同步辐射光源及其特点

第３４卷　第４期《新疆师范大学学报》（自然科学版）Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．４２０１５年１２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉｎｊｉａｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＤｅｃ．２０１５（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＥｄｉｔｉｏｎ）同步辐射光源及其特点毕拉力·木乎提江，　阿力甫江·扎依提（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐８３００５４）　　［收稿日期］２０１５－１０－１５　　［作者简介］毕拉力·木乎提江（１９７４－），男，新疆昌吉人，讲师，博士研究生，主要从事光学与实验教学方向的研究。摘要：同步辐射光源的出现，被人称为是继Ｘ光光源、激光光源之后，在科技领域中又一次革命性的事件。这种光源本身，也经过了第一代、第二代、第三代三个重要时期的发展。第四代同步辐射光源现已开始使用，显示出无可比拟的优越性。文章简要回顾了同步辐射研究的历史，较详细介绍了同步辐射光源的光源结构、研究亮点。综述了ＳＡＳＥ自由电子激光的历史发展，基本原理，基本结构和主要物理特征。关键词：同步辐射光源；储存环；光源结构；加速器中图分类号：　Ｏ４３　　　文献标识码：　Ａ　　　文章编号：　１００８⁃９６５９（２０１５）０４⁃０５３⁃０６在人类文明史上有四类光源对人们的生活产生着重大的影响。第一类光源是１８７９年美国发明家爱迪生发明的电光源。第二类光源是１８９５年德国科学家伦琴发现的Ｘ射线源。第三类光源是激光光源，发明于１９６０年。第四类光源是同步辐射光源。同步辐射是接近光速运动的带电粒子在磁场中作变速运动时放出的电磁辐射。１９４７年在同步加速器上被观察到，因此被命名为同步辐射。１９６５年发明了储存环后同步辐射才开始走向实用。同步辐射光源经历了四代的发展。第一代主要在２０世纪７０年代，在高能物理研究建造的电子加速器和存储环上运行。８０年代出现的第二代光源是专门为同步辐射的应用而设计的。斯曼－格林阵列的采用标志着第二代同步辐射光源的出现。其特点是设置一些插入件使电子在运动过程中发生扭摆和波荡，从而发出更多的同步辐射，并因相互叠加而进一步加强。２０世纪９０年代开始大量出现的第三代光源的特征是为大量使用插入件而设计的低发射度存储环。世界上已有２７个第三代同步辐射光源投入运行，其中日本Ｓｐｒｉｎｇ－８的能量最高，达到８ＧｅＶ［１］。高增益自由电子激光作为性能优越的第四代光源，是最近十几年发展起来的最新一代先进光源。高增益自由电子激光主要工作原理分为四种，第一种是自放大自发辐射（Ｓｅｌｆ－ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ，ＳＡＳＥ）原理，２０００年在美国阿贡国家实验室首次实现饱和出光［２］，第二种称为回声谐波（Ｅｃｈｏ–ＥｎａｂｌｅｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＥＥＨＧ）原理，由美国ＳＬＡＣ实验室的Ｇ．Ｓｔｕｐａｋｏ博士于２００８年提出［３］，第三种被称为直接外种子型（ＤｉｒｅｃｔＳｅｅｄｉｎｇ）原理，２００８年前后由法国和日本联合在ＲＩＫ⁃ＥＮ／Ｓｐｒｉｎｇ－８实验室进行了实验验证［４］，第四种是高增益谐波产生（ＨｉｇｈＧａｉｎＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ＨＧＨＧ）原理，２０００年左右在美国布鲁克海文国家实验室得到实验验证［５］。当前，新的高增益模式的提出仍是自由电子激光领域的研究前沿。中国的北京同步辐射实验室属于第一代同步辐射光源，合肥国家同步辐射实验室属于第二代同步辐射光源，上海光源属于第三代同步辐射光源，正在建设中的上海软Ｘ射线自由电子激光装置（简称ＳＸＦＥＬ）为第四代同步辐射光源。２０１１年２月１日ＳＸＦＥＬ项目建议书获得国家发展改革委批复，ＳＸＦＥＬ项目正式进入可行性研究阶段。１　同步辐射光源的基本结构第三代同步辐射光源装置由电子注入器、电子输运线、存储环、插人装置、同步辐射束线室和实验站等六３５DOI:10.14100/j.cnki.1008-9659.2015.04.010新疆师范大学学报（自然科学版）２０１５年部分组成。世界上很多国家正在进一步研究着第四代同步辐射光源的不同工作原理，以下给出了比较成熟的最常见的两种第四代同步辐射光源的基本结构。典型的ＳＡＳＥＦＥＬ的结构如图１所示［６］。ＳＡＳＥＦＥＬ是单程高增益辐射，不需要反射镜，结构简单。因此现有（已建或在建）的Ｘ射线波段ＦＥＬ装置均采用这种方案。图１　自放大自发辐射自由电子激光的结构示意图放大器ＦＥＬ也称为有种子激光驱动的ＦＥＬ（ＳｅｅｄｅｄＦＥＬ），它由外加的种子激光与电子束一起进入波荡器发生作用。最典型的有所谓的ＨＧＨＧ（ＨｉｇｈＧａｉｎＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）和ＥＥＨＧ（ＥｃｈｏＥｎａｂｌｅｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）ＦＥＬ。典型的ＨＧＨＧＦＥＬ结构如图２所示。ＨＧＨＧＦＥＬ由两段波荡器及一个色散段组成，第一段波荡器称为调制器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ），第二段波荡器称为辐射段（ｒａｄｉａｔｏｒ）。图２　放大器型自由电子激光的结构示意图２　同步辐射光源的特点２．１　第三代同步辐射光源的特点２．１．１　频谱分布宽广同步辐射光的谱范围是由弯转半径和加速器中的电子的能量来决定的。波长分布是连续的，分布范围从红外到硬Ｘ射线波段，如图３所示，是目前唯一能得到高亮度又覆盖宽的频谱范围的光源。图３　各种电磁波的波长范围２．１．２　高亮度亮度是普遍使用的衡量光源的一个重要指标。同步辐射光源的亮度比实验室Ｘ射线光源连续谱部分强１０６—１０１１倍。用实验室Ｘ射线光源获得一幅晶体缺陷结构的形貌照片要用很长时间，但用同步辐射光源来拍摄同样的照片仅需几秒至几十秒，工作效率提高了几万倍。光源亮度Ｂ的计算公为：Ｂ＝Ｆ４π２εＳＸεＳＹ（１）Ｂ为光源亮度，Ｆ为光子通量，εＳＸ和εＳｙ为光源发射度。２．１．３　高偏振度４５第４期毕拉力·木乎提江等　　同步辐射光源及其特点光的偏振性是由其电矢量的取向决定的。在圆形的平面轨道上运动的电子发出的辐射的电矢量总是在该轨道平面上指向圆心，如图４（ａ）。如果观察点在轨道平面内，Ψ＝０，则看到的电矢量的变化是在一根线上，故观察到的辐射是线偏振的。如果观察点不在平面上，Ψ＞０或Ψ＜０，则观察到的电矢量是在一个椭圆内变动，是为椭圆偏振光，一为左旋，一为右旋，如图４（ｂ）。图４　同步辐射的偏振性２．１．４　高准直性同步辐射是电子在做曲线运动时沿轨道的切线方向发出的电磁辐射，利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光具有高度的准直性，是一种近平行的光，垂直张角计算公式为：φｍｒａｄ[]＝０．３３ＥＫｅＶ[]（２）比如，北京同步辐射装置在２．２ＧｅＶ运行时，其垂直张角仅为０．５秒。２．１．５　时间结构一个电子在圆形轨道上运动，同时发出辐射，在某一固定点接收同步辐射并不是每时每刻都能接收到辐射的。从观察点作电子轨道的切线，设切点为ａ，则只有电子在ａ附近一个极小的范围内发射的辐射才能被接收到，这是一个极短的辐射脉冲，可以算得这一极短的时间间隔Δｔ。Δｔ＝ρ／ｃγ３＝１／ω０γ３（３）２．１．６　可计算性同步辐射的发光机制完全由基本物理规律主宰，无须考虑介质密度涨落、温度分布、化学纯度等难以精确测定的因素。因此可计算性明显优于一般光源。２．２第四代同步辐射光源的特点第四代光源和第三代光源一样都是加速器技术的产物，但其特性都优于第三代光源。其峰值谱亮度比第三代同步辐射光源提高了近十个量级。使用超导加速器以后平均谱亮度会有更大幅度的提高。在横向上，Ｘ射线ＳＡＳＥ是完全相干的，而第三代同步辐射光源只有部分相干性。第三代同步辐射光源基本上是自发辐射，在时间上几乎没有相干性，而第四代光源如ＳＡＳＥＦＥＬ通过受激放大产生，在时间上有一定的相干性。第三代同步辐射光源脉冲长度大约有几十个ｐｓ，而ＳＡＳＥ的电子束流由直线加速器产生，经几次压缩后脉冲长度可以达到几百个ｆｓ。原则上讲ＳＡＳＥ是单用户的，但可调的多脉冲结构使ＳＡＳＥ也可以达到同时满足多用户的目的。第四代光源的波长连续可调并具有很好的偏振性。第四代光源的优点还很多，并且正在向更广阔应用领域上发展。５５新疆师范大学学报（自然科学版）２０１５年３　ＳＡＳＥ自由电子激光ＳＡＳＥ自由电子激光发生的物理过程是电子束在波荡器中运动产生自发辐射，由于光场与电子束之间的滑移效应，电子不断和后面电子产生的辐射相互作用。自发辐射产生的光场对电子产生能量调制，经过一段波荡器后，能量调制转变为电子的密度调制，发生群聚。由于电子束密度分布存在随机涨落，因此有的噪声被不断放大，从而辐射加强，又使得此光场模式对应的群聚不断加强，此过程不断持续，使光场达到指数增益，最后由于电子能量偏离共振过多，能散过大而使光场出现饱和。由于ＳＡＳＥＦＥＬ是由噪声起振，因此在初始阶段辐射光场带宽比较大，纵向相干性比较差。随着ＳＡＳＥ的增益不断提高，通过光场模式之间的竞争，逐渐选取出增益最大的光场模式，因此辐射带宽不断变窄，纵向相干性逐渐加强。脉冲中所含有的纵向光场模式数目Ｍ可以由束团长度Ｔ与相干长度σ的比值来表征。Ｍ＝Ｔ２πσ≈Ｔ２σ（４）指数增益阶段的ＳＡＳＥＦＥＬ功率表示为：Ｐ＝ＰｉｎｅＺ／Ｌ（５）Ｐｉｎ为有效初始噪声功率，它可以由一个功率长度Ｌ内的自发辐射功率近似。ＳＡＳＥ原则上可工作任意波段。现有的Ｘ射线波段ＦＥＬ装置均采用这种方案，如：ＦＬＡＳＨ，ＬＣＬＳ，ＳＣＳＳ等。图５给出了欧洲ＸＦＥＬ装置示意图［７］。图５　ＸＦＥＬ装置示意图美国ＬＣＬＳ采用ＳＡＳＥＦＥＬ的方案，通过调节电子束能量可以产生１．５ｎｍ到１．５Å的Ｘ射线辐射．ＬＣＬＳ直线加速器结构如图６所示。电子束从光阴极微波电子枪发出后，经过预加速段Ｌｉｎａｃ－０（Ｌ０）后由低能弯转段Ｄｏｇｌｅｇ－１（ＤＬ１）送入直线段进行加速。再经过三个加速段（Ｌ１、Ｌ２及Ｌ３）和两个束团压缩器（ＢＣ－１和ＢＣ－２）后电子束由高能弯转段ＤＬ２送入波荡器大厅并在那里产生ＦＥＬ辐射。图６　ＬＣＬＳ直线加速器结构６５第４期毕拉力·木乎提江等　　同步辐射光源及其特点４　同步辐射光源的应用同步辐射光源将为研究物质的微观动态结构和各种瞬态的过程提供前所未有的手段和机会。为众多前沿学科领域的研究提供一种最先进又不可替代的工具。利用同步辐射实验技术能够开展众多学科的实验研究，应用领域非常广泛。表１，表２中给出了同步辐射主要的实验方法和应用领域。表１　同步辐射主要的应用领域原子物理分子环境科学辐射治疗纳米科学表面物理地质学化学结构基因组学材料科学工业制造与检测结构生物学驰豫、反应动力学凝聚态物理考古学细胞生物学分子物理核物理医药学医学诊断…表２　同步辐射主要的实验方法Ｘ射线光刻高空间分辨Ｘ射线成像Ｘ射线衍射与散射扩展Ｘ光吸收精细结构Ｘ射线显微术ＸＦＥＬ结构解析方法真空紫外分析软Ｘ射线磁性圆二色小角Ｘ射线散射光电子能谱真空紫外光谱双色减值造影术光谱辐射标准与计量光声与真空紫外圆二色光谱燃烧Ｘ射线荧光分析微电子技术同步辐射光电发射技术光子非弹性散射Ｘ射线多波长反常衍射全息成像同步辐射探测器ＸＡＦＥＳ，ＸＡＮＥＳ角分辨光电子能谱圆二色光谱ＶＵＶ单光子电离技术光激励分解Ｘ射线驻波术超快时间分辨…５　总结短脉冲、时间相干、极化方向可调及多用户等成为第四代同步辐射光源未来所具备的特性。作为在硬Ｘ射线波段产生辐射并饱和的ＦＥＬ装置，需要对未来进行规划，以顺应未来光源发展的要求，不断完善自己。比如，将ＬＣＬＳ从单一用户模式改为多用户模式，实现软、硬Ｘ射线同时运行等。希望我国的研究人员在不久的将来能够在第四代光源方面有所突破，使我国在这个领域达到世界先进水平。参考文献：［１］麦振洪，等．同步辐射光源及其应用［Ｍ］．北京：科学出版杜，２０１３．［２］Ｓ．Ｍｉｌｔｏｎｅｔａｌ．Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｇａｉｎａｎｄｓａｔｕｒａｔｉｏｎｏｆａｓｅｌｆ－ａｍｐｌｉｆｉｅｄｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｅｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｌａｓｅｒ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００１，（２９２）：２０３７－２０４１．［３］Ｇ．Ｓｔｕｐａｋｏｖ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｂｅａｍ－ｅｃｈｏｅｆｆｅｃｔｆｏｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｏｒｔ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａ