同步辐射光源原理构造和特征

1、同步辐射光源的原理、结构和特色.同步辐射光源的原理、结构和特色.16/16同步辐射光源的原理、结构和特色.同步辐射光源的原理和发展历史同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波，因是在电子同步加快器上初次察看到，人们称这类由凑近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射，因为电子在图形轨道上运转时能量损失，故发出能量是连续散布的同步辐射光。对于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追忆到1889年Lienard的工作，进一步的理论工作由Schott，Jassinsky，Kerst及Ivanenko，Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年

2、才达成，Blewett的研究工作初次波及同步辐射对电子加快器操作的影响，并察看到辐射对电子轨道的影响，Lee和Blewett较详尽地给出了发展史的讨论。到现在，同步辐射光源的建筑经历了三代，并向第四代发展。1）第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建筑与电子加快器和积蓄环上的副产品。2）第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建筑的，美国的Brokhaven国家实验室（BNL）两位加快器物理学家Chasman和Green1把加快器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特其余序列组装成Chasman2Green阵列(Lattice，这类阵列在电子积蓄环中采纳标记住第二代同步辐射的建筑成功。（3）第

3、三代同步辐射光源的特色是大批使用插入件（InserctionDevices），即扭摆磁体（Wiggler）和波荡磁体（Undulator）而设计的低发散度的电子积蓄环。表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，此中表征性能的指标是同步辐射亮度，发散度以及相关性。表1三代同步辐射光源主要性能指标的比较Tab.1Comparisonofmainpropertiesofthethreegenerationsynchrotronradiationsources当前，世界上已使用的第一代光源19台，第二代24台，第三代11台。正在建设或设计中的第三代14台，遍布美、英、欧、德、俄、日、中、印度、韩、瑞典、西

4、班牙和巴西等国家。大体可分为三类：第一类，是成立以VUV（真空紫外）为主的光源，借助积蓄环直线部分的扭摆磁体把光谱扩展到硬X射线范围，台湾新竹SRRC和合肥NSRC光源属此类。第二类，是利用同步电子加快器能在高能和中能两种能模式下操作，可在同一台电子同步加快器（加强器）下，成立VUV和X射线两个电子积蓄环，位于美国长岛Brookhaven国家实验室（BNL）的国家同步辐光源（NSLS）属于此类。第三类，是成立以X射线环为主同时兼备VUV的积蓄环，因为X射线环能供给硬X射线、软X射线或和紫外及可见光到红外的光谱散布，但长波部分的亮度较VUV环低些，自然也可用长波段进行工作，上海同步辐射装置（SS

5、RF）就属此类。图1为上海同步辐射装置（SSRF）的平面表示图，假如加强器能分别采纳高能和中能两种模式工作，在中能模式下操作，注入积蓄环供给光子通量较高，主要进行VUV环的工作;在高能模式下操作，只需光束线和实验站作合理部署，既能进行硬X射线、软X射线方面的工作，也能进行很多VUV方面的工作。图1上海同步辐射装置（SSRF）结构的平面表示图Fig.1Planarmapofstructureforshanghaisynchrotronradiationfacility（SSRF）（4）近些年来，因为自由电子激光（FEL）技术的发展和成功应用，以及在电子积蓄环的应用，从自由电子激光（FEL）中引出

6、同步辐射已经实现，这就是第四代同步辐射光源。第四代同步辐射光源的标记性参数为：亮度要比第三代大两个量级以上。第三代光源最高亮度已达1020phS-1mradmm-2(0.1BW-1，当前第四代光源的亮度达1020phS-1mradmm-2(0.1BW-1；相关性。要求空间全相干，即横向全相关；光脉冲长度要求到皮秒级，甚至小于皮秒级；多用户和高坚固性。同步辐射光源的一大特色是多用户和高坚固性，可同时有数百人进行试验。所以有人以为，同步辐射光源就像能量宽泛散布的一台超大型激光光源，特别是光的相关大大改良的第三代和第四代同步辐射光源更是这样。对于同步辐射理论和装置方面的文件太多，文件2-4为该方面较

7、新的书本，可供需要者进一步查阅。同步辐射光源结构由图1可见，同步辐射光源由一台直线加快器、一台电子同步加快器（又称加强器，Booste）和电子积蓄环三大零件构成。在直线加快器产生并加快后注入加强器连续加快到设定能量后，再注入电子积蓄环中作曲线运动而在运转的切线方向射出同步辐射光。2.1直线加快器一般采纳电子行波直线加快器，由以下几部分构成：（1）电子枪它供给加快用的电子束，由发射电子的阴极、对电子束聚焦的聚焦极和吸出电子的阳极构成。平常阴极负高压为40120keV，脉冲电流强度约几百毫安。（2）低能电子束流输运线它将从电子枪出来的电子束注入到加快波导中，输运线上还有束流导向、聚焦、丈量及聚束等

8、装置。（3）盘荷波导是电子直线加快器的主体，行波电子直线加快器的盘荷波导可分常阻抗和常梯度两种，前者将波导的阻抗设计得各处同样，后者则使波导上各处的加快场速度不变，平常采纳前者。现在加快波导几乎都用无氧铜制成，盘荷波导的加工精度及表面粗拙度等工艺要求很高。（4）微波功率源与微波传输系统前者供给在电子直线加快器工作频次波段成立加快电场所需的微波功率，把微波功率传输到加快波导的传输系统包含间隔器、耦合器、真空窗和汲取载荷等元件。（5）真空系统加快波导的真空度一般应为1.310-36.710-5Pa。（6）聚焦系统包含成立纵向磁场的螺线管、磁四极透镜组及其电源与坚固调理系统，以供给电子束所需的横向聚

9、焦。（7）水冷与恒温系统电子行波直线加快器对温度的坚固度和温度梯度要求都很严格。（8）束流检测系统对电子束的强度、剖面、发散度、能量、能谱、束团相宽和相位能等进行丈量。（9）控制系统负责管理和控制加快器系统的运转、保护和调整等。（10）束流输出系统把已加快的电子束输运到加强器连续加快。2.2电子同步加快器和电子盘旋加快器同步加快器的作用是把直线加快器出来的电子束连续加快到所需的能量，同时使束流强度和束流质量获取改良。一般采纳强聚焦电子同步加快器，由以下几部分构成：（1）主导磁铁（即二极磁铁）指引电子束曲折作近似圆周运动，很多块二极磁铁部署在电子束的理想轨道上，使电子展转2角度。（2）聚焦磁铁在

10、组合作用的同步加快器中设有独立的聚焦磁铁，是靠二极磁铁极面形状来实现聚焦的；对于分别作用的加快器，聚焦作用由四极磁铁来肩负。不论是那种加快器，聚焦和散焦磁铁都是交替摆列在电子的关闭轨道上，用F，D和O分别表示聚焦磁铁、散焦磁铁和自由空间。同步加快器的磁铁结构可写为FOFDOD，有时用B表示曲折磁铁，故可写成FOBOD等形式。（3）校订磁铁二极磁铁和四极磁铁制造和安装都会偏离设计要求，故惹起理想关闭电子轨道的畸变，所以必然对电子轨道进行丈量和校订。校订是采纳小型二极磁铁或附带在四极磁铁上的二极场绕组进行的。（4）真空室对磁场变化速率较快的加快器，其真空室采纳高纯氧化铝陶瓷管，内壁镀一层金属镍，真

11、空度一般要求10-5Pa。（5）高频加快腔电子加快是经过高频加快腔来实现的，并在固定频次下工作。电子盘旋加快器(Microtron，又称微加快器，是用改变倍频系数的方法保证电子谐频加快的盘旋式谐振加快器它分一般电子盘旋加快器、跑道式和超导跑道式电子盘旋加快器。电子盘旋加快器的加快系统主要由高频功率源、传输波导友好振腔构成。跑道式电子盘旋加快器，是把多腔结构的直线电子加快器中加快电子的零件加以组合，于是在圆形轨道的基础上增添了直线段，形状像跑道，故称跑道式电子盘旋加快器。当采纳超导电子直线加快器作加快设施时称超导跑道式电子盘旋加快器。2.3电子积蓄环电子积蓄环是同步辐射光源的核心设施，它不只主要

12、用于累积电子，即不停地让拥有所需能量电子注入并进行累积，使积蓄的电子流抵达要求值并较长时间在积蓄环里循环运动，还要使积蓄环的能量及磁铁、聚焦结构布局符合同步辐射光源用户的需要。积蓄环的特色波长c、同步辐射的亮度和用户的可容纳度是三个重要参数。一般分为X射线环和VUV环两种。积蓄环中的主要零件以下：（1）真空室真空度要求在10-7Pa左右。（2）曲折磁铁使电子在圆弧中运动。（3）四极磁铁因积蓄环常常可被设计成多种方式运转，即可在不同样工作点上工作，所以四极磁铁的磁场梯度在较大范围内变化时都应使四极磁铁有足够好的场区。(4插入元件是指在积蓄环的直线段上插入的扭摆磁铁(Wiggler多很多周期的扭摆

13、器(multipolewiggler和波荡磁体(Undulator等，它们的作用是在不提升积蓄环的能量和束流强度的条件下能获取更短波长和更高通量的同步辐射光，以扩大应用范围。射频腔和相关供电系统以增补电子束到同步辐射过程的能量损失。同步辐射光源的主要特色与一般X射线光源比较较，同步辐射光源有以下特色：（1）高强度，更的确讲是高亮度同步辐射X射线亮度比60kW旋转阳极X射线源所出的特色辐射的亮度分别超出36个数目级。描绘高亮度的另一参量是光子通量，即光子/smm2mrad210-3BW。前面提到，第二代同步辐射光源的光通量达10151016，第三代光源达10171020，到了第四代，光子能量可1

14、022，已大大超出高功率的激光器。从这个意义上讲，一台同步辐射光源相当于无数台激光器。（2）宽而连续散布的谱范围图3给出日本光子工厂(PF同步辐射光源的光谱散布图。可见其波谱的散布超越了从红外可见光紫外软X射线硬X射线整个范围。Wiggler和Undulator的作用也明显可见。试验所用的波长能方便地使用光栅单色或晶体单色器从连续谱中选出。谱散布的一个重要特色是临界波长c（又称特色波长），所谓特色波长是指这个波长拥有表征同步辐射谱的特色，即大于c和小于c的光子总辐射能量相等，0.210c占总辐射功率的95%左右，应选0.210c为同步辐射装置的可用波长是有充分原因的。（3）高度偏振同步辐射在运

15、动电子方向的刹时轨道平面内电场矢量拥有100%偏振，遍布全部角度和波长积分约75%偏振，在中平面之外呈椭圆偏振。图4归纳了不同样波长的单个电子的平行偏振重量、垂直偏振重量强度与发射角的关系，由图4可知，当c时，即曲线1，张角近似为r-1；在较短波时，张角变得较小；较长时，张角变得大得多，当=100c时，张角达4r-1。（4）脉冲时间结构由积蓄环的机构惹起，即由辐射阻尼现象惹起，当电子从加强器注入积蓄环，且当注入的束团几乎充满积蓄环真空不可以再注入电子时，因为自由振荡和同步辐射以及不停地由高频腔给电子供给能量增补，使其自由振荡的振幅愈来愈小，这类现象称辐射阻尼。当经过23倍阻尼时间后振幅已变得小

16、得多，这就意味着束团尺寸已由注入最后时的满真空室变得只占真空的1/10空间了。所以可进行注入23倍阻尼时间的重复过程，这样即累积了电子数，并且束团的横向尺寸变小，长度也短。详尽脉冲时间间隔与积蓄环的参数和使用模式相关，已获取范围为2.8780ns。第三代同步辐射光源的最小光脉冲时间约达30ps。同步辐射源的脉冲时间结构能用来进行时间分辨光谱和时间分辨衍射研究，已在晶体学、化学和生物学方面获取应用。（5）准直性好因为天然的准直性和低的发散度，使得有小的源尺寸。同步辐射光束的平行性可以与激光束相媲美。能量越高光束的平行性越好。（6）同步辐射的相关性不停提升第一代和第二代同步辐射光源的相关性较差，到了第三代光的相关性已相当好，估计第四代同步辐射光源的相关性将更好，且拥有空间全相关性。（7）同步辐射实验站的设施弘大，试样四周空间大