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1、同步辐射在高压研究中的应用王 霖课 程 内 容n同步辐射基础知识。a. 同步辐射产生的机理 b. 同步辐射光源c. 同步辐射光源的重要参数 d. 同步辐射的优点n同步辐射科学实验技术及其在高压科学中的应 用、实验技术要素及数据处理。a. X-ray衍射技术（白光，单色光；高能x-ray，纳米光束的应用 etc.）b. X-ray吸收光谱（NEXAFS ，EXAFS）c. X-ray三维成像技术（透射，相干成像 etc.）d. X-ray非弹性散射技术（x-ray Raman, XMCD etc.）n几个知名的国际同步辐射光源以及机时申请 APS，ESRF，Spring-8 etc 同步辐射基础
2、知识同步辐射基础知识1. 1.0. 0. 同步辐射的发展史同步辐射的发展史a. a.同步辐射产生的机理同步辐射产生的机理 b. b. 同步辐射光源同步辐射光源c. c. 同步辐射光源的重要参数同步辐射光源的重要参数 d. d. 同步辐射的优点同步辐射的优点同步辐射的发展史年在美国通用电气公司的同步加速器中被观测到1947同步辐射是 的，刚开始被视为同步加速器加速电子的不利副产物。的物理装置。同步辐射同步辐射光源是指产生 的高能对撞机实验专用的高能物理是寄生于第一代同步辐射光源 兼用机；的专用机；储存环是基于同步辐射专用第二代同步辐射光源为性能更高且储存环之直线段可加装插件磁第三代同步辐射光源
3、铁组件之同步辐射专用储存环的专用机；则为新一代）free electron laser自由电子激光器（现在正在研究的 的高强度光源设施。BEPC 北京 个同步辐射光源，我国有五个：70目前世界上共有近 NSRRC(G3)，台湾的SSRF(G3)上海的 ，HLS(G2)，合肥的(G1) 。TPS(G3)和SSRF （China）Spring-8 （Japan）APS （USA）ESRF （France）同步辐射的组成部分：电子发射器，电子加速器，电子储能环, 同步辐射光 的产生装置，同步辐射实验站APS 的直线电子加速器北京同步辐射中心电子加速器直线加速器 加速电子（或其它带电粒子）到高速度、高
4、 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
5、存在高 电压，相位轮流相反，电子在圆筒之间被加 速。 环形加速器电子运行轨道电子加速器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
6、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。 Spring-8 ?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
7、，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。电子加速器电子储能环-r厚铅皮包裹的高真空管r的大小决定了电子的能量，同时也和最后发出的同步辐射x光的能量范围有关。运行轨道中电子的能量、电流通量、电子束发射度等BEPC: 2.2GeV 100 mA 76 nm.rad SSRF： 3.5 GeV 200 mA? 3 nm.rad APS: 7GeV 100 mA 2.5 nm.rad NSLS II: 3GeV
8、 300 mA 0.5 nm.rad -同步辐射参数影响同步辐射光的：能量（分布），亮度，相干性等同步辐射光的产生弯转磁铁 （bending magnet）扭摆器（wiggler）波荡器（undulator） A bending magnet of ADONE 弯转磁铁弯转磁铁 （bending magnetbending magnet）扭摆器（wiggler）和波荡器（undulator ） The brightest synchrotron light at the ALS comes from undulators (located in the straight sections of
9、 the storage ring) that contain over one hundred magnetic poles lined up in rows above and below the electron beam. The magnets force the electrons into a snake-like path, so that the light from all the curves adds together. Although they are about 4.5 meters long and weigh about 40,000 pounds, the
10、undulators have to be built to extreme precision. Many of the design tolerances are approximately 50 microns, less than the width of a human hair. Wigglers are similar to undulators but have fewer magnetic poles. The photo shows one undulator installed in a straightsection of the storage ring (lower
11、 left), and anotherundulator being moved above the storage ring shieldingto its final location in another part of the ring. The booster synchrotron to storage ring transfer line is visible in the lower right. 扭摆器（wiggler）,波荡器（undulator）同步辐射光的特点n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
12、，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。 n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。n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。n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
13、变化等。 n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。 同步辐射光的特点n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。 n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。n高准直性 利用同步辐射光学元件引出
14、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。n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。 n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。 同步辐射的应用 同步辐射实验站 单色器，聚焦镜，样品台，探测器 等等单色器单色器(x-ray (x-ray 的能量的能量) )： Si, Diamond, Si, Diamond, GeGe et et聚焦镜（光斑大小）聚焦镜（光斑大小）: K-B mirror, Zone plate, optical lens etc: K-B mirror, Zone plate, optical lens etc样品台样品台: : x,y,zx,y,z etc etc探测器（信号探测器（信号/ /噪声）噪声）: CCD, image plate etc: CCD, image plate etc
