第口章同步辐射原理与应用简介 周映雪张新夷 目录 前言 2.同步辐射原理 2.1同步辐射基本原理 2.2同步辐射装置:电子储存环 2.3同步辐射装置:光束线、实验站 2.4第四代同步辐射光源 2.4.1自由电子激光(FEL) 2.4.2能量回收直线加速器(ERL)同步光源 3.同步辐射应用研究 3.1概述 3.2真空紫外(VUV)光谱 3.3X射线吸收精细结构(XAFS) 3.4在生命科学中的应用 3.5同步辐射的工业应用 3.6第四代同步辐射光源的应用 4.结束语 参考文献
1 第□章 同步辐射原理与应用简介 周映雪 张新夷 目 录 1. 前言 2．同步辐射原理 2.1 同步辐射基本原理 2.2 同步辐射装置：电子储存环 2.3 同步辐射装置：光束线、实验站 2.4 第四代同步辐射光源 2.4.1 自由电子激光（FEL） 2.4.2 能量回收直线加速器（ERL）同步光源 3. 同步辐射应用研究 3.1 概述 3.2 真空紫外（VUV）光谱 3.3 X 射线吸收精细结构（XAFS） 3.4 在生命科学中的应用 3.5 同步辐射的工业应用 3.6 第四代同步辐射光源的应用 4．结束语 参考文献
1.前 同步辐射因具有髙亮度、光谱连续、频谱范围宽、髙度偏振性、准直性好、 有时间结构等一系列优异特性,已成为自X光和激光诞生以来的又一种对科学 技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源,它的应用可追溯到上世 纪六十年代。1947年,美国通用电器公司的一个研究小组在70MeV的同步加速 器上做实验时,在环形加速管的管壁,首次迎着电流方向,用一片镜子观测到 在电子東轨道面上的亮点,而且发现,随加速管中电子能量的变化,该亮点的 发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时, 在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图1是当时看到亮点的电子 同步加速器的照片,图中的箭头指出亮点所在位置。那时,科学家还没有意识 到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源,高能物理学家抱怨,因为存 在电磁辐射,同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫 长时间,科学家(非高能物理学家)才真正认识到它的用处,但当时还只是少 数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调,且亮度极高等特性,对固 体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发 展,越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来,同步辐射的优异 特性得到了充分的展示,尤其是在红外、真空紫外和X射线波段的性能,非其 他光源可比,很多以往用普通X光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研 究工作,有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在 物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领 域,当然也包括发光学的基础和应用基础研究,得到了极为广泛的应用。目前, 无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上,对生命科学和材料科学的研究都具
2 1. 前言 同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好、 有时间结构等一系列优异特性，已成为自 X 光和激光诞生以来的又一种对科学 技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源，它的应用可追溯到上世 纪六十年代。1947 年，美国通用电器公司的一个研究小组在 70MeV 的同步加速 器上做实验时，在环形加速管的管壁，首次迎着电流方向，用一片镜子观测到 在电子束轨道面上的亮点，而且发现，随加速管中电子能量的变化，该亮点的 发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时， 在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图 1 是当时看到亮点的电子 同步加速器的照片，图中的箭头指出亮点所在位置。那时，科学家还没有意识 到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源，高能物理学家抱怨，因为存 在电磁辐射，同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫 长时间，科学家（非高能物理学家）才真正认识到它的用处，但当时还只是少 数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调，且亮度极高等特性，对固 体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发 展，越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来，同步辐射的优异 特性得到了充分的展示，尤其是在红外、真空紫外和 X 射线波段的性能，非其 他光源可比，很多以往用普通 X 光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研 究工作，有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在 物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领 域，当然也包括发光学的基础和应用基础研究，得到了极为广泛的应用。目前， 无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上，对生命科学和材料科学的研究都具
有最重要的地位。另外,利用同步辐射在微电子机械系统( Micro electronic Mechanical systems,缩写为MEMS)、功能材料、计算机和信息技术等高新技 术领域,开展研究工作的份量也明显加重,这类工作常常被统称为同步辐射的 工业应用。 本章将简要介绍同步辐射的基本原理,装置的构造及其在与发光学密切相 关的一些领域中的应用 图11947年发现同步辐射的电子同步加速器照片 2.同步辐射原理 2.1同步辐射基本原理3 1968年,世界上第一台电子储存环能量为240兆电子伏(240MeV)的专用 同步辐射装置,在美国威斯康星大学建造。据统计,全世界相继已有二十多个 国家和地区,建成同步辐射装置50余台,都已投入使用,有十几台正在建设 另外,还有15台左右处于不同的设计阶段,正等待批准。北京正负电子对撞机 国家实验室的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)
3 有最重要的地位。另外，利用同步辐射在微电子机械系统（Micro Electronic Mechanical Systems, 缩写为 MEMS）、功能材料、计算机和信息技术等高新技 术领域，开展研究工作的份量也明显加重，这类工作常常被统称为同步辐射的 工业应用。 本章将简要介绍同步辐射的基本原理，装置的构造及其在与发光学密切相 关的一些领域中的应用。 图 1 1947 年发现同步辐射的电子同步加速器照片 2. 同步辐射原理 2.1 同步辐射基本原理[1-3] 1968 年，世界上第一台电子储存环能量为 240 兆电子伏（240MeV）的专用 同步辐射装置，在美国威斯康星大学建造。据统计，全世界相继已有二十多个 国家和地区，建成同步辐射装置 50 余台，都已投入使用，有十几台正在建设， 另外，还有 15 台左右处于不同的设计阶段，正等待批准。北京正负电子对撞机 国家实验室的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)
的合肥光源(HLS)分别于1989年和1991年建成并投入使用,台湾新竹同步辐射 光源于1994年起对用户开放,上海光源(SSRF)也即将在上海浦东张江高科技 园区建造 几乎同于1947年,在英国曼彻斯特大学物理系,师从布莱克特教授(诺贝 尔奖获得者)的中国青年物理学者朱洪元,在宇宙线研究中写成题为“论高速 的带电粒子在磁场中的辐射”的论文,并在英国皇家学会会刊上发表。这也是 关于同步辐射的最早期论文。其实,据《宋会要》记载,早在公元1054年7 月,我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象:“昼见如太白, 芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆 发。这颗超新星爆发后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云(图2)。现代天文学家 确认该星云的辐射,包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱,正是超 新星爆炸产生的高能电子在星云磁场作用下产生的电磁辐射,也即同步辐射。 图2超新星爆炸后遗迹形成的蟹状星云
4 的合肥光源(HLS)分别于 1989 年和 1991 年建成并投入使用，台湾新竹同步辐射 光源于 1994 年起对用户开放，上海光源（SSRF）也即将在上海浦东张江高科技 园区建造。 几乎同于 1947 年，在英国曼彻斯特大学物理系，师从布莱克特教授（诺贝 尔奖获得者）的中国青年物理学者朱洪元，在宇宙线研究中写成题为“论高速 的带电粒子在磁场中的辐射”的论文，并在英国皇家学会会刊上发表。这也是 关于同步辐射的最早期论文。其实，据《宋会要》记载，早在公元 1054 年 7 月，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白， 芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆 发。这颗超新星爆发后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云（图 2）。现代天文学家 确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和 X 射线的宽频谱，正是超 新星爆炸产生的高能电子在星云磁场作用下产生的电磁辐射，也即同步辐射。 图 2 超新星爆炸后遗迹形成的蟹状星云
当高能电子在磁场中以接近光速运动时,如运动方向与磁场垂直,电子将 受到与其运动方向垂直的洛仑兹力的作用而发生偏转。按照电动力学的理论, 带电粒子作加速运动时都会产生电磁辐射,因此这些高能电子会在其运行轨道 的切线方向产生电磁辐射。这种电磁辐射最早是在同步加速器上观测到的,因 此就称作同步加速器辐射,简称同步辐射,或同步光 同步辐射作为光源,其主要特点可归结为:1)亮度高,譬如X光强度可以 是实验室最好的转靶Ⅹ光机的一万倍甚至一百万倍以上;2)光谱连续且范围宽, 可从远红外到硬X射线;3)有时间结构,一般同步辐射光脉冲的脉宽为几十皮 秒量级;4)具有偏振性,在储存环轨道(即电子运行轨道)平面上同步辐射是 100%线偏振的,而在储存环轨道平面的上方或下方取出的同步光则是左圆偏振 或右圆偏振的:5)同步光集中在弯曲轨道的切线方向一个极小的立体角内,具 有准直性;6)同步辐射的光谱可精确计算,故可用作标准去校正其它光源。图 3是世界上最大的同步辐射装置,日本的 SPring-8的同步辐射光谱亮度曲线, 图中也给出了太阳辐射,转靶Ⅹ光管以及医用Ⅹ光管的光谱亮度曲线,以作比
5 当高能电子在磁场中以接近光速运动时，如运动方向与磁场垂直，电子将 受到与其运动方向垂直的洛仑兹力的作用而发生偏转。按照电动力学的理论， 带电粒子作加速运动时都会产生电磁辐射，因此这些高能电子会在其运行轨道 的切线方向产生电磁辐射。这种电磁辐射最早是在同步加速器上观测到的，因 此就称作同步加速器辐射，简称同步辐射，或同步光。 同步辐射作为光源，其主要特点可归结为：1）亮度高，譬如 X 光强度可以 是实验室最好的转靶 X 光机的一万倍甚至一百万倍以上；2）光谱连续且范围宽， 可从远红外到硬 X 射线；3)有时间结构，一般同步辐射光脉冲的脉宽为几十皮 秒量级；4)具有偏振性，在储存环轨道（即电子运行轨道）平面上同步辐射是 100％线偏振的，而在储存环轨道平面的上方或下方取出的同步光则是左圆偏振 或右圆偏振的；5）同步光集中在弯曲轨道的切线方向一个极小的立体角内，具 有准直性；6）同步辐射的光谱可精确计算，故可用作标准去校正其它光源。图 3 是世界上最大的同步辐射装置，日本的 SPring-8 的同步辐射光谱亮度曲线， 图中也给出了太阳辐射，转靶 X 光管以及医用 X 光管的光谱亮度曲线，以作比 较