同步辐射光源

1、同步辐射光源1400011418李佳明 物理学院摘要：同步辐射光源，是利用电子以接近光速的速度在电磁场中偏转时发出的电磁波（即同步辐射）进行科学研究的一种新型高性能强光源。高速运动的电子具有极高的能量，且速度接近光速，要考虑相对论效应，这使得同步辐射光源所提供的光具有很多独特的优良特性。同步辐射光源被广泛应用于各科研领域，解决了很多实验难题。本文旨在讨论同步辐射光源的基本工作原理、优良特性和具体应用。关键词：同步辐射光源，同步辐射，x射线1、 引言人类的生存和发展，离不开光；科学研究，亦离不开光。利用特定波长的光束在物质中的衍射、折射、散射等现象，或者利用光束与物体相互作用产生的光激发、光吸收

2、、荧光、光电子发射等，是探索未知世界的重要途径。随着科学技术的发展，人们所进行的研究越来越复杂，对光源性能的要求也越来越高、越来越多样化。同步辐射光源便是在这样的背景下诞生的。1974年，人类首次在研究高能物理的同步加速器上观测到同步辐射光。随着人们对同步辐射光优良性能的认识加深，逐渐出现了独立于高能物理研究、专门用来产生高性能的同步辐射光的同步辐射光源。2、 同步辐射光源的基本工作原理。2.1 同步辐射同步辐射是指带电粒子的运动速度接近光速（vc）在电磁场中偏转时，沿运动的切线方向发出的连续谱的电磁辐射，最先在电子同步加速器上发现，故得此名，又称同步加速器辐射。由于电子运动速度接近光速，需考

3、虑相对论效应，辐射出的电磁波体现出格外优良的特性。同步辐射光源利用的便是同步辐射。2.2 同步辐射光源的基本结构装置示意图如下：如图中所标示的数字所示，装置大致分为五个部分：(1) 电子枪：发射电子。通常通过加热金属丝来实现。在同步辐射光源的运行过程中，电子枪需要持续提供电子，因为电子会与储存环中残留的气体分子相撞而不断减少。电子出射后进入直线加速器进行加速，通常被赋予约100MeV量级的动能。(2) 增强器：电子从直线加速器进入增强器，能量进一步提升。增强器实质上就是一个回旋加速器，把电子加速到接近储存环的能量（GeV量级）然后将其以相对稳定的速率注入储存环。(3) 储存环：闭合回路，电子在

4、其中做接近光速的运动并辐射出电磁波。储存环的回路通常包括弯曲部分和直线段部分。在储存环的弯曲部分，放置有很强的电磁铁来对电子进行约束，维持其环形的运动轨迹。在直线段部分，通常会有嵌入设备（ID），一般为具有空间或时间周期性的强磁铁，来使高速电子束产生扭摆或偏转，从而产生同步辐射。(4) 射频高压电源：电子因同步辐射消耗能量。射频高压电源在电子每次经过时给电子补充适当的能量，以避免其回旋半径缩小然后撞上储存环内壁。(5) 光束线：光束线沿储存环的切线方向延伸出来，与储存环中的嵌入设备共轴，并位于其下游。光束线直接接收电子辐射出的电磁波，并通过各种光学器材，提取出科学实验所需要的光。进行科学实验的

5、实验室通常就在光束线所有装置的最后端。2.3 同步辐射光源的运行过程电子从电子枪出射到增强器，接着进入储存环以接近光速的速度运动。电子在经过嵌入设备时发生偏转和扭摆从而产生同步辐射光，光线从光束线进入实验室被科学家利用这便是同步辐射光源的基本工作原理。3、同步辐射光源的优良特性3.1同步辐射光源的优良特性举例同步辐射光源可以提供特性优良、独一无二的光。大致特性有：高准直、高亮度、宽波段、连续光谱、窄脉冲、高偏振。分别说明如下：(1) 高准直：由于电子运行速度接近光速，在电子运行速度发生改变时，所辐射出的电磁波的空间张角极小（如下图），约为0.050.06mrad。相较于常规回旋加速器中电子所发

6、出的向四周发散的电磁波，便具有了极高的空间精度，同时也使能量高度集中。(2) 高亮度：由于电子能量极高（GeV量级），在发生偏转时所辐射出的电磁波的能量自然很高。这使得它的光能承载更多的信息量。(3) 宽波段，连续光谱：同步辐射光的波段覆盖了从x射线到红外线，并且光谱是连续。这使得它的应用非常广泛。(4) 窄脉冲：电子在做扭摆运动时，所发出的电磁波在沿光束线方向的分量才能被接收，因此是脉冲信号。但由于电子速度很快，运动的周期极短，光束线所接收到的电磁波的脉冲便很窄。具体的脉冲宽度可由电子在嵌入设备中做扭摆运动的周期算出。这提供了很高的时间分辨度。(5) 高偏振：通过人为控制嵌入设备中的强磁铁，

7、可使光束线接收到高纯度的线偏振或椭圆偏振光。3.2x射线的brilliance在同步辐射光的波段中，最广为使用的是x射线。人们习惯用一个叫Brilliance的量来衡量x射线特性的优良与否，Brilliance值越高，x射线性能越好。Brilliance的单位为：其中包括了x射线的亮度、空间张角和带宽。可以看出，光的亮度越高、空间张角越小、带宽越窄，brilliance就越高。同步辐射光的这几个特性，刚好都能使它的brilliance提高，因此从同步辐射光源中产生的x射线具有非常高的brilliance。（如下图，ESRF为欧洲的一个同步辐射光源）4、同步辐射光源的应用4.1同步辐射光源的应用

8、领域同步辐射光源具有极其广泛的适用性，应用较多的领域包括：凝聚态科学，应用材料学，地质学，环境科学，化学，生命科学，结构生物学，医药学，考古学等。更具体的，它的主要用途可列出以下几个方面：(1) 探测很微小的结构和很微弱的变化、反应。因为同步辐射光(2) 探测无法直接看到的物体。(3) 激发需要较高能量的原子反应或分子反应。(4) 探测由原子量较大的原子所组成的物质的结构。(5) 观测过程很快的反应，如生命科学中的很多生化反应。总的来说，由于同步辐射光源具有很高的能量，可提供很大的信息量、很高的空间和时间分辨率，很多无法由其他办法完成的实验都能借助它来顺利完成。4.2具体利用同步辐射光源的pa

9、per举例下面具体举一篇Science的文章作为例子，来解释同步辐射光源不可替代的优越性。文章标题如下：这篇文章是要通过x射线的能量散射方法来测得在常温、26.5GPa的高压下，氢单晶的晶体结构与状态方程。实验装置大致如下图：将一片金属垫片中间打孔，在其中放入体积很小的样本氢，并加入缓冲质以使压强均衡。然后用两块金刚石（尖的一端）封住孔的两端，通过机械方法从金刚石尾部（粗的一端）对其加压。样本通过特殊设计的平台，可进行两个自由度的定点旋转。X射线由一端射入，经样本衍射和散射后，从另一端射出。通过收集射出端x射线的光子能量谱信息，可解析出样本氢的结构和物理性质。上图中的为氢元素的一个能量散射特征

10、角，对于不同的元素，该散射特征角不同。这个实验的难点在于：(1) X射线的衍射强度与原子序数的立方成正相关，氢是原子序数最小的元素，故衍射强度小于周围其他元素。(2) 为了达到高压下相对稳定的状态，样本氢的体积很小。以上两点导致的结果是，氢的衍射强度远小于周围腔体和缓冲质的衍射强度，于是难以准确得到所需要的氢元素的实验数据。解决的办法，便是利用同步辐射光源提供的高强度、高准直的x射线。一方面，高准直的x射线在样品和实验装置范围内可近似为直线，这就可以将x射线的入射角与氢元素的能量散射特征角准确对应，避开其他元素的特征角，从而尽可能地排除其他元素的干扰。另一方面，高强度的x射线携带更多的信息量，

11、相对测量误差更小，这使得从实验数据中提取有用信息变得更加容易实现。于是，在同步辐射光源的辅助下，这个实验成功进行，并得到了一些很有价值的结果，简单列举如下：(1) 测得单晶氢在实验压强下的晶体结构参数，发现随着压强的增大，氢单晶的各向异性增强。(2) 拟合出了单晶氢在室温下，在实验压强范围内的P-V曲线。（如下图）(3) 预测室温下金属氢的转变压强为230GPa左右。5、 结论：同步辐射光源是一种性质优良的新型光源，通过电子以接近光速的速度运动时辐射出的电磁波进行各种科学实验。由于具有极其优良的性能和泛用性，同步辐射光源广泛地便被各科研领域应用，发挥着不可替代的重要作用。参考文献1Willmo

12、tt P.-An Introduction to Synchrotron Radiation-Wiley (2011)2H. K; MAO, A. P. JEPHCOAT, R. J. HEMLEY, L. W. FINGER, C. S. ZHA, R. M. HAZEN, D. E. Cox Synchrotron X-ray Diffraction Measurements of Single-Crystal Hydrogen to 26.5 Gigapascal SCIENCE, VOL. 2393What Is Synchrotron Light http:/www.esrf.eu/about/synchrotron-science/synchrotron-light4Synchrotron - Wikipedia, the free encyclopedia /wiki/Synchrotron 5Synchrotron light source - Wikipedia, the free encyclopedia https:/en.wik