同步辐射光源.docx

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、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。储存环：闭合回路，电子在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 室被科学家利用一一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，可使光束线接收到高纯度 的线偏振或椭圆偏振光。3.2 x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：photonsbrilliance = second , mrad2 , mm，. 0.1% BW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)Secofid gefwalion synchrotron light sourciThffd generation synchrotron light sourceFirst generation synchpctw light sourceESFtF ongmai targetX-ray lube SjCMjrce4、同步辐射光源的应用4.1同步辐射光源的应用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: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paper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：Synchrotron X-ray Diffraction Measurements ofSingle-Crystal Hydrogen to 26*5 GigapascalsH. K： Mao, A. P. Jephcoat, R. J. Hemley* L. W. Fingek, C. & Zha,R. M, HazenT D+ E, Cox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：样本(氢)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，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。1. Urnkc paHmerm md mokr votunne of M>l>d hydrucn 26.5 GPa (300 K). where nfis chc number of itfleetkMis ixd in bdcc paxameter fit. Number Ln parcndiesn U UfKCttaincy in dccunai pboc.P (GPa) %” a (A)f (A)daM 1 o 4 5 兄。s J#5 1 I 2 if _+J -u- kTf u. J2 6 2 s s -ff. - rjs-zl-8g 后 3189 酷河39现25 2-2-2.2.2.4 334 (3)1.630 (B)7.W2 (2)4,074 1 6260 6671 (4)3 翊(+1.6M 切5.799 (10)3 703 (5)t1.604 (5)5.145 (23)3 609 (5)t1.54 4.791 (221awm十UiKsrtimfy csunuTtd frcn. cheim dw EDX patrern,(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)4.06.010.0Vokimt emJrnol)Fig. 4. Pressuir-votume dan fw 5olid hydrogen » room tempmufe ind 靛 equadocu of $me determined in pervious invc$agiDO<u. Symbob: (Qt data from chu $tudy； (+, <hu from (W); solid line, cquatkn-ofstifc br to the pracnr chu with Ko obtained from ji fit to kw-prcuurc, k>w- rempencure dita of (叫；dashed line, fit with data from Shimuu ti H 的；and doaod line、He with daU irncn vtn Smarm et al. (fl) corrected ro TftA v(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1 Willmott P.-An Introduction to Synchrotron Radiation-Wiley (2011)2 H. 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 GigapascSClIENCE, VOL. 2393 What Is Synchrotron Lighthttp:/www.esrf.eu/about/synchrotron-science/synchrotron-light4 Synchrotron - Wikipedia, the freeencyclopediahttps:/en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron5 Synchrotron light source - Wikipedia, the free encyclopediahttps:/en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron light source6 Synchrotron radiation - Wikipedia, the freeencyclopediahttps:/en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron radiationhttps:/en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron radiation