同步辐射装置及其应用

刘松强2004.4.29同步辐射装置及其应用什么是同步辐射什么是同步辐射•微波:用来观察飞机、航母和飓风•红外线:用于夜视系统和飞弹追踪热源•可见光•紫外线:观察气体分子及凝聚态物理电子结构•X光是研究晶体结构极佳的工具•波长最短的伽玛射线:核物理研究•同步辐射:覆盖了红外、可见、紫外和X光波段•广义的说，所有的电磁波都可以叫做光.同步辐射又可以称为同步光.同步辐射的由来•1947年,GE在70MeV同步加速器(synchrotron)上首次观察到理论物理学家预言的一种辐射,起名为synchrotronradiation即“同步加速器辐射”。•最初，同步加速器辐射因损耗加速器能量和损害加速器部件,被科学家看作一种需要消除的副作用.直到20年后人们才发现它有重要的用途.•中文翻译把同步加速器辐射简化为同步辐射。同步辐射的由来•其实早在1054年,中国科学家就观察到了超新星爆发,中国古代天文学家称呼它为”客星”这颗星出现在在金牛座的南角上,出现後的一个月之内一直相当明亮。在这段期间，耀眼的光辉约有太阳的40亿倍，它的遗迹在往後的一年多都还能够看的见，中国天文学家描述这颗星在四方都有尖尖的光辉而且还带着微红白的颜色•超新星爆发的遗迹-蟹状星云就是一种自然界的同步辐射源.同步辐射的原理•实验物理和电动力学的基本结论:自由电子在作加速度运动时,将产生电磁辐射-电子的速率发生变化:在前向产生轫致辐射(bremssthahlung)-电子的方向发生变化:在切线方向产生同步辐射(synchrotronradiation)同步辐射的特点•同步辐射是”超级显微镜”同步辐射的特点•高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要几秒。•宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长,进行单色光的实验。•高准直：同步辐射的发射度极小,准直性可以与激光相媲美。•脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。•偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。同步辐射的发射度•在储存环中运动的电子，并不是都沿同一的轨道运动的，事实上，它们的运动轨道大都偏离理想的轨道，这就使得电子束团有一定的横截面和发散角。在加速器物理学中，在每一方向上这二者的乘积称为在这个方向的“发射度”，它的单位是［纳米·弧度］（［nm·rad］）。在相同的电子能量和电子电流的条件下，储存环的发射度越小，放射出的同步辐射的亮度也就越高。在同步辐射的应用中，许多尖端的实验要求高的亮度。同步辐射的亮度同步辐射装置的基本构造合肥同步辐射装置：800MeV同步辐射装置的基本构造•电子枪–电子的源泉•直线加速器–预加速•增强器--加速到满能量•储存环•光束线•实验站美国APS7GeV组成同步辐射装置的设备插入件•插入在储存环两个弯转磁铁组件之间的直线段。电子经过插入件时，在磁场的作用下，电子将沿一条近似为正弦曲线的轨道运动，这样，就可以从插入件引出同步光。•采用永磁体磁铁可将插入件磁铁周期缩短到几厘米，大大增加了插入件中磁铁的周期数。在低磁场大周期数的情况下，电子穿过插入件时，其轨道只作轻微起伏，因而被称为“波荡器”（undulator）。插入件•电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大，一般地，波荡器是不能使同步光谱向高能方向移动的，但由于电子的偏转角小，从波荡器中不同的磁极上发射出来的光子在很大的程度上相干地叠加，干涉效应使得同步光谱中出现一系列尖峰。也就是说，波荡器给出一系列近乎单色的同步光，而且在这些波长上的同步光的亮度要增强N2倍以上。在波荡器中产生的同步光的发射角是很小的，近似地只有弯转磁铁上产生的同步光的发射角的1/N。同步辐射的发展•第一代同步辐射光源.在核物理/粒子物理研究的空挡，利用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方式。北京高能所同步辐射装置(BSRF)。•第二代同步辐射光源.第一代同步辐射光源已不能满足研究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步辐射装置。•第三代同步辐射光源.科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射主要来自插入件。台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源(SSRL)。高亮度,高时间分辨力和空间分辨力.同步辐射装置日本Spring–8:第三代法国ESRF:第三代美国NSLS:第二代合肥NSLS:第二代同步辐射实验站同步辐射应用•同步辐射与物质的相互作用：吸收，散射，二次粒子发射•空间分辨实验-X光显微术：物质的形态研究，结构研究，成分研究•时间分辨实验：分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋白相互作用，质子/电子迁移效应•在应用领域的研究：石油，塑料，金属，建筑，微电子，化妆品，制药，食品等•下面着重举两个领域的例子同步辐射应用:生命科学•探索生物大分子(蛋白质)的结构•了解生命过程,从结构研究进入到功能研究的领域。蛋白质动力学的不少领域的时间尺度是落在第三代同步辐射光源的时间分辨领域中的，如：分子间振动（fs-us）、有序-无序转变（ns-ms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋白质相互作用（ps-ms）、质子/电子迁移反应（ps-ms）、金属-配合基（ligand）结合（ps-ms）在欧洲同步辐射中心（ESRF），有45％的实验申请来自生命科学家。同步辐射应用:生命科学•例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤同步辐射应用:LIGALIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、Galvanoformung（电铸成型）和Abformung（塑铸成型）三个字的字头，它由深层同步辐射光刻、电铸成型及塑铸成型这三个工艺过程组成。LIGA技术原理与全息记录的大规模复制（例如，激光唱片生产）相仿，(1)用光刻的方法在光刻胶上刻出微机械或微器件的三维结构，(2)是通过电铸从光刻胶三维结构上产生金属母模，(3)是用母模通过电铸或塑铸方法复制许多金属的或其它材料的生产用模，(4)是用生产用模作大规模复制。同步辐射应用:LIGA•同步辐射提供立体的光刻。-要增加刻蚀深度，必须使用波长比紫外光短得多的X光。如果要做几十到几百微米深度的光刻，所使用的光应是波长在2-10埃之间的X光。-除了波长之外，还有两个重要的因素，就是光的功率密度和准直性。•微马达和微照明灯具已被应用于非剖开性的人体内部外科手术.-用LIGA技术生产出可植入人体的微型电机，其直径只约为1mm，厚度为1.9mm，重量为0.1g，转速为10万转，直径细如发丝的齿轮的精度达微米的量级。