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产生长时间间隔同步辐射光脉冲的可行性研究 摘要 同步辐射( s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ) 自4 0 年代被发现，6 0 年代初应用以来，引 起科学界越来越多的关注。随着s r 的优良特性被发现，其研究和应用邻域不 断扩大。 s r 具有许多优良的特性，如频谱范围广、高亮度、具有时间结构等。其中 利用s r 具有严格的时间结构这一特性，建立了时间分辨光谱学，它把传统的 研究静态光谱学推进到研究物资质内部动态过程的骥代光谱学。 材料的性质不同，其光谱响应的速度也不同，因此需要不同时间间隔s r 脉冲。目前合肥同步辐射光源( h l s ) 同世界上其他同步辐射光源一样，能提供的 s r 脉冲的最大时间间隔为电子在储存环中的回旋周期t c ，h l s 的t 。为2 2 0 n s ， 这限制了对一些材料的的研究。因此如何增加s r 的时间间隔，拓宽s r 的应用 研究范围是一个重要的研究课题。 目前国外的一些同步辐射实验室，如h a s y l a b 、e s r f 、a l s 、c h e s s 等大多采用在光束线上设置机械光阀( c h o p p e r ) 来展宽s r 脉冲的时间间隔。也 有的采用声表面波器件c h o p p e r , 如e s r f 等。但是，限于现在的技术手段，这 些c h o p p e r 的应用是假设储存环产生的s r 是连续的，c h o p p e r 只是从这些连续 的s r 中截取部分s r 。因此这样产生只是长时间间隔的s r 篮j 史鞋，而不是真 正的严格意义上的脉冲。随着技术的发展，采用c h o p p e r 有可能在周长很大储 存环上产生严格的长时间间隔的s r 脉冲，但是对于周长小的储存环，这种方 法不可行。 因为同步辐射光源产生的s r 频谱大都分布在短波长的区域内，因此也不 可采用电光效应和磁光效应在光束线上设置“光开关”来控制s r 脉冲的时间 间隔。 如果使储存环里电子束团的运行轨道在垂直方向与弯铁处同步光引出口的 相对位置错开，这样电子产生的s r 就不能进入光束线，从而达到延长s r 脉冲 的时间间隔。因此，提出在储存环上采用垂直局部凸轨的方法来实现s r 脉冲 间隔的延长。根据现有的快速磁铁技术和光束线的特点，凸轨系统由直流凸轨 和脉冲凸轨两部分组成。 为此，以i l l s 为例计算了多种凸轨方案以验证该方案在理论上的可行性， 并计算了凸轨对储存环的影响。计算结果表明，利用局部凸轨的方法理论上是 可行的，而且若凸轨参数适当，则对储存环的影响可以忽略。 为了验证技术上的可行性，产生脉冲凸轨所需要的快速脉冲磁场，为此设 计建造了快速磁铁系统。其中冲击磁铁采用空芯结构，脉冲调制器产生高速电 流脉冲作为磁铁的激励源。对快速磁铁系统进行了实际测试，磁场波形和强度、 磁铁的内部磁场分布都较好地满足了设计要求。 理论和实际实验证明在储存环上利用垂直局部凸轨是可以实现s r 脉冲时 间间隔的延长。 关键词：时间结构、时间分辨光谱、斩波器c h o p p e r 、局部凸轨、冲击磁铁 塑墨一 一 p o s s i b i l i t ys t u d y o ft h eg e n e r a t i o no fs y n c h r o t r o nr a d i a t i o n p u l s e w i t hl o n gi n t e r v a l a b s t r a c t s r ( s y n e h r o t r o nr a d i a t i o n ) h a sa t t r a c t e dm a n ys c i e n t i s t ss i n c e i tw a so b s e r v e di n1 9 4 0 sa n d u s e di n1 9 6 0 s w i t hi t sm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e sb ed i s c o v e r e d ，t h er e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so f s rh a v ei n c r e a s e dm u c h s rh a sm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s s u c ha sw i d es p e c t r u m ，h i g hb r i g h t n e s s ，t i m es t r u c t u r ee t c t i m e r e s o l v e ds p e c t r o m e t r yi sb a s e d0 no n eo f t h ep r o p e r t i e so f t i m es t r u c t u r e ，w h i c hd e v e l o pt h e t r a d i t i o n a ls t a t i cs p e c t r o s c o p yt um o d e m s p e c t r o s c o p y s t u d y t h ed y n a m i c p r o c e s so f m a t e r i a l - d i f f e r e n tm a t e r i a l sh a v ed i f f e r e n ts p e c t r a lr e a c t i o ns p e e d s ，s os rp u l s e sw i t hd i f f e r e n ti n t e r v a l s a r en e e d e d l i k eo t h e rs y n c h r o t r o nl i g h ts o u r c e ，t h em a x i m u mi n t e r v a lo fs r p u l s e sf r o mh l s i s t h ee l e c t r o nc i r c u l a t i n gp e r i o dt c w h i c h1 i m i t st h er e s e a r c ho fs o m em a t e r i a l s t h u s ，h o wt o l e n g t h e nt h ep e r i o do fs rp u l s ea n db r o a d e nt h ea p p l i c a t i o n so fs r i sa ni m p o r t a n ts u b j e c t p r e s e n t l y , s o m es y n c h r o t r o nl a b o r a t o r i e ss u c ha sh a s y l a b ，e s r f , a l s ，c h e s se t c ，u s e m e c h a n i c a lc h o p p e ri nb e a m l i n et o l e n g c h e nt h ei n t e r v a l o fs rp u l s e c h o p p e rm o d u l a t e db y p u l s e ds u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ( s a w ) i s a l s ou s e d b u t ，r e s t r a i n e db yt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no f c h o p p e r i sb a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h es rf r o ms t o r a g er i n gi sc o n t i n u o u s w h a tt h ec h o p p e r c a l ld oi sl e tal i h l ep a r t so f s rt op a s sa n ds h i e l do f f o t h e r s t h u s i ti sag r o u po f p u l s e sw i t hl o n g i n t e r v a lf o r mt h ec h o p p e rr a t h e rt h a n s t r i c t ”s i n g l ep u l s e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y ，i t m a y b ep o s s i b l et og e n e r a t es rp u l s ew i t hl o n gi n t e r v a li nl a r g es t o r a g er i n gb yt h i sk i n do f m e c h a n i c a lc h o p p e r , b u ti ti si m p o s s i b l ei nas m a l lr i n g a st h em a i ns p e c t r u mo fs r p u l s ei si nt h e8 r e ao fs h o nw a v e l e r l g t h ，a n da l m o s tn om a t e r i a li s t r a n s p a r e n ti nt h i sa r e a s o o p t i c a ls w i t c hb a s e do n “e l e c t r o o p t i c a le f f e c t a n d “m a g n e t o - o p t i c a l e f f e c t ”c a nn o tb eu s e di nb e a m l i n et ol e n g t h e nt h ei n t e r v a lo fs r p u l s e i ft h ee l e c t r o nb e a mo r b i tl e a v et h es re x i ti nv e r t i c a lp l a n e ，t h e nt h es r p u l s ef r o mb e a m o r b i t c a nn o te n t e ri n t ot h eb e a m l i n e ，s ot h ei n t e r v a lo fs rp u l s e si ne x p e r i m e n t a ls t a t i o ni n c r e a s e d t h e r e f o r e w ep r o p o s eas c h e m eo f “l o c a lv e r t i c a lb u m p ”t of u l f i lt h i sp u r p o s eb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo ff a s tk i c k e rm a g n e ta n dt h ep r o p e r t yo fb e a m l i n e ，t h el o c a lb u m pc o n s i s t so f t w o p a n s ，o n ei sd c v e r t i c a lb u m pa n dt h eo t h e ri st r a n s i e n tv e r t i c a lb u m p t od e m o n s t r a t et h ep o s s i b i l i t yi nt h e o r e t i c a l l y , w ec a l c u l a t em a n yb u m ps c h e m e so fh l sa n d a n a l y z et h ee f f e c t s o ns t o r a g er i n ga sa ni l l u s t r a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a t i ti sf e a s i b l et o l e n g t h e nt h ei n t e r v a lo fs rp u l s eb yl o c a lv e r t i c a lb u m p ，a n dt h ee f f e c t so ns t o r a g er i n gc a nb e n e g l e c t e di f t h ep a r a m e t e r so f b u m pi ss e tp r o p e r l y t od e m o n s t r a t et h ep o s s i b i l i t yi nt e c h n i c a l l y , a n dg e n e r a t ev e r yf a s tp u l s e dm a g n e t i cf i e l dn e e d e d t of o r mt r a n s i e n t b u m p ，w ed e v e l o p e dav e r y f a s tk i c k e rs y s t e ma i r - c o r ek i c k e ri su s e dt o d e c r e a s et h ei n d u c t a n c e ，a n dt h ep u l s em o d u l a t o ru s ep f lt og e tf a s tr i s e f a l le d g e m e a s u r e m e n t o ft h ef a s tk i c k e rs y s t e mh a sb e e nd o n e ，a n dt h em a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l d s a t i s f yt h ed e s i g nw e l l t h e o r ya n de x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h a tt h es c h e m eo fl o c a lb u m p i sf e a s i b l e k e y w o r d s ：t i m es t r u c t u r e ，t i m er e s o l v e ds p e c t r o m e t r y , c h o p p e r ，l o c a lb u m p ，k i c k e r 翌! ! 竺璺 一 _ 一。 第一章：前言 一：同步辐射的历史和现状 1 9 4 7 年在通用电气公司的7 0 m e v 同步加速器上，h a b e r 透过透明的真空室 发现了一个“很小但是非常明亮的光斑”，这是人类第一次直接在非自然条件下 观察到的用科技手段生成的同步辐射光0 , 2 】。五十多年来，同步辐射引起科学界越 来越多的关注，且不断地进行深入研究。随着同步辐射光源的优良特性被发现， 并且为众多的科学家和工程技术人员所认识，同步辐射已经逐渐从研究走向应 用。近二十年来，同步辐射研究成果之多、应用范围之广是出乎人们预料的。因 此许多国家都对此项研究进行了大量的投资，既有发达国家，也有发展中国家。 世界范围的同步辐射研究与专用装置建造“热”始于七十年代，众多的同步辐射 加速器如雨后春笋般地涌现出来。目前全世界有约6 0 台同步辐射光源在运行、 建设或设计之中。目前世界上主要的同步辐射加速器分布如图1 1 所示。 图1 1 ：世界同步辐射加速器分布 二：同步辐射的产生与应用 接近光速运动的电子在作曲线运动时，沿切线方向以光子的形式向外辐射电 磁波，这就是同步辐射( s y n e h r o t r o n r a d i a t i o n ，s r ) ，见图1 2 。 图1 2 ：同步辐射的产生 同步辐射具有频谱连续广阔、高强度、高亮度、方向性好、有偏振性、有时 间结构、洁净、光谱特性可精确计算等优异特性。因此，同步辐射可广泛用于开 展物理、化学、材料科学、生命科学、信息科学、地学、医学、药学、农学、环 境科学、计量科学、x 射线光刻和超微细加工等基础研究和应用研究。 同步辐射加速器一般是由一个电子储存环和一个作为注入器的电子加速器 组成。储存环的能量和磁铁的聚焦结构参数是根据同步辐射用户的需求来确定 的。同步辐射光源由同步辐射加速器、光束线和实验站组成，其布局示意图见图 1 3 。 图1 3 ：同步辐射加速器的结构及同步辐射应用示意图 同步辐射应用还有如下特点： 其一，学科覆盖面广，用户量大。 其二，同步辐射实验室是一个有如此众多分属不同学科的科学家共同工作和 频繁交流的场所。研究手段的每一进展或创新都将有益于其他领域的工作，甚至 开拓新的研究领域。因此，同步辐射的研究和应用能极大地促进交叉学科和新兴 学科的成长，有利于培养造就新一代科技人才。 其三，同步辐射研究的主要对象是基础科学，但也包括应用科学研究和对高 技术的探索，有时成为“纯科学”研究和应用之间的桥梁。 三：s r 的时间结构 因为电子储存环上的高频腔谐振频率很高，达几百兆赫，而电子必须在一定 的高频相位区间被捕获，才能在储存环中稳定运行。因此电子在储存环中是以不 连续的束团形式运动，束团之间的时间间隔为一倍高频周期至电子在储存环中的 回旋周期，而且束团的长度很短。由于电子在储存环中以近光速运动，而储存环 的长度是固定的，所以同步辐射加速器产生的s r 不仅脉冲宽度极窄，而且脉冲 第一章：前言 而且脉冲具有严格的时间结构，见图1 4 。 择，产生的s r 脉冲时间间隔也不相同， 存环的周长。 储存环的周长与高频腔频率的不同选 但是脉冲的最大时间间隔仅取决于储 t e m p o r a ls t r u c t u r e 图1 4 ：s r 的时间结构性 目前同步辐射应用储存环的尺寸相差很大，有的环周长仅几米，如日本 r i t s u m e i k a n 大学的a u r o r a i ，其周长只有3 1 4 米；新加坡国力大学s s l s 的 h e l i o s 一2 环，其轨道周长9 米。有的环周长为几十米，如合肥h l s 储存环周长 为6 6 1 3 米。有的环周长为一百多米，如美国a l s 环周长为1 9 6 8 米。大型的 如美国a r g o n n e 实验室的a p s 储存环周长为1 1 0 4 米，日本s p r i n 9 8 储存环达1 4 3 6 米，d e s y 实验室的p e t r ai i ，它是正电予储存环，周长达2 3 0 4 米。表1 1 按储存环所能产生s r 的最大时间间隔，列出几种典型的储存环和s r 参数。 表1 1 ：几类典型储存环和最大s r 光脉冲间隔参数 储存环 能量( g e v )周长( n i )最大s r 脉冲间隔( n o 日本a u r o r a i 0 5 7 53 1 4l o 5 新加坡s s l s 0 793 0 台肥h l s086 6 1 32 2 0 日本v u s o r 0 7 55 3 21 7 7 3 荧国n s l s 的v u v 0 85 11 7 0 奖国a l s o 一 91 9 66 5 3 3 韩国p l s 21 8 76 2 3 3 瑞士s l s 2 42 8 89 6 0 法国e s r f 78 4 42 8 1 3 3 荧国a p s71 1 0 43 6 8 0 日本s p r i n 9 881 4 3 64 7 8 6 6 德国p e t r a i i 1 22 3 0 47 6 8 0 对于h l s 来说，其储存环的长度为6 6 1 3 米，高频腔的谐振频率为 2 0 40 3 5 m h z ，因此储存环中最多可以填充4 5 个电子团，产生的同步辐射脉冲 时间削隔最小为4 9 纳秒。当采用高频踢除r f k o ( r fk n o c ko u t ) 3 , a l 技术或单束 团注入模式时d 1 ，储存环中可以实现几个束团的运行，当储存环中只有一个束 团时，此时产生的同步辐射脉冲间隔最大为2 2 0 纳秒。 第一章：前言 四：时间分辨光谱 4 1 利用同步辐射作时间分辨光谱研究 同步辐射作为理想光源，不仅光谱分布广，而且s r 是具有严格时间结构 的脉冲光，它为时间分辨研究提供了基本的条件。时间分辨光谱是近十几年来 发展的新技术，把研究静态特性的传统光谱学，推进到研究物质内部的动态过 程和动态特性的现代光谱学1 6 3 l ，是光谱学发展的飞跃。目前世界上许多同步辐 射加速器都有时间分辨光谱实验站，如英国d a r e s b u r y 的s r s t ”、德国d e s y 的 h a s y l a b ”、美国s l a c 的s s r l t ”i 等等。时间分辨光谱实验站主要是通过测 量样品在s r 的激发下的发光特性，进而研究物理、化学、生物样品的结构、 能态等一系列性质，实验装置示意图见图1 5 。 防习惦 图1 5 ：时间分辨光谱实验站示意 由储存环产生的s r 脉冲，经光束线后到达样品室，照射实验样品。实验 样品受到s r 脉冲激励后，发生光谱反应，或吸收、或反射、或产生荧光。光、 电传感器接收样品发射的电磁波进行处理分析，进而得到样品的物质结构信息。 4 2 时间分辨光谱研究对s r 光源的要求 材料的性质不同，其发光光谱响应的时间过程也不相同，既有极快响应的 光谱，也有较慢的。时间分辨光谱实验研究要求s r 的时间间隔必须大于材料 的光谱响应时间，否则在材料发光响应结束之前材料又再次受到激励，致使观 察到的光谱特性失真，见图1 6 。 厂、厂，、 一篇：= l _ ：也小小小 图1 6 ：不同材料的光谱反应 图1 6 所示的是两种不同的材料在s r 光照射下的光谱响应示意图，材料a 的响应速度较快，在下一次s r 到来之前响应已经结束。而材料b 的响应速度 很慢，其发射光谱持续时间超出了s r 脉冲时间间隔，这样材料样品b 在一次 激发反应结束之前再次受到s r 激发，仪器所接收的信息是s r 光和多次激发响 应的叠加，这不但影响实验精度，甚至得到是错误的信息。 不同材料的发光光谱时间响应相差较大，可能在n s m s 范围内。因此为了 第一章：前言 满足不同材料研究的需要，储存环产生的s r 光脉冲的时间间隔也必须作相应 的调节。显然，如果s r 脉冲时间间隔很长，则既能满足光谱响应速度快的材 料的需要，也能满足光谱响应慢的材料的需要。但是，对于同一储存环来说，s r 脉冲时间间隔的增大意味着储存环中电子束团的减少，实验站的光通量降低， 这就延长了所有实验站作实验时间。因此，最好能在不改变储存环中电子束团 数目的情况下，根据不同实验站的课题的需要，各自独立调节实验站所需s r 脉冲的时间间隔。 对于h l s 来说，只有时间分辨光谱实验站对s r 脉冲的时间间隔有特殊的 要求。而h l s 所产生的s r 脉冲，其最大时间间隔为2 2 0 n s ，显然不能满足许 多物质的光谱响应对s r 的需求，限制了h l s 的应用研究范围。这就提出了如 何使小储存环能产生长时间间隔的同步辐射光脉冲的研究课题，这一课题涉及 到进步拓宽小型储存环的应用范围，是个很有意义的课题。 4 3 国内外拓宽s r 脉冲时间间隔的研究 如果实验所需的s r 光脉冲间隔的变化范围小于电子在储存环中的回旋周 期，则可以通过改变储存环中的电子填充模式来得到，但是s r 脉冲时间间隔 的最大值为电子在储存环中的回旋周期，仅与储存环的周长有关。如果实验所 需的s r 脉冲的时间间隔大于电子的回旋周期呢? 显然增加储存环的长度可以 使其所产生的s r 光脉冲的时间间隔延长。但是，储存环中的电予以近光速旋 转，增加储存环的长度不能有效地延长电子的回旋周期，而且增加长度造价昂 贵。因为电子的回旋周期每增加l u s 需要储存环的长度扩大3 0 0 米，相当于新 建一个储存环。又因为只有很少的实验站对s r 脉冲时间间隔有特殊要求，大 多数实验站关心的只是s r 的强度和亮度，所以为了很少几个实验站而增加储 存环的长度显然是得不偿失。 国外有的实验室，如d e s y 的h a s y l a b t ”1 、l b l 的a l s t ”j 、c o m e l t 大学 的c h e s s t ”】、法国的e s r f r “l 等都是在光束线上采用c h o p p e r 来实现光脉冲间 隔的延长。但是它们是把同步辐射当成连续的光源，c h o p p e r 的作用是使其中 的一部分光通过光阑孔，而阻挡其余的部分，由此而形成似s r 光脉冲”。c h o p p e r 的形式也多种多样，以下简要描述几个国外实验室所用的c h o p p e r 。 图1 7 ：光束线采用c h o p p e r 示意 第一章：前言 图1 7 为a l s 在光束线上采用c h o p p e r 的示意图，其中c h o p p e r 为圆柱结 构，圆柱上有通光阑孔，旋转c h o p p e r 即可使部分同步辐射光通过。 - 一2m 二斗l 一2m + 图1 8 ：光束线上采用c h o p p e r 示意 图1 8 为c o m e l l 大学的c h e s s 所采用的c h o p p e r ( q 6f a s ts h u t t e r ) z 示意图， 其中c h o p p e r 采用圆盘结构，圆盘上开一系列的光孔。 ， 以上两种c h o p p e r 主要是通过机械运动在光束线上阻挡不需要的s r 脉冲 以延长s r 时间间隔。由于机械运动速度的限制，通过c h o p p e r 光阑孔的同步 光如图1 9 所示。这是时间间隔为l s r 盛：往登，而不是真正“纯”s r 脉冲， 其中n 表示机械快阀没有区分开的s r 脉冲个数。 图1 9 ：c h o p p e r 产生的长时间间隔的s r 脉冲群 产生脉冲群的原因是：储存环产生的s r 脉冲间隔短，机械运动不能快速 区分相邻的两个s r 脉冲。如果储存环很大，电子的回旋周期很长，则通过机 械c h o p p e r 有可能得到严格的时间间隔延长的s r 单脉冲。目前最大储存环是 p e t r a i i ，其能产生的s r 最大时间间隔为7 6 8 p s ，随着技术的发展，机械c h o p p e r 有可能达到这样的速度。 但是对于小的储存环如h l s 环，其产生的s r 最大时间间隔为2 2 0 n s 。要 想获得时间间隔大于电子回旋周期( 2 2 0 n s ) 的s r 单脉冲，仅靠机械运动的c h o p p e r 是极其困难的。 目前能稳定、可靠、精密地运行的c h o p p e r 的转速约为1 0 0 0 周s 。如e s r f 的机械c h o p p e r 的转速为9 0 0 h z t “1 。因此，目前利用机械运动的c h o p p e r 还不 能产生严格意义的时间间隔长的同步辐射光脉冲。 6 第一章：前言 图1 2 0 ：利用反射原理的c h o p p e r 图1 2 0 为e s r f 利用反射原理来实现s r 脉冲时间问隔的延长，超声波作 用于声表面波器件，使反射面发生变化，s r 经反射后，偏离原来的光路，从而 达到延长s r 时间间隔的目的。但是这种方法还存在如下缺点：不能“干净” 地分离出s r 脉冲；反应速度不快。 以上国外所作的工作都是在光束线上进行处理，如何在储存环上处理以延 长s r 时间间隔，目前还未见国内外有相关的报道。本课题就是针对这一有意 义的问题，探讨在h l s 储存环上延长s r 脉冲时间间隔的可行性和方案，并作 了初步实验。 五：课题的主要目 本课题的主要目的是探讨在储存环上产生长时间间隔s r 光脉冲的可行性。 在理论上，以h l s 储存环为例，分析比较多种可行的方案措施。初步研究 局部凸轨方法的优点，和其对储存环产生的不良影响。 在技术上，主要针对该方法所涉及的关键技术，即如何产生快速脉冲凸轨 所需的脉冲磁场。为此用少量的资金设计了一套快速冲击磁铁的样机系统，并 进行了大量的实际测量。 该课题的理论和技术的初步结果，为课题进一步深入研究在理论上和技术 上作前期的预研准备。 六：论文主要工作 1根据h l s 储存环的特点，针对时间分辨光谱实验站的特殊要求，列举了几 种在光束线上和在储存环上延长同步辐射脉冲时间间隔的方法，并讨论它 们的可行性。 第一章：前言 2 3 4 5 6 分析了垂直轨道扰动方法实现s r 脉冲时间间隔延长的原理和方案，针对三 种l a t t i c e 参数，详细计算了多种磁铁布局方案，并计算了扰动磁铁对储存 环的影响，在理论上验证该方案的可行性。 分析了利用局部垂直凸轨来产生长时间间隔s r 的原理，讨论了采用3 个磁 铁凸轨和4 个磁铁凸轨的多种方案，计算了凸轨磁铁强度和束流轨道。计 算直流凸轨磁铁的插入对储存环动力学孔径的影响。 分析了采用p f l ( p u l s ef o r m i n gl i n e ) 技术产生脉冲调制器的原理，对几种电 路进行了分析比较和计算机p s p i c e 的模拟。设计并完成了具有几十纳秒上 升、下降沿的快速脉冲调制器，设计了计算机测量系统对实际调制器进行 了各种参数测量。 分析了几种冲击磁铁的结构及他们的场型分布，计算了它们的电感，并实 际建造了冲击磁铁。设计脉冲磁场自动测量系统，并实际测量冲击磁铁的 磁场分布。 提出了新的改进方案的初步设想。 参考文献： 1 r ew a l k e r , s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ，c e r n9 4 0 1 ，2 6j a n u a r y1 9 9 4 ，v 0 1 1 2陈佳洱、裴元吉等，加速器物理基础，原子能出版社，1 9 9 3 年6 月 3 裴元吉、李为民等，用r f k o 对h l s 环中某些束流不稳定现象的初步试验 研究，第6 届全国加速器物理学术交流会论文集，p 2 2 ，( 1 9 9 7 ) 4 李为民，裴元吉等，储存环高频剔除系统，第2 届全国加速器技术学术交 流会论文集，p 1 1 1 ，( 1 9 9 8 ) 5 裴元吉，王贵诚等，“h l s 单束团注入系统配套装置的研制”，第二届全国 加速器技术学术交流会论文集，p 1 0 7 p 1 0 9 ( 1 9 9 8 ) 6旌朝淑，时间分辨光谱站的筹建f 3 ) ，内部报告 7 张允武， 同步辐射实验区总论( 1 ) ，内部报告 8 w b r a s ，g e d e r b y s h i r e 。e ta 1 t h ec o m b i n a t i o no ft h e r m a la n a l y s i s a n dt i m e r e s o l v e d x - r a yt e c h n i q u e s ；ap o w e r f u l m e t h o df o r s a m p l e c h a r a c t e r i z a t i o n d l s c i p 9 0 9 e ，p r e p r i n t 9 n s c h w e n t n e r ，t i m er e s o l v e ds p e c t r o s c o p yw i t hs y n c h r o t r o nr a d i a t i o n ，d e s y s r 一7 9 17 l0 k m m o n a h a n ，e t a l ，t i m e - r e s o l v e ds p e c t r o s c o p y a n d e n e r g y t r a n s f e ri n c o n d e n s e dl a s e rm e d i a s s r lr e p o r tn o 7 7 10 ，o c t 19 7 7 i 1 1 】虹d ：盥姓地：b a s y ! a b 。d s x d ，s e a r c hk e yw o r d “c h o p p e r ” 12 h n d ：班班班= a i s 1 b i ：g q y a l s ，s e a r c hk e yw o r d ”c h o p p e r ” 13 h n p ：w w w c h e s s c o r n e l l e d u , s e a r c hk e yw o r d “c h o p p e r ” 1 4 h t t p ：w w w e s r f f r c g i - b i n w w w w a i s ，s e a r c hk e yw o r d c h o p p e r 第二章：方案的选择 第二章：方案的选择 利用s r 作时间分辨光谱实验的装置见图21 ，从储存环弯铁处产生的s r 经过光束线达到实验样品室。光束线中有狭缝、反射镜、光栅等同步辐射光学 元件。 0 i ， 图2 1 ：时间分辨光谱实验站示意图 所谓延长s r 光脉冲的时间间隔，就是当实验样品不需要s r 脉冲照射时， 将相继来的s r 光脉冲阻挡掉或偏离掉，使其不能通过光束线进入样品室。从 实验站的示意图可以看出，有两类方法可实现这种设想。 1 在光束线上设置“光开关”，根据实验的需要，控制“光开关”的工作频率， 实现s r 脉冲时间间隔的调节。 2 在s r 的产生源头，即在储存环上设置“电子开关”，控制环中电子的运行 轨迹，使其产生的s r 不能进入光束线，从而达到调节s r 脉冲的时间间隔。 第一部分：在光束线上设置光开关 在光束线上设置光开关有两种方法，一是利用外加电磁场控制光波在晶体 中的传播状态，另一种是直接利用快 ( c h o p p e r ) 来阻挡光。 第一节：光学处理方法 同步辐射光有可能在某些各向同性的晶体介质中传播而不会引起光波传播 特性的改变。但是，如果有外场作用于晶体介质，将引起晶体介质中束缚电荷 分布的变化，使各向同性的晶体介质变成各向异性，使晶体介质的光学性质发 生变化。因此可以通过外场来控制光波在介质中的传播状态。外场可以是电场、 磁场、声场，而外场在介质上产生的效应分别称为电光、磁光和声光效应。 1 1 利用磁光效应 当一束偏振光在某些介质中传播时，如果在光的传播方向加上一强磁场b ， 则入射光的振动面会发生旋转，即发生旋光性效应，这种现象是法拉第1 8 4 6 年 发现的，故又称之为法拉第效应 “。磁光效应是磁场与介质之间发生相互作用， 强磁场使得这些介质变成了旋光介质。 图2 1 一l 为磁光效应的原理图，将一根玻璃棒放进螺线管的磁场中，两端分 楚 澄 第二章：方案的选择 别加起偏器p 和检偏器p 2 。当光经过起偏器后顺着磁场的方向通过玻璃棒，光 的矢量就会发生旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。 光矢量的旋转角度0 与光在物质中通过的距离f 及磁感应强度b 成正比， 口= v b l ( 2 1 1 ) 式中v 是物质的特性常数，叫v e r d e t 常数( 度厘米高斯) 。 p 1 图2 1 1 ：法拉第效应 假设在光束线上放置两块偏振片p 、p ：，且它们的偏振方向一至，在两偏 振片之间放置一根磁光装置。如果使入射光在通过磁光装置后旋转9 0 。，则光波 将不能通过偏振片p ：。因此控制螺线管中的磁场随时间的变化，可以实现到达 反应室的光脉冲时间间隔的调节。 1 2 利用电光效应 当各向同性的晶体介质处于外加电场中，介质的一些参数( 如介电张量等) 将发生变化，成为电场e 的函数。使晶体介质中传播的光也可能产生双折射现 象，这就是电光效应。 x p 2 图2 1 - 2 ：p o c k e l s 效应 图2 1 - 2 所示的是一级电光效应装置【l l ( p o c k e l s ) ，从起偏器p ，透出的线偏振 光沿k d p 晶体的光轴通过，因为从晶体出来的仍为偏振光，而且光矢量方向不 变，与检偏器的透光轴垂直，因此光不能透过检偏器。当在晶体的两个端面镀 一层透明的电极，并在两端加一强电场时，k d p 晶体的光学性质发生了变化， 第二章：方案的选择 由单轴晶体变成双轴晶体，原来的光轴( z ) 不再是光轴了。这时x y 平面上存在 两个互成9 0 。的主振方向，如图所示x 、y ，因此光线就可以透过检偏器。这种 外加电场方向与光传播方向平行的称之为继塑造筮瘗。如果电场方向与光传播 方向垂直，称为撼鱼造筮虞。 图2 1 - 3 ：k e r r 效应装置 对某些晶体和一些液体，在外电场作用下引起折射率的改变与电场强度的 平方成正比，这就是k e r r 效应或二级电光效应。 在图2 1 3 中的平板之间施加高压，在电场的作用下，介质的分子呈规则排 列，光轴的方向与电场的方向对应。光线通过时，分解成两束偏振光，使原来 不能通过检偏器的光可以通过。 1 3s r 通过晶体的损耗 似乎在光束线上安装这种“电光、磁光开关”是可以调节s r 的脉冲时间 间隔，但是s r 的特点及晶体吸收性能却否定了这种可能。因为除了真空，没 有一种媒质对电磁波是绝对透明的。如在光束线上采用上述磁光、电光效应的 “光开关”来调节s r 光脉冲的时间间隔，则s r 光脉冲必须通过一系列晶体或 液体所构成的透镜。而当s r 通过这些媒质时，会发生如下变化：光束越深入 物质，强度越弱，这是因为一部分光的能量被物质吸收，另部分光向各个方 向散射。因此达到光束线末端的同步光强度将大大减目玑 xx + d x r 卜 ， - d 沙 9- d x 图2 1 4 ：光的吸收 肺坷 第二章：方案的选择 图2 1 4 为光的吸收示意图。假设单色平行光沿x 方向通过均匀媒质，当 光通过厚度为出的一层媒质时，强度由i 减小讲，有， 一d l = a l d x ( 2 1 2 ) 为该媒质的吸收系数，与光强无关。在0 到，区间内对上式积分，即得 j h l a m b e r t 定律i “1 ( 或e b o u g u e r 定律) ， ， ，= ，o p 但1 3 ) 光的吸收分成两类：一般吸收和选择吸收。一般吸收的特点是物质对光的 吸收较少，在给定的光谱范围内吸收系数几乎不变。选择吸收的特点是吸收强， 且吸收系数a 随波长而急剧改变。一般来说，任何媒质对不同频率的光都有选 择吸收特性，即对某些频率的光可能是透明的，而对另外一些频率的光吸收特 别强。因此媒质可通过光的范围是有限的，表2 】一1 列出了几种光学材料透光的 波长范围。 表2 1 1 ：几种光学材料的透光范围 透光范围( 埃1 0 。1 0 m ) 材料 紫外红外 冕玻璃3 5 0 02 0 ，0 0 0 火石玻璃 3 8 0 02 5 ，0 0 0 石英( s i 0 2 ) 1 8 0 0 4 0 0 0 0 荧石( c a f 2 ) 1 2 5 09 5 ，0 0 0 食盐州a c l )1 7 5 01 4 5 ，0 0 0 氯化钾( k c l )1 8 0 02 3 0 ，0 0 0 氟化锂( l i f )1 1 0 07 0 ，0 0 0 表中光学材料所能透过光的波长都大于1 1 0 0 埃。事实上没有一种单一的体 积大的固态晶体在波长小于1 1 0 0 埃时仍然是透明的，象c a f ，、b a f ，、l i f 等晶 体及无色兰宝石( 一a l ，o ，) 只在波长较长( 1 1 0 0 a o ) 的真空紫外区域是透明的【7 】 图2 1 5 是h l s 产生的同步辐射光的频谱分布，从红外到x 射线，频率范 围很宽。h l s 的储存环产生的同步辐射特征波长九，为2 4 a o ，主要分布在真空紫 外和软x 射线波段。而这两个波段的同步光很容易在穿过媒质时被吸收掉，只 能在真空中才能有足够小的吸收损耗【8 1 。 因为h l s 所产生的s r 能量集中在波长较短的真空紫外和软x 射线区域， 现在的时间分辨光谱实验站所利用的其中的较长频谱范围5 0 0 埃3 0 0 0 埃。假 设l i f 可以作电光或磁光开关，则其中的真空紫外波段5 0 0 l 】o o 埃将被l i f 完 全吸收，即损失1 6 可利用的频谱段，并且这个波段的能量在可利用的频段内 能量最高；再加上l i f 对其余可利用频谱的吸收损失，s r 到达实验站时将大大 地衰减；同时还要考虑晶体的冷却问题等一系列技术问题，这正是光束线中的 光学元件基本都是利用反射原理，而没有透镜的原因。 第二章：方案的选择 x ( i ) 图2 1 5 ：h l s 产生的同步辐射频谱 因此对于h l s 的时间分辨光谱实验站，在光束线上无法采用“电光效应” 或“磁光效应”来调节同步辐射脉冲的时间间隔。 第二节；采样机械快门阻挡 2 1 “陕门”的基本原理 为了得到较长时间间隔的光脉冲，可以很直接地想到用一个快门来阻挡不 需要的光，这就是常采用所谓“斩断器”( c h o p p e r ) ，其原理见图2 1 6 。在转盘 上作等间距分布的n 个光孔