同步輻射光源

1、同步輻射光源1400011418李佳明 物理學(xué)院摘要：同步輻射光源，是利用電子以接近光速的速度在電磁場中偏轉(zhuǎn)時發(fā)出的電磁波（即同步輻射）進行科學(xué)研究的一種新型高性能強光源。高速運動的電子具有極高的能量，且速度接近光速，要考慮相對論效應(yīng)，這使得同步輻射光源所提供的光具有很多獨特的優(yōu)良特性。同步輻射光源被廣泛應(yīng)用于各科研領(lǐng)域，解決了很多實驗難題。本文旨在討論同步輻射光源的基本工作原理、優(yōu)良特性和具體應(yīng)用。關(guān)鍵詞：同步輻射光源，同步輻射，x射線1、 引言人類的生存和發(fā)展，離不開光；科學(xué)研究，亦離不開光。利用特定波長的光束在物質(zhì)中的衍射、折射、散射等現(xiàn)象，或者利用光束與物體相互作用產(chǎn)生的光激發(fā)、光吸收

2、、熒光、光電子發(fā)射等，是探索未知世界的重要途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們所進行的研究越來越復(fù)雜，對光源性能的要求也越來越高、越來越多樣化。同步輻射光源便是在這樣的背景下誕生的。1974年，人類首次在研究高能物理的同步加速器上觀測到同步輻射光。隨著人們對同步輻射光優(yōu)良性能的認(rèn)識加深，逐漸出現(xiàn)了獨立于高能物理研究、專門用來產(chǎn)生高性能的同步輻射光的同步輻射光源。2、 同步輻射光源的基本工作原理。2.1 同步輻射同步輻射是指帶電粒子的運動速度接近光速（vc）在電磁場中偏轉(zhuǎn)時，沿運動的切線方向發(fā)出的連續(xù)譜的電磁輻射，最先在電子同步加速器上發(fā)現(xiàn)，故得此名，又稱同步加速器輻射。由于電子運動速度接近光速，需考

3、慮相對論效應(yīng)，輻射出的電磁波體現(xiàn)出格外優(yōu)良的特性。同步輻射光源利用的便是同步輻射。2.2 同步輻射光源的基本結(jié)構(gòu)裝置示意圖如下：如圖中所標(biāo)示的數(shù)字所示，裝置大致分為五個部分：(1) 電子槍：發(fā)射電子。通常通過加熱金屬絲來實現(xiàn)。在同步輻射光源的運行過程中，電子槍需要持續(xù)提供電子，因為電子會與儲存環(huán)中殘留的氣體分子相撞而不斷減少。電子出射后進入直線加速器進行加速，通常被賦予約100MeV量級的動能。(2) 增強器：電子從直線加速器進入增強器，能量進一步提升。增強器實質(zhì)上就是一個回旋加速器，把電子加速到接近儲存環(huán)的能量（GeV量級）然后將其以相對穩(wěn)定的速率注入儲存環(huán)。(3) 儲存環(huán)：閉合回路，電子在

4、其中做接近光速的運動并輻射出電磁波。儲存環(huán)的回路通常包括彎曲部分和直線段部分。在儲存環(huán)的彎曲部分，放置有很強的電磁鐵來對電子進行約束，維持其環(huán)形的運動軌跡。在直線段部分，通常會有嵌入設(shè)備（ID），一般為具有空間或時間周期性的強磁鐵，來使高速電子束產(chǎn)生扭擺或偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生同步輻射。(4) 射頻高壓電源：電子因同步輻射消耗能量。射頻高壓電源在電子每次經(jīng)過時給電子補充適當(dāng)?shù)哪芰?，以避免其回旋半徑縮小然后撞上儲存環(huán)內(nèi)壁。(5) 光束線：光束線沿儲存環(huán)的切線方向延伸出來，與儲存環(huán)中的嵌入設(shè)備共軸，并位于其下游。光束線直接接收電子輻射出的電磁波，并通過各種光學(xué)器材，提取出科學(xué)實驗所需要的光。進行科學(xué)實驗的

5、實驗室通常就在光束線所有裝置的最后端。2.3 同步輻射光源的運行過程電子從電子槍出射到增強器，接著進入儲存環(huán)以接近光速的速度運動。電子在經(jīng)過嵌入設(shè)備時發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭擺從而產(chǎn)生同步輻射光，光線從光束線進入實驗室被科學(xué)家利用這便是同步輻射光源的基本工作原理。3、同步輻射光源的優(yōu)良特性3.1同步輻射光源的優(yōu)良特性舉例同步輻射光源可以提供特性優(yōu)良、獨一無二的光。大致特性有：高準(zhǔn)直、高亮度、寬波段、連續(xù)光譜、窄脈沖、高偏振。分別說明如下：(1) 高準(zhǔn)直：由于電子運行速度接近光速，在電子運行速度發(fā)生改變時，所輻射出的電磁波的空間張角極?。ㄈ缦聢D），約為0.050.06mrad。相較于常規(guī)回旋加速器中電子所發(fā)

6、出的向四周發(fā)散的電磁波，便具有了極高的空間精度，同時也使能量高度集中。(2) 高亮度：由于電子能量極高（GeV量級），在發(fā)生偏轉(zhuǎn)時所輻射出的電磁波的能量自然很高。這使得它的光能承載更多的信息量。(3) 寬波段，連續(xù)光譜：同步輻射光的波段覆蓋了從x射線到紅外線，并且光譜是連續(xù)。這使得它的應(yīng)用非常廣泛。(4) 窄脈沖：電子在做扭擺運動時，所發(fā)出的電磁波在沿光束線方向的分量才能被接收，因此是脈沖信號。但由于電子速度很快，運動的周期極短，光束線所接收到的電磁波的脈沖便很窄。具體的脈沖寬度可由電子在嵌入設(shè)備中做扭擺運動的周期算出。這提供了很高的時間分辨度。(5) 高偏振：通過人為控制嵌入設(shè)備中的強磁鐵，

7、可使光束線接收到高純度的線偏振或橢圓偏振光。3.2x射線的brilliance在同步輻射光的波段中，最廣為使用的是x射線。人們習(xí)慣用一個叫Brilliance的量來衡量x射線特性的優(yōu)良與否，Brilliance值越高，x射線性能越好。Brilliance的單位為：其中包括了x射線的亮度、空間張角和帶寬?？梢钥闯?，光的亮度越高、空間張角越小、帶寬越窄，brilliance就越高。同步輻射光的這幾個特性，剛好都能使它的brilliance提高，因此從同步輻射光源中產(chǎn)生的x射線具有非常高的brilliance。（如下圖，ESRF為歐洲的一個同步輻射光源）4、同步輻射光源的應(yīng)用4.1同步輻射光源的應(yīng)用

8、領(lǐng)域同步輻射光源具有極其廣泛的適用性，應(yīng)用較多的領(lǐng)域包括：凝聚態(tài)科學(xué)，應(yīng)用材料學(xué)，地質(zhì)學(xué)，環(huán)境科學(xué)，化學(xué)，生命科學(xué)，結(jié)構(gòu)生物學(xué)，醫(yī)藥學(xué)，考古學(xué)等。更具體的，它的主要用途可列出以下幾個方面：(1) 探測很微小的結(jié)構(gòu)和很微弱的變化、反應(yīng)。因為同步輻射光(2) 探測無法直接看到的物體。(3) 激發(fā)需要較高能量的原子反應(yīng)或分子反應(yīng)。(4) 探測由原子量較大的原子所組成的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。(5) 觀測過程很快的反應(yīng)，如生命科學(xué)中的很多生化反應(yīng)。總的來說，由于同步輻射光源具有很高的能量，可提供很大的信息量、很高的空間和時間分辨率，很多無法由其他辦法完成的實驗都能借助它來順利完成。4.2具體利用同步輻射光源的pa

9、per舉例下面具體舉一篇Science的文章作為例子，來解釋同步輻射光源不可替代的優(yōu)越性。文章標(biāo)題如下：這篇文章是要通過x射線的能量散射方法來測得在常溫、26.5GPa的高壓下，氫單晶的晶體結(jié)構(gòu)與狀態(tài)方程。實驗裝置大致如下圖：將一片金屬墊片中間打孔，在其中放入體積很小的樣本氫，并加入緩沖質(zhì)以使壓強均衡。然后用兩塊金剛石（尖的一端）封住孔的兩端，通過機械方法從金剛石尾部（粗的一端）對其加壓。樣本通過特殊設(shè)計的平臺，可進行兩個自由度的定點旋轉(zhuǎn)。X射線由一端射入，經(jīng)樣本衍射和散射后，從另一端射出。通過收集射出端x射線的光子能量譜信息，可解析出樣本氫的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。上圖中的為氫元素的一個能量散射特征

10、角，對于不同的元素，該散射特征角不同。這個實驗的難點在于：(1) X射線的衍射強度與原子序數(shù)的立方成正相關(guān)，氫是原子序數(shù)最小的元素，故衍射強度小于周圍其他元素。(2) 為了達到高壓下相對穩(wěn)定的狀態(tài)，樣本氫的體積很小。以上兩點導(dǎo)致的結(jié)果是，氫的衍射強度遠小于周圍腔體和緩沖質(zhì)的衍射強度，于是難以準(zhǔn)確得到所需要的氫元素的實驗數(shù)據(jù)。解決的辦法，便是利用同步輻射光源提供的高強度、高準(zhǔn)直的x射線。一方面，高準(zhǔn)直的x射線在樣品和實驗裝置范圍內(nèi)可近似為直線，這就可以將x射線的入射角與氫元素的能量散射特征角準(zhǔn)確對應(yīng)，避開其他元素的特征角，從而盡可能地排除其他元素的干擾。另一方面，高強度的x射線攜帶更多的信息量，

11、相對測量誤差更小，這使得從實驗數(shù)據(jù)中提取有用信息變得更加容易實現(xiàn)。于是，在同步輻射光源的輔助下，這個實驗成功進行，并得到了一些很有價值的結(jié)果，簡單列舉如下：(1) 測得單晶氫在實驗壓強下的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著壓強的增大，氫單晶的各向異性增強。(2) 擬合出了單晶氫在室溫下，在實驗壓強范圍內(nèi)的P-V曲線。（如下圖）(3) 預(yù)測室溫下金屬氫的轉(zhuǎn)變壓強為230GPa左右。5、 結(jié)論：同步輻射光源是一種性質(zhì)優(yōu)良的新型光源，通過電子以接近光速的速度運動時輻射出的電磁波進行各種科學(xué)實驗。由于具有極其優(yōu)良的性能和泛用性，同步輻射光源廣泛地便被各科研領(lǐng)域應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的重要作用。參考文獻1Willmo

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