同步辐射光源的原理、构造和特征

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1、1同步辐射光源的原理和发展历史同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波，因是在电子同步加速器上首次观察到，人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的电磁辐射为同步辐射，由于电子在图形轨道上运行时能量损失，故发出能量是连续分布的同步辐射光。关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯到1889年Lienard的工作，进一步的理论工作由Schott，Jassinsky，Kerst及Ivanenko，Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年才完成，Blewet

2、t的研究工作首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响，并观察到辐射对电子轨道的影响，Lee和Blewett较详细地给出了发展史的评论。至今，同步辐射光源的建造经历了三代，并向第四代发展。（1）第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副产品。（2）第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的，美国的Brokhaven国家实验室（BNL）两位加速器物理学家Chasman和Green[1]把加速器上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成Chasman2Green阵列(Lattic

3、e)，这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。（3）第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件（InserctionDevices），即扭摆磁体（Wiggler）和波荡磁体（Undulator）而设计的低发散度的电子储存环。表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，其中表征性能的指标是同步辐射亮度，发散度以及相干性。表1三代同步辐射光源主要性能指标的比较Tab.1Comparisonofmainpropertiesofthethreegenerationsynchrotronradiationsou

4、rces目前，世界上已使用的第一代光源19台，第二代24台，第三代11台。正在建设或设计中的第三代14台，遍及美、英、欧、德、俄、日、中、印度、韩、瑞典、西班牙和巴西等国家。大概可分为三类：第一类，是建立以VUV（真空紫外）为主的光源，借助储存环直线部分的扭摆磁体把光谱扩展到硬X射线范围，台湾新竹SRRC和合肥NSRC光源属此类。第二类，是利用同步电子加速器能在高能和中能两种能模式下操作，可在同一台电子同步加速器（增强器）下，建立VUV和X射线两个电子储存环，位于美国长岛Brookhaven国家实验室（BNL）

5、的国家同步辐光源（NSLS）属于此类。第三类，是建立以X射线环为主同时兼顾VUV的储存环，因为X射线环能提供硬X射线、软X射线或和紫外及可见光到红外的光谱分布，但长波部分的亮度较VUV环低些，当然也可用长波段进行工作，上海同步辐射装置（SSRF）就属此类。图1为上海同步辐射装置（SSRF）的平面示意图，如果增强器能分别采用高能和中能两种模式工作，在中能模式下操作，注入储存环提供光子通量较高，主要进行VUV环的工作;在高能模式下操作，只要光束线和实验站作合理布置，既能进行硬X射线、软X射线方面的工作，也能进行很多

6、VUV方面的工作。图1上海同步辐射装置（SSRF）结构的平面示意图Fig.1Planarmapofstructureforshanghaisynchrotronradiationfacility（SSRF）（4）近些年来，由于自由电子激光（FEL）技术的发展和成功应用，以及在电子储存环的应用，从自由电子激光（FEL）中引出同步辐射已经实现，这就是第四代同步辐射光源。第四代同步辐射光源的标志性参数为：①亮度要比第三代大两个量级以上。第三代光源最高亮度已达1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW)-1

7、，目前第四代光源的亮度达1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW)-1；②相干性。要求空间全相干，即横向全相干；③光脉冲长度要求到皮秒级，甚至小于皮秒级；④多用户和高稳定性。同步辐射光源的一大特点是多用户和高稳定性，可同时有数百人进行试验。因此有人认为，同步辐射光源就像能量广泛分布的一台超大型激光光源，特别是光的相干大大改善的第三代和第四代同步辐射光源更是如此。关于同步辐射理论和装置方面的文献太多，文献[2-4]为该方面较新的书籍，可供需要者进一步查阅。2同步辐射光源构造由图1可见，同步辐射光源由

8、一台直线加速器、一台电子同步加速器（又称增强器，Booste）和电子储存环三大部件组成。在直线加速器产生并加速后注入增强器继续加速到设定能量后，再注入电子储存环中作曲线运动而在运行的切线方向射出同步辐射光。2.1直线加速器一般采用电子行波直线加速器，由以下几部分组成：（1）电子枪它提供加速用的电子束，由发射电子的阴极、对电子束聚焦的聚焦极和吸出电子的阳极组成。通常阴极负高压为40～12