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1、新世纪的同步辐射冼鼎昌( 中国科学院高能物理研究所)一、同步辐射及其特点同步辐射是接近光速运动的荷电粒子在磁场中改变运动方向时放出的电磁辐射。它是1 9 4 7 年在G E 公司的S c h e n e c t a d y 实验室里发现的，当时它被认为是一种妨碍得到高能量粒子的祸害。1 9 6 5 年发明了储存环，它由一系列二极磁铁( 使电子作圆周轨道运动) 、四极磁铁( 使电子束聚焦) 、直线节和补充能量的高频腔组成，可以把电子束( 或正电子束) 储存在环内长时期运行，于是在每一个弯转磁铁处都会产生同步辐射，同步辐射才开始走向实用。同步辐射的主要设备，包括储存环、光束线和实验站。储存环使高能
2、电子在其中持续运转，是产生同步辐射的光源；光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅，并“裁剪”成所需的状态，如单色、聚焦，等等；实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。同步辐射具有十分优异的特性，主要表现为：1 连续谱同步辐射具有连续分布的宽广频谱，其分布范围从远红外一直到x 射线，其中谱分布的特征能量由电子的能量和电子运动的弯转半径决定：E c k e V l - 0 6 6 5 E 2 G e V BI T = 2 2 2 爿譬卜8 2北京同步辐射的电子能量为2 5G e V ，弯转半径为1 0 3 4 5m ，特征能量为3 3 1 k e v ；合肥同步辐射的电子能量为0 8G e
3、V ，弯转半径2 2 2 2m ，特征能量为O 5 1 7 k e V 。2 亮度高同步辐射与转靶光源相比，x 光连续谱部分要强1 0 6 。1 0 I I 倍；X 光特征谱则强1 0 3 1 0 8 倍。自2 0 世纪6 0 年代中期以来，同步辐射光源的亮度已经增加了1 0 多个数量级。上海光源的设计亮度可达到1 0 1 7 1 0 1 9 光予数( n l r f l 2 m r a d 2 s O I B W ) ，位于世界先进行列。3 准直性好同步辐射基本上是在轨道平面中沿轨道的法线方向放出的，其垂直张角为： | f ， m r a d = 器例如，当北京同步辐射装置在2 2 G e
4、V 运行时，山：0 1 5m r a d 。4 高偏振度在电子轨道平面放出的同步辐射是完全线偏振的，偏振向量就在轨道平面中。电子轨道平面上下放出的同步辐射则具有椭圆偏振。5 有特定的时间结构电子在储存环中是以束团的形式运动的，因此放出的同步辐射具有特定的脉冲结构。脉冲宽度( 对应着电子束团的长度) 约为p s 量级，脉冲间隔( 对应电子束团之间的距离) 约为m s 量级。6 同步辐射是洁净的光源它是在1 0 “托的超高真空环境中产生的，没有灯丝、隔离物质等带来的污染。这一性质对于表面科学、计量学等应用特别重要。二、同步辐射光源的发展从科技发展的历程我们可以看到，人类所使用光源的每一次进步都对科
5、技8 3的发展产生了极大的推动。分别于1 6 0 9 年和1 6 7 1 年发明的望远镜和显微镜，采用的是天然的可见光源；爱迪生发明电灯，是一个真正的浦罗米修斯式的功业，使人类最后战胜了黑暗，消除了白天和黑夜的差别；1 8 9 5 年，伦琴发现了X 射线；1 9 1 2 年，L a u e等人实现x 射线在晶体上的衍射；1 9 1 3 年B r a g g 开始晶体学研究，从此人类的视野扩展到肉眼看不到的物体内部和微观领域；6 0 年代激光光源的出现，其波长单一性、方向准直性、相位的相干性以及它的高亮度，使得它在工业、通讯、国防、信息、医疗、科研、艺术等极为广泛的领域中发挥十分重要的作用。同步
6、辐射是人类历史上第四次对人类文明带来革命性推动的新光源。近年来，它已经成为物理学、化学、材料科学、地质科学、生命科学、医学等极为众多的学科领域中基础研究和应用研究的一种最先进的手段，在工业应用中有着极为重要的应用前景。图1 列出了各种不同光源的频谱与功率的比较。_f3l口一一5 “ ，s “， ，g 荔垂；、：一鲁1少、一。u。“”。1一一一T u n a b l e 时eL 口s j T s 日l 一。 【x ；i m e BJ 一 占OOOd00OO0一事JJQo山嵩。山拿嚣爹爹誊赣誓毒j霉鼋豢孝暑警j 挚参Illll 舻1 0 4l 护1 0 21 011 0 。1 1 0 21 0 -
7、 31 0 41 0 51 06l 旷71 0 81 0 - 9 + 二波长( 埃)爹爹j 挚jj 躇j 雩jj每窖iIiii尺寸l = 1 0 - ) o m辐射类型舻l 舻l 驴I ( ) 51 0 61 0 7l 俨l 矿1 00 0 1 0 1 11 0 1 21 0 1 能量电子伏) 1 0 e V 2 1 0 2 4 五图2 各种电磁波的波长范围、适合研究的对象以及辐射源的类型范围及适合研究的对象。同步辐射的波长范围为1 u m 0 0 1 n I T I ，特别适于研究有关细胞、病毒、蛋白质、晶体分子、原子等类似大小的物体。同步辐射应用早期发展的里程碑如下：( 1 ) 1 9 4
8、 7 年在加速器上发现同步辐射；( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代初开始同步辐射应用的可行性研究；( 3 ) 1 9 6 5 年储存环在意大利F r a s c a t i 建成；( 4 ) 2 0 世纪7 0 年代开始同步辐射应用的现代阶段。从2 0 世纪7 0 年代到现在，同步辐射光源的发展已经历了三代。2 0 世纪7 0 年代的第一代光源是与高能物理加速器共用的储存环，储存环的发射度大，同步辐射作为高能物理加速器的副产品加以利用；2 0 世纪8 0 年代出现的第二代光源是专门为同步辐射应用建造的加速器，储存环的磁结构以C h a s m a n G r e e nl a t t i c
9、 e 为特征；2 0 世纪9 0 年代开始大量出现的第三代光源则以小发射度及采用大量的插入件为特征。表l 列出了有代表性的三代同步辐射光源装置的基本参数。8 5表l 三代同步辐射源的基本参数EE c发射度典型亮度代别装置名称( G e V )( k e V )( n l l f l r a d )I p h l ( m m 2 - m r a d 2 s 0 I B W ) 】S P E A Rf 美)3474 5 0A D O N Ef 意1I 51 52 0 0 第一代1 0 0D O R I S ( 德)3 7 5592 2 32 7 0 或5 6 0B E P C ( 北京11 6 2
10、8O 8 8 476 6 0 7 6N S L S ( 美)255 01 0 0P F ( 日)2 54 11 3 0 第二代】0 1 4 S R S ( 英、2 03 21 1 0H E Y S L ( 舍肥)080 5 21 7 0E L E K T R Af 意)23 27 lE S R Ff 西欧、61 47第i 代A P S ( 美)78 21 0 ”1 0 ”S P R I N G 一8 ( E 1 )82 8 36 2S S R F ( 上海1359 048 1 1 9三、第三代同步辐射光源第三代同步辐射光源具有以下的典型特征：小发射度；亮度；各种可选择的偏振( 左旋圆、右旋圆、
11、水平线、垂直线，等等) ；较高的相干性。其中的高亮度、偏振以及相干性是通过插入件磁铁的应用达到的。因此各种不同种类插入件的大量应用是第三代同步辐射光源的典型特征。插入件的基本结构是在局部区域建立正负相间的周期性磁场。在这个周期性磁场中，电子是以近似正弦曲线的轨道运行。由于同步辐射的特征能量为：1 7 3 E c 2 2 2 1 8 斧因而，即使不改变储存环的能量，通过局部改变曲率半径R ，也可以提高或减小特征能量。在插入件中电子轨道的偏转半径由插入件的磁场确定，因而通过改变插入件的磁场可以获得不同性能的同步辐射。现有的插入件一般由电磁铁或永磁材料( 稀土) 构成，可以分为两大类：( 1 ) 扭
12、摆器( W i g g l e r ) 。磁场强，电子轨道扭曲大，曲率半径小，因此一般8 6用来提高同步辐射光子的能量；( 2 ) 波荡器( u n d u l a t o r ) 。磁场弱，电子轨道扭曲小，曲率半径大，一般并不提高光子能量，但是提高同步辐射的亮度和相干度。永磁铁的成功使用是插入件发展的一次重大进展，使得各种不同的磁场分布得以实现，如平面u n d u l a l o r 、垂直两维的u n d u l a t o r 、8 字型的u n d u l a t o r ，等等。在u n d u l a t o r 中，电子束团发射同步辐射，于是束团中的电子总是受到同步辐射光场的作
13、用，此作用反过来又会影响电子发出的同步辐射，其结果是不断提高u n d u l a t o r 辐射的亮度和相于度。事实上，这就是实现自由电子激光的一种途径。真空盒中插入件的制成是插入件发展的另一重要里程碑。插入件磁场分布的公式为：B 。= B o = e x p ( 一n “ ”g A o )式中：g 为插入件的磁隙；A 。为磁场周期长度。上式表明，g 越小，则磁场分量就越强。过去小磁隙的获得是采用可变真空盒，在储存环稳定运行之后，通过不同方式来改变真空盒的大小。由于真空盒本身有一定的厚度，获得的磁隙不可能太小。要获得更小的磁隙，就需要把插入件放人真空盒中。但是永磁材料是多孔材料，吸附有大量
14、的气体，不能直接用于超高真空环境中，必须用薄膜加以隔离。经过几年的发展，真空盒内插入件的技术已经成熟，目前在N S L S ，S P R I N G 一8 ，E S R F上共有1 2 个这样的插入件在工作，还有更多的在安装之中。真空盒内插入件可达到的磁隙一般为8 m m ，如热载容许，可达5 m m ；现有的最小磁隙纪录为N S L S达到的3 , 3 r a m ，其对束流寿命的影响 1 0 0 0 ；9 1P o i n tS o t l r c ei n“P l a n e ”w a v ef o c u so f l e n so u t p u tC o m p o u n dR
15、e f r a c t i v eL e n s ( C R L ) - 4 5 mF o c a ll g t h图4X 光折射透镜制造简单，适用面广( 显微镜、微区分析、微c T 、微束荧光断层术) ，很有发展前途。A l a s 报道了在铍和铝基底上由空心球组合成的折射棱镜R K S m i t h e re ta l ，S P I EV o l3 1 5 1 ，1 5 0 1 6 3 9 ( 1 9 9 7 ) 】，分别为B e ( 5 0 个球，咖l m m ，相距O 1m m )和A l ( 5 0 个球，西I m m ，相距0 O l m m ) 。对1 0k e V 的光子，透
16、过率为1 6 ，焦距为1 3 5 6m ，焦斑大小为( F W H M ) 4 1 p , m 。S P R I N G 一8 报道了用折射棱镜聚焦x 光进行的高压衍射实验，值得注意的是折射棱镜组合是用光刻的方法由塑铸法从P M M A 模制作的。与硬x 一光聚焦技术相结合的各种实验方法有很多，如衍射、位相技术( 原子尺度的相干) 、谱学( 吸收、光电子发射、荧光) 、极化分析，等等。另一些大有前途而有待开展的方面是非弹性散射、时间分辨实验，等等。5 时间分辨实验学科研究要求多高的时间分辨? 我们可以将一些物理作用的时间尺度列表如下：分子间振动f s I I S有序无序转变n s m s酶作用m s蛋白一蛋白相互作用p s m s质子电子迁移效应p s m s金属一配合基结合p s m s用衍射的方法分析一个1 0u m 尺度
