高壓同步輻射

1、高壓同步輻射第1頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四課 程 內(nèi) 容同步輻射基礎(chǔ)知識。 a. 同步輻射產(chǎn)生的機(jī)理 b. 同步輻射光源 c. 同步輻射光源的重要參數(shù) d. 同步輻射的優(yōu)點同步輻射科學(xué)實驗技術(shù)及其在高壓科學(xué)中的應(yīng)用、實驗技術(shù)要素及數(shù)據(jù)處理。 a. X-ray衍射技術(shù)（白光，單色光；高能x-ray，納米光束的應(yīng)用 etc.） b. X-ray吸收光譜（NEXAFS ，EXAFS） c. X-ray三維成像技術(shù)（透射，相干成像 etc.） d. X-ray非彈性散射技術(shù)（x-ray Raman, XMCD etc.）幾個知名的國際同步輻射光源以及機(jī)時申請 APS，ES

2、RF，Spring-8 etc 第2頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四同步輻射基礎(chǔ)知識0. 同步輻射的發(fā)展史同步輻射產(chǎn)生的機(jī)理 b. 同步輻射光源c. 同步輻射光源的重要參數(shù) d. 同步輻射的優(yōu)點第3頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四同步輻射的發(fā)展史同步輻射是1947年在美國通用電氣公司的同步加速器中被觀測到的，剛開始被視為同步加速器加速電子的不利副產(chǎn)物。同步輻射光源是指產(chǎn)生同步輻射的物理裝置。第一代同步輻射光源是寄生于高能物理實驗專用的高能對撞機(jī)的兼用機(jī)；第二代同步輻射光源是基于同步輻射專用儲存環(huán)的專用機(jī)；第三代同步輻射光源為性能更高且儲存環(huán)之直線

3、段可加裝插件磁鐵組件之同步輻射專用儲存環(huán)的專用機(jī)；現(xiàn)在正在研究的自由電子激光器（free electron laser）則為新一代的高強(qiáng)度光源設(shè)施。目前世界上共有近70個同步輻射光源，我國有五個： 北京BEPC (G1)，合肥的HLS(G2)， 上海的SSRF(G3)，臺灣的NSRRC(G3)和TPS(G3)。第4頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四SSRF （China）Spring-8 （Japan）APS （USA）ESRF （France）第5頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四 同步輻射的組成部分：電子發(fā)射器，電子加速器，電子儲能環(huán), 同步輻射

4、光的產(chǎn)生裝置，同步輻射實驗站第6頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四APS 的直線電子加速器北京同步輻射中心電子加速器直線加速器加速電子（或其它帶電粒子）到高速度、高能量的簡單且直接的方法是高壓型加速，增大加速電壓就能使電子加速到很高的速度或能量，這種加速過程需要在高真空或超高真空條件中進(jìn)行。對于電子，其帶電量為一個電子電菏e，如要將電子加速到幾十Kev的能量就要用幾十KV的電壓，以此類推，在更高的電壓條件下，為避免高壓擊穿須采用強(qiáng)烈的電感應(yīng)來加速，而且必須在合適的相位范圍內(nèi)使相位相同，否則不僅不能加速還會減速。這種用高頻高電壓加速的粒子流在時間上是一段一段的，脈沖式的，是

5、很窄的粒子流，成為一個個束團(tuán)。為了利用高電壓來加速，人們把多個中空的金屬筒有間隙的排列在一條直線上，并將高壓高頻交流電源間隔的耦合到各個圓筒上，各個圓筒之間存在高電壓，相位輪流相反，電子在圓筒之間被加速。 第7頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四環(huán)形加速器電子運行軌道電子加速器回旋加速器和電子感應(yīng)加速器如果要用直線加速器得到很高的電子能量，整個加速器要做的很長，很不經(jīng)濟(jì)。到了20世紀(jì)20年代，回旋加速器（cyclotron）和電子感應(yīng)（betatron）相繼發(fā)明，有了把電子加速到極高能量的可能。回旋加速器是利用高頻感應(yīng)電壓給電子加速增能和用磁場使帶電粒子做繞圈運動這兩種作用

6、建立起來的。電子在圓形環(huán)中運動，在加速間隙得到加速，所運行的軌道半徑也一步一步增加，以達(dá)到加速增能的目的。電子感應(yīng)加速器是利用電子繞圈內(nèi)的磁通變化所感應(yīng)出的電場來加速電子。電子手約束磁場的作用基本以不變的半徑繞圓圈，每繞一圈就加速一回，由于電子的速度很快，在不長的時間內(nèi)繞的圈數(shù)很多，故能夠得到很高的能量。 Spring-8 ?第8頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四同步加速器1945年 McMillan和Veksler發(fā)明了同步加速裝置。同步加速器由許多C型磁鐵環(huán)狀排列而成，在磁鐵中部安裝了環(huán)型真空盒，在環(huán)的某一段安裝了高頻高壓加速器，電子就在真空盒內(nèi)，在磁鐵的作用下做環(huán)狀

7、運動，經(jīng)過高頻時得到加速。為使加速后的電子仍以相同的半徑作環(huán)形運動，就要改變同步C形磁鐵造成的約束磁場，這就是同步加速器的由來。到了20世紀(jì)70年代中期，人們進(jìn)一步認(rèn)識到在高能物理中用于對撞實驗的電子存儲環(huán)來發(fā)生同步輻射更合適，因為電子在存儲環(huán)中以一定的能量作穩(wěn)定的回環(huán)運動，這與同步加速器中的電子的能量不斷改變的情況不同，因而能長時間的穩(wěn)定的發(fā)出同步輻射光。隨著電子存儲環(huán)能量的提高，所得同步輻射的波長不斷縮短，從紫外線或軟X射線一直擴(kuò)展到硬X射線。電子加速器第9頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四電子儲能環(huán)-r厚鉛皮包裹的高真空管r的大小決定了電子的能量，同時也和最后發(fā)出的

8、同步輻射x光的能量范圍有關(guān)。第10頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四運行軌道中電子的能量、電流通量、電子束發(fā)射度等BEPC: 2.2GeV 100 mA 76 nm.radSSRF： 3.5 GeV 200 mA? 3 nm.radAPS: 7GeV 100 mA 2.5 nm.radNSLS II: 3GeV 300 mA 0.5 nm.rad-同步輻射參數(shù)影響同步輻射光的：能量（分布），亮度，相干性等第11頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四 同步輻射光的產(chǎn)生彎轉(zhuǎn)磁鐵 （bending magnet）扭擺器（wiggler）波蕩器（undulato

9、r） 第12頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四A bending magnet of ADONE 彎轉(zhuǎn)磁鐵 （bending magnet）第13頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四 扭擺器（wiggler）和波蕩器（undulator） 第14頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四The brightest synchrotron light at the ALS comes from undulators (located in the straight sections of the storage ring) that con

10、tain over one hundred magnetic poles lined up in rows above and below the electron beam. The magnets force the electrons into a snake-like path, so that the light from all the curves adds together. Although they are about 4.5 meters long and weigh about 40,000 pounds, the undulators have to be built

11、 to extreme precision. Many of the design tolerances are approximately 50 microns, less than the width of a human hair. Wigglers are similar to undulators but have fewer magnetic poles. The photo shows one undulator installed in a straight section of the storage ring (lower left), and another undula

12、tor being moved above the storage ring shielding to its final location in another part of the ring. The booster synchrotron to storage ring transfer line is visible in the lower right. 扭擺器（wiggler）,波蕩器（undulator）第15頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四第16頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四同步輻射光的特點高強(qiáng)度如用X光機(jī)拍攝一幅晶體缺陷照片

13、，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規(guī)廣源所無法進(jìn)行的工作。 寬波譜同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線（如圖），是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長，進(jìn)行單色光的實驗。高準(zhǔn)直性利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射廣源具有高度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進(jìn)行極小樣品和材料中微量元素的研究。脈沖性同步輻射光是由與儲存環(huán)中周期運動的電子束團(tuán)輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特性，可研究與時間

14、有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細(xì)胞的變化等。 偏振性與可見光一樣，儲存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。 第17頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四同步輻射光的特點高強(qiáng)度如用X光機(jī)拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規(guī)廣源所無法進(jìn)行的工作。 寬波譜同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線（如圖），是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可以隨

15、意選擇所需要的波長，進(jìn)行單色光的實驗。高準(zhǔn)直性利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射廣源具有高度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進(jìn)行極小樣品和材料中微量元素的研究。脈沖性同步輻射光是由與儲存環(huán)中周期運動的電子束團(tuán)輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特性，可研究與時間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細(xì)胞的變化等。 偏振性與可見光一樣，儲存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。 第18頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四同步輻射的應(yīng)用 第19頁，共22頁，2022年，5月20日，20點5分，星期四 同步輻射實驗站單色器，聚