器中設(shè)有獨(dú)立的聚焦磁鐵，是靠二極磁鐵極面形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦的；對(duì)于分離作用的加速器，聚焦作用由四極磁鐵來(lái)承擔(dān)。無(wú)論是那種加速器，聚焦和散焦磁鐵都是交替排列在電子的封閉軌道上，用F，D和O分別表示聚焦磁鐵、散焦磁鐵和自由空間。同步加速器的磁鐵結(jié)構(gòu)可寫為FOFDOD，有時(shí)用B表示彎曲磁鐵，故可寫成FOBOD等形式。（3）校正磁鐵二極磁鐵和四極磁鐵制造和安裝都會(huì)偏離設(shè)計(jì)要求，故引起理想封閉電子軌道的畸變，所以必須對(duì)電子軌道進(jìn)行測(cè)量和校正。校正是采用小型

11、二極磁鐵或附加在四極磁鐵上的二極場(chǎng)繞組進(jìn)行的。（4）真空室對(duì)磁場(chǎng)變化速率較快的加速器，其真空室選用高純氧化鋁陶瓷管，內(nèi)壁鍍一層金屬鎳，真空度一般要求10-5Pa。（5）高頻加速腔電子加速是通過(guò)高頻加速腔來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并在固定頻率下工作。電子回旋加速器(Microtron，又稱微加速器，是用改變倍頻系數(shù)的方法保證電子諧頻加速的回旋式諧振加速器它分普通電子回旋加速器、跑道式和超導(dǎo)跑道式電子回旋加速器。電子回旋加速器的加速系統(tǒng)主要由高頻功率源、傳輸波導(dǎo)和諧振腔組成。跑道式電子回旋加速器，是把多腔結(jié)構(gòu)的直線電子加速器中加速電子的部件加以組合，于是在圓形軌道的基礎(chǔ)上增加了直線段，形狀像跑道，故稱跑道式電子回

12、旋加速器。當(dāng)采用超導(dǎo)電子直線加速器作加速設(shè)備時(shí)稱超導(dǎo)跑道式電子回旋加速器。2.3電子儲(chǔ)存環(huán)電子儲(chǔ)存環(huán)是同步輻射光源的核心設(shè)備，它不僅主要用于積累電子，即不斷地讓具有所需能量電子注入并進(jìn)行積累，使儲(chǔ)存的電子流到達(dá)要求值并較長(zhǎng)時(shí)間在儲(chǔ)存環(huán)里循環(huán)運(yùn)動(dòng)，還要使儲(chǔ)存環(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。儲(chǔ)存環(huán)的特征波長(zhǎng)c、同步輻射的亮度和用戶的可容納度是三個(gè)重要參數(shù)。一般分為X射線環(huán)和VUV環(huán)兩種。儲(chǔ)存環(huán)中的主要部件如下：（1）真空室真空度要求在10-7Pa左右。（2）彎曲磁鐵使電子在圓弧中運(yùn)動(dòng)。（3）四極磁鐵因儲(chǔ)存環(huán)往往可被設(shè)計(jì)成多種方式運(yùn)行，即可在不同工作點(diǎn)上工作，因此四極磁鐵的磁

13、場(chǎng)梯度在較大范圍內(nèi)變化時(shí)都應(yīng)使四極磁鐵有足夠好的場(chǎng)區(qū)。(4插入元件是指在儲(chǔ)存環(huán)的直線段上插入的扭擺磁鐵(Wiggler多極多周期的扭擺器( multipole wiggler和波蕩磁體(Undulator 等，它們的作用是在不提高儲(chǔ)存環(huán)的能量和束流強(qiáng)度的條件下能得到更短波長(zhǎng)和更高通量的同步輻射光，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。射頻腔和有關(guān)供電系統(tǒng)以補(bǔ)充電子束到同步輻射過(guò)程的能量損失。4 同步輻射光源的主要特征與一般X射線光源相比較，同步輻射光源有如下特征：（1）高強(qiáng)度，更確切講是高亮度同步輻射X射線亮度比60kW旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線源所出的特征輻射的亮度分別高出36個(gè)數(shù)量級(jí)。描述高亮度的另一參量是光子通量，即光子

14、/s·mm2·mrad2·10-3BW。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>1022，已大大超過(guò)高功率的激光器。從這個(gè)意義上講，一臺(tái)同步輻射光源相當(dāng)于無(wú)數(shù)臺(tái)激光器。（2）寬而連續(xù)分布的譜范圍圖3給出日本光子工廠( PF同步輻射光源的光譜分布圖?？梢?jiàn)其波譜的分布跨越了從紅外可見(jiàn)光紫外軟X射線硬X射線整個(gè)范圍。Wiggler和Undulator的作用也顯然可見(jiàn)。試驗(yàn)所用的波長(zhǎng)能方便地使用光柵單色或晶體單色器從連續(xù)譜中選出。譜分布的一個(gè)重要特點(diǎn)是臨界波長(zhǎng)c（又稱特征波長(zhǎng)），所謂特征波長(zhǎng)是指這

15、個(gè)波長(zhǎng)具有表征同步輻射譜的特征，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，故選0.210c為同步輻射裝置的可用波長(zhǎng)是有充分理由的。（3）高度偏振同步輻射在運(yùn)動(dòng)電子方向的瞬時(shí)軌道平面內(nèi)電場(chǎng)矢量具有100%偏振，遍及所有角度和波長(zhǎng)積分約75%偏振，在中平面以外呈橢圓偏振。圖4概括了不同波長(zhǎng)的單個(gè)電子的平行偏振分量、垂直偏振分量強(qiáng)度與發(fā)射角的關(guān)系，由圖4可知，當(dāng)c時(shí)，即曲線1，張角近似為r-1；在較短波時(shí)，張角變得較?。惠^長(zhǎng)時(shí)，張角變得大得多，當(dāng)=100c時(shí)，張角達(dá)4r-1。（4）脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)由儲(chǔ)存環(huán)的機(jī)構(gòu)引起，即由輻射阻尼現(xiàn)象引起，當(dāng)電子從增強(qiáng)器注入儲(chǔ)存環(huán)，且當(dāng)注

16、入的束團(tuán)幾乎充滿儲(chǔ)存環(huán)真空不能再注入電子時(shí)，由于自由振蕩和同步輻射以及不斷地由高頻腔給電子提供能量補(bǔ)充，使其自由振蕩的振幅越來(lái)越小，這種現(xiàn)象稱輻射阻尼。當(dāng)經(jīng)過(guò)23倍阻尼時(shí)間后振幅已變得小得多，這就意味著束團(tuán)尺寸已由注入末了時(shí)的滿真空室變得只占真空的1/ 10空間了。因此可進(jìn)行注入23倍阻尼時(shí)間的重復(fù)過(guò)程，這樣即積累了電子數(shù)，而且束團(tuán)的橫向尺寸變小，長(zhǎng)度也短。具體脈沖時(shí)間間隔與儲(chǔ)存環(huán)的參數(shù)和使用模式有關(guān)，已獲得范圍為2.8780ns。第三代同步輻射光源的最小光脈沖時(shí)間約達(dá)30ps。同步輻射源的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)能用來(lái)進(jìn)行時(shí)間分辨光譜和時(shí)間分辨衍射研究，已在晶體學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)方面獲得應(yīng)用。（5）準(zhǔn)直性好由于天然的準(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）同步輻射的相干性不斷提高第一代和第二代同步輻射光源的相干性較差，到了第三代光的相干性已相當(dāng)好，預(yù)計(jì)第四代同步輻射光源的相干性將更好，且具有空間全相干性。（7）同步輻射實(shí)驗(yàn)站的設(shè)備龐大，試樣周圍空間大，適宜