同步輻射應(yīng)用概論-光源和光束線-1

1、同步輻射應(yīng)用概論同步輻射應(yīng)用概論光源和光束線（光源和光束線（1）董宇輝董宇輝BSRF，IHEP，CAS講述要點(diǎn)講述要點(diǎn) 什么是同步輻射？什么是同步輻射？ 同步輻射發(fā)展歷程同步輻射發(fā)展歷程 同步輻射發(fā)光元件同步輻射發(fā)光元件 同步輻射波譜同步輻射波譜 同步輻射束線同步輻射束線 同步輻射的應(yīng)用簡介同步輻射的應(yīng)用簡介光源部分光源部分 什么是同步輻射？什么是同步輻射？ 同步輻射發(fā)展歷程同步輻射發(fā)展歷程 同步輻射發(fā)光元件同步輻射發(fā)光元件 同步輻射波譜同步輻射波譜什么是同步輻射？什么是同步輻射？ 同步輻射是由接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場同步輻射是由接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場中作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向產(chǎn)生的電磁波，中

2、作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿切線方向產(chǎn)生的電磁波，具有強(qiáng)度高、準(zhǔn)直性好、能量范圍廣（從具有強(qiáng)度高、準(zhǔn)直性好、能量范圍廣（從深紫外到硬深紫外到硬X光）等優(yōu)異特性，是研究物質(zhì)光）等優(yōu)異特性，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的高性能光源，具有寬波結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的高性能光源，具有寬波段、高準(zhǔn)直、高偏振、高純凈、高亮度、段、高準(zhǔn)直、高偏振、高純凈、高亮度、窄脈沖、高穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)窄脈沖、高穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)相干等獨(dú)特而優(yōu)異的性能。相干等獨(dú)特而優(yōu)異的性能。一個(gè)形象但不準(zhǔn)確的描述：電一個(gè)形象但不準(zhǔn)確的描述：電子好像雨傘一樣進(jìn)行高速圓周子好像雨傘一樣進(jìn)行高速圓周運(yùn)動(dòng)，同步輻射像雨點(diǎn)一樣從運(yùn)動(dòng)，同步輻射像雨點(diǎn)一樣

3、從圓周的切線方向發(fā)射出來。圓周的切線方向發(fā)射出來。真實(shí)的情況是在儲(chǔ)存環(huán)中電子真實(shí)的情況是在儲(chǔ)存環(huán)中電子高速運(yùn)動(dòng)，其速度接近光速，高速運(yùn)動(dòng)，其速度接近光速，經(jīng)過一個(gè)磁場，運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生經(jīng)過一個(gè)磁場，運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，發(fā)出電磁輻射，這就是偏轉(zhuǎn)，發(fā)出電磁輻射，這就是同步輻射。同步輻射。圖片來自圖片來自SSRL電磁波的波譜：不同波長（能量）的電磁波適合于不同尺度上電磁波的波譜：不同波長（能量）的電磁波適合于不同尺度上的探測，也有不同的產(chǎn)生方式。的探測，也有不同的產(chǎn)生方式。圖片來自圖片來自SSRL常規(guī)的常規(guī)的X射線源射線源利用高壓（幾十利用高壓（幾十kV）加速電子，）加速電子，然后加速后的電子轟擊金屬靶材

4、然后加速后的電子轟擊金屬靶材（如（如Cu，Mo，Cr等），產(chǎn)生等），產(chǎn)生X射射線。線。X射線有兩部分：韌致輻射射線有兩部分：韌致輻射（連續(xù)（連續(xù) 譜）和特征譜線（分立譜）和特征譜線（分立譜）。譜）。這些這些X射線分散在射線分散在2p p立體角中。立體角中。同步輻射是儲(chǔ)存環(huán)中電子偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的電磁輻射，由于電子同步輻射是儲(chǔ)存環(huán)中電子偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的電磁輻射，由于電子速度很快，接近光速，所以速度很快，接近光速，所以g g很大，因此同步輻射的發(fā)射度很大，因此同步輻射的發(fā)射度很小，也就是說，輻射的能量集中在一個(gè)很小的角度內(nèi)。很小，也就是說，輻射的能量集中在一個(gè)很小的角度內(nèi)。同步輻射的亮度（單位時(shí)間，同步輻射

5、的亮度（單位時(shí)間，單位面積，單位立體角，一定單位面積，單位立體角，一定光子能量范圍內(nèi)的光子數(shù)）和光子能量范圍內(nèi)的光子數(shù)）和轉(zhuǎn)靶轉(zhuǎn)靶X光機(jī)的比較。光機(jī)的比較。通量（通量（flux）：）：phs/s 0.1%BW亮度（亮度（brilliance）：）：phs/s mm2 mrad2 0.1%BW耀度耀度/通量密度：通量密度：phs/s mrad2 0.1%BW圖片來自瑞典圖片來自瑞典MAX IV設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)報(bào)告同步輻射和常規(guī)光源的比較同步輻射和常規(guī)光源的比較同步輻射覆蓋同步輻射覆蓋了一個(gè)很寬的了一個(gè)很寬的頻譜范圍，從頻譜范圍，從遠(yuǎn)紅外到硬遠(yuǎn)紅外到硬X光。而光。而X光機(jī)光機(jī)只能提供幾個(gè)只能提供幾個(gè)分

6、立的光子能分立的光子能量。量。圖片來自圖片來自SSRL同步輻射光的特性同步輻射光的特性 寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從遠(yuǎn)紅外、可見光、紫外直到有從遠(yuǎn)紅外、可見光、紫外直到 X X射線范射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需圍內(nèi)的連續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需要獲得特定波長的光。要獲得特定波長的光。 高準(zhǔn)直：同步輻射光的發(fā)射集中在以電子高準(zhǔn)直：同步輻射光的發(fā)射集中在以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行牡囊粋€(gè)很窄的圓錐內(nèi)，張運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行牡囊粋€(gè)很窄的圓錐內(nèi)，張角非常小，幾乎是平行光束，堪與激光媲角非常小，幾乎是平行光束，堪與激光媲美。美。 高偏振：從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的

7、同步輻射光在高偏振：從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光在電子軌道平面上是完全的線偏振光，此外，電子軌道平面上是完全的線偏振光，此外，可以從特殊設(shè)計(jì)的插入件得到任意偏振狀可以從特殊設(shè)計(jì)的插入件得到任意偏振狀態(tài)的光。態(tài)的光。 高純凈：同步輻射光是在超高真空中產(chǎn)生高純凈：同步輻射光是在超高真空中產(chǎn)生的，不存在任何由雜質(zhì)帶來的污染，是非的，不存在任何由雜質(zhì)帶來的污染，是非常純凈的光。常純凈的光。 高亮度：同步輻射光源是高強(qiáng)度光源，有高亮度：同步輻射光源是高強(qiáng)度光源，有很高的輻射功率和功率密度，第三代同步很高的輻射功率和功率密度，第三代同步輻射光源的輻射光源的 X射線亮度是射線亮度是 X光機(jī)的上千億光機(jī)的上千億

8、倍。倍。 窄脈沖：同步輻射光是脈沖光，有優(yōu)良的窄脈沖：同步輻射光是脈沖光，有優(yōu)良的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)，其寬度在脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)，其寬度在10-1110-8秒秒(幾十幾十皮秒至幾十納秒皮秒至幾十納秒)之間可調(diào)，脈沖之間的間之間可調(diào)，脈沖之間的間隔為幾十納秒至微秒量級(jí)，這種特性對(duì)隔為幾十納秒至微秒量級(jí)，這種特性對(duì)“變化過程變化過程”的研究非常有用，如化學(xué)反的研究非常有用，如化學(xué)反應(yīng)過程、生命過程、材料結(jié)構(gòu)變化過程和應(yīng)過程、生命過程、材料結(jié)構(gòu)變化過程和環(huán)境污染微觀過程等。環(huán)境污染微觀過程等。 可精確預(yù)知：同步輻射光的光子通量、角可精確預(yù)知：同步輻射光的光子通量、角分布和能譜等均可精確計(jì)算，因此它可以分布和能譜

9、等均可精確計(jì)算，因此它可以作為輻射計(jì)量作為輻射計(jì)量特別是真空紫外到特別是真空紫外到 X射線射線波段計(jì)量波段計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)光源。的標(biāo)準(zhǔn)光源。 此外，同步輻射光還具有高度穩(wěn)定性、高此外，同步輻射光還具有高度穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)相干等獨(dú)特而優(yōu)異的性通量、微束徑、準(zhǔn)相干等獨(dú)特而優(yōu)異的性能。能。同步輻射光源的缺點(diǎn)同步輻射光源的缺點(diǎn) 一個(gè)字：貴！一個(gè)字：貴！ 造價(jià)在幾億到幾十億元造價(jià)在幾億到幾十億元RMB，只有國家投，只有國家投資才能支持。資才能支持。同步輻射同步輻射世界上運(yùn)行數(shù)目最多的大科學(xué)裝置世界上運(yùn)行數(shù)目最多的大科學(xué)裝置三大高能光源是三大高能光源是“旗艦旗艦”裝置，科技產(chǎn)出最大，支撐能力最強(qiáng)。裝置

10、，科技產(chǎn)出最大，支撐能力最強(qiáng)。歐洲：歐洲：18； 美洲：美洲：11； 亞洲：亞洲：22（日本（日本13）；澳洲：）；澳洲：1APSESRFSpring-8同步輻射的發(fā)現(xiàn)同步輻射的發(fā)現(xiàn) 上個(gè)世紀(jì)四五十年代，隨著粒子物理、核物理研上個(gè)世紀(jì)四五十年代，隨著粒子物理、核物理研究的發(fā)展和需要，粒子加速器出現(xiàn)了：二戰(zhàn)后，究的發(fā)展和需要，粒子加速器出現(xiàn)了：二戰(zhàn)后，美國的美國的Ernest O. Lawrence在加州大學(xué)伯克利分校在加州大學(xué)伯克利分校建設(shè)了世界上第一臺(tái)電子回旋加速器；美國物理建設(shè)了世界上第一臺(tái)電子回旋加速器；美國物理學(xué)家學(xué)家Gerard Kitchen ONeill在在1956年提出了儲(chǔ)存年

11、提出了儲(chǔ)存環(huán)（環(huán)（storage ring）的概念，把帶電粒子）的概念，把帶電粒子“儲(chǔ)存儲(chǔ)存”起來以供實(shí)驗(yàn)所用。起來以供實(shí)驗(yàn)所用。 在這些粒子加速器上，人們發(fā)現(xiàn)了同步輻射的存在這些粒子加速器上，人們發(fā)現(xiàn)了同步輻射的存在，雖然很早以前，不少理論物理學(xué)家就已經(jīng)預(yù)在，雖然很早以前，不少理論物理學(xué)家就已經(jīng)預(yù)測過帶電粒子在偏轉(zhuǎn)時(shí)能夠發(fā)出電磁輻射。測過帶電粒子在偏轉(zhuǎn)時(shí)能夠發(fā)出電磁輻射。美國通用電氣公司的美國通用電氣公司的70MeV同步電子加速器，同步電子加速器，在這臺(tái)機(jī)器上人們第一在這臺(tái)機(jī)器上人們第一次見到了同步輻射。次見到了同步輻射。當(dāng)時(shí)為了達(dá)到更高的電當(dāng)時(shí)為了達(dá)到更高的電子能量（回旋加速器的子能量（回

12、旋加速器的設(shè)計(jì)由于電子速度增加設(shè)計(jì)由于電子速度增加后相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致電子后相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致電子質(zhì)量的增大而不能達(dá)到質(zhì)量的增大而不能達(dá)到很高的能量，因此很高的能量，因此1945年美國的年美國的E. McMillian和前蘇聯(lián)的和前蘇聯(lián)的V. Veksler分分別提出了同步加速器的別提出了同步加速器的原理），于是通用電氣原理），于是通用電氣公司在紐約州公司在紐約州Schennectady的實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)室建造了一臺(tái)同步加速器。建造了一臺(tái)同步加速器。第一臺(tái)專用的同步輻射裝置第一臺(tái)專用的同步輻射裝置 美國美國NIST（國家標(biāo)準(zhǔn)局）在（國家標(biāo)準(zhǔn)局）在1960年代利用一臺(tái)電年代利用一臺(tái)電子同步加速器子同步加速器

13、SURF I開展了雙電子激發(fā)實(shí)驗(yàn)，隨開展了雙電子激發(fā)實(shí)驗(yàn)，隨后日本東京大學(xué)后日本東京大學(xué)INS-SOR 、意大利、意大利Frascati-LNF、德國德國DESY-DORIS、英國、英國Daresbury-NINA也在同也在同期也開展了類似的工作。期也開展了類似的工作。 發(fā)現(xiàn)同步輻射將近發(fā)現(xiàn)同步輻射將近20年后，從年后，從1970年代起，一批年代起，一批電子同步加速器用于同步輻射研究：美國的電子同步加速器用于同步輻射研究：美國的Tantalus、法國的、法國的ACO、日本的、日本的SOR-RING，還，還有從高能物理轉(zhuǎn)入同步輻射研究的，如美國的有從高能物理轉(zhuǎn)入同步輻射研究的，如美國的SPEAR

14、和和CHESS，德國的，德國的DORIS，前蘇聯(lián)的，前蘇聯(lián)的VEPP-3，法國的，法國的DCI。 這些就是第一代光源：從高能物理用的加速器轉(zhuǎn)這些就是第一代光源：從高能物理用的加速器轉(zhuǎn)為同步輻射應(yīng)用。為同步輻射應(yīng)用。 1980年代以后，出現(xiàn)了專門用于同步輻射年代以后，出現(xiàn)了專門用于同步輻射研究的加速器，立刻成為引人注目的大科研究的加速器，立刻成為引人注目的大科學(xué)裝置，多學(xué)科的研究平臺(tái)。學(xué)裝置，多學(xué)科的研究平臺(tái)。 英國的英國的SRS、美國的、美國的NSLS/Aladin、日本的、日本的PF/UVSOR、德國的、德國的BESSY、法國的、法國的Super ACO、中國的、中國的NSRL。 這些是第二

15、代同步輻射光源。這些是第二代同步輻射光源。 1990年代，第三代光源開始建設(shè)，一直到年代，第三代光源開始建設(shè)，一直到現(xiàn)在還在繼續(xù)有新的光源在建造?，F(xiàn)在還在繼續(xù)有新的光源在建造。 2009年，年，LCLS獲得了自由電子激光，之前獲得了自由電子激光，之前Cornell的的ERL樣機(jī)也獲得成功，樣機(jī)也獲得成功，2012年美年美國國PEP-X和日本和日本SPring-8提出衍射極限儲(chǔ)存提出衍射極限儲(chǔ)存環(huán)的設(shè)計(jì)概念。環(huán)的設(shè)計(jì)概念。 第四代光源？第四代光源？三代同步輻射光源三代同步輻射光源 第一代是寄生在高能物理裝置上的兼用裝第一代是寄生在高能物理裝置上的兼用裝置；置； 第二代是大量放置插入件的專用光源；

16、第二代是大量放置插入件的專用光源； 第三代是優(yōu)化的低發(fā)射度的專用光源；第三代是優(yōu)化的低發(fā)射度的專用光源； 第四代則是以自由電子激光、能量回收型第四代則是以自由電子激光、能量回收型直線加速器、衍射極限儲(chǔ)存環(huán)為發(fā)展方向直線加速器、衍射極限儲(chǔ)存環(huán)為發(fā)展方向的新一代光源，將進(jìn)一步提高發(fā)射度和亮的新一代光源，將進(jìn)一步提高發(fā)射度和亮度，并實(shí)現(xiàn)光源的相干性。度，并實(shí)現(xiàn)光源的相干性。世界上代表性的同步輻射裝置世界上代表性的同步輻射裝置歐洲歐洲ESRF美國美國APS日本日本SPring-8美國美國NSLS-II美國美國LCLS同步輻射裝置示意圖同步輻射裝置示意圖Booster儲(chǔ)存環(huán)儲(chǔ)存環(huán)部分圖片來自部分圖片來自

17、SSRL發(fā)光元件發(fā)光元件光束線光束線實(shí)驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)站同步輻射發(fā)光元件同步輻射發(fā)光元件彎轉(zhuǎn)磁鐵彎轉(zhuǎn)磁鐵y yq q彎轉(zhuǎn)磁鐵發(fā)出的同步輻射彎轉(zhuǎn)磁鐵發(fā)出的同步輻射功率密度分布功率密度分布)y(H)(10327. 1ddFd22130B2AmpGevIEyyq各個(gè)變量的含義：各個(gè)變量的含義：FB：光子通量（：光子通量（phs/s）q q：垂直方向的角度：垂直方向的角度y y：水平方向的角度：水平方向的角度E：電子能量（以：電子能量（以GeV為單位）為單位）I：電子流強(qiáng)（以安培為單位）：電子流強(qiáng)（以安培為單位）y=w w/w wcw w：光子能量：光子能量w wc：特征能量：特征能量)2/y(Ky)y(H2

18、2/322)y(G)(10457. 2ddF113BAmpGevIEqy3/51yd)y(Ky)y(G由于同步輻射垂直方向的發(fā)射度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平方向，大多是情由于同步輻射垂直方向的發(fā)射度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平方向，大多是情況下垂直方向是全部接收的。況下垂直方向是全部接收的。兩個(gè)函數(shù)的定義，其中兩個(gè)函數(shù)的定義，其中K為修正貝塞爾為修正貝塞爾函數(shù)（函數(shù)（modified Bessal function）。）。特征能量特征能量)T(B)(665. 02cGevEw偏振性偏振性彎鐵發(fā)出的同步輻射兩個(gè)方向偏振的歸彎鐵發(fā)出的同步輻射兩個(gè)方向偏振的歸一化強(qiáng)度隨角度的變化一化強(qiáng)度隨角度的變化在電子運(yùn)動(dòng)的平在電子運(yùn)動(dòng)的平面

19、上觀察到的同面上觀察到的同步輻射是完全線步輻射是完全線偏振的，偏振方偏振的，偏振方向就在電子運(yùn)動(dòng)向就在電子運(yùn)動(dòng)的平面上。的平面上。插入件插入件 彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的同步輻射具有一定的局限彎轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的同步輻射具有一定的局限性：于彎轉(zhuǎn)磁鐵在加速器中用作維持電子性：于彎轉(zhuǎn)磁鐵在加速器中用作維持電子束在封閉軌道上循環(huán)，其需滿足一定的物束在封閉軌道上循環(huán)，其需滿足一定的物理?xiàng)l件，如磁場強(qiáng)度和彎轉(zhuǎn)半徑等均受到理?xiàng)l件，如磁場強(qiáng)度和彎轉(zhuǎn)半徑等均受到約束，致使輻射性能受到限制。約束，致使輻射性能受到限制。 單靠它來提高同步輻射的亮度，或?qū)⑤椛鋯慰克鼇硖岣咄捷椛涞牧炼?，或?qū)⑤椛涔庾V區(qū)擴(kuò)展到很寬是很困難的。光譜區(qū)擴(kuò)展

20、到很寬是很困難的。 在加速器的直線段，加上周期性排列的，在加速器的直線段，加上周期性排列的，極性交替變化的多極磁鐵，使電子在這磁極性交替變化的多極磁鐵，使電子在這磁場內(nèi)作周期性的曲線運(yùn)動(dòng)，而在磁場外仍場內(nèi)作周期性的曲線運(yùn)動(dòng)，而在磁場外仍保持原來的直線運(yùn)動(dòng)。這就可得到不同頻保持原來的直線運(yùn)動(dòng)。這就可得到不同頻率的更強(qiáng)的輻射功率源。率的更強(qiáng)的輻射功率源。 可以分為兩類：扭擺磁鐵（可以分為兩類：扭擺磁鐵（Wiggler）和波）和波蕩器（蕩器（Undulator）。）。插入件的插入件的K值（偏轉(zhuǎn)參數(shù)）值（偏轉(zhuǎn)參數(shù)）0 , 0 BB uzBzBp2sin)(0橫向磁場的插入件，即磁場方向橫向磁場的插入件

21、，即磁場方向垂直于軌道平面，在該磁場作用垂直于軌道平面，在該磁場作用下，電子在軌道平面中沿正弦曲下，電子在軌道平面中沿正弦曲線運(yùn)動(dòng)。線運(yùn)動(dòng)。其中其中 u為磁場的周期長度，為磁場的周期長度，B0為為峰值磁場。峰值磁場。表征電子運(yùn)動(dòng)的重要的參數(shù)是偏轉(zhuǎn)參數(shù)表征電子運(yùn)動(dòng)的重要的參數(shù)是偏轉(zhuǎn)參數(shù) K934. 0K0TBcmugK在插入件中，電子軌道的最大偏轉(zhuǎn)角為在插入件中，電子軌道的最大偏轉(zhuǎn)角為當(dāng)當(dāng)K1時(shí)，插入件各周期的輻射表現(xiàn)強(qiáng)烈的相干現(xiàn)時(shí)，插入件各周期的輻射表現(xiàn)強(qiáng)烈的相干現(xiàn)象，因?yàn)殡娮拥慕瞧D(zhuǎn)通常在象，因?yàn)殡娮拥慕瞧D(zhuǎn)通常在1/g g的輻射圓錐內(nèi)，的輻射圓錐內(nèi)，這是波蕩器（這是波蕩器（undulato

22、r）的結(jié)構(gòu)模式。）的結(jié)構(gòu)模式。當(dāng)當(dāng)K1時(shí)，各周期的輻射不表現(xiàn)相干現(xiàn)象，這是時(shí)，各周期的輻射不表現(xiàn)相干現(xiàn)象，這是扭擺磁鐵（扭擺磁鐵（wiggler）的結(jié)構(gòu)模式。）的結(jié)構(gòu)模式。扭擺器扭擺器(Wiggler)波蕩器波蕩器(undulator)Wiggler的同步輻射光譜的同步輻射光譜 Wiggler由于由于K值很大（一般大于值很大（一般大于10），因），因此不同位置電子發(fā)出的同步輻射是非相干此不同位置電子發(fā)出的同步輻射是非相干的，最后得到的強(qiáng)度僅僅是個(gè)部分強(qiáng)度的的，最后得到的強(qiáng)度僅僅是個(gè)部分強(qiáng)度的簡單相加，也就是說，簡單相加，也就是說，Wiggler的發(fā)光強(qiáng)度的發(fā)光強(qiáng)度等于相應(yīng)的彎鐵強(qiáng)度的等于相應(yīng)的

23、彎鐵強(qiáng)度的2N倍，其中倍，其中N是磁是磁鐵的周期數(shù)（一個(gè)周期有鐵的周期數(shù)（一個(gè)周期有2次發(fā)光）。次發(fā)光）。Wiggler的特征能量的特征能量2cmaxc)/(1)(qq)T(B)(665. 02cmaxGevEw中心部位特征能量最高（越硬的中心部位特征能量最高（越硬的X射線），越偏離中射線），越偏離中心，特征能量越低（越軟）。心，特征能量越低（越軟）。Wiggler插入件的用途插入件的用途 在第一代和第二代機(jī)器上，用于提高強(qiáng)度，在第一代和第二代機(jī)器上，用于提高強(qiáng)度，因?yàn)檫@些機(jī)器電子發(fā)射度很大，使用因?yàn)檫@些機(jī)器電子發(fā)射度很大，使用undulator不是很現(xiàn)實(shí)。不是很現(xiàn)實(shí)。 提升特征能量，得到超硬

24、提升特征能量，得到超硬X射線。射線。 在加速器設(shè)計(jì)上用于降低儲(chǔ)存環(huán)的電子發(fā)在加速器設(shè)計(jì)上用于降低儲(chǔ)存環(huán)的電子發(fā)射度（射度（damping wiggler）。）。 彎鐵和彎鐵和Wiggler的波譜是連續(xù)的，這個(gè)特性的波譜是連續(xù)的，這個(gè)特性對(duì)于某些譜學(xué)實(shí)驗(yàn)（特別是那些需要連續(xù)對(duì)于某些譜學(xué)實(shí)驗(yàn)（特別是那些需要連續(xù)變動(dòng)入射光能量的實(shí)驗(yàn)）是很方便的。變動(dòng)入射光能量的實(shí)驗(yàn)）是很方便的。Undulator Undulator的的K值接近值接近1，電子的最大偏轉(zhuǎn)角，電子的最大偏轉(zhuǎn)角度和輻射圓錐的張角相當(dāng)，因此各個(gè)周期度和輻射圓錐的張角相當(dāng)，因此各個(gè)周期的電子發(fā)出的同步輻射能夠相干疊加，而的電子發(fā)出的同步輻射能

25、夠相干疊加，而不僅僅是強(qiáng)度相加，因此最后出來的同步不僅僅是強(qiáng)度相加，因此最后出來的同步輻射強(qiáng)度就非常強(qiáng)了。輻射強(qiáng)度就非常強(qiáng)了。 但是波譜也因此變得不是連續(xù)的，而是一但是波譜也因此變得不是連續(xù)的，而是一系列分立的諧波。系列分立的諧波。 只有奇數(shù)次諧波才能出來，即只有奇數(shù)次諧波才能出來，即1，3，5，7，9，次諧波。次諧波。Undulator一次諧波的波長和能量一次諧波的波長和能量)2/1 (056.13)A(221KGevEu)2/1 (950. 0221cmKGevEKevu)2/1 (2221Knnung在在undulator的軸線上，諧波的波長和能量。的軸線上，諧波的波長和能量。n 次諧波

26、的帶寬次諧波的帶寬nNnn1wwUndulator發(fā)射第發(fā)射第n次諧波的輻射是集中在一很窄次諧波的輻射是集中在一很窄的圓錐角內(nèi)，其半寬度為：的圓錐角內(nèi)，其半寬度為：NnKLnr22112gL為為undulator的長度：的長度：L=N uUndulator的的1次諧波在空間中的強(qiáng)度分布：在軸線附近有很強(qiáng)次諧波在空間中的強(qiáng)度分布：在軸線附近有很強(qiáng)的中心錐束，周圍還圍繞著一些比較弱的的中心錐束，周圍還圍繞著一些比較弱的“邊瓣邊瓣”。Undulator的光強(qiáng)的光強(qiáng))()(2202KFeINdddnnwwgyqw)(10744. 1)(221402KFAIGevENdddnnyqw這里這里n一定是奇數(shù)

27、，對(duì)于偶數(shù)的一定是奇數(shù)，對(duì)于偶數(shù)的n，光強(qiáng)為零。，光強(qiáng)為零。2222122212222)2/1 (4)2/1 (4)2/1 ()(KnKJKnKJKnKKFnnnJn為貝塞爾函數(shù)（為貝塞爾函數(shù)（modified Bessal function）Undulator插入件的用途插入件的用途 在第三代機(jī)器上，因?yàn)殡娮影l(fā)射度的大幅在第三代機(jī)器上，因?yàn)殡娮影l(fā)射度的大幅度減小，度減小，undulator成為插入件的主力。成為插入件的主力。 得到非常高強(qiáng)度的得到非常高強(qiáng)度的X射線。射線。 獲得特殊的偏振狀態(tài)。獲得特殊的偏振狀態(tài)。 Undulator的波譜不是連續(xù)的，改變波長需的波譜不是連續(xù)的，改變波長需要變化要變化undulator磁鐵之間的間隙（磁鐵之間的間隙（gap），），以調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，最后改變出射的光子能以調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，最后改變出射的光子能量。這個(gè)過程需要儲(chǔ)存環(huán)的工作狀態(tài)要非量。這個(gè)過程需要儲(chǔ)存環(huán)的工作狀態(tài)要非常穩(wěn)定。常穩(wěn)定。不同類型的發(fā)光元件的同步輻射亮度不同類型的發(fā)光元件的同步輻射亮度不同能量的儲(chǔ)存環(huán)不同能量的儲(chǔ)存環(huán)與常規(guī)光源的比較與常規(guī)光源的比較儲(chǔ)存環(huán)發(fā)射度的影響儲(chǔ)存環(huán)發(fā)射