25m-Jong Undulator SPring-8 Standard Undulator 韦8%巴EEE Soft X-ray Undulator 图3 SPring-8同步辐射光谱亮度曲 22同步辐射装置:电子储存环 以电子枪,如光阴极微波电子枪作电子束源,使电子束进入直线加速器和 增能器( Booster)中被加速,再通过输运线把它注入到电子储存环中。储存环是 一种超高真空的环形管道,环内安装有一系列磁铁:二极磁铁使电子束团偏转, 改变运动方向(因此也被称作弯转磁铁);四极磁铁和六极磁铁使电子束聚焦。 电子束在经过弯转磁铁时,在弯曲轨道的切线方向产生同步辐射。另外,安装 在储存环中的高频腔用以补充电子能量。图4给出了一个电子储存环的示意图
6 图 3 SPring-8 同步辐射光谱亮度曲[4] 2.2 同步辐射装置：电子储存环 以电子枪，如光阴极微波电子枪作电子束源，使电子束进入直线加速器和 增能器(Booster)中被加速，再通过输运线把它注入到电子储存环中。储存环是 一种超高真空的环形管道，环内安装有一系列磁铁：二极磁铁使电子束团偏转， 改变运动方向（因此也被称作弯转磁铁）；四极磁铁和六极磁铁使电子束聚焦。 电子束在经过弯转磁铁时，在弯曲轨道的切线方向产生同步辐射。另外，安装 在储存环中的高频腔用以补充电子能量。图 4 给出了一个电子储存环的示意图
Bendin Magnet Insertion evice Bendin agne g gnet Insertion Device Insertion Device Bending Magnet 图4电子储存环示意图,图中未标出四极磁铁、六极磁铁和注入系统 个同步辐射光源可选用的最短波长(最高光子能量)取决于储存环的能量和 弯转磁铁的磁场强度,如合肥同步辐射光源的储存环电子能量为800MeV,最短 可用波长为0.5mm;而日本的高辉度同步辐射装置 SPring-8的储存环电子能 量是8GeV,是目前世界上能量最高的同步辐射装置,其最短可用波长可达0.0l m(即能量高达100keV以上,参见图3)阿 高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时,发现电子因辐射 而损失能量,对高能物理实验起负面的作用。但是,非高能物理学家却发现同 步加速器产生的电磁辐射是一种性能优良的光源。于是,开始了人类历史上第 次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。这种在做
7 图 4 电子储存环示意图，图中未标出四极磁铁、六极磁铁和注入系统 一个同步辐射光源可选用的最短波长（最高光子能量）取决于储存环的能量和 弯转磁铁的磁场强度，如合肥同步辐射光源的储存环电子能量为 800MeV, 最短 可用波长为 0.5 nm；而日本的高辉度同步辐射装置 SPring-8 的储存环电子能 量是 8GeV, 是目前世界上能量最高的同步辐射装置，其最短可用波长可达 0.01 nm（即能量高达 100keV 以上，参见图 3）[5] 。 高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时，发现电子因辐射 而损失能量，对高能物理实验起负面的作用。但是，非高能物理学家却发现同 步加速器产生的电磁辐射是一种性能优良的光源。于是，开始了人类历史上第 一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。这种在做
高能物理硏究的加速器上,同时开展同步辐射研究的工作模式,称为寄生模式 或兼用模式,这就是第一代同步辐射光源。在中国科学院高能物理所正负电子 对撞机上,电子通过长为204米的直线加速器,能量达到2.2GeV,也可以在进 行高能物理实验的同时,以寄生模式开展同步辐射研究。美国威斯康星大学 1968年建造的能量为240MeV的电子储存环,是世界上第一台专用同步辐射装 置,也称为第二代光源。我国建在合肥中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL 的同步辐射光源(也称作合肥光源,HS),则是我国第一台专用的同步辐射光源。 专用同步辐射光源在20世纪70年代得到了极大的发展。作为第三代光源,其主 要标志之一是高亮度或低的电子束发射度( electron beam emittance,电子束 团截面尺寸与其发散度的乘积)。电子束发射度越低,亮度就越高,通常认为电 子束发射度在20纳米·弧度以下,即为第三代光源。表1列出的是一些同步辐 射装置的电子束发射度,小于20纳米·弧度的为第三代光源。第三代光源的另 重要标志是在电子储存环的直线节上装有多个插入件,如扭摆器( Wiggle), 它由正、负极周期磁铁组成,目的是局部加大磁场,使电子通过它作扭摆运动 而发出的同步辐射具有更高的特征能量;波荡器( undulator),它与扭摆器的 区别是磁场较弱,但周期数多,使从不同周期得到的同步辐射,可部分相干地 迭加,亮度与周期数平方成正比,使同步辐射的亮度大大提高。因此,通过插 入件获得性能更优良(如相干或部分相干的准单色光,可与激光媲美)、亮度更 高的辐射,它是同步辐射装置的发展方向。在图3中我们也可以看到扭摆器和波 荡器辐射的光谱亮度曲线
8 高能物理研究的加速器上，同时开展同步辐射研究的工作模式，称为寄生模式 或兼用模式，这就是第一代同步辐射光源。在中国科学院高能物理所正负电子 对撞机上，电子通过长为 204 米的直线加速器，能量达到 2.2GeV，也可以在进 行高能物理实验的同时,以寄生模式开展同步辐射研究。美国威斯康星大学 1968 年建造的能量为 240MeV 的电子储存环，是世界上第一台专用同步辐射装 置，也称为第二代光源。我国建在合肥中国科技大学国家同步辐射实验室（NSRL） 的同步辐射光源(也称作合肥光源，HLS)，则是我国第一台专用的同步辐射光源。 专用同步辐射光源在 20 世纪 70 年代得到了极大的发展。作为第三代光源,其主 要标志之一是高亮度或低的电子束发射度（electron beam emittance，电子束 团截面尺寸与其发散度的乘积）。电子束发射度越低，亮度就越高，通常认为电 子束发射度在 20 纳米·弧度以下，即为第三代光源。表 1 列出的是一些同步辐 射装置的电子束发射度，小于 20 纳米·弧度的为第三代光源。第三代光源的另 一重要标志是在电子储存环的直线节上装有多个插入件，如扭摆器（Wiggle）， 它由正、负极周期磁铁组成，目的是局部加大磁场，使电子通过它作扭摆运动 而发出的同步辐射具有更高的特征能量；波荡器（undulator）,它与扭摆器的 区别是磁场较弱，但周期数多，使从不同周期得到的同步辐射，可部分相干地 迭加，亮度与周期数平方成正比，使同步辐射的亮度大大提高。因此，通过插 入件获得性能更优良（如相干或部分相干的准单色光，可与激光媲美）、亮度更 高的辐射,它是同步辐射装置的发展方向。在图 3 中我们也可以看到扭摆器和波 荡器辐射的光谱亮度曲线
表1一些同步辐射装置的电子束发射度 同步辐射装置及所在地 电子束发射度(纳米·弧度) BSRF(北京) 390(寄生模式)76(专用模式) NSRL(合肥) 166(高亮度模式运行时为27) SRRC(台湾新竹) 19 PLS(韩国浦项) 12.1 ESRF(法国, Grenoble)3.89(1.7@100mA) APS(美国) 8.2 SPring-8(日本) SRRF(上海,即将建造)2.95(设计指标) 依据电子储存环中电子能量的高低,储存环同步辐射装置又可分为低能、 中能和高能三类。低能同步辐射光源的电子能量在2GeV以下,储存环周长约 为10-200米,得到的同步辐射主要是真空紫外和软X射线辐射。如HS的电 子能量在直线加速器中被加速到200MeV后,通过输运线注入到电子储存环中, 其电子储存环中共有45个电子束团(在储存环中由于自稳相作用,电子自动聚 集而形成电子束团,每个电子束团包含几十亿个电子),所有电子都在周长为 66米的储存环中被慢加速到800MeV,在电子储存环的弯转磁铁处产生同步辐 射,在真空紫外和软X射线区都有很强的辐射,特征波长为24A。而中能机器, 储存环的电子能量选择在2.5-4.0GeV左右,储存环周长在200-400米左右, 同步辐射在Ⅹ射线能区有很好的性能。BSRF的电子储存环周长240米,能量在 2GeⅤ左右,就是这类中能同步辐射光源,其同步辐射以软X射线和部分硬Ⅹ 射线为主,在真空紫外区也有很强的辐射。中能光源的造价和运行费用都比高 能同步加速器低得多,而性能也可以很好,所以现在世界各国正在建造的都是
9 表 1 一些同步辐射装置的电子束发射度 同步辐射装置及所在地 电子束发射度（纳米·弧度） BSRF（北京） 390 (寄生模式) 76 (专用模式) NSRL（合肥） 166 (高亮度模式运行时为 27) SRRC（台湾新竹） 19 PLS（韩国浦项） 12.1 ESRF（法国，Grenoble） 3.89 (1.7@100mA) APS（美国） 8.2 SPring-8（日本） 5 SRRF（上海，即将建造） 2.95（设计指标） 依据电子储存环中电子能量的高低，储存环同步辐射装置又可分为低能、 中能和高能三类。低能同步辐射光源的电子能量在 2 GeV 以下，储存环周长约 为 100-200 米，得到的同步辐射主要是真空紫外和软 X 射线辐射。如 HLS 的电 子能量在直线加速器中被加速到 200 MeV 后，通过输运线注入到电子储存环中， 其电子储存环中共有 45 个电子束团（在储存环中由于自稳相作用，电子自动聚 集而形成电子束团，每个电子束团包含几十亿个电子），所有电子都在周长为 66 米的储存环中被慢加速到 800 MeV，在电子储存环的弯转磁铁处产生同步辐 射，在真空紫外和软 X 射线区都有很强的辐射，特征波长为 24 Å。而中能机器， 储存环的电子能量选择在 2.5-4.0 GeV 左右，储存环周长在 200-400 米左右， 同步辐射在 X 射线能区有很好的性能。BSRF 的电子储存环周长 240 米，能量在 2 GeV 左右，就是这类中能同步辐射光源，其同步辐射以软 X 射线和部分硬 X 射线为主，在真空紫外区也有很强的辐射。中能光源的造价和运行费用都比高 能同步加速器低得多，而性能也可以很好，所以现在世界各国正在建造的都是
中能同步辐射加速器。将要建造的上海光源也是一台中能光源,储存环电子能 量优化为3.5GeV,设计周长为432米。高能区的同步加速器,储存环周长可达1 公里以上。电子能量达6-8GeV,可以获得能量很高的硬Ⅹ射线,目前世界上 只有三台:法国 Grenoble电子能量为6GeV的欧洲同步辐射装置(ESRF);美 国 Argonne国家实验室电子能量为7GeV的先进光子源(APS),;以及日本原子 能研究所和理化研究所共同筹建的电子能量为8GeV的超级光子源( SPring-8)。 这三台装置都已启用,装置的几个主要参数列于表2 表2世界上三个最大的高能同步辐射装置的几个主要参数 装置名称欧洲同步辐射装置先进光子源高辉度同步辐射装置 (ESRF) (APS) (SPring-8) 建造国家 法国等16个欧洲美国 日本 国家 电子能量(GeV)6 7 储存环周长(米)84.4 1104 1436 特征能量(keV)19.2 19.5 28.9 投入运行年代1994 1996 1997
10 中能同步辐射加速器。将要建造的上海光源也是一台中能光源，储存环电子能 量优化为 3.5GeV,设计周长为 432 米。高能区的同步加速器，储存环周长可达 1 公里以上。电子能量达 6-8 GeV，可以获得能量很高的硬 X 射线，目前世界上 只有三台：法国 Grenoble 电子能量为 6 GeV 的欧洲同步辐射装置（ESRF）；美 国 Argonne 国家实验室电子能量为 7 GeV 的先进光子源（APS），；以及日本原子 能研究所和理化研究所共同筹建的电子能量为 8 GeV的超级光子源（SPring-8）。 这三台装置都已启用，装置的几个主要参数列于表 2。 表 2 世界上三个最大的高能同步辐射装置的几个主要参数 装置名称 欧洲同步辐射装置 （ESRF） 先进光子源 （APS） 高辉度同步辐射装置 （SPring-8） 建造国家 法国等 16 个欧洲 国家 美国 日本 电子能量（GeV） 6 7 8 储存环周长（米） 844.4 1104 1436 特征能量（keV） 19.2 19.5 28.9 投入运行年代 1994 1996 1997