同步辐射光源的原理构造和特征.doc

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，Blewett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(Lattice)，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（Inserction Devices），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.1 Comparison of main properties of the three generation
synchrotron radiation sources
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）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.1 Planar map of structure for shanghai synchrotron radiation facility（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，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40～120keV，脉冲电流强度约几百毫安。
（2）低能电子束流输运线 它将从电子枪出来的电子束注入到加速波导中，输运线上还有束流导向、聚焦、测量及聚束等装置。
（3）盘荷波导 是电子直线加速器的主体，行波电子直线加速器的盘荷波导可分常阻抗和常梯度两种，前者将波导的阻抗设计得各处相同，后者则使波导上各处的加速场速度不变，通常采用前者。现在加速波导几乎都用无氧铜制成，盘荷波导的加工精度及表面粗糙度等工艺要求很高。
（4）微波功率源与微波传输系统 前者提供在电子直线加速器工作频率波段建立加速电场所需的微波功率，把微波功率传输到加速波导的传输系统包括隔离器、耦合器、真空窗和吸收载荷等元件。
（5）真空系统 加速波导的真空度一般应为1.3×10-3～6.7×10-5 Pa。
（6）聚焦系统 包括建立纵向磁场的螺线管、磁四极透镜组及其电源与稳定调节系统，以提供电子束所需的横向聚焦。
（7）水冷与恒温系统 电子行波直线加速器对温度的稳定度和温度梯度要求都很严格。
（8）束流检测系统 对电子束的强度、剖面、发散度、能量、能谱、束团相宽和相位能等进行测量。
（9）控制系统 负责管理和控制加速器系统的运行、保护和调整等。
（10）束流输出系统 把已加速的电子束输运到增强器继续加速。
2.2电子同步加速器和电子回旋加速器
同步加速器的作用是把直线加速器出来的电子束继续加速到所需的能量，同时使束流强度和束流品质得到改善。一般采用强聚焦电子同步加速器，由下列几部分组成：
（1）主导磁铁（即二极磁铁）
引导电子束弯曲作近似圆周运动，很多块二极磁铁安放在电子束的理想轨道上，使电子回转 2π角度。
（2）聚焦磁铁
在组合作用的同步加速器中设有独立的聚焦磁铁，是靠二极磁铁极面形状来实现聚焦的；对于分离作用的加速器，聚焦作用由四极磁铁来承担。无论是那种加速器，聚焦和散焦磁铁都是交替排列在电子的封闭轨道上，用F，D和O分别表示聚焦磁铁、散焦磁铁和自由空间。同步加速器的磁铁结构可写为FOFDOD，有时用B表示弯曲磁铁，故可写成FOBOD等形式。
（3）校正磁铁
二极磁铁和四极磁铁制造和安装都会偏离设计要求，故引起理想封闭电子轨道的畸变，所以必须对电子轨道进行测量和校正。校正是采用小型二极磁铁或附加在四极磁铁上的二极场绕组进行的。
（4）真空室
对磁场变化速率较快的加速器，其真空室选用高纯氧化铝陶瓷管，内壁镀一层金属镍，真空度一般要求10-5Pa。
（5）高频加速腔
电子加速是通过高频加速腔来实现的，并在固定频率下工作。电子回旋加速器(Microtron)，又称微加速器，是用改变倍频系数的方法保证电子谐频加速的回旋式谐振加速器它分普通电子回旋加速器、跑道式和超导跑道式电子回旋加速器。电子回旋加速器的加速系统主要由高频功率源、传输波导和谐振腔组成。跑道式电子回旋加速器，是把多腔结构的直线电子加速器中加速电子的部件加以组合，于是在圆形轨道的基础上增加了直线段，形状像跑道，故称跑道式电子回旋加速器。当采用超导电子直线加速器作加速设备时称超导跑道式电子回旋加速器。
2.3电子储存环
电子储存环是同步辐射光源的核心设备，它不仅主要用于积累电子，即不断地让具有所需能量电子注入并进行积累，使储存的电子流到达要求值并较长时间在储存环里循环运动，还要使储存环的能量及磁铁、聚焦结构布局符合同步辐射光源用户的需要。储存环的特征波长λc、同步辐射的亮度和用户的可容纳度是三个重要参数。一般分为X射线环和VUV环两种。储存环中的主要部件如下：
（1）真空室
真空度要求在10-7Pa左右。
（2）弯曲磁铁
使电子在圆弧中运动。
（3）四极磁铁
因储存环往往可被设计成多种方式运行，即可在不同工作点上工作，因此四极磁铁的磁场梯度在较大范围内变化时都应使四极磁铁有足够好的场区。
(4)插入元件是指在储存环的直线段上插入的扭摆磁铁(Wiggler)多极多周期的扭摆器( multipole wiggler)和波荡磁体(Undulator) 等，它们的作用是在不提高储存环的能量和束流强度的条件下能得到更短波长和更高通量的同步辐射光，以扩大应用范围。射频腔和有关供电系统以补充电子束到同步辐射过程的能量损失。
4 同步辐射光源的主要特征
与一般X射线光源相比较，同步辐射光源有如下特征：
（1）高强度，更确切讲是高亮度
同步辐射X射线亮度比60kW旋转阳极X射线源所出的特征辐射的亮度分别高出3～6个数量级。描述高亮度的另一参量是光子通量，即光子/s·mm2·mrad2·10-3BW。前面提到，第二代同步辐射光源的光通量达1015～1016，第三代光源达1017～1020，到了第四代，光子能量可>1022，已大大超过高功率的激光器。从这个意义上讲，一台同步辐射光源相当于无数台激光器。
（2）宽而连续分布的谱范围
图3给出日本光子工厂( PF)同步辐射光源的光谱分布图。可见其波谱的分布跨越了从红外→可见光→紫外→软X射线→硬X射线整个范围。Wiggler和Undulator的作用也显然可见。试验所用的波长能方便地使用光栅单色或晶体单色器从连续谱中选出。谱分布的一个重要特点是临界波长λc（又称特征波长），所谓特征波长是指这个波长具有表征同步辐射谱的特征，即大于λc和小于λc的光子总辐射能量相等，0.2～10λc占总辐射功率的95%左右，故选0.2～10λc为同步辐射装置的可用波长是有充分理由的。
（3）高度偏振
同步辐射在运动电子方向的瞬时轨道平面内电场矢量具有100%偏振，遍及所有角度和波长积分约75%偏振，在中平面以外呈椭圆偏振。图4概括了不同波长的单个电子的平行偏振分量、垂直偏振分量强度与发射角的关系，由图4可知，当λ≈λc时，即曲线1，张角近似为r-1；在较短波时，张角变得较小；较长时，张角变得大得多，当λ=100λc时，张角达4r-1。
（4）脉冲时间结构
由储存环的机构引起，即由辐射阻尼现象引起，当电子从增强器注入储存环，且当注入的束团几乎充满储存环真空不能再注入电子时，由于自由振荡和同步辐射以及不断地由高频腔给电子提供能量补充，使其自由振荡的振幅越来越小，这种现象称辐射阻尼。当经过2～3倍阻尼时间后振幅已变得小得多，这就意味着束团尺寸已由注入末了时的满真空室变得只占真空的1/ 10空间了。因此可进行注入2～3倍阻尼时间的重复过程，这样即积累了电子数，而且束团的横向尺寸变小，长度也短。具体脉冲时间间隔与储存环的参数和使用模式有关，已获得范围为2.8～780ns。第三代同步辐射光源的最小光脉冲时间约达30ps。同步辐射源的脉冲时间结构能用来进行时间分辨光谱和时间分辨衍射研究，已在晶体学、化学和生物学方面获得应用。
（5）准直性好
由于天然的准直性和低的发散度，使得有小的源尺寸。同步辐射光束的平行性可以与激光束相媲美。能量越高光束的平行性越好。
（6）同步辐射的相干性不断提高
第一代和第二代同步辐射光源的相干性较差，到了第三代光的相干性已相当好，预计第四代同步辐射光源的相干性将更好，且具有空间全相干性。
（7）同步辐射实验站的设备庞大，试样周围空间大，适宜于安装如象高低温、高压、高磁场以及反应器等附件，能进行特殊条件下的动态研究；还特别有利于安装联合试验设备，用各种方法对试样进行综合测量分析和研究。
（8）具有精确的可预算的特性，可以用作各种波长的标准光源。
（9）绝对洁净。
因为它在超高真空产生，而没有任何如阳极、阴极和窗口带来的干扰。潜在的试验问题是强度的稳定性不好，这与同步辐射光源的短暂性能有关，如储存环中电子流的变化和轨道漂移明显影响入射线的强度。所谓储存环的工作寿命是指当已注入的电子流达最大设计之后，能在储存环中循环运动中电子流损失至允许值的时间。