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同步辐射的一些知识
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什么是同步辐射 光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。可以用波长或者频率表征光波，也可以用能量表征光波。光的波长可从10-4厘米到10-16厘米，相应于光子的能量为100电子伏到10E12电子伏。波长越短，能量越高。 在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。 接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发现的，所以称为同步辐射。这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。 同步辐射光的特点 高强度 如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。 宽波谱 同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。 高准直性 利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。 脉冲性 同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。 偏振性 与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。 同步辐射的历史、现状及发展 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射——也叫同步光。这种光是1947年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器中首次观察到的，因此被命名为同步辐射，但对同步辐射的研究与认识并非从此开始，对于这种高速运动的电子的速度改变时会发出辐射的现象早就被人们所认识并经历了长期的理论研究，但要从实验上观察到这种辐射却不是一件容易的事，需要有以近光速运动的高能量电子，电子加速器的发展成为获得同步辐射的技术基础。 同步辐射的电子加速器可使高能电子加速到Mev乃至Gev的能量范围，主要有以下几种类型： 直线加速器 加速电子（或其它带电粒子）到高速度、高能量的简单且直接的方法是高压型加速，增大加速电压就能使电子加速到很高的速度或能量，这种加速过程需要在高真空或超高真空条件中进行。对于电子，其带电量为一个电子电菏e，如要将电子加速到几十Kev的能量就要用几十KV的电压，以此类推，在更高的电压条件下，为避免高压击穿须采用强烈的电感应来加速，而且必须在合适的相位范围内使相位相同，否则不仅不能加速还会减速。这种用高频高电压加速的粒子流在时间上是一段一段的，脉冲式的，是很窄的粒子流，成为一个个束团。为了利用高电压来加速，人们把多个中空的金属筒有间隙的排列在一条直线上，并将高压高频交流电源间隔的耦合到各个圆筒上，各个圆筒之间存在高电压，相位轮流相反，电子在圆筒之间被加速。 回旋加速器和电子感应加速器 如果要用直线加速器得到很高的电子能量，整个加速器要做的很长，很不经济。到了20世纪20年代，回旋加速器（cyclotron）和电子感应（betatron）相继发明，有了把电子加速到极高能量的可能。回旋加速器是利用高频感应电压给电子加速增能和用磁场使带电粒子做绕圈运动这两种作用建立起来的。电子在圆形环中运动，在加速间隙得到加速，所运行的轨道半径也一步一步增加，以达到加速增能的目的。电子感应加速器是利用电子绕圈内的磁通变化所感应出的电场来加速电子。电子手约束磁场的作用基本以不变的半径绕圆圈，每绕一圈就加速一回，由于电子的速度很快，在不长的时间内绕的圈数很多，故能够得到很高的能量。 同步加速器 1945年 McMillan和Veksler发明了同步加速装置。同步加速器由许多C型磁铁环状排列而成，在磁铁中部安装了环型真空盒，在环的某一段安装了高频高压加速器，电子就在真空盒内，在磁铁的作用下做环状运动，经过高频时得到加速。为使加速后的电子仍以相同的半径作环形运动，就要改变同步C形磁铁造成的约束磁场，这就是同步加速器的由来。到了20世纪70年代中期，人们进一步认识到在高能物理中用于对撞实验的电子存储环来发生同步辐射更合适，因为电子在存储环中以一定的能量作稳定的回环运动，这与同步加速器中的电子的能量不断改变的情况不同，因而能长时间的稳定的发出同步辐射光。随着电子存储环能量的提高，所得同步辐射的波长不断缩短，从紫外线或软X射线一直扩展到硬X射线。 同步辐射较之常规光源有许多优点。比如它频谱宽，从红外一直到硬X射线，是一个包括各种波长光的综合光源，可以从其中得到任何所需波长的光；其中最突出的优点是亮度大，对第一代光源，亮度可达10E14~10E15，比之转靶X射线发生器的特征谱的亮度10E11高出三四个数量级。高亮度的光强可以做空前的高分辨率（空间分辨，角分辨，能量分辨，时间分辨）的实验，这些都是用常规光源无法完成的的，还有同步辐射发散角小，光线是近平行的，其利用率，分辨率均大大提高；另外还有时间结构、偏振特性，有一定的相干性和可准确计算等等。正因为有以上各种优点，它在科学、技术、医学等众多方面解决了一批常规实验室无法解决的问题，做出了重大贡献，世界各国特别是发达国家对此都十分重视，纷纷建立了自己的同步辐射实验中心。 世界上部分同步辐射装置 国家 同步辐射实验室 类型 美国 NSLS布鲁克海文国家实验室 ２ ALADDIN威斯康星同步辐射中心 ２ SPEAR斯坦福直线加速中心 ３ ALS劳伦斯贝克莱国家实验室 ３ A PS阿贡国家实验室 ３ 德国 HASLAB,DESY,汉堡 2 BESSY 柏林，物理技术所 3 DELTA 多特蒙德 3 ELSA 波恩大学 1 俄罗斯 VEPP, 新西伯利亚核物理研究所 1 Siberia, 莫斯科原子能所 2 英国 SPS, Daresbury, 达累斯堡 2 意大利 ADONE 弗拉丝卡地 2 ELETTRA 的里亚斯特 3 日本 Spring-8 西播摩同步辐射研究所 3 PF筑波,高能物理研究所 2 韩国 PLS 汉城浦项同步辐射光源 3 法国 ESRF, 格勒诺布尔 3 DCI, Lure, 奥塞 2 另外还有印度、巴西、西班牙、加拿大、荷兰、瑞士、泰国、新加坡等国家均建有同步辐射光源实验室。 我国的同步辐射事业是从20世纪70年代末北京正负电子对撞机（BEPC）的建造开始的，起初是为高能物理研究而设计的，在1984年的一期工程期间决定一机两用，同时开展同步辐射的应用，这是第一代的同步辐射装置，称为北京同步辐射装置（BSRF）。BSRF于90年代初建成，它是电子能量为2.2Gev的中能环，产生硬X射线，建设了一些使用硬X射线的实验站，如X射线吸收光谱，荧光光谱，衍射，白光形貌，小角散射，漫散射站等，另外包括光电子能谱，光刻站，软X射线谱站等，经多年发展还建造了高压站，计量标准站等，最近正在建造并已部分完成了生物大分子、中能X光站，并进行了部分线站的调整和重建，出色地完成了一批实验室设备不能完成的工作。但缺点是因为要进行高能物理实验，不能按同步辐射的要求进行运转，而且实验机时受很大限制，一年只有3个月左右的用光时间，远不能满足用户的需求。中国科技大学提出并在1983年获国家批准建设一台800Mev的低能第二代同步辐射源开始的。此装置不能产生硬X射线，是一个VUV环。该装置于20世纪90年代初建成，称为国家同步辐射实验室（NSRL）。1992年开始为用户服务，有光电子能谱，光化学，光刻，软X射线谱及时间分辨五个实验站。1999年成功安装运转了一台6T的扭摆器，可以发生最短到0.1nm的硬X射线衍射站，建成后将大大提高该装置的实验能力。但由于是低能环，硬X实验站不多，有局限性，目前正在进行二期工程扩建。因为北京和合肥的同步辐射装置都各有自己的缺点，中央和上海市政府准备在上海市建一个第三代的同步辐射装置，能量高达3.5Gev，可达到世界先进水平。我国除上述装置以外，在台湾新竹还建有一个低能的1.3Gev的第三代同步辐射装置。 同步辐射的应用 同步辐射光是一个连续的波谱，从VUV到几千Kev能量的X射线均有分布，从而为相关科学研究提供高亮度、高准直性的优质光源。对于同步辐射的应用有以下几个大方面的应用。 参考文献： 马礼敦，杨福家主编，同步辐射概论，复旦大学出版社，2000 |
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