（核技术及应用专业论文）同步辐射真空紫外光谱技术.pdf

摘要 真空紫外光谱研究是同步辐射应用的一个十分重要的方面，已被广泛地应 用于物理、化学、材料以及生物等研究领域。国际上主要的同步辐射装置上几 乎都有这方面的光束线、实验站，涉及固体光谱( 吸收、反射、激发和荧光) 、 原予分子光谱、光化学、圆二色光谱、时间分辨光谱等等谱学方法。中国科技 大学围家同步辐射实验室拥有我国大陆目前唯一的专用光源，储存环电子能量 0 8 g e v ，为典型的v u v 环，已建成两条真空紫外区光束线其中一条用于凝 聚态物质真空紫外光谱测量。由于该光束线设计上存在的问题，一直没有良好 地运行，影响到我国同步辐射真空紫外光谱技术的应用，对该光束线的改造势 在必行。另外，同步辐射在生物领域的应用方兴未艾，除了x 射线衍射用于生 物大分子结构测定外，真空紫外圆二色光谱用于支链折叠结构的研究越来越受 到重视，我国在这方面的技术相对落后。正在实施中的国家同步辐射实验室二 期工程子项目之一真空紫外圆二色光谱及光声光谱光束线正是为了增强我 国在生物领域的研究能力。针对我国同步辐射应用的现状，完善和发展其在真 ， 空紫外区的光谱研究手段是十分必要、有意义的。 本文对基窒堑丛盟闻筮盐出进趟豆煞进行了改造。通过对原始设计资料的 详细分析，在深入完整地理解其设计思想的基础上，找出了其中不当之处。在 保留原光束线设计精华的前提下提出了可行的改造方案，使得样品处光斑水平 尺寸缩小十倍，且光通量可望捉高两个量级以上，彻底解决了困扰多年的该光 束线样品处光斑尺寸大、光通量低的问题。改造后韭塞线的性能将接近国际同 类先进水平。同时，对真空紫外时间分辨光谱实验站进行了改造，重新设计了 实验站总体光路，使其更加合理，并且，能够与液氦循环制冷机联用，使被测 样品的温度可在1 0 k 室温之间变化，拓展了实验站的能力。 本文还就真空紫外圆二色与光声光谱光束线、实验站的设计、建造进行了 研究。坛光束线的工作波长1 2 0 0 一3 0 0 0 a ，中等分辨率( 3 5 0a ) 、高通量( l o 2 光予数海1 带宽) 、线偏振、较小光斑尺寸、能够同时满足真空紫外波段的圆 二色光谱及光声光谱等测量，具有相当的难度。为此，设计了一条大通径、线 偏振、多用途的改进型正入射型单色器光束线。其特点包括：采用柱面光学元 件，使得子午面和弧矢面的聚焦条件相互独立，极大地方便了设计；使用最少 的光学元件，即只需一块柱面前置镜和一个柱面光栅，前置镜可以接收 4 0 m r a d 8 m r a d 立体角内的同步辐射，有利于提高光通量；在全面理解正入射单 色仪理论的基础上，通过对光束线整个工作波长范围离焦量的分析得出，光栅 扫描可以使用简单正弦机构，而不需作离焦补偿，极大地简化了光束线的调试 与使用：使用带l i f 或c a f ：窗的超高真空阀门将光束线和实验站分隔，既使光 束线工作在超高真空状态，有利于光束线真空的保持，又方便实验站的操作。 再次根据圆二色与光声光谱测量原理，设计加工了与光束线匹配的真空紫外 圆二色光谱与光声光谱实验站，包括光路设计、电子学控制及数据采集系统。 考虑到该实验站将可能在两种测量方式之间频繁切换，在光束线设计中已经作 了针对性的安排，即预留了两个测量位置点，分别用于圆二色和光声光谱测量 实验站采取了模块式组合的设计。考虑到水分、空气等对光声光谱测量的影响， 设计了专门的光声池及手套箱，使得光声池样品更换以及光谱测量可以在保护 i ， 气氛( 通常为n 。) 下完成。圆二色光谱的测量也在保护气氛下进行。r k v a c u u mu l 仃a v i o l e ts p e c t r o s c o p y t e c h n i q u e s w i t h s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n l i g h ts o u r c e a b s 仃a c t v h c u u mu l t r a v i o l e t f v u v )s p e c t r o s c o p y i so n eo ft h e m o s t i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n so fs y n c h r o t r o nm d i “o n ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n vr e s e a r c h a r c a si n c l u d i n gp h y s i c s ，c h e m i s t r y ，m a t e r i a ls c i e n c e ，a n db j o l o g y e t c s u c h 印p a r a t u s e x i s ti na i m o s te a c hf a m o u ss y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t yi nt h ew o r l d ，c a r r y i n 叠o u t r e s e a r c h e so np h o t o c h e m i c a l ，p h o t o - p h y s i c s ，a r l ds p e c t r o s c o p ys t l l d y e t c a sa 妙p i c a l v u vr i n gw “he 】e c t r o n e n e r g yo f0 - 8 g e 、t h en a t i o n a ls y n c h r o m nr a d i a t i o n l a b o r a t o r y ( n s r l ) i nh e f e i i st h eo n l vd e d i c a t e df a c i l i t yi nm a i nl a n do fc h i n a t w ov u vb e a m l i n e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e df o r 口h o t o c h e m i c a la n dv u v s p e c t r o s c o p yr e s p e c t i v e l y t h eo n eu s e df b rv u vs p e c t r o s c o p ys t u d yh a sn o tb e e n n o n l l a l l yu s e df o mt h ev e i vb e g i n n i n 2d u et ot h ef a u l t yd e s i g n ，a n dt h u sh i n d e r e dt h e d e v e l o p m e n to fv u vs p e c t r o s c o p ys t u d y o fo u rc o u n t r r e c o n s t r u c t i o no ft h e b e a n l l i n ei s u 唱e n t i nt h em e a n w h i l e ，t h eu s eo fs y n c h r o t r o nr a d i a t i o ni nb i o l o g y s t u d yi sb l o o m i n g b e s i d e st h ex r a yd i f 疗a c t i o ns t u d yw h i c hc a nd e t e r m i n et h e s t r u c t u r eo fp m t e i nc r y s t a l s ，t h ec i r c u l a r d i c h r o i s m ( c d ) s t u d vf o rt h es e c o n d a r y s t r u c t u r eo fp o l y p e p t i d e sa j l dp r o t e i n si s b e i n gp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e p l a n i n gn e wb c a m l l n ef o rv u v c i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) a n dp h o t o a c o u s t i c s ( 队) i n t h ep h a s e i ip r q j e c to fn s r li s j u s tt om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf r o mb i o l o g v r c s e a r c h s o ，“i sm e a n i n g f u lt oi m p r o v et h ec a p a b i 】i t ，ro fv u v s p e c t r o s c o p ys t u d ya t d r e s e n tf b ru s i nt h j st h e s i s ，t h ec o n c e p ta i l dt e c h n i c a lp l a nf o r t h er e c o n s t f u c t i o no ft h ev u v s p e c t r o s c o p yb e a m i i n eo f n s r la r ed i s c u s s e dn r s t t h m u 曲a c o m p l e l es t u d yb a s e d o nt h e o r yo fs e y a - n a m i o k am o n o c h m m a t o r s o m ef e t a id r a w b a c k sw e r ep o i n t e do u t f o rt h eo r i g i n a ld e s i g no ft h ev u v b e a m l i n eo fn s r l t h e n ，o nt h ep r c r e q u i s i t et o r e t a i nt h ec o s t l ys e y a n a m i o k am o n o c h r o m a t o ro ft h eo r i g i n a lb e a m l i n e ，ar e n e w e d d e s i g nw a sp u tf o n v a r d ，w h i c hr e d u c e dt h eh o r i z o n t a l i m a g es i z eo ns a m 口l et o2 m m ， o n et e n c ho fm e o r i g i n a lo n e ，a n dm a yh o p e f u l i yi n c r e a s em ep h o t on u xb y t w oo r d e r s o fm a 2 n i t u d e i nt h em e a n w h i l e ，an e we x p e r i m e n c a is t a t i o nf o r “m er e s o l v e d s p e c t r o s c o p yw a sd e s i g n e da n dc o n s t m c t e d ，w h i c hi sm o r er e a s o n a b l ea n de a s i e rt o u s e t h en e we x p e r i m e n t a ls t a t i o nc a nb eu s e dw i t hah ec l o s e dc v c l ec r y o g e n i c s y s t e m ，w h i c h c a nm a k et h e s a m p l et e m p e r a t u r ev a r y b e t w e e n1 0 ka n dm o m l e m d e r a n l r e t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h en e wb e a m l i n ea n de x p er i m e n t a ls t a t i o nf o r v u vc i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) a n dp h o t o a c o u s t i c s ( p a ) a r ea i s om a i np a r io fm y r e s e a r c hw o r k an o 唧a li n c l d e n tb e a m l i n ew a sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d ，w h i c hc a n m e e tt h er e q l i e s t so fv u vc da n dr s p e c t m s c o p y s u c ha sm o d e r a t er e s o l u t i o n ( 0 3 - 5 n m ) ，1 0 0 一3 0 0 mw a v e l e n g t hr a n g e ，h i g hf l u x ，“n e a rp o i a r i z a “o n ，a n ds m a l li m a g e s i z e ( 3 x 2m h f ) o n t h es a m p l e ，e t c i nt h ed e s i g n ，t h ec y i i n d r i c a lo p t i c a ie i e m e n t sw e r e u s e dt o s e p a r a t em em e r i d r i c a l a n ds a g g i t a lf o c u s e s t h a tal a 唱ea c c e p ta n 酉eo f 4 0 m r a d x 8 m r a da n dt o t a l l vo n l yt w oo p t i c a le l e m e n t sb e i n gu s e de n a b l e st or e a l i z et h e h i 茸hn u x b a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so nt h ed e f o c u s i n gc o n d i t i o n ，as i m p l es i n eb a r w a sa d 叩t e df o rw a v e l e n g t hs c a n n i n g ，w h i c hs i n 】【p l i f i e d 山ed e s i g n ，a 由u s 协1 e n ta n d o p e r a “o no ft h e b e a m 】i n e a f t e r t h a t ，a c c o r d j n g t ot h e p r i n c i p l e s o fc da n d p h o 幻a c o u s t j c ss p e c 的s c o p y ，a ne x p e r i m e n t a ls t a t i o nw a sd e g n e da n dc o n s 咖c t e d i n c l u d i n go p t i c a id e s i g n ，as p e c i a lp h o 沁a c o u s t i c s c e l lf o rv u vp l o t o a c o u s “c s s p e c t r o s c o p y a sw e l ia st h ec o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s 中国科学技术大学博士学位论文张国斌第一章绪论 第一章绪论 真空紫外、远紫外的波长范围大约是1 0 a 2 0 0 0 a 。这个光谱区的长波极 限是相当确定的，因为空气中氧的连续吸收区从2 0 0 0 a 左右开始，一直延伸到 短波。由于这个缘故，真空紫外光谱仪必须能够在高真空下使用，这也是“真空 紫外”名称的由来。而真空紫外的短波限却很不明确，因为它与软x 射线谱相重 叠，而且没有明显的特征可以区分这两个光谱区，通常只是根据软x 射线与真空 紫外光谱的激发、测量方法的不同来区分。 与可见近紫外光谱相比，真空紫外区光谱的研究开展很晚。直到十九世纪， 真空紫外光谱的研究工作还很少，而且主要集中在原子光谱的分类上。除了技术 上的困难( 真空装置的使用、缺乏真空紫外透明光学材料、普通辐射探测器不适 用如标准照相乳剂的短波极限在2 3 0 0 a ) 之外，一个重要的原因是，产生和 观测真空紫外光谱的条件与地球大气中通常的自然条件无任何关系，因此，当时 真空紫外光谱很难有希望找到任何实际应用。 随着科学技术的目益发展，一些新的研究方向的出现，使得研究真空紫外区 科学问题也越来越迫切。其中最有希望的发展方向之一是对地球大气之外天体的 直接观测。太阳的短波辐射在较高大气层中被吸收，并导致电离、分子离解和光 化学反应的发生。太阳紫外辐射对地球大气的影响，最初是基于近似的太阳模型 和在可见及近紫外中观测到的太阳光谱短波部分能量分布的外推来估计的。只是 到了二十世纪中叶随着火箭和人造卫星技术的发展，人类第次将衍射光栅摄 谱仪送到大气层之外，从而获得了波长短予3 0 0 0 a 的太阳光谱信息，以及其他 恒星、行星和星云的光谱信息。真空紫外光谱学的另一个重要应用与等离子体和 热核聚变有关。因为大部分等离子体辐射落在真空紫外区，对这种辐射的测量提 供了等离子体诊断的主要技术。当然，还有大量的真空紫外研究课题，都与短波 高能辐射有关。真空紫外辐射可以引起大量的化学反应和跃迁，这方面的研究构 成了真空紫外光化学的内容。因为很多元素如碳、硫、磷等最灵敏谱线的波长都 在2 0 0 0 a 以下，使用较长波段的谱线来分析时，灵敏度大大降低，发射光谱是 真空紫外光谱学另一个有价值的应用， 这些有实用意义的新课题迅速发展，对真空紫外区光谱仪、探测器以及光源 的研制提出了要求，极大地促进了真空紫外光谱技术地发展。真空设备的获得已 中国科学技术大学博士学位论文张国斌第一章绪论 不再困难；改进型的光电池和光电倍增管大量用于真空紫外光谱的精确测量：真 空紫外衍射光栅的应用，导致波长测量十分精确；而各种新型真空紫外光源的成 功研制无疑是真空紫外区光谱技术的发展关键。 通常在可见光谱区作为连续辐射源的各种炽热体和灯丝无法应用于真空紫外 区，因为在固体可能达到的最高温度( = 4 0 0 0 ) 下，黑体在1 0 0 0 a 附近的发光 率大约是它在6 0 0 0 a 的1 0 ，而在5 0 0 a 附近的发光率则为6 0 0 0 a 的1 旷“。激发 原子谱线的普通线光谱光源也不适合于真空紫外区，因为除原子氦、氖、氩和氟 外，大多数原子和分子的最高能量不超过1 0 e v 。也就是说，大多数原子和分子 的光谱波长大于1 2 0 0 a 。因此，只有利用特殊光源才能得到真空紫外区的光子。 概括起来，到目前为止，比较成熟的常规真空紫外光源大多是利用了氢气或稀有 气体放电发射，其形式不外乎彭宁放电( p e n n i n gd i s c h a 唱e ) 2 ”、空心阴极灯 ( h a i l o wc a t h o d e ) 、辉光放电灯( g 1 0 wd i s c b a r g e ) 删等等。在不同的条件 下，可以获得真空紫外区线光谱或连续谱。有关常规真空紫外光源的更详细的综 述见参考文献1 。 这些常规光源的出现为真空紫外区光谱研究提供了强有力的工具。然而。它 们的缺陷也是显而易见的。除了在一定条件下可以得到稀有气体的连续谱外，只 可以获得真空紫外区的线光谱。每一种气体所发射的连续谱能覆盖的波长范围都 很窄( 大约5 0 0 a ) m ”】。图l 表示所有稀有气体连续谱的分布。 虿 歪 毒 h 2 ，呖弼 。 ，啪 鼢卿；i ；锄砌咖 h ，2 鞭 饬砺； ； ；! 孙， 懈7 院弼嬲渤犏 7 4 4 畅2 ； k n c 龆k i _。iil i i_li l tjt。 ，0 0 1 0 0 0l ，0 0 2 0 d 0 上 i i ii 1 i _ i i i - i l o9 87 图1 氢气和稀有气体连续谱 m 中国科学技术大学博士学位论文 张国斌 第一章绪论 然而 艮多研究领域需要能覆盖更宽波长范围、且亮度更高的真空紫外光源。 例如，真空紫外区吸收光谱、圆二色光谱以及光声光谱测量，等等。利用常规的 真空紫外光源时，需要好几个光源与合适的光学系统组合，才能覆盖5 0 0 a 2 5 0 0 a 范围的光谱区 1 6 。显而易见，若用这类光源测量一个5 0 0 a 2 5 0 0 a 的吸收谱，将非常不方便，技术上难度也极大。而且，常规光源的辐射强度较小 ( 见表1 ) 。因此，这些光源的使用范围受到很大的限制。 二十世纪七十年代，同步辐射问世。同步辐射具有高亮度、高通量、连续覆 盖从硬x 射线到远红外的广阔波长范围、辐射方向性好、具有偏振特性、时间 结构、洁净、光斑尺寸小等等优点j 。以亮度为例，在真空紫外区，同步辐射装 置给出的光源亮度比常规连续谱光源高出1 3 个数量级。表l 给出了一些真空紫 外区常规连续谱光源与同步辐射的光谱范围和峰值辐射功率数量级。表中同步 辐射功率根据合肥国家同步辐射实验室储存环弯铁辐射1 0 0 0 a 处、1 n m 带通、接 收角4 0 m r a d ( 水平方向) x 5 m r a d ( 垂直方向) 、3 0 0 m a 束流强度的条件下估算得到。 表l 几种真空紫外光源与同步辐射的特性 光谱辐射峰值功率 光源波长范围( 1 l i n ) ( m w m m 2 s l n m ) 氢灯( 1 k w ) 16 5 2 5 0 o 1 ( 在2 3 0 n m ) 氤灯 l5 0 2 2 5 0 o l ( 在1 7 0 n m ) 氪灯1 2 5 1 6 50 o o l ( 在1 5 0 n m ) 同步辐射x m r i r l 应该说明，在稀有气体连续谱光源中，氙灯亮度最高。显然，同步辐射无论 在光谱范围还是辐射功率上都远远优于常规光源。而且因为同步辐射光斑尺寸 小( 约o 1 m m 2 ) 、方向性好( 辐射集中在几个毫弧度立体角内) ，考虑到与单色仪 等光谱仪器接收性能的配合后，同步辐射在强度方面的优势更为明显。 同步辐射优异的性能给x 射线、真空紫外以及红外区的科学研究提供了全新 的机会，其应用范围迅速地拓展到凝聚态物理、化学、材料科学、生命科学等充 满活力的领域。同时，与同步辐射光源相适应的光谱仪器、实验方法的研究也是 日新月异。例如，光束线理论的不断完善、光学元件制备与检测能力不断提高。 随着同步辐射技术本身的发展，新型的实验方法与实验设备还将涌现。到目前为 止，同步辐射已经历了三代，即兼用光源、专用光源( 储存环) 、插入件，正向 第四代自由电子激光m 1 发展。全世界已建成数十个同步辐射装置、数以千计 1 中国科学技术大学博士学位论文张国斌第一章绪论 的光束线及实验站，领域涉及凝聚态物理、化学、材料科学、生命科学等等。根 据储存环中电子( 正电子) 的动能大小，可以将储存环大致分为低能环( 电子动 能小于l g e v ) 和中、高能量环( 电子动能大于1 g e v ) 。电子动能的大小影响到 同步辐射能量的波长分布。能量越高，特征波长越短，同步辐射的短波( x 射线) 分量越多：反之，特征波长越长。因此，低能环主要用于红外、真空紫外、软x 射线波段，常被称作v u v 环；中高能量环主要用于软x 射线及硬x 射线波段。 就同步辐射真空紫外区光谱波长范围在3 4 0 e v 的应用而言，主要的研究工 作包括凝聚态光谱( 吸收光谱、激发光谱、荧光光谱、时间分辨光谱) 和生物样 品的研究( 圆二色光谱) 。世界各个知名的同步辐射实验室几乎都建有真空紫外 光束线，表2 给出了其中的一些光束线的数据。 表2 一些同步辐射实验室真空紫外区的光束线 实验室储存环能量光束线类型波长范围实验方法 m a x o ，5 5 g e vn i m5 3 0e v荧光光谱 ( 瑞典) u v s o r l ，s e y a - n a m i o k a 3 4 0e v 0 7 5 g e v固态光谱 ( 日本) 2 n i m3 4 0e v n s r l 1 ，s c y 扣n a m i o k a3 4 0e v荧光光谱 o 8 g e v ( 中国) 2 ，s e y a n a m i o k a 3 4 0e v 光化学 l u r e高分辨光谱 o 曙g e v o f r - p 】a n ee a 9 1 e 5 4 0e v ( 法国)圆二色光谱 1 ，c z e m e v 荧光光谱 n s l st u m e r 2 1 8 9e v o 8 g e v圆二色光谱 ( 美国)2 ，m o d 讯e d5 3 0e v 光离化 w a d s w o n h 圆二色光谱 s r s s e y a n a m i o k a 4 1 2e v 2 g e v荧光光谱 ( 英国)t g m4 1 2e v 时间分辨光谱 h a s y l a b荧光光谱 4 5 g e vn i m4 4 0e v ( 汉堡)时间分辨光谱 d ， 中国科学技术大学博士学位论文张国斌第一章绪论 我国大陆目前已有两个同步辐射装置，即北京( b s r f ) 和合肥( n s r l ) 光 源，拟建中的有上海光源。北京光源储存环电子能量为2 5 g e v ，主要用于高能 物理研究，其同步辐射应用偏重于x 射线区。尽管他们也建有一条真空紫外光 束线，但由于空间上的限制，光束线只能接受7 m m d 的同步辐射光，限制了光通 量的进一步提高。而且，由于北京光源是兼用光源，用于同步辐射应用的时间有 限，加上实验站配套也不够完善，因此远远不能满足真空紫外光谱研究的需求。 而合肥光源是专用光源，储存环电子能量o 8 g e v ，为典型的环，已建成两 条真空紫外区光束线，其中一条用于凝聚态物质真空紫外光谱测量。由于该光束 线设计上存在的问题，一直没有良好地运行，影响到我国同步辐射真空紫外光谱 技术的应用，对该光束线的改造势在必行。另外，同步辐射在生物领域的应用方 兴未艾，除了x 一射线衍射用于生物大分子结构测定外，真空紫外圆二色光谱用 于支链折叠结构的研究越来越受到重视，如英国d a r e s b u 唱同步辐射实验室在已 有两条真空紫外圆二色光谱光束线的基础上，正在建设一条新的光通量更高的真 空紫外圆二色光束线m 】。我国在这方面的技术相对落后，目前为止，只在北京光 源上真空紫外光束线上进行了一些尝试，并且取得了一些有意义的结果。但是， 它使用的光束线毕竟不是针对这方面专门设计的，存在许多局限，如光通量偏低。 正在实施中的国家同步辐射实验室二期工程子项目之一真空紫外圆二色光谱 及光声光谱光束线正是为了增强我国在这一领域的研究能力。 针对我国同步辐射应用的现状完善和发展在真空紫外区的光谱研究手段是 十分必要、有意义的。本论文将围绕上述两条真空紫外光束线的改造及建设，对 同步辐射真空紫外光谱光束线技术、实验方法及相关问题进行研究与讨论。 参考文献 1 a n z a i d e l a n de y a s h r e i d e r ，妇c e f z f 川c ，打r 口v f d ，“印p c f ，协c 呼，a n na r b o 卜 h u m 曲r e y s c i e n c ep u b l i s h e r s ，i n c ，19 7 0 2 】f p e n n i n g ，p 矗 f ，4 ，71 ( 19 3 7 ) 3 】r d d e s l a t e s ，t tj p e t e r s o n ，a n dd h t b m b o u l i a n ，( 和f 曲c a 州p c d ，5 3 ， 3 0 2 ( 1 9 6 3 ) 4 】r g n e w b u r g h ，l h e r o u x ，a n dh e h j n t e r e g g e r 却，( 珍f 池，i ，7 3 3 ( 1 9 6 2 ) 中国科学技术大学博士学位论文张国斌第一章绪论 【5 】r g n e w b u r g h ，铆正印r f ，2 ，8 6 4 ( 19 6 3 ) 6 h j o k a b e ，( 捆5 扫c 4 川8 r 泐，5 4 ，4 7 8 ( 1 9 6 4 ) 7 e 、矿s c h l a g ，fj c o m e s ，0 p f s 0 。一m p r f c 口，5 0 ，8 6 6 ( 1 9 6 0 ) 【8 j j s p a r a p a n y ，铆f 0 扫f f c s ，4 ，3 0 3 ( 1 9 6 5 ) 【9 c a j e n s e n ，a n d 、mf l i b b y j p 矗 r g v ，1 3 5 ，1 2 4 7 a ( 1 9 6 4 ) 【l o 】1 tt a n a k a ，a s j u r s a ，a n df j l eb l a n c ，( 功f ，- s 扫。爿川e c 口，4 8 ，3 0 4 ( 1 9 5 8 ) 【l l 】r e h u f f m a n ，j c l a 盯a b e e ，a n dd c h a m b e r s ，一即 ( f f ，4 ，1 1 4 5 ( 1 9 6 5 ) 1 2 】y t a n a k a ，a n dm z e l i k o 皿，c i p f 曲c 一m 州c d ，4 4 ，2 5 4 ( 1 9 5 4 ) 1 3 】y t a n a k a ，印t 肋c 一所们c 口，4 5 ，7 叭( 1 9 5 5 ) 【1 4 p g w i l k i n s o n ，a n de t b y m m ，却正印胁，4 ，5 8 l ( 1 9 6 5 ) 【1 5 p g w i l k i n s o n ，a n dy t a m k a ，z 印 曲c 爿m g 一，4 5 ，3 4 4 ( 1 9 5 5 ) 【1 6 yt h n a k a ，a n d a s j o r s a ，f 劲f 曲c 一埘8 一c 口，5 0 ，l l l 8 ( 1 9 5 0 ) 【1 7 】e e k 0 c h ，胁疗咖础d 以跏拍m 胁z 胄耐砒门，v d ，朋，n o 咄h 0 1 l a i l d p u b l i s h i n gc o m p a n y a m s t e r d 锄，n e wy o r k ，o x f o r d ，l 9 8 3 1 8 】c p e l l e 鲜i n i ，7 pf ，凹- 且k c f m 疗上船仃口阼d 胁p d 站西把d p 坩扣p m 蹦括折? 跏玎c 矗加f 加hr 口d 蛔咖玎re 站。形允础，h 晰仃f c 忌口删sd d 玎f 口c 见p l e i l u mp r e s s ， n e w y j r k ，l o d o n ，7 1 7 ( 1 9 8 0 ) 1 9 】d t c l a r k e ，m a b o w l e r b d f e l l ，e ta 1 ，点y 玎c ，d 加以r 口出口打d n 0 眦1 3 ，2 l 一 2 7 ( 2 0 0 0 ) 6 1 中国科学技术大学博士学位论文张国斌 第二章同步辐射特性 2 ，1 同步辐射概述 第二章同步辐射特性 从经典的电磁理论可知，电荷加速时发出电磁辐射。所谓同步辐射，是指相 对论性电子在圆形轨道上被加速时放出的波长范围很宽的电磁辐射。尽管早在1 9 世纪后叶“c n a r 刚就从理论上预言了同步辐射，但直到1 9 4 7 年4 月2 4 日人类才 第一次由一位名叫f 1 0 y dh a b e r 的工程师在纽约通用电器公司的7 0 m e v 同步加速 器上偶然观察到它的可见部分川。 同步辐射是一个亮度很高、偏振、脉冲光源，波长范围连续覆盖红外、可见、 紫外至x 射线区光谱。它是真空紫外光谱区及其重要的光源。当质量很小的带 电粒子如电子以相对论速度运动时，发出的辐射强度极高，并且方向性好，张角 通常为l 毫弧度( m m d ) 量级。在电子储存环上，有三种可能的同步辐射源，分 别是偶极铁( 也称弯铁) 、扭摆器( w i g g l e ) 和波荡器( u n d u i a t o r ) 。弯铁辐射即 是相对论电子的偶极辐射；扭摆器由一系列极性相反交叉排列的磁铁组成，相当 于多个弯铁辐射的迭加；波荡器也是由一系列极性交叉排列的磁铁组成，只不过 电子在其中通过时轨道偏折小，导致来自各个磁铁的辐射相互干涉。 典型的同步辐射储存环中，通常有几个( 到几十个) 电子束团被磁场约束在 真空内回旋。每个束团含有的电子数一般为1 0 ”量级，束团长度约几十厘米，因 此，光辐射是脉冲型的。根据不同的机器和高频腔( 用于补充电子由于同步辐射 而损失的能量) 性能，光脉冲宽度为几十到几百皮秒，光脉冲间隔为几个至几百 纳秒。 作为同步辐射专用光源建造的加速器最重要的特征是，它们有一套专门设计 的磁聚焦系统将其中电子约束成横截面积很小的束团，并使得电子的横向速度很 小。很高的辐射强度、小的张角以及小的光斑尺寸结合起来，产生了极高的亮度。 亮度定义为光源单位面积单位立体角内辐射出的光通量。在光辐射传递受到限制 的场合，例如使用单色仪的情况下，亮度通常是比光通量更为重要的量度。 最早的同步辐射光源是在作高能物理研究用的加速器上寄生运行的。这些机 器没有为提高辐射亮度进行专门的参数优化，并且通常是加速器而不是储存环， 电子束被不断地注入、加速、引出。这类同步辐射光源通常被称作第一代机器。 7 ! 璺型兰垫查查兰竖主堂篁堡兰堑望塑塑三童旦生塑塾壁丝 由于第一代光源在科学研究中的成功应用，从二十世纪七十年代末开始，开始建 造专用的储存环也就是第二代同步辐射光源。二十世纪八十年代初期，以插入 件( w i g g l e r s 和u n d u l a t o r s ) 为主的第三代同步辐射光源开始建造。目 前，基于多粒子相干发射的第四代同步辐射光源一一自由电子激光正在研制之 中。 本章将介绍与光束线设计及应用有关的同步辐射特性。由于论文工作不涉及 插入件，有关插入件的理论在此不作介绍。 2 2 同步辐射的理论 2 2 1 简介 同步辐射的理论描述可以根据经典电动力学原理推导，并且可以在很多文献 中找到这样的描述，如t o m o u l i a n 和h a n m a n 队s c h w i n g e 一、j a c k s o n 队w i n i c k 【6 j 、 h o f m a i l i l l 7 】、k r i n s k ve ta l 队k i n l 【9 1 等人的工作。s o k o l o v 和t e m o v 则给出了同 步辐射的量子描述。在此，仅对同步辐射特性作个结论性的描述。 电子在圆形轨道上运动时，产生的电磁辐射形状类似偶极子辐射，如图2 1 ( a ) 所示。当电子能量增加，开始以相对论性速度运动时，在与电子速度相同 的运动坐标系中来看，电磁辐射形状仍然是类似偶极子辐射；但在实验室坐标系 ( 静止) 中的观察者看来，电磁辐射的形状却不再类似于偶极子状的辐射。根据 相对论理论，运动物体上的角度日，在静止坐标系里的观察者看来为日。两者关 f 耐 n j 图2l 带电粒子在圆形轨道上运动时的电磁辐射花样 8 中斟科学投术大学博士学位论文张国斌第二章同步辐射特性 系如f ： t a n 臼严s i n 曰( r ( c o s 目。一卢) ) ( 2 1 ) 其中，r = e m 。c 2 ，e 为电子能量，为其静止质量，c 为光速，卢2 v c ，v 为电 子运动速度。对相对论性电子而言，卢一l 。在运动坐标系中，偶极辐射的峰相 应于8 ，= 9 0 。在实验室坐标系中看来，则变成目，。t a n 目，。r ，如图2 1 ( b ) 目；示。 2 2 2 弯钛辐射光通量分布 为了方便，在同步辐射特性的数值计算中，同步辐射装置的一些参数通常使 用一些实用单位，例如： 电子能量e g e v 弯转半径p m 磁场强度b t 并且有如下的关系： 咖 = 意器 ( 2 z ) y = m o c 2 = o ，5 1 1 w 已y = 1 9 5 7 g p y ( 2 3 ) 定义特征波长 ，波长大于特征波长的同步辐射功率等于波长小于特征波长 的同步辐射功率。特征波长的计算公式如下： 丸【a = 5 5 9 j ；d m ，e3 【g 口y3 = 1 8 6 ( 8 【r e 2 【g e y 2 ( 2 4 ) 弯铁辐射的角分布由式( 2 5 ) 给出： 等寺，2 等丢( 批硝b 蔫砧叫皿s ， 其中，为单位时闻内光子数，p 为电子轨道平面( 通常为水平面) 内的观 察角，为垂直于轨道平面的观察角，口为精细结构常数( 1 l 3 7 ) ，五为同步辐 射光波长，为束流，善= ( t 2 五) ( i + y 2 y2 r k 为分数阶贝塞儿函数。 将式( 2 5 ) 对所有垂直观察角y 积分，可以得到水平方向单位弧度内同步辐 9 中国科学技术太学博士学位论文张国斌第二章同步辐射特性 射光的总强度 盟艘：鱼d ， d p2 石 等氯b 。d 坳 如果使用前面所述的实用单位，则可得到： 訾乩。z s 枷”巩矧2 删 ( 1 y 2 ) 2 ( 甜d 甜v 。 。“ 。l 丑 恤焉硫叫 量纲为：光子数，秒毫弧度2 o 1 带宽。 以及： 掣观4 s 圳“印州爿 鲁肛，( y 协d 口 。丑虬 ”+ 量纲为：光子数，秒毫弧度o 1 带宽。 上述公式中的贝塞儿函数的计算可以用下列级数展开近似1 ： 一愕+ “c o s 咐砌) 图2 2 普适同步辐射光输出曲线 1 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 岔一，o ! 里型兰苎查查兰! 主兰垡丝壅堕里塑 蔓三兰旦生堡堑壁堡 一 孚寺州鬻 叫 式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 对任意的z 值和任意的分数阶v 都成立，其中 是合适 的间隔常数，如 = 0 5 。在计算中，当第，项的值很小时，如小于1 0 。，可以终止 求和。这两个近似公式在后面将被多次用到。作为例子，这里定义一个普适函数 g ，： g 。( t 兄) = 魄五) r 。e ，o 阿 ( 2 1 1 ) 根据式( 2 1 0 ) 可以编制一个简单的程序( 见附录一) ，计算得到豹结果如 图2 2 所示。有了这一结果，就可以很方便的得到任意给定储存环的辐射光子通 量与光子波长的关系。例如，对一个电子能量为0 8 g e v 、束流强度为1 0 0 r n a 的 储存环，在特征波长处的辐射光通量为1 2 7 8 x l o ”光子数，秒毫弧度，0 带宽。 丛圈2 ：2 适亘置到! 遮篮盍士叁! 堕! 堕置遮量埴盔! 回生疆盟堡廑童丝缍堡! 卫用墨：! ：! 拯挂描蕉；这丝d ! 王i 盟! 堑越堂强廑堕羞遮益童垣! 塞越堡缝! 巫 丝旦塑塾拯建重型! ：造整! 当重噩夏堑选篮! 夏直鱼量的k 盟堡当王盟! 堂 纽握宣篮盔巫自量：焦氇! g 越! 蕉妊1 2 2 _ 3 弯铁辐射光的偏振特性 式( 2 5 ) 中，方括弧内有两项，其中恐。项是电矢量平行于电子轨道平面的 辐射分量( 以下简称平行分量) ，足。项是电矢量垂直于电子轨道平面的辐射分量 ( 以下简称垂直分量) 。从中可以很清楚的看到，在电子轨道平面内观察时， = 0 ，则k 。项的值为零。也就是说，在电子轨道平面内，弯铁辐射光是1 0 0 线 偏振的。不同波长的平行与垂直这两种偏振成分的强度随着观察角的不同，其变 化规律是各不相同的。图2 3 给出了不同波长下平行与垂直偏振分量的归一化强 度，卫丛蕉堡! 回生揎墅的友自丝拯堑! 基堑盟且垩基主垄! ! ! ! 芏2 数筵鱼由! 计算时用到了式( 2 9 ) ，附录二给出了计算程序。 1 ) 线偏振 线偏振程度定义为： 口：世( 2 ，1 2 ) 。 in + i 。 】l ：旦里型兰垫苎查堂苎主堂垡堕苎斐里塑 篁三里旦生璺盟塑堡 孓 z 图2 3 水平与垂直偏振分量的归一化强度与波长、观察角的关系 其中，”为平行分量，l 为垂直分量，厶+ ，。= l 。当t = 0 时。尸1 0 0 ，完 全的线偏振；而