同步辐射简介
时间 : 2016-01-20     

1.同步辐射是一种“光”

    同步辐射是一种“光”。光是人们观察及研究自然的重要工具,广义的说,所有的电磁波都可以叫做光。电磁波的家族很大:无线电波波长最长,适合探索浩瀚的宇宙;微波可用来观察飞机、航母和飓风;红外线是夜视系统和飞弹追踪热源所用的波长;可见光是我们肉眼唯一看见的波长范围;紫外线用于观察气体分子及凝聚态物理电子结构;X光是研究晶体结构极佳的工具;波长最短的伽玛射线则可用来发掘原子核内的秘密。  

同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射(也叫同步光)。同步辐射是电磁波家族中的新生代,但却是最具潜力的一份子,覆盖了红外、可见、紫外和X光波段。同步辐射装置更像超级大功率显微镜,帮助我们探索自然界更多的奥秘。 

2. 同步辐射原理

运动着的自由电子具有加速度时,会发出电磁辐射,或者说会发光。利用弯转磁铁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时,因为有向心加速度,在切线方向产生的电磁波就是同步辐射。

电子枪(Electron Gun 

电子枪是产生被加速电子的电子源,主要由阴极、栅极和阳极组成。阴极的作用是发射电子,加热阴极到一定温度时,电子获得足够大的动能克服逸出能从阴极表面释放;阴极和阳极之间的高电位差将电子从阴极表面拉出来,并加速到合适的初速度注入到加速管中。 

电子直线加速器Linear Accelerator(linac) 

电子直线加速器主要由电子枪、加速管、微波功率系统、真空系统等组成。电子在加速管中被微波电场加速,获得能量。真空系统保证了加速管处于高真空状态,使电子在其中作加速运动不致丢失。离开直线加速器的电子速度已接近光速。 

储存环 (Storage Ring) 

电子储存环是储存高速运行的电子束流的设备,主要由磁铁系统、高频系统和真空系统等组成。磁铁系统用来弯转和约束电子束,使电子束走环行的闭合轨道;高频系统提供加速电场,电子在加速电场中获得能量。电子束在储存环中作回旋运动的同时沿切线方向发出同步辐射。 

光束线 (Beamline) 

光束线将同步光从磁铁引导出来,凭借内部精密的光学元件将同步光聚焦并选取合适波段的同步辐射送入实验站。 

实验站 (Experimental Station) 

科研人员在实验站通过测量同步辐射经过物体反射、衍射、散射及透射后的光强或是探测物体被光子激发出的电子、离子等,来研究物体的结构性能,探索微观世界的奥秘。 

  

3. 同步辐射特点: 

☆ 高亮度:同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强千倍以上。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。 

☆ 宽波谱:覆盖了红外、可见、紫外和X光波段,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:同步辐射的发射度极小,其准直性可以与激光相媲美。  

☆ 脉冲性:电子在环行轨道中的分布不是连续的,是一团一团的电子束作回旋运动,因而同步辐射具有时间结构。  

☆ 偏振性:同步辐射具有线偏振和圆偏振性,可用来研究样品中特定参数的取向问题。 

4. 同步辐射的发展 

同步辐射光是1947年在美国通用电器公司的一台同步加速器中首次观察到的,因此被命名为同步辐射,但最初它因影响损耗加速器能量而被科学家们列入不受欢迎的黑名单中,直到20年后人们发现它的优异性,开始在高能物理研究的空挡,利用加速器所发射的同步光进行科学研究,这种与高能物理共用的加速器称为第一代同步辐射光源。北京高能所同步辐射装置(BSRF)就属这种。  

随着时代发展,第一代同步辐射光源已不能满足研究需求,建立了用专门的加速器产生同步光的第二代同步辐射光源,如国家同步辐射实验室的同步辐射装置。 

19世纪80年代,科学家发现在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度提高到一千倍以上,插入件的发明,使得利用插入件在电子储存环的某一区段改变其原设计的固有特性,如改变所发辐射的能量、改变亮度与偏正性等,辐射满足人们特定需要的辐射成为可能,这就产生了第三代同步辐射光源,得到的同步辐射主要来自插入件。