同步輻射技術(shù)及應(yīng)用同學(xué)以前的課件xafscourse1a

NSRLinHefei,China

SynchrotronRadiationLightSource

ShiqiangWeiNationalSynchrotronRadiationLaboratoryUniversityofScience&TechnologyofChinaHefei,230029,P.R.China

同步輻射光源韋世強(qiáng)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室同步輻射（synchrotronradiation,SR）帶電粒子高能量，接近光速曲線運(yùn)動(dòng)同步輻射光源的優(yōu)點(diǎn)

高亮度高準(zhǔn)直性（方向性）連續(xù)譜寬偏振性優(yōu)良的時(shí)間結(jié)構(gòu)潔凈性高穩(wěn)定性可計(jì)算性同步輻射計(jì)算公式單個(gè)電子在磁場(chǎng)作用下沿彎曲軌道的瞬時(shí)輻射功率：?jiǎn)蝹€(gè)電子回旋一周輻射的總能量：描述同步輻射光源參數(shù)發(fā)射度(emittance)電子能量電子束流同步輻射強(qiáng)度特征波長(zhǎng)時(shí)間結(jié)構(gòu)束流壽命同步輻射光源“代”的劃分第一代

發(fā)射度：幾百nm×rad 時(shí)間：50-70年代 例如：美國(guó)斯坦福大學(xué)的SPEAR（SSRL）第二代

發(fā)射度：100nm×rad左右 時(shí)間：80年代 例如：日本駐波的光子工廠（KEK）第三代

發(fā)射度：10nm×rad以下 時(shí)間：80年代中期－90年代 例如：日本的Spring8，美國(guó)的APS，歐洲的ESRF三代同步輻射源主要參數(shù)比較

1992年在美國(guó)Stanford直線加速器中心（SLAC）舉行了關(guān)于第四代光源的專題討論會(huì)。1996年在法國(guó)ESRF又召開了一次關(guān)于第4代光源的討論會(huì)。第4代光源的物理特性大大地高于第3代。例如其峰值譜亮度提高了近10個(gè)量級(jí)，平均譜提高3-5個(gè)量級(jí)；X射線的SASE橫向完全相干，而第3代幾乎不相干；SASE的脈沖長(zhǎng)度為幾百個(gè)fs，而第3代為幾十個(gè)ps。

目前世界上有兩個(gè)正在建設(shè)的第4代光源，美國(guó)的LCLS和德國(guó)的TESLA/SBLCFEL。

第一代大部分第一代同步輻射光源都不是專門為同步輻射設(shè)計(jì)的，而是在那些為高能物理設(shè)計(jì)的加速器和存儲(chǔ)環(huán)上兼用的。這種同步輻射光源的電子能量由高能物理決定。主要特點(diǎn)發(fā)射度為幾百nm×rad發(fā)光元件為二極彎轉(zhuǎn)磁鐵典型亮度為1012

（photon/s×MM2×mrad2×0.1％bandwidth）

SPEAR（SSRL）

19746mSphericalGratingMonocromator(SGM)ofBL10-1(NEXAFS)SSRLEXPERIMENTALSTATION10-1EXPERIMENTS:Photoemission,NEXAFS%TIMEGENERALUSE:67%SOURCE:30-pole,1.45-TeslaWigglerIDSideStationOPTICS:M0horizontaldeflectingflat,water-cooledM1toroid,water-cooledMONOCHROMATOR:6mSphericalGratingMonocromator(SGM)SLITS:10μm.Entranceslitcooledandmovable±150mmGRATINGS:2water-cooledinterchangeableHORIZONTALANGULAR

ACCEPTANCE:2.0mradENERGYRANGE:600l/mm:250-700E/DE100001000l/mm:400-1200E/DE10000SPOTSIZE:<1mm21990BSRF有兩種運(yùn)行模式：兼用或?qū)Ｓ媚Ｊ?，兼用模式用于高能物理?duì)撞實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也提供同步輻射光；專用模式專用于同步輻射研究。儲(chǔ)存環(huán)參數(shù)專用兼用電子能量（GeV）2.21.6－2.8電子束流（mA）10013-60水平發(fā)射度（nm.rad）76390束團(tuán)數(shù)目30~1201束團(tuán)周期2008001W1-XAFS束線及實(shí)驗(yàn)站1W1B-XAFS束線主要技術(shù)指標(biāo)：光學(xué)系統(tǒng)最大接收角（HxV）： 1.1x0.12

mrad2可供實(shí)驗(yàn)的能量范圍: 3.8—30keV能量分辨率: <1-3x10-4樣品處光通量: 1011photons/s/0.1%BW@10keV樣品處光斑尺寸: 10x1mm2注：1W1B-XAFS束線是北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室正在建造的一條XAFS專用束線,計(jì)劃于2003年初進(jìn)入調(diào)試并投入運(yùn)行.。它的光強(qiáng)，能量范圍等主要性能指標(biāo)比原有的4W1B-XAFS束線有很大提高。EXAFS實(shí)驗(yàn)站

第二代建成于80年代初，是專門為同步輻射而設(shè)計(jì)的；亮度一般為1015-1016（photon/s×MM2×mrad2×0.1％bandwidth）；使用了DBA磁聚焦結(jié)構(gòu)以減小發(fā)射度,發(fā)射度比第1代小得多，一般100nm×rad左右。

1983電子直線加速器PhotoFactory主要技術(shù)指標(biāo)電子能量2.5GeV最大流強(qiáng)800mA磁場(chǎng)強(qiáng)度1T束流壽命60小時(shí)以上光子特征能量4000eV(特征波長(zhǎng))3?BL-13B光束線光路圖（XAFSexperimentalstation，4～30keV)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存環(huán)大廳（二期工程現(xiàn)場(chǎng)）儲(chǔ)存電子能量 E0=800MeV循環(huán)束流 I0=100-300mA循環(huán)電子數(shù)目 Nc=1.38×1011-4.14×1011總輻射功率 Pr=1.63-4.89千瓦特征波長(zhǎng) λc=24?電子軌道周長(zhǎng) LT=66.1308米彎轉(zhuǎn)磁鐵曲率半徑 ρ=2.2221米彎轉(zhuǎn)磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度 B=12000高斯高頻頻率 frf=204.035兆周諧波數(shù) h=45儲(chǔ)存環(huán)的參數(shù)U7C光束線及XAFS實(shí)驗(yàn)站光源: 6Tesla單周期三極超導(dǎo)Wiggler

特征能量: 2550eV單色器的接收角(H*V): 1*0.1mrad2單色器: 平面Si(111)雙晶樣品處光通量: 3*109光子/秒光子能量范圍: 4.1-12.5keV能量分辨率(dE/E): 3*10-4樣品處光斑大小(H*V): 10*1mm2(可調(diào))光束線參數(shù)

SideviewofXAFSbeamlineatNSRLSuperconductingWigglerExperimentHutch1.Handlevalve2.Watercoolingmask3.Pressurevalve4.Fastcontrolvalve5.Separatingdiaphragm 6.Beamstop 7.Pressurevalve 8.AbsorptionBewindow 9.Diaphragm 10.Pressurevalve 11.Entryslit 12.Fluxmonitor 13.Doublecrystalmonochromator14.Exitslit15.Fluorescentscreen16.Beamstop 光束線中各光學(xué)元件的排布：

A-扭擺磁鐵，B-雙向可調(diào)光闌，C-濾波鈹窗，D-單色儀入射狹縫，E-雙晶單色儀，F(xiàn)-單色儀出射狹縫，

G-出口鈹窗，H-樣品XAFS實(shí)驗(yàn)站采用透射法測(cè)量X射線在樣品中的吸收，以得到吸收系數(shù)與入射X射線光子能量的關(guān)系。探測(cè)器為充氣式電離室。D0D1II0‘It樣品采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)XAFS實(shí)驗(yàn)站可以測(cè)量的元素:K-吸收邊，Z=22-33：Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,AsL-吸收邊(LI-LIII)，Z=52-73：Te,I,Xe,Cs,Ba,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,

Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Hf,Ta第三代在1980年代中期開始研制，1990年代初出現(xiàn)。它的亮度在1017-1020（photon/s×MM2×mrad2×0.1％bandwidth）。發(fā)射度一般在10nm×rad以下。在設(shè)計(jì)上第3代同步輻射光源本身就是要使用插入件。

標(biāo)志一臺(tái)插入件的主要參數(shù)是K＝0.093Bλ其中B是插入件的磁通密度幅值（單位是0.1T），λ是周期長(zhǎng)度（cm）。

插入件分扭擺器（Wiggler）和波蕩器（Undulator）兩種。

插入元件磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí),稱為擺動(dòng)器(wiggler)。周期磁場(chǎng)較弱,周期數(shù)較多時(shí),稱為波動(dòng)器(undulator)。3-polesuperconductingwigglerof6T加工中的波蕩器(Undulator)

及其磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)第3代同步輻射光源

TheEuropeanSynchrotronRadiation

Facility(1995)StorageRingthebeamenergy(6GeV)thebeamintensity(200mA)thesmallestachievableemittance(nowx=410-9mradwith1%coupling)thegap,thefieldandtheperiodoftheinsertiondevices.Withacircumferenceof844.4meters,TheStorageRinggoalistostorethe6GeVelectronbeaminjectedfromtheBooster.BM25SpLine"SpanishCRGbeamline"ThebeamlinewillbesplitintotwobranchesAandB.TheBranchAwillbeallocatedtwoexperimentalstationsoneforHighresolutionpowderdiffraction(HRPD)andtheotherforX-rayabsorptionSpectroscopy(XAS)andX-RayStandingWaves(XSW).WhileinBranchBwillallocatefacilitiesforMacromolecularcrystallography,forSinglecrystaldiffractionincludingsurfacesandinterfacesaswellasaX-raydiffraction/scatteringcamerafornon-crystallinespecimens.OpticsforBranchAopticalelementsfirstmirrormonochromatorsecondmirrortwostripsRhandPtcoatedpseudochannel-cuttypeSi(111)orSi(311)twostripsRhandPtcoateddistancefromsource~

27.0m~28.5m~30.0mfocusingtypeverticallycollimatingdynamicallysagitalfocusingverticallyfocusinghorizontalacceptance2mradspectralrange5.0-35keVfluxatsample~

1012

ph/s

(beamcurrent0.1A)nominalbeamsizeatA1A2(HxV)~0.1x0.1mm2~

0.2x0.1mm2APSfirst-stagelinac

APSsecond-stagelinacSuperPhotonRing-8GeV(1998)SPring-8

第三代，1998年竣工Linac(1GeV,140m)Synchrotron(8Gev,396m)StorageRing(8GeV,1436)UndulatorInstalledintheStorageRingBendingMagnetBeamlineShanghaiNationalSynchrotronRadiationCenter（籌建中）ProspectofShanghaiLightSource系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成：300兆電子伏特的電子直線加速器3500兆電子伏特增強(qiáng)器3500兆電子伏特的儲(chǔ)存環(huán)及同步輻射實(shí)驗(yàn)線站儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng): 384m平均流強(qiáng)： 200-300mA束團(tuán)自然發(fā)散度： 10nm×rad束流壽命： >20小時(shí)首批擬建的線站有： 生物大分子晶體學(xué)、XAFS、高分 辨衍射、微聚焦X光束線及應(yīng)用、 醫(yī)學(xué)應(yīng)用、相干顯微學(xué)、LIGA及光 刻光束線等。TheLCLSisamulti-institutionalproposalforasingle-passx-rayFreeElectronLaser(FEL)operatinginthe1-15?wavelengthregion,usingelectronbeamsfromtheSLAClinacatenergiesupto15GeV.OverviewoftheplannedLCLSexperimentalfacilities.ThedrawingshowstheFFTBtunnel,theNear("A")andFar("B")LCLSexperimentalhallsaswellastheconnectingtunnel.LCLSParametersUndulatorTypeplanarNdFe:BplanarNdFe:B

Wavelength151.5?Norm.RMSEmittance1.21.2mmmradPeakCurrent3.43.4kAElectronEnergyE4.5414.35GeVs

E/E(X-rays)0.470.13%PulseDuration(FWHM)230230fsPeakField1.321.32TFELparameterr1.450.5010-3PeakPower198GWAveragePower0.610.25WCoherentPhotonsperPulse27.91.11012PeakBrightness0.648.51032**AverageBrightness0.22.71022****photons/(s,mm2,mrad2,0.1%BW)

**photons/(s,mm2,mrad2,0.1%BW)

現(xiàn)正處于工程建設(shè)撥款階段October16,2002 DOE(美國(guó)能源部)approvedCriticalDecision1(CD-1:ApprovalofthePreliminaryBaselineRange)fortheLCLS.February2004 ProjecteddatedforDOE(Level2)Milestones(Inj-m5):InjectorAdvanceProcurementPlansComplete,(Lin-m5):LinacAdvanceProcurementPlansComplete,(Und-m7):UndulatorAdvanceProcurementPlansComplete,(Xtr-m7):X-rayTransportAdvanceProcurementPlansComplete,(Xes-m5):X-rayEndstationAdvanceprocurementPlansComplete,and(CnF-m6):ConventionalFacilitiesAdvanceProcurementPlansCompleteOctober2008 ProjecteddateforstartofoperationoftheLCLS.TheTESLATestFacility

Free-ElectronLaser

(TTF-FEL)ThegoaloftheTTFFELisauniquesourceofcoherentradiationintheVUVrange,

i.e.withwavelengthsofapprox.6nanometers.

Aerialviewoftheexperimentalhall(Bldg.

28c)fortheFELUserFacility(center)andthetunnelfortheTTFphase

2extensionbehindit(coveredwithgrass).ThehallintheupperrightcornerhousestheTTFphase

1FEL.

A"FreeElectronLaser"forwavelengthsdownto6

nminthevacuum-ultravioletandsoftX-rayregime(VUVFEL)isunderconstructionattheTESLATestFacility(TTF)atDESY.

Itisoperatedinthe"self-amplifiedspontaneousemission"(SASE)modeanddeliverssub-picosecondradiationpulses,withgigawattpeakpowers.Atpresent,lasinghasbeenobserveddownto80nm,theshortestwavelengtheverachievedwithafreeelectronlaser.Firstexperimentsusingthisuniqueradiationarecarriedoutaround100nm.Forthiswaveleng