§39同步辐射和FEL.ppt

二.自由电子激光(Free Electron Laser) 普通激光：原子或分子产生的受激相干辐射 自由电子激光：自由电子产生的受激相干辐射 1971年John Maday从理论上提出 ? 76— 77建成了第一台红外波长(10.6 ) 的 FEL E = 24 MeV I = 74 mA * § 7.2 同步辐射和自由电子激光 人们对物质结构每一层次的探索都创造出 巨大的生产力， 对电磁波谱每一波段的开发都把科学技术 推进一大步: · l ＞ 10cm 波段的开发 ?现代无线电技术，广播、电视、远程通讯。 · 微波波段的开发 ? 雷达、导航、射频加速器技术迅速发展 促进了波谱学、核物理、航天科学的发展。 · x射线波段的开发 ? 透视、探伤、集成电路光刻， 促进了晶体学、医学、计算机科学的发展。 · 激光技术 开发了红外—紫外的强电磁波源 ? 激光手术，激光加工，激光通讯……。 · 同步辐射和自由电子激光则是下一代的激 光， 它们大大促进了表面物理，光化学，光生 物学，形貌术，血管造影等的发展并开辟出新 的科学研究领域， 谁掌握了新的电磁波资源谁就掌握了新的 科学技术手段，并开辟出新的科学技术领域。 1947年4月16日，美国通用电气公司的实验室在调试能量为70MeV的电子同步加速器时， 偶然看到加速器里有强烈“蓝白色的弧光”， 光的颜色随电子的能量变化而变化： 当电子能量降到40兆电子伏时，光变为黄色； 降到30兆电子伏时，变为红色且强度变弱； 降到20兆电子伏时，就什么也看不见了。 一. 同步辐射 (Synchrotron Radiation) 1, 原理 带电粒子有加速度时就会放出电磁辐射 q v 带电粒子(流)以恒定速度运动, 相当于稳恒电流, 产生恒定的磁场 若有加速度? 产生变化的磁场?感应出变化的电场 ?产生电磁辐射 这种由同步加速器中的电子辐射的电磁波称为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。 电荷 q ，加速度 a ,在与 成 q 角方向上的单位 立体角内的辐射功率为 r a v,a q q d? dp d q a c Sin P Sin W = = 2 2 2 0 3 2 0 2 16 p e q q (1) 对 4 p 空间积分得辐射的总功率为： (2) p dE dt q a c = = ? è ? ? ? 2 3 4 2 2 0 3 pe 通常遇到的有三种典型情况: ? 偶极辐射—— ? 轫致辐射—— X射线的连续谱 ? 同步辐射—— 环形轨道上加速电子，转圈，有向心加速 度，放出辐射。 19 世纪末林纳德等人就提出这将是一种很 强的辐射源。 1947 年 Floyd Haber 首次在 70MeV 的同步 加速器上观察到这种辐射。 无线电天线 a v 电子能量很高考虑相对论， ( ) P q a c = ? è ? ? ? - 2 3 4 1 1 2 2 0 3 2 2 pe b 在轨道平面内，取 q 为相对于 r v 的夹角 ( ) ( ) 5 2 0 cos 1 cos q b b q - - = W P d dp b ? 0 时， r r a v ^ 时 在 p dE dt q a c = = ? è ? ? ? 2 3 4 2 2 0 3 pe dp d q a c Sin P Sin W = = 2 2 2 0 3 2 0 2 16 p e q q a v 过渡到非相对论情况 ? q = 0 o 时， dp d P W = - ? ? ? ? ￥ ? 0 3 1 1 ( ) b b cos cos q b q b = = ± - ， 1 =?0 时， dp d W = 0 辐射向前方发射 原因：动量守恒， 加速的能量动量为光子带走 2 q 0 ( ) ( ) 5 2 0 cos 1 cos q b b q - - = W P d dp 2, 特点 A. 能谱范围宽 可从红外到 x 射 线产生连续谱，峰 值和电子能量有关， 特征波长 l c A ( ) o ： l c A R E ( ) . o = 5 59 3 R ：电子轨道半径 (m) ， E ：电子能量 (GeV) c l ) ( o A 2.5 Gev 1 0.7 0.4 1 10 10 2 10 3 10 4 λ N B. 方向性好 q 0 轨道平面内的半张角 ， cos q b 0 = g