第四代光源资料课件

1、第四代光源(Fourth Generation Light Source)现代光源的发展回顾.什么是第四代光源?我们为什么需要第四代光源?第四代光源的技术支持和主要形式.什么是能量修复直线加速器(ERL)?什么是自增益自发辐射自由电子激光器(SASE-EFL)? 储存环, ERL和X-EFL的比较.世界已建成和计划建造的ERL和EFL.现代光源的发展回顾粒子物理 (Particle Physics)直线加速器 (Linac)储存环 (Store Ring)第三代同步辐射光源 (3rd Generation SR)(更多更好的插入件)第一代同步辐射光源 (1st Generation SR)(附

2、属产物)第二代同步辐射光源 (2nd Generation SR)(插入件的应用)自由电子激光器 (Free Electron Laser)自增益自发辐射自由电子激光器(Self-Amplified Spontaneous Emission EFL)能量修复直线加速器(Energy recovery Linac)第四代光源(4th Generation Light Source)远红外FEL红外/可见光FEL紫外/真空紫外FELXUVEFL什么是第四代光源？*追求更高的性能是发展第四代光源的根本目标，从这个角度我们可以将第四代光源定义为性能更高的光源，其主要参数，例如亮度、相干性 (完全横向相

3、干)、脉冲长度和波长范围等，应比现有的光源高出一个或者几个数量级。其次之外第四代光源还应具有：1.更低的辐射度；2.可变的脉冲结构；3.高稳定性。我们为什么需要第四代光源？1) 15年来，同步辐射和自由电子激光器装置在欧洲和世界已经取得了极大的成功： *许多主要装置的发展都获得成功； *另一方面, 所有项目在预算内都令人瞩目地达到和超越了预期的目标; *用户数量仍然在快速增长,所有装置的供光时间都预定一空,常常接纳不了如此众多的用户 ; *谱学用户比十五年前更广泛和多种多样,特别是在生命科学方面的需求增长迅速 ; *在这个领域已经产生了一个诺贝尔奖,和许多其他第一流水平的成果 2) 目前基与储

4、存环的先进光源技术还没有达到它的极限,例如稳定性、亮度、 光通量、相干性和偏振性等许多方面的改进仍然是可能的;3) 正在涌现出的新技术应主要归功于在欧洲和美国进行的深入研究，这些技术是 以LINAC而不是储存环为基础的；基于X射线发射的LINAC技术可以分为两个分支： *能量恢复的LINAC技术（ERL）; *基于SASE（自放大的自发辐射机制）的X射线自由电子激光器技术. 今天我们有:*循环率*稳定性*可调性*偏振*亮度我们还需要:*相干性*功率*fs脉冲*衍射极限*亮度生物大分子结构研究为什么需要新光源？结构的重要性生物大分子的功能主要取决于其结构。只有在获得相应分子的结构后才能深入地研究

5、其功能和生化过程。生物大分子的结构不仅对于生物学基本问题，而且对于基因工程、药物设计等重大应用领域都至关重要。由于结构研究而获得的诺贝尔奖光和作用中心，1988年化学奖；ATP合酶，1997年化学奖；钾离子通道，2003年化学奖。这些都是膜蛋白。占蛋白总数大约30%的膜蛋白具有极其重大的意义，在目前的技术水平下获得结构却是一个非常困难的任务。目前获得结构的主要手段晶体学方法的瓶颈必须得到单晶；生物大分子的结晶是很困难的，需要花费大量时间和精力；膜蛋白的结晶更加困难，几乎是不能完成的任务。膜蛋白大分子组合体 许多生物上重要的系统是难以或无法结晶的 解决的方法探测器分子相干光源利用一束相干性很好、

6、强度很高的X光来照射分子，记录下相干散射的强度，也能得到分子中原子的结构。溶菌酶核糖体(蛋白质和核酸的复合体)的结构模拟的相干散射谱金属蛋白结构动力学 (10-100fs)关键：光源目前的光源（包括第三代同步辐射）还不能提供足够的强度和相干性；能够满足条件的光源是：自由电子激光。可能的问题分子损伤：极高的强度会使分子完全离解，但是新一代光源可以在分子离解之前就得到足够的信号，计算机模拟证实了这一点。相位问题：过采样技术（over sampling）可以解决这个问题。探测技术：需要发展。实验技术：如何获得单分子的散射信号，需要研究。XFEL作用下溶菌酶分子的离解新一代提供的其他机遇极快的脉冲提供

7、了研究生物大分子在发挥功能时结构变化的研究手段；不仅在静态，而且在动态的情况下得到结构，使我们能够对生物大分子结构和功能的研究进入到一个全新的领域。fspsnsmsmsshr10-1510-1210-910-610-31103光子吸收化学键振动荧光衰减大分子构象变化大分子布朗运动蛋白质配位结合光合作用集合相变受体信号有丝分裂胞吞受体相互作用信号转导蛋白质折叠聚合酶翻转细胞凋亡结论新一代为生物大分子结构研究提供了一个前所未有的机遇。大大提升了我们获得结构的能力。提供了更重要的结构变化的研究手段。复杂体系研究为什么需要新光源？这些研究包括芯片、催化剂、半导体材料、传感器等功能材料和器件表面电子结构

8、、原子结构、磁结构的时间分辨研究；涉及到IT产业、化学化工、军事等领域的应用。XFEL可以提供光斑小于20nm的探针，能够研究到电荷、自旋和轨道有序的区域运动的动力学过程。深入研究巨磁阻材料、高温超导等复杂体系的结构和功能关系LaCaMnO体系相图电荷、自旋、轨道的stripe-like结构利用聚焦的、高强度、时间分辨的光源可有效的研究这些动力学过程，揭示结构和功能之间的关系。磁共振散射：XFEL能够研究磁畴中电荷和自旋相互作用的动力学过程。飞秒时间分辨的结构分析利用XFEL的时间分辨特性，可以探测在光诱导表面反应中原子几何结构的变化。超高分辨X射线发射谱XEL（X射线发射谱）能够研究原子内部

9、的价电子及其相应的电子轨道、电荷密度变化过程。有机/无机复杂体系研究：Cu110表面甘氨酸单分子吸附研究。表面相互作用及催化：Ni100表面CO的吸附过程的时间和空间分辨研究。水分子动力学研究XFEL提供的超快时间分辨和超高能量分辨使得研究水分子在不同状态的振动过程成为可能飞秒量级的时间分辨实验研究纳米体系的磁化过程对提高磁性存储密度具有重要意义。飞秒量级的时间分辨的磁性全息成像能够研究磁畴的形成对提高磁性存储密度具有重要意义。原子、分子和团簇物理 为什么需要新光源？Structural model of LaC82an icosahedron(20面体)Clusters原子分子和团簇物理是我

10、们理解光子和原子相互作用的一把钥匙.许多表面敏感的方法,如X射线谱学和衍射不适合极少量的单散团簇分析,因此在团簇物理方面,特别是几何和电子结构方面留有大量的研究空白.目前为止,大多数作为模型的金属团簇(如Ptn,Rhn,Pdn)的结构还未知.原子分子和团簇方面应用直接观测原子中多空穴的形成直接观测K壳层电子的多光子电离过程观测团簇中的库仑大爆炸分子和团簇动态和结构的研究计算表明:三聚体以等边三角形稳定四聚体以菱形稳定化学位移应该不同团簇异构体J. Phys. Condens. Matter 9, L39 (1997)Phys. Rev. B 47, 1567 (1993)两种吸附状态J. Am

11、. Chem. Soc. 121, 3214 (1999)分子的吸附结构吸附是分离的还是完整的?是物理吸附还是化学吸附?电荷转移多大?氧化态是多少?团簇结构是否因吸附而改变?新光源能够加深理解几何和电子结构所起的作用.通过探测配位体的中心轨道区分吸附位置.其他光源不能得到团簇和分子的X射线衍射谱,因为粒子密度太低.团簇的结构大多由间接的方法或计算得到.估算表明: 当XFEL光束聚焦到300nm时,在一个FEL脉冲内就能记录下单个团簇的衍射谱.直接从散射花样中获得结构信息.可获得团簇粒子相对于光束的定向信息.相对于宏观晶体来说,单个团簇粒子的衍射能够获得相位信息.超强的单个飞秒级X射线脉冲用于分

12、子或团簇的衍射分子和原子团簇衍射含有212121个Au原子的团簇两个探测器坐标直接得到结构信息获得相位信息计算值X-ray 散射图案/lcls/papers/LCLS_experiments_2.pdf.多光子电离过程Atomic Physics Experiments, in LCLS : The First Experiments, Stanford (2000)估计对于氖原子的K壳层：有可探测的原子数目在小于空穴弛豫时间的尺度内连续或同时吸收两光子，产生两空位。非线性光子原子相互作用是激光光谱的主要研究领域即使对第三代同步辐射光源,研究非线性过程,内壳层的X射线双光子或多光子激发或电离的

13、截面太小,而探测不到.高亮度高强度的XFEL则是可行的.团簇是单分子到块体的桥梁.便于理解从原子分子到块体的过渡与形成.能推广到研究块体的辐照损伤.新一代光源没有传统的激光场的强烈干扰,便于研究动态过程.团簇研究中的动力学过程聚焦X-ray.库仑排斥过程团簇动力学过程研究Phys. Rev. Lett. 82, 3783 (1999)提供了一个研究团簇和纳米晶实时动态熔化过程的机会.结合其他方法区分表面熔化和体内熔化.以往的研究都没有原子核运动的直接信息,利用新光源结合可见光激光的Pump-probe技术提供了直接实时观测团簇振动和变形的可能性.提供飞秒级的动态结构信息.团簇的表面吸附过程光学

14、激发 X-ray探测相变和原子团簇的熔解J. Chem. Phys. 109, 9401 (1998).实验装置示意图新一代光源的应用可以使人们对物质世界的认识上升到一个新的层次新一代光源的应用可以开拓科学研究的新领域新一代光源所带来的认知革命还不能完全预知总结超导技术的发展；长波荡器和超导波荡器；光阴极射频枪 (注入系统)；能量修复直线加速器(ERL)；自由电子激光器(FEL)；自增益自发辐射技术(SASE) ； 第四代光源的技术支持第四代光源的主要形式最主要的有以下两种形式：1.能量修复直线加速器(Energy Recovery Linac)；2.X射线自由电子激光器(X-ray Free

15、 Electron Laser)。其它的设计还有：使用长波荡器的储存环；使用长波荡器的多道加速循环光源； ERL技术的研究主要集中在美国，俄罗斯对此技术也做出了重要贡献。X-FEL技术的研究集中在欧洲（主要是德国的HASYLAB）和美国（主要是ARGONNE和STANFORD）。什么是能量修复直线加速器?原理: 直线加速器(Main Linac)维持一个共振的电磁场, 这个共振电磁场的功能是将电子加速和减速(依赖于电子位置和共振电磁场位相的关系). 注入器(Injector)注入的一束电子通过一些光学器件在环中绕行一周后回到加速器的低能入口处, 此时共振电磁场的位相变化1800, 电子束将在共

16、振场中做减速运动, 并将能量交给共振场, 然后通过直线加速器, 被引出丢弃. 此时, 注入器将重新注入一束新的电子, 共振场将获得的能量交给新注入的电子束, 使新注入的电子得以加速. 这样, 经过多次循环后, 电子束的能量将越来越高, 最终达到一个平衡状态(电子速度越高, 在环中绕行时的辐射损失就越大).能量修复直线加速器(ERL)和传统储存环的最大区别是: ERL循环的是电子束的能量而不是电子束本身!ERL的优异特性:1. 发散度极低(=储存环);5. 衍射极限光源;6. 脉冲长度小(100fs) 有关ERL的文章传统的自由电子激光器直线加速器产生的电子束团经入口处的偏转磁铁进入扭摆磁铁,并

17、在那里产生辐射,然后经过另一偏转磁铁引导系统之外丢弃. 产生的辐射一部分穿透右边的反射镜, 而另一部分则被反射回来, 经左边反射镜的辐射, 在向右传播的同时与刚进入的电子束发生相互作用. 在激光电场和扭摆磁铁磁场的联合作用下, 束团将被切割成尺度小于辐射波长的微束团, 微束团将产生相干的电磁辐射. 如此重复多次,激光强度不断放大知道达到饱和状态.什么是自由电子激光器?自增益自发辐射自由电子激光器(SASE-EFL)SASE-EFL关键的技术是使用了长周期的波荡器. 当电子在波荡器中做振幅很小的扭摆运动时会辐射出电磁波, 辐射出的电磁波与电子束处在相同的路径, 因而使得电子束的辐射增大. 因此,

18、 SASE-EFL的辐射功率与N2(N为波荡器的周期数)成正比, 而不是N.自由电子激光器的发展历史SASE-EFL或者X-EFL的优异特性:1. 极高亮度, 峰值功率是现有X射线源的1010倍;2. 空间和时间相干性;3. 短脉冲(100fs);4. 波长可调;5. 线偏振和圆偏振; 储存环和ERL的比较 Storage Ring*电子束在水平和垂直方向的尺寸不等;*环限制了电子束长度;*补充能量;*决定电子束发散度的是储存环的磁结构;*长时间常数低可变性. ERL*电子束的截面是圆形或者正方的;*环对电子束长度没有限制;*能量修复;*光注入器决定电子束的发散度;*短时间常数可变性.ERL和X-EFL的比较 ERL*直线加速器 + 波荡器;*低电子束填充在单通道中;*高循环率(high rep-rate);*同时可引出多个束线. X-EFL*