北航课件-第十四章同步辐射方法.ppt

* §2 同步辐射 一、同步辐射简介与装置 第一代同步辐射光源的加速器是因高能物理实验的需要而制造的，同步辐射光源则是一个副产品。我国北京的同步辐射装置是正负电子对撞机的一部分，属第一代。目前世界上在使用的约17台。 同步辐射装置的发展已经历了三代： 第三代是同步辐射光源的亮度更高、性能更好的光源。从1994年至今世界上已建成多台，它们分布在美、法、意、日、韩及我国台湾的新竹。上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光，光源能量位居世界第四。每年供光时超过5000小时。 第二代是专用型同步辐射光源，1991年在中国科技大学建成的合肥同步辐射光源、日本的光子工厂等就属于第二代光源。目前世界上运行的第二代同步辐射光源有23台之多。 * 首批开放的7条光束线与实验站： ? 生物大分子晶体学线站 ? XAFS（x射线吸收精细结构）线站 ? 硬X射线微聚焦及应用线站 ? X射线成像与生物医学应用线站 ? 软X射线谱学显微线站 ? 衍射线站和X射线小角散射线站 * §2 同步辐射 二、同步辐射的特性 一台同步辐射装置，在储存环中运行的电子的能量和轨道的弯转半径将决定这台同步加速器所辐射的光谱形状。光子能量范围从几个电子伏特到几十MeV，相应的波长从几微米到几百皮米(10-12米)，即从远红外到硬X射线。 1. 辐射光的波长覆盖面大且连续可调 光子能量(eV) 北京正负电子对撞机： 所辐射的光子能量范围 0.3～2×104eV 相应的光的波长范围 4×103～6× 10-2nm §2 同步辐射 二、同步辐射特性 大功率的X光管的最大输出功率约10瓦 2. 有强的辐射功率 同步辐射的功率可达几万瓦 北京同步辐射装置的辐射功率可达6万瓦 合肥的同步辐射装置的辐射功率为6千瓦 §2 同步辐射 二、同步辐射特性 同步辐射光是沿电子运动轨道的切线方向在一个很小的角度范围内发射出来的，在与轨道平面的垂直方向上所张的角度很小，因此有很好的准直性。 3. 有好的准直性 e 垂直角f §2 同步辐射 二、同步辐射特性 在加速器储存环中电子以束团形式运动。电子束团密度决定了光脉冲的宽度。环形加速器的周长则决定了脉冲的周期，对于1个周长为L的加速器，由于能量为GeV量级，电子的速度已十分接近光速(V=0)，所以脉冲周期为T=L/C。 如果电子束团长度为S，则脉冲的持续时间，即脉冲宽度为t=S/c。 4. 具有很高的亮度 由于同步辐射光功率强，而且又是在一个很小的立体角中发射出来的，能量高度集中，所以必然有很高的亮度。北京同步辐射装置所发射的光的亮度为1013，这是属于第一代装置，目前世界上已有第三代装置，亮度达1017～1018。 5. 脉冲光源，有特定的时间结构 §2 同步辐射 二、同步辐射特性 北京同步辐射装置，周长为240.4米，假设只有一个束团运行，束团长S=3厘米，则脉冲周期为T=0.8微秒，脉冲宽度为τ=0.1纳秒。人们利用这个特定的时间结构，来研究物质的动态和瞬态过程。 如在生命科学中为对细胞进行活体动态研究，可利用脉冲光把动态变化的照片一幅幅拍下来。例如上面提到T=0.8微秒，则在8微秒中可拍10张照片，因为τ很小，所以可以观察到活体的瞬间动态变化。也正因为τ很小，所以要求有足够亮度的光，才能在这样短的曝光时间内使照片清晰，新一代的同步辐射光可以满足这种对光亮度的要求。 t=100ps T=0.8ms §2 同步辐射 二、同步辐射特性 在电子轨道平面中的同步辐射光是完全的线偏振光，光的电矢量就在电子的轨道平面内。这种偏振特性很有用，是普通X光所没有的。利用偏振光可研究生物分子的旋光性，也可以研究磁性材料。 6. 同步辐射是偏振光 因为同步辐射光是电子在超高真空的环境中作加速运动而产生的，是特别“干净”，非常“纯”的光。不像X光管，管内有残余气体，而残余气体，受电子轰击也会发光。利用这种“干净”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模集成电路的光刻等。 7. 同步辐射是“光谱纯”的光 §2 同步辐射 二、同步辐射特性 利用先进的加速技术，目前可以使电子束流在加速器中稳定循环运行十几到二十几个小时，保持电子能量与束流强度不变，从而使辐射光强有高度的稳定性。这对于要求高精度、高分辨率的重复性的实验是必要的。同步辐射还有一个很重要的性质，就是它的谱分布和谱光度都是可以精确计算的。利用这个性质，可把它作为标准来校准其它光源。 综上所述，同步辐射具有如此优良的特性，使得它在许多领域有着重要应用。 8. 高度稳定性 §2 同步辐射 三、同步辐射应用 散射 次级发射 反射 …… 同步辐射光 透射、吸收、折射 同步辐射光与样品的相互作用