同步辐射及其应用(讲义).doc

同步辐射及其应用(讲义) 同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X光和激光诞生以来的又一种重要光源。尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。 1．什么是同步辐射 1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。 1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。BSRF即是以寄生模式工作的装置。美国威斯康星大学1968年建造的能量为240兆电子伏的电子储存环，是世界上第一台专用同步辐射装置。NSRL的同步辐射光源(HLS)是我国第一台专用同步辐射光源。人们通常称工作在寄生模式的同步辐射光源为第一代同步辐射光源，以专用模式工作的同步辐射加速器被称作第二代同步辐射光源。 依据电子储存环中电子能量高低，加速器又可分为三类[1]： 一类是电子能量在2 GeV以下，属低能加速器，主要是真空紫外和软X射线辐射。 其次为中能加速器，储存环的电子能量选择在2.5-4.0 GeV左右，在X射线能区可以有很好的性能，而且，因为这类加速器能量较低，造价和运行费用都比高能同步加速器低得多。 第三类即是高能区的同步加速器，电子能量达6-8 GeV，可以获得能量很高的硬X射线。 HLS的电子能量在直线加速器中被加速到200 MeV后，通过输运线注入到电子储存环中，再被慢加速到800 MeV，在真空紫外和软X射线区都有很强的辐射，最短可用波长为0.5 nm。BSRF的储存环电子能量在2 GeV左右，以软X射线和部分硬X射线为主，在真空紫外区也有很强的辐射。这两台同步辐射装置分别工作在低能和中能区，开展的研究工作可以互补。工作在高能量区的同步辐射加速器，包括正在建造中的，目前世界上只有三台：法国Grenoble电子能量为6 GeV的欧洲同步辐射装置（ESRF），美国Argonne国家实验室电子能量为7 GeV的先进光子源（APS），以及日本原子能研究所和理化研究所共同筹建的电子能量为8 GeV的超级光子源（SPring-8）。这三台装置都已开始启用。 同步辐射加速器的建造及正常运行标志一个国家的科学技术水平，其装置庞大且复杂，建造周期长，需化费巨额资金，并涉及到光、磁、机、电、真空，以及自动控制等众多高新技术领域。一般低能量电子储存环周长100-200米以下，中能量储存环周长在200-400米左右，而高能量储存环周长可达1公里以上。以SPring-8为例，其周长设计为1436米，从1987年开始设计，投资超过1000亿日元。再如，NSRL在多束团模式运行时，电子储存环中共有45团电子，每个电子束团包含几十亿个电子，所有电子都在周长为66米的储存环中接近光速回旋10小时以上。由于有复杂的磁铁系统对电子束进行聚焦和轨道校正，电子在经历了相当于从地球到太阳间36个来回飞行的历程后，其发散至多不超过0.1毫米。同时，为保证电子不被残留空气分子碰撞而偏离轨道，电子在优于10-7帕的超高真空中运行。由此可见，同步辐射实验设施对技术水平要求之高。 同步辐射提供了性能优良的光源，吸引了许多学科的科学家利用它开展高水平研究工作，在每一个已经运行的同步辐射实验室，每一年会有成百上千个研究小组开展工