同步辐射应用及新光源发展.ppt

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1、同步辐射应用及新光源发展,同步辐射应用,科学的进步与人类对光的认识紧密相关。在人类进化的漫长岁月中，光的各种奇异现象使人类认识了自然，也发展了自己。在这认识自然的文明史中，人的视觉器官也达到了高度的完善，并凭借着视觉器官和光发现了自然规律和征服自然。光在人类生活中已不可缺少，以致于在人类历史上产生了种种与光相关的神话故事和传说，这也促使人们对光进行多方面的科学探索和研究并加以利用。最早研究光现象的是我们中国人。据文字记载，我国古代伟大的物理学家墨翟（约公元前468-382年）在所著的墨经上就讲到光沿直线行进和针孔造像原理。这比古希腊欧几里德关于光的反射律的记载早100 多年。在以后的年代里，对

2、光的属性不断深入研究，发现了光的各种特性，并利用其特性发明了各种光学仪器。人们借助于这些仪器不断扩大了人的视觉器官的功能，深化了人类对物质世界的认识。,为了更广泛、深入地认识自然，人们已意识到自然光源限制了认识范围，迫使人们发明或发现新的光源，如各种灯、弧光光源、激光以及同步辐射光源等。这些光源的诞生，使人们的认识不断扩大，小至基本粒子大至宇宙。每一种新的光源的出现，不但开拓了新的研究领域，而且还导致重大的发现。右图是不同方法产生的辐射（电磁波辐射）所对应的可观测的物体简表。,应用概述,同步辐射光照射在样品上会产生各种效如右图所示。利用这些应可进行各种研究。同步辐射光照射在样品上会产生各种效应

3、，如右图所示。利用这些效应可进行各种研究。,次级发射 散射 化学效应 辐射效应 加工光电子 弹性散射 沉积 辐射损伤 光刻LIGA俄歇电子 非弹性散射 反应 CVD萤光 x-ray衍射 x-ray 激发加工 磁散射 光电子衍射,应用举例,同步辐射的应用范围之广是前所未有的，几乎所有的现代科学领域都可以利用它进行研究。如她在物理学、化学、生物学、材料科学、医学、农学、微机械和电子工业等有着广泛的应用。这里仅选其一部分内容向大家介绍。SR-02.AVI,1、光电子能谱学,物体受到光源照射后所激发出来的电子称为光电子。从这些光电子的能量及动量的分布情况，可以了解许多物理和化学现象，这一门科学被称为光

4、电子能谱学（Photoelectron Spectroscopy)。它不仅可探测固体内以及表面或界面的电子能带结构，而且还可以探测原子与分子的电子组态以及它们在固体表面所形成的化学结构。因此光电子能谱学在固体物理、表面物理以及化学等方面，如半导体物理、金属材料、磁性薄膜、化学吸附、催化反应以及超导体等，将起着重要作用。,PL of S-passivated GaAs,2、光吸收能谱学,从光的反射与透射来计算光吸收时的光吸收能谱学(Photon Absorption Spectroscopy)除了研究原子、分子的振动、转动及电子能级的跃迁外，借以同步辐射的可调性，已发展出一个极为重要的分析方法：

5、广延X射线吸收精细结构EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure)，这种方法能鉴别非晶格物体或浓度甚低时，原子与周边原子间的距离（精度可达0.10.02）。该方法应用于生物的金属蛋白质(metalloproteins)结构研究，远优于其他方法。吸收边(absorption edge)形成的原因是由于SR光源的波长(能量)通过单色仪逐渐精细地调到某一特定波长时，样品原子中某一特定能级的电子因获得高于其束缚能的能量而被游离出来，而且会吸收大量的照射光源，这就是吸收边缘，通常以电子壳层K，L，M，等表示。,XAFS for GaN,3、XRAY心血管

6、照相术(Coronary Angiography),利用X-Ray血管照影可以观察心脏血管阻塞情形。普通X-光源强度较弱。需把注射碘的导管直接导入到心脏，病人较痛苦，而其注射的碘较多，具有一定的危险性。若用同步辐射观察，只需将少量的碘注射到血液中，用不同的波长的两束同步辐射光（一束光的能量略高于碘的吸收边的能量（33.3keV），另一束光略低于吸收边的能量）照射心脏，它们经过心脏后，因软组织和骨骼对两束光的吸收是一样的，但碘对较高能量的光吸收较多，因此在图象处理系统中得到的图象是不一样的，再利用图象减除技术，便可得到清晰的心脏动脉及其它血管的影象。所得图象的时间仅几秒针，病人不会感到不适之处。

7、,4、XRAY 衍射,利用XRAY衍射来探测晶体中原子的排列，是一项业经证明且被广泛应用的技术。X-光光波经晶体中各个原子散射后，产生不同强度的干涉光点，它们在底片上形成复杂的图案，根据这些图案不仅可了解物质的结晶情形，而且因同步辐射光的强度和波长可调，可将研究领域拓展到肌肉纤维和蛋白质晶体学(protein crystallography)等。特别是在某些特定频率下所发生的不规则散射现象，常能补充其他方法对几何结构难以鉴定的不足。另小角散射对非单晶材料几何结构的鉴定，更具威力。,5、XRAY显微术,X-Ray显微术（X-Ray microscopy）是利用X-光（软X-光）透过物质时产生的萤

8、光、电子时形成的影像。由于不同元素所产生的结果不同，调整波长可使不同元素在复杂的成分中突显出来。如将细胞置于X-光底片上，然后用同步辐射光照射，因为X-光透过不同的细胞部位，其被吸收的程度不同，该底片经处理后，其结果如同细胞的浮雕。X-Ray显微术所得的结果并不是细胞本身的照片而是细胞吸收X-光的部位的图案。使用此方法的优点在于所需暴光时间短（秒量级），大大减少了样品被光源损坏的可能性，另一特点是可将照射光波长调到20埃50埃范围内（即所谓水窗口），因此可将活体细胞置于水中，我们将得到活体细胞的信息。此外，此类实验在大气中或氦气中进行，这是电子显微镜不能办到的。,6、时间分辨光谱学,利用同步辐

9、射光的时间结构可进行时间分辨光谱学（Time-Resolved Spectroscopy）研究，测定原子跃迁的几率、各种激发态的半衰期或生物形体随时间的变化。原子分子或固体吸收同步光后被激发，经过一段时间，被激发的电子将发出萤光而回到原来的能级上。我们测量发出的萤光以及它同同步光的时间差可得到随时间变化的发光光谱。,7、研究燃烧与火焰,燃烧在日常生活、交通运输及工业生产中随处可见。在世界能源消耗的总量中，燃烧提供了约90%的能源，然而燃烧也会带来环境污染，燃烧与大气污染息息相关。因此，对燃烧开展实验及理论研究，提出相关理论模型和机理，将有利于提高能源利用效率、节约能源、降低燃烧产生的大气污染，

10、为实际应用提供理论的依据。燃烧化学的研究已经有150年历史，尽管全世界数以千计的科学家依然在此领域努力，但直到同步辐射光电离质谱技术应用于火焰研究，才使碳氢化合物燃烧过程中的中间体烯醇的发现成为现实。研究证明不完全氧化在碳氢化合物氧化机理的应用中占有很重要的地位，像燃料电池中发生的气相化学反应主要就是不完全氧化过程，而不完全氧化的产物是现今大气污染物的主要来源之一。,C6H6/O2火焰中产生的C5H5自由基的光电离效率谱,8、软XRAY光刻,软X-射线光刻（Soft-X-ray Lithography）用于亚微米尺度的加工，超大规模集成电路的制造、微型机械、微型元件的加工等。,NiHeight

11、:200m Diameter:200 m,通过倾斜和三次旋转刻蚀出类似脚手架的三维图形（材料PMMA）圆柱的尺寸为16m,垂直高度230m,成功地在室温、空气环境下对运用化学法制造的“几何明星”凹陷Escher型硫化铜十四面体微晶进行了三维成像，直观地揭示了该凹陷Escher型微晶由四个相同的六角形的板通过相互交叉构筑成具有14个腔洞（其中包括6个正方形和8个三角形）的结构。与透视电子显微镜和扫描电子显微镜相比，X射线纳米三维成像技术具有更直观解析复杂形态纳米结构的优点。,国内首个256位分子存储器电路的研制成功，为我国分子电路的高集成度、高速度和低功耗的实现奠定了重要基础,有力推动了我国分子

12、电子学的发展。,左图为二次掩膜照片，右图为分子存储器的下电极照片，均采用X射线曝光得到,光源发展趋势,近四十年的发展，同步辐射光源已成为科学研究、高技术研发的极为重要 的手段。是不同领域科学家、技术人员学术交流和交叉研究的难得场所。因此，发达国家分别建造了数台同步辐射光源装置。已有的光源可分为三代：第一代是寄生在高能加速器上，部分时间用于SR;第二代是专用机器，始于七十年代末；第三代是多插入元件的高亮度专用机器；第四代是基于FEL的光源。,另还有专门为超大规模集成电路生产等工业用的小型同步辐射装置，如AURARA。,右图是不同光源产生的辐射光的波长范围，下图是Spring-8的谱图，若再提高亮

13、度怎么办？,第四代光源,为进一步提高光源的亮度以适应用户的要求，科学家和工程师们正在致力于所谓第四代光源的研究。其基本框是基于自由电子激光 FEL(Free Electron Laser)来产生高亮度的光。,FEL基本原理,自由电子激光（Free Electron Laser，简称FEL）是使自由电子的电磁辐射受激放大的新一代强相干光源。最典型的自由电子激光产生方法是使相对论性电子在具有空间周期性的磁场结构（相应的磁铁装置称为波荡器）中同时与周期磁场和光场相互作用，产生波长由共振条件确定的受激辐射。由于电子束团中相对于光场纵向位置不同的电子和光场相互作用的位相不同，与光场作用的结果使一些电子失

14、去能量，另一些电子则获得能量，即产生能量调制，而能量调制在电子束行进中又转变为密度调制，从而形成以光波长为周期的群聚。群聚的电子束和光场相互作用得到加强，大部分电子辐射的位相趋于相同，使辐射相干放大，成为高亮度的相干激光束。,Nominal LCLS Linac Parameters for 1.5-FEL,Single bunch,1-nC charge,1.2-mm slice emittance,120-Hz repetition rate,(RF phase:frf=0 at accelerating crest),SLAC linac tunnel,research yard,Lin

15、ac-0L=6 m,Linac-1L 9 mrf-25,Linac-2L 330 mrf-41,Linac-3L 550 mrf-10,BC-1L 6 mR56-39 mm,BC-2L 22 mR56-25 mm,LTUL=275 mR56 0,DL-1L 12 mR56 0,undulatorL=125 m,6 MeVz 0.83 mm 0.05%,135 MeVz 0.83 mm 0.10%,250 MeVz 0.19 mm 1.6%,4.54 GeVz 0.022 mm 0.71%,14.1 GeVz 0.022 mm 0.01%,.existing linac,new,rfgun,21

16、-1b21-1d,X,Linac-XL=0.6 mrf=-160,21-3b24-6d,25-1a30-8c,Emittance and Energy Spread Diagnostics*,5 energy spread meas.stations(optimized for small bx),sE,sE,sE,sE,5 emittance meas.stations designed into optics(Dyx,y),slice measurements possible with transverse RF(L0&L3),LCLS status,1.5-SASE FEL Linac

17、:RequirementsAcceleration to 14.1 GeV(3 GeV min.)Bunch compression to 3.4 kAEmittance preservation(20%slice of 1-mm-mrad)Final energy spread(0.01%slice,0.1%projected)Minimal sensitivity to system jitter(charge,phase,voltage,.)Diagnostics integrated into opticsFlexible operations(1.5 15,low-charge,ch

18、irp,etc.)2006年开始建造，2009年4月10日首次得到1.5 的X-Ray，9月12日首次X-ray试验lcls_animation_2009_hi-res.wmv,能量回收直线加速器Energy Recovery LINAC（ERL）,历史,ERL-1965年由 M.Tigner提出,30多年来没有得到重视 2000年在新的一代光源中又得到了新生.在国际高能加速器会议上的文章数自99年来逐年为1,9,16,34篇,很多实验室都提出了以ERL为基础的第四代光源.,ERL-LS的基础,ERL的组成:强恒流高性能的电子枪.超导直线加速器.返航所需的磁聚焦弧区,需使返航的电子束团注入时相

19、位有180的移动,即落於减速区.波荡器或FEL,将电子能量转化成光子.束流damp.,直线加速器束团的发射度 1/E.7GeV LINAC的1(0.1nm).LINAC的电子束团长度可以压缩,一般可做到100fs,而同步为20-30ps.问题在于束流功率太高,7GeV,100ma的束流功率已达700MW!相应的AC功率更大.但如果束流的能量能回收,那么ERL-LS就有现实性.,CEBAF 1GeV的ERL实验装置,2003年4月CEBAF实现了第一个ERL实验,4GLS 600MeV,THz（太赫兹）辐射波应用和发展现状,太赫兹（THz）波是指频率范围在0.110THz的电磁波（1THz=1,

20、000GHz）。它处于科学技术发展较好的微波与红外光学之间特殊位置，而科学家将微波和红外领域成熟的技术应用到THz波段时效果不理想，因此长期以来，由于缺乏有效的THz辐射源和检测方法，人们对于该波段电磁辐射特性了解甚少，以至于出现“THz空白”的说法。,THz波的频谱范围,THz所处的特殊电磁波谱位置，近十年的初步研究已发现她有很多优越的特性并具有非常重要的学术和应用价值。致使世界各国给予了高度的重视，特别是世界上一些发达国家都在开发THz源及其应用。如：美国国家基金会（NSF）、国家航天局（NASA）、能源部（DOE）等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入；欧洲国家利用欧盟的资

21、金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目，英国Rutherford国家实验室和剑桥、里兹等十几所大学，德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn、Hamburg及若干所大学，俄国国家科学院专门设立了THz研究计划；日本于2005年公布了日本国十年科技战略规划，将THz列为十项重大关键技术之首。,二、THz波应用前景,1、为科学技术研究提供了一种新的有力的方法和手 段THz成像和THz波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学等方面有其重要的应用；THz波不仅可以成像而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入研究，另外强功率THz辐射可激发物质内部原子、分子的非线

22、性动力学过程，从而可研究物质在分子和层面上的非线性特性；利用THz辐射可探测高温、高密度等离子体的密度的空间分布；在天文学方面，利用THz望远镜观察到很多新星体。对研究宇宙的起源和星体的形成有重要意义。因此，国际科技界认为，THz辐射可能引发科学技术的革命性发展。,2、THz技术在国家安全、反恐方面的应用价值。,由于THz波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能，能穿透墙壁，而且能够根据物质的波谱特性进行THz标记，对特殊物质进行识别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视；,TH

23、z技术在国防和雷达方面有着重要的应用价值。THz技术在远程监视、军事目标探测以及在战场上用于显示前方灰尘或烟雾中的坦克，远距离成像、多光谱成像以及三维立体成像等方面有重要的应用。THz雷达利用来自目标各层次界面反射的THz电磁波的波形和时间差信息，可探知目标内部形貌，而且能够探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更强的保密性，因而THz雷达可成为未来高精度雷达的发展方向。,2、THz技术在国家安全、反恐方面的应用价值,THz技术在反隐身方面有特殊的功能，有望在军事装备和国家安全等方面发挥巨大作用。目前各种军事目标、武器的隐身主要是针对微波、毫米波波段的隐身，而在尚未充分

24、开发利用的THz波段中几乎未涉及。所以THz雷达有望探测到目前各种军事目标和武器（导弹、飞行器和舰船等），将成为反隐身的军事武器。,2、THz技术在国家安全、反恐方面的应用价值。,THz雷达,具有特殊军事目标的探测、识别与成像能力，可实现高超声速、蠕动目标检测，在机载和星载THz成像雷达乃至THz合成孔径雷达上都将有极重要的价值。,F22,T50,B2,THz技术在军事通信上有独特的优势。THz波用于通信可获得10GB/s无线传输速度，比当前的超宽带技术快数百至上千倍；与可见光和红外线相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。TH

25、z卫星成像和通信技术可能是今后各国关注的重要领域。,2、THz技术在国家安全、反恐方面的应用价值,THz通信具有非常高级别的空间保密通信，可提供大容量高速率的数据传输和星际通信以及安全短距离通信。,大气辐射窗口,3、THz技术对国民经济的发展将起重要作用,由于生物大分子的振动和转动能量均在THz波段，因而利用THz辐射技术可得到DNA的重要信息，这对粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用；在医疗及药品研制鉴定具有应用前景。在皮肤癌的诊断和治疗、DNA探测、Thz医学应用、THz断层成像、THz生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都具有良好的功能；THz辐射可以穿透烟雾，又可检测有毒或有害分子，

26、所以在环境监测和保护方面将得到应用。,4、THz辐射技术是一门重要的学科,由于THz辐射技术近十年才开始实质性的研究，因此THz辐射的产生和诊断、超短脉冲THz的传输以及Thz波同物质的相互作用等将需进行深入研究，而且在研究过程中必将形成独具特色的学科。,5、Thz辐射技术将是新一代IT产业的基础,可以预言，一旦THz辐射源、检测技术等得到发展，THz技术将在IT领域具有极强的竞争力。目前世界上已有不少公司从事有关THz技术商品化的工作，如美国一些大学孵化了Picometrix、Phycical science Inc.、Calabazas Creek Res.Inc.等公司。英国剑桥大学孵化

27、了TeraView LtD.英国和欧洲在执行star Tiger计划成功后，建立了ThruVision公司。日本已有不少公司在进行有关THz技术的研发和商业化的工作等。,三、THz波的产生,近年来THz辐射源已取得一些进展，已有不同类型的THz源问世，归纳起来主要有以下几种：1、用飞秒激光束照射到光电晶体（如ZnTe），通过非线性光学 的光整流效应在晶体表面辐射出THz波，即所谓电光晶体THz 脉冲源，她已是目前常用的一种THz源；2、通过施加偏压，用激光脉冲激发光电导偶极天线产生THz波3、利用差拍技术，即利用频率和很接近的两束激光射入到非线 性电光晶体时差拍产生频率为的电磁波，可得到1.2

28、6THz 4.1THz的波；4、量子级联半导体激光已被证明可以得到数十mW的THz辐射，欧洲小组于2002年已在4.4THz范围得到2mW的THz波，2003年 美国MIT发表论文说，已实现6.8THz辐射，工作温度已提高 到137K，功率达50mW；,三、THz波的产生,5、另外基于真空电子器件 如返波管（BWO）、扩 展互作用振荡器（EIO）、绕射辐射器件（Orotron）等的工作频率已接近1THz，电子回旋管可望在1THz上产生kW量级的脉冲功率，近来加州理工学院研制的纳米速调管可望在13THz频率上运行；6、超短束团的同步发射（s 300fs）；7、基于FEL的THz源 目前上述的方法

29、所能产生的THz辐射要不是功率 较小（mW级甚至W），要不是频率小于1THz（如电真空器件），目前能满足大功率和THz波段的辐射的THz辐射源唯自由电子激光不可。,b43m，a300m，rc10m，Ravg33m，L32m,p66m,折叠波导行波管 Folded waveguide TWT,Beam current(mA)0.5 Beam voltage(kV)10.9Axial magnetic flux density(T)0.67 Beam radius/beam tunnel radius 0.5F 560GHz Outpower 73mW,四、基于自由电子激光的THz辐射源的研究现状

30、,1、美国Jlab(Jefferson Lab)FEL 装置,图7、Jlab FEL 布局示意图,2006年10月30日已得到14.2kW辐射功率,2、日本JAEA FEL,3、俄罗斯 新西伯利亚 FEL,Energy:7.2MeV;I=70mA;:97-150m,基于FEL的THz源具有高功率、波长在大范围内连续可调的优点，是目前唯一可以实现大功率可调谐的THz波源。,波长调谐：Energy(g)Wiggler(B),国家同步辐射实验室简介,国家同步辐射实验室简史1977 提交建造“合肥同步辐射加速器”的建议书1978-1981同步辐射加速器物理设计及关键部件预研究1983.4.8 国家批准

31、建造国家同步辐射实验室工程1984.11.20 破土动工、国家同步辐射实验室工程开始兴建1987.11 200 MeV 电子直线加速器建成出束 1989.4.26 800 MeV 电子存储环建成出光1991.12 通过国家鉴定、验收，存储束流超300 mA1992 获中国科学院科学进步特等奖1993正式向国内外用户开放1994提交国家同步辐射实验室二期工程建议书1995获国家科技进步一等奖1996 列入世界同步辐射研究中心 1997.9 国家同步辐射实验室二期工程项目获准，1998.1 开始建设2004.12 国家验收、交付使用,Main Parameters of HLS,Storage R

32、ingEnergy 800MeVCurrent 100300mAB 1.2 T 2.222 mfrf 204MHzVa 100 kVUrad 16.3keVc 24 x/y 3.54/2.59x 134nm.radx(mm)0.420.82 y(mm)0.351.04s(mm)32.6,HBLSx/y 5.69/2.36x 27 nm.radx(mm)0.170.22 y(mm)0.090.15s(mm)17.3InjectorLINACEnergy 200 MeVCurrent 50 mAEnergy spread 0.8%RF frf 2856 MHzLength 35 m,运行参数：能量

33、 800MeV 流强 300mA 束流寿命 8小时运行模式：2周为一周期，其中 11天为用户时间，2天为机器研究时间 1天为设备维修时间,Mail Goal of Phase II Project of NSRL Reducing the Emittance of the HLS Increasing the Brightness of the Ring(27nm.rad and 13.4nm.rad)Improving beam stabilities(300mA,lifetime of 8hrs for GPLS mode Running 150mA,Lifetime of 8hrs fo

34、r HBLS mode)improving the injection system improving the RF system New RF Generator of 30 kW New RF Cavity Control systen for the RF system Dc power Supplies Microwave Amplifier Improving Control System Vacuum system(NEG pumping)New Beamlines Budget and Schedule Total Budget:118 M Chinese Yuan,U4 IR

35、 and Far IR SpectroscopyU7A LIGAU7B X-ray Diffraction and ScatteringU14 Atomic and Molecular SpectroscopyU18 Soft X-ray MCDU19 Surface PhysicsU25 Photo-acoustic and Photo-thermal SpectroscopyU27 Metrology and Spectral Radiation Standard,Layout of Storage Ring andBeamlines at NSRL,U1 X-ray lithographyU7B XAFSU10A Photo-ChemistryU10B Time-Resolved SpectroscopyU12A Soft X-ray MicroscopyU20 Photoelectron Spectroscopy,In operation,New stations,装扮河山争郁葱扎根薄壤乱岩中千磨万难拔地出任尔东西南北风,END,Thanks!Y.J.Pei,