同步辐射光源.docx

同步辐射光源1400011418李佳明 物理学院摘要：同步辐射光源，是利用电子以接近光速的速度在电磁场中偏转时发出的电磁波（即同步辐射）进行科学研究的一种新型高性能强光源。高速运动的电子具有极高的能量，且速度接近光速，要考虑相对论效应，这使得同步辐射光源所提供的光具有很多独特的优良特性。同步辐射光源被广泛应用于各科研领域，解决了很多实验难题。本文旨在讨论同步辐射光源的基本工作原理、优良特性和具体应用。关键词：同步辐射光源，同步辐射，x射线引言人类的生存和发展，离不开光；科学研究，亦离不开光。利用特定波长的光束在物质中的衍射、折射、散射等现象，或者利用光束与物体相互作用产生的光激发、光吸收、荧光、光电子发射等，是探索未知世界的重要途径。随着科学技术的发展，人们所进行的研究越来越复杂，对光源性能的要求也越来越高、越来越多样化。同步辐射光源便是在这样的背景下诞生的。1974年，人类首次在研究高能物理的同步加速器上观测到同步辐射光。随着人们对同步辐射光优良性能的认识加深，逐渐出现了独立于高能物理研究、专门用来产生高性能的同步辐射光的同步辐射光源。同步辐射光源的基本工作原理。同步辐射同步辐射是指带电粒子的运动速度接近光速（v≈c）在电磁场中偏转时，沿运动的切线方向发出的连续谱的电磁辐射，最先在电子同步加速器上发现，故得此名，又称同步加速器辐射。由于电子运动速度接近光速，需考虑相对论效应，辐射出的电磁波体现出格外优良的特性。同步辐射光源利用的便是同步辐射。同步辐射光源的基本结构装置示意图如下：如图中所标示的数字所示，装置大致分为五个部分：电子枪：发射电子。通常通过加热金属丝来实现。在同步辐射光源的运行过程中，电子枪需要持续提供电子，因为电子会与储存环中残留的气体分子相撞而不断减少。电子出射后进入直线加速器进行加速，通常被赋予约100MeV量级的动能。增强器：电子从直线加速器进入增强器，能量进一步提升。增强器实质上就是一个回旋加速器，把电子加速到接近储存环的能量（GeV量级）然后将其以相对稳定的速率注入储存环。储存环：闭合回路，电子在其中做接近光速的运动并辐射出电磁波。储存环的回路通常包括弯曲部分和直线段部分。在储存环的弯曲部分，放置有很强的电磁铁来对电子进行约束，维持其环形的运动轨迹。在直线段部分，通常会有嵌入设备（ID），一般为具有空间或时间周期性的强磁铁，来使高速电子束产生扭摆或偏转，从而产生同步辐射。射频高压电源：电子因同步辐射消耗能量。射频高压电源在电子每次经过时给电子补充适当的能量，以避免其回旋半径缩小然后撞上储存环内壁。光束线：光束线沿储存环的切线方向延伸出来，与储存环中的嵌入设备共轴，并位于其下游。光束线直接接收电子辐射出的电磁波，并通过各种光学器材，提取出科学实验所需要的光。进行科学实验的实验室通常就在光束线所有装置的最后端。2.3 同步辐射光源的运行过程电子从电子枪出射到增强器，接着进入储存环以接近光速的速度运动。电子在经过嵌入设备时发生偏转和扭摆从而产生同步辐射光，光线从光束线进入实验室被科学家利用——这便是同步辐射光源的基本工作原理。3、同步辐射光源的优良特性3.1同步辐射光源的优良特性举例同步辐射光源可以提供特性优良、独一无二的光。大致特性有：高准直、高亮度、宽波段、连续光谱、窄脉冲、高偏振。分别说明如下：高准直：由于电子运行速度接近光速，在电子运行速度发生改变时，所辐射出的电磁波的空间张角极小（如下图），约为0.05~0.06mrad。相较于常规回旋加速器中电子所发出的向四周发散的电磁波，便具有了极高的空间精度，同时也使能量高度集中。高亮度：由于电子能量极高（GeV量级），在发生偏转时所辐射出的电磁波的能量自然很高。这使得它的光能承载更多的信息量。宽波段，连续光谱：同步辐射光的波段覆盖了从x射线到红外线，并且光谱是连续。这使得它的应用非常广泛。窄脉冲：电子在做扭摆运动时，所发出的电磁波在沿光束线方向的分量才能被接收，因此是脉冲信号。但由于电子速度很快，运动的周期极短，光束线所接收到的电磁波的脉冲便很窄。具体的脉冲宽度可由电子在嵌入设备中做扭摆运动的周期算出。这提供了很高的时间分辨度。高偏振：通过人为控制嵌入设备中的强磁铁，可使光束线接收到高纯度的线偏振或椭圆偏振光。3.2x射线的brilliance在同步辐射光的波段中，最广为使用的是x射线。人们习惯用一个叫Brilliance的量来衡量x射线特性的优良与否，Brilliance值越高，x射线性能越好。Brilliance的单位为：其中包括了x射线的亮度、空间张角和带宽。可以看出，光的亮度越高、空间张角越小、带宽越窄，brilliance就越高。同步辐射光的这几个特性，刚好都能使它的brilliance提高，因此从同步辐射光源中产生的x射线具有非常高的brilli