同步辐射原理与应用简介

1第十五章同步辐射原理与应用简介§周映雪张新夷目录1.前言2．同步辐射原理2.1同步辐射基本原理2.2同步辐射装置：电子储存环2.3同步辐射装置：光束线、实验站2.4第四代同步辐射光源2.4.1自由电子激光（FEL）2.4.2能量回收直线加速器（ERL）同步光源3.同步辐射应用研究3.1概述3.2真空紫外（VUV）光谱3.3X射线吸收精细结构（XAFS）3.4在生命科学中的应用3.5同步辐射的工业应用3.6第四代同步辐射光源的应用4．结束语参考文献§《发光学与发光材料》（主编：徐叙瑢、苏勉曾）中的第15章：”同步辐射原理与应用简介”，作者：周映雪、张新夷，出版社：化学工业出版社材料科学与工程出版中心；出版日期：2004年10月。21.前言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、有时间结构等一系列优异特性，已成为自X光和激光诞生以来的又一种对科学技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源，它的应用可追溯到上世纪六十年代。1947年，美国通用电器公司的一个研究小组在70MeV的同步加速器上做实验时，在环形加速管的管壁，首次迎着电流方向，用一片镜子观测到在电子束轨道面上的亮点，而且发现，随加速管中电子能量的变化，该亮点的发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时，在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图1是当时看到亮点的电子同步加速器的照片，图中的箭头指出亮点所在位置。那时，科学家还没有意识到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源，高能物理学家抱怨，因为存在电磁辐射，同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫长时间，科学家（非高能物理学家）才真正认识到它的用处，但当时还只是少数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调，且亮度极高等特性，对固体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发展，越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来，同步辐射的优异特性得到了充分的展示，尤其是在红外、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、激光、红外光源等常规光源不能开展的研究工作，有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领域，当然也包括发光学的基础和应用基础研究，得到了极为广泛的应用。目前，无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上，对生命科学和材料科学的研究都具3有昀重要的地位。另外，利用同步辐射在微电子机械系统（MicroElectronicMechanicalSystems,缩写为MEMS）、功能材料、计算机和信息技术等高新技术领域，开展研究工作的份量也明显加重，这类工作常常被统称为同步辐射的工业应用。本章将简要介绍同步辐射的基本原理，装置的构造及其在与发光学密切相关的一些领域中的应用。图11947年发现同步辐射的电子同步加速器照片2.同步辐射原理2.1同步辐射基本原理[1-3]1968年，世界上第一台电子储存环能量为240兆电子伏（240MeV）的专用同步辐射装置，在美国威斯康星大学建造。据统计，全世界相继已有二十多个国家和地区，建成同步辐射装置50余台，都已投入使用，有十几台正在建设，另外，还有15台左右处于不同的设计阶段，正等待批准。北京正负电子对撞机国家实验室的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)4的合肥光源(HLS)分别于1989年和1991年建成并投入使用，台湾新竹同步辐射光源于1994年起对用户开放，上海光源（SSRF）也即将在上海浦东张江高科技园区建造。几乎同于1947年，在英国曼彻斯特大学物理系，师从布莱克特教授（诺贝尔奖获得者）的中国青年物理学者朱洪元，在宇宙线研究中写成题为“论高速的带电粒子在磁场中的辐射”的论文，并在英国皇家学会会刊上发表。这也是关于同步辐射的昀早期论文。其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年7月，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发。这颗超新星爆发后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云（图2）。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，正是超新星爆炸产生的高能电子在星云磁场作用下产生的电磁辐射，也即同步辐射。图2超新星爆炸后遗迹形成的蟹状星云5当高能电子在磁场中以接近光速运动时，如运动方向与磁场垂直，电子将受到与其运动方向垂直的洛仑兹力的作用而发生偏转。按照电动力学的理论，带电粒子作加速运动时都会产生电磁辐射，因此这些高能电子会在其运行轨道的切线方向产生电磁辐射。这种电磁辐射昀早是在同步加速器上观测到的，因此就称作同步加速器辐射，简称同步辐射，或同步光。同步辐射作为光源，其主要特点可归结为：1）亮度高，譬如X光强度可以是实验室昀好的转靶X光机的一万倍甚至一百万倍以上；2）光谱连续且范围宽，可从远红外到硬X射线；3)有时间结构，一般同步辐射光脉冲的脉宽为几十皮秒量级；4)具有偏振性，在储存环轨道（即电子运行轨道）平面上同步辐射是100％线偏振的，而在储存环轨道平面的上方或下方取出的同步光则是左圆偏振或右圆偏振的；5）同步光集中在弯曲轨道的切线方向一个极小的立体角内，具有准直性；6）同步辐射的光谱可精确计算，故可用作标准去校正其它光源。图3是世界上昀大的同步辐射装置，日本的SPring-8的同步辐射光谱亮度曲线，图中也给出了太阳辐射，转靶X光管以及医用X光管的光谱亮度曲线，以作比较。6图3SPring-8同步辐射光谱亮度曲[4]2.2同步辐射装置：电子储存环以电子枪，如光阴极微波电子枪作电子束源，使电子束进入直线加速器和增能器(Booster)中被加速，再通过输运线把它注入到电子储存环中。储存环是一种超高真空的环形管道，环内安装有一系列磁铁：二极磁铁使电子束团偏转，改变运动方向（因此也被称作弯转磁铁）；四极磁铁和六极磁铁使电子束聚焦。电子束在经过弯转磁铁时，在弯曲轨道的切线方向产生同步辐射。另外，安装在储存环中的高频腔用以补充电子能量。图4给出了一个电子储存环的示意图。7图4电子储存环示意图，图中未标出四极磁铁、六极磁铁和注入系统一个同步辐射光源可选用的昀短波长（昀高光子能量）取决于储存环的能量和弯转磁铁的磁场强度，如合肥同步辐射光源的储存环电子能量为800MeV,昀短可用波长为0.5nm；而日本的高辉度同步辐射装置SPring-8的储存环电子能量是8GeV,是目前世界上能量昀高的同步辐射装置，其昀短可用波长可达0.01nm（即能量高达100keV以上，参见图3）[5]。高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时，发现电子因辐射而损失能量，对高能物理实验起负面的作用。但是，非高能物理学家却发现同步加速器产生的电磁辐射是一种性能优良的光源。于是，开始了人类历史上第8一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，同时开展同步辐射研究的工作模式，称为寄生模式或兼用模式，这就是第一代同步辐射光源。在中国科学院高能物理所正负电子对撞机上，电子通过长为204米的直线加速器，能量达到2.2GeV，也可以在进行高能物理实验的同时,以寄生模式开展同步辐射研究。美国威斯康星大学1968年建造的能量为240MeV的电子储存环，是世界上第一台专用同步辐射装置，也称为第二代光源。我国建在合肥中国科技大学国家同步辐射实验室（NSRL）的同步辐射光源(也称作合肥光源，HLS)，则是我国第一台专用的同步辐射光源。专用同步辐射光源在20世纪70年代得到了极大的发展。作为第三代光源,其主要标志之一是高亮度或低的电子束发射度（electronbeamemittance，电子束团截面尺寸与其发散度的乘积）。电子束发射度越低，亮度就越高，通常认为电子束发射度在20纳米·弧度以下，即为第三代光源。表1列出的是一些同步辐射装置的电子束发射度，小于20纳米·弧度的为第三代光源。第三代光源的另一重要标志是在电子储存环的直线节上装有多个插入件，如扭摆器（Wiggler），它由正、负极周期磁铁组成，目的是局部加大磁场，使电子通过它作扭摆运动而发出的同步辐射具有更高的特征能量；波荡器（undulator）,它与扭摆器的区别是磁场较弱，但周期数多，使从不同周期得到的同步辐射，可部分相干地迭加，亮度与周期数平方成正比，使同步辐射的亮度大大提高。因此，通过插入件获得性能更优良（如相干或部分相干的准单色光，可与激光媲美）、亮度更高的辐射,它是同步辐射装置的发展方向。在图3中我们也可以看到扭摆器和波荡器辐射的光谱亮度曲线。9表1一些同步辐射装置的电子束发射度同步辐射装置及所在地电子束发射度（纳米·弧度）BSRF（北京）390(寄生模式)76(专用模式)NSRL（合肥）166(高亮度模式运行时为27)SRRC（台湾新竹）19PLS（韩国浦项）12.1ESRF（法国，Grenoble）3.89(1.7@100mA)APS（美国）8.2SPring-8（日本）5SRRF（上海，即将建造）2.95（设计指标）依据电子储存环中电子能量的高低，储存环同步辐射装置又可分为低能、中能和高能三类。低能同步辐射光源的电子能量在2GeV以下，储存环周长约为100-200米，得到的同步辐射主要是真空紫外和软X射线辐射。如HLS的电子能量在直线加速器中被加速到200MeV后，通过输运线注入到电子储存环中，其电子储存环中共有45个电子束团（在储存环中由于自稳相作用，电子自动聚集而形成电子束团，每个电子束团包含几十亿个电子），所有电子都在周长为66米的储存环中被慢加速到800MeV，在电子储存环的弯转磁铁处产生同步辐射，在真空紫外和软X射线区都有很强的辐射，特征波长为24Å。而中能机器，储存环的电子能量选择在2.5-4.0GeV左右，储存环周长在200-400米左右，同步辐射在X射线能区有很好的性能。BSRF的电子储存环周长240米，能量在2GeV左右，就是这类中能同步辐射光源，其同步辐射以软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。中能光源的造价和运行费用都比高能同步加速器低得多，而性能也可以很好，所以现在世界各国正在建造的都是10中能同步辐射加速器。将要建造的上海光源也是一台中能光源，储存环电子能量优化为3.5GeV,设计周长为432米。高能区的同步加速器，储存环周长可达1公里以上。电子能量达6-8GeV，可以获得能量很高的硬X射线，目前世界上只有三台：法国Grenoble电子能量为6GeV的欧洲同步辐射装置（ESRF）；美国Argonne国家实验室电子能量为7GeV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8GeV的超级光子源（SPring-8）。这三台装置都已启用，装置的几个主要参数列于表2。表2世界上三个昀大的高能同步辐射装置的几个主要参数同步辐射光源的亮度有不同的表述方式，昀常用的光源亮度定义为每秒、单位光源面积、0.1%能量带宽、在单位立体角内发出的光子数，因此亮度单位可表述为：光子数/(mm)2•(milliradian)2•sec•(0.1%bandwidth)。同步辐射光源亮度及与其它一些光源的比较如图3和图5所示。图5中同步辐射光源弯装置名称欧洲同步辐射装置（ESRF）先进光子源（APS）高辉度同步辐射装置（SPring-8）建造国家法国等16个欧洲国家美国日本电子能量（GeV）678储存环周长（米）844.411041436特征能量（keV）19.219.528.9投入运行年代19941996199711转磁铁（BendingMagnets）和波荡器（Undulator）的亮度是美国ALS的数据，分别约为1015和1020亮度单位，而太阳辐射的亮度则为1010亮度单位，实验室X光管的亮度在108和1010亮度单位之间。图中LCLS（LinacCoherentLightSource）,即直线加速器