1同步辐射光源的原理和发展历史同步辐射是电子在作高速曲线运动时沿轨道切线方向产生的电磁波，因是在电子同 步加速器上首次观察到，人们称这种由接近光速的带电粒子在磁场中运动时产生的 电磁辐射为同步辐射，由于电子在图形轨道上运行时能量损失，故发出能量是连续 分布的同步辐射光关于由带电粒子在圆周运动时发出同步辐射的理论考虑可追溯 到1889年Lienard的工作，进一步的理论工作由Schott， Jassinsky，Kerst及 Ivanenko， Arzimovitch 和 Pomeranchuk 等直至 1946 年才完成，Blewett 的研究工作 首次涉及同步辐射对电子加速器操作的影响，并观察到辐射对电子轨道的影响， Lee和Blewett较详细地给出了发展史的评论至今，同步辐射光源的建造经历了三代，并向第四代发展1） 第一代同步辐射光源是在为高能物理研究建造与电子加速器和储存环上的副 产品2） 第二代同步辐射光源是专门为同步辐射的应用而设计建造的，美国的 Brokhaven国家实验室（BNL）两位加速器物理学家Chasman和Green⑴把加速器 上使电子弯转、散热等作用的磁铁按特殊的序列组装成Chasman2Green阵列 （Lattice，这种阵列在电子储存环中采用标志着第二代同步辐射的建造成功。
3） 第三代同步辐射光源的特征是大量使用插入件（Insertion Devices），即扭摆 磁体（Wiggler）和波荡磁体（U ndulator）而设计的低发散度的电子储存环表1为三代同步辐射光源的重要参数比较，其中表征性能的指标是同步辐射亮度, 发散度以及相干性H；tEMMH 4.masd -UJ豳兀* JW rm■:H■ - Ms IIf* - *-■WB-BH JLC -R.恰旳1 f宅毗・片+I-™ IMm••內 lb 罕E馮Lk afi Ftir-irWiofc rt. IJ aMn.P fiG牛中H表 1 三代同步辐射光源主要性能指标的比较Tab.1 Comparison of main properties of the three generationsynchrotron radiation sources 目前，世界上已使用的第一代光源 19台，第二代24台，第三代 11台正在建设 或设计中的第三代 14台，遍及美、英、欧、德、俄、日、中、印度、韩、瑞典、 西班牙和巴西等国家大概可分为三类：第一类，是建立以VUV （真空紫外）为主的光源，借助储存环直线部分的扭 摆磁体把光谱扩展到硬X射线范围，台湾新竹SRRC和合肥NSRC光源属此类。
第二类，是利用同步电子加速器能在高能和中能两种能模式下操作，可在同一 台电子同步加速器（增强器）下，建立VUV和X射线两个电子储存环，位于美国 长岛Brookhaven国家实验室（BNL）的国家同步辐光源（NSLS）属于此类第三类，是建立以X射线环为主同时兼顾VUV的储存环，因为X射线环能 提供硬X射线、软X射线或和紫外及可见光到红外的光谱分布，但长波部分的亮 度较VUV环低些，当然也可用长波段进行工作，上海同步辐射装置（SSRF）就属 此类图1为上海同步辐射装置（SSRF）的平面示意图，如果增强器能分别采用 高能和中能两种模式工作，在中能模式下操作，注入储存环提供光子通量较高，主 要进行VUV环的工作;在高能模式下操作，只要光束线和实验站作合理布置，既能 进行硬X射线、软X射线方面的工作，也能进行很多VUV方面的工作/■ l.SGcV 咼抱总©I KJMcV 叭 能第世珑已山-口占凶吨報溯樹图1上海同步辐射装置（SSRF）结构的平面示意图Fig.l Planar map of structure for shanghai synchrotron radiation facility (SSRF)（4）近些年来，由于自由电子激光（FEL）技术的发展和成功应用，以及在 电子储存环的应用，从自由电子激光（FEL）中引出同步辐射已经实现，这就是第 四代同步辐射光源。
第四代同步辐射光源的标志性参数为：①亮度要比第三代大两 个量级以上第三代光源最高亮度已达1020ph・S-1・mrad・mm-2・（0.1BW-1,目前第 四代光源的亮度达1020ph・S-1・mrad・mm-2・（0.1BW-1 ；②相干性要求空间全相 干，即横向全相干；③光脉冲长度要求到皮秒级，甚至小于皮秒级；④多用户和 高稳定性同步辐射光源的一大特点是多用户和高稳定性，可同时有数百人进行试 验因此有人认为，同步辐射光源就像能量广泛分布的一台超大型激光光源，特别 是光的相干大大改善的第三代和第四代同步辐射光源更是如此关于同步辐射理论和装置方面的文献太多，文献［2-4］为该方面较新的书籍，可 供需要者进一步查阅2同步辐射光源构造由图 1可见，同步辐射光源由一台直线加速器、一台电子同步加速器（又称增 强器，Booste）和电子储存环三大部件组成在直线加速器产生并加速后注入增强 器继续加速到设定能量后，再注入电子储存环中作曲线运动而在运行的切线方向射 出同步辐射光2.1直线加速器一般采用电子行波直线加速器，由以下几部分组成：（1） 电子枪 它提供加速用的电子束，由发射电子的阴极、对电子束聚焦的聚 焦极和吸出电子的阳极组成。
通常阴极负高压为40~120keV，脉冲电流强度约几 百毫安2） 低能电子束流输运线 它将从电子枪出来的电子束注入到加速波导中，输 运线上还有束流导向、聚焦、测量及聚束等装置3） 盘荷波导 是电子直线加速器的主体，行波电子直线加速器的盘荷波导可 分常阻抗和常梯度两种，前者将波导的阻抗设计得各处相同，后者则使波导上各处 的加速场速度不变，通常采用前者现在加速波导几乎都用无氧铜制成，盘荷波导 的加工精度及表面粗糙度等工艺要求很高4） 微波功率源与微波传输系统 前者提供在电子直线加速器工作频率波段建 立加速电场所需的微波功率，把微波功率传输到加速波导的传输系统包括隔离器、 耦合器、真空窗和吸收载荷等元件5） 真空系统加速波导的真空度一般应为1.3x10-3 ~ 6.7x10-5 Pa6） 聚焦系统 包括建立纵向磁场的螺线管、磁四极透镜组及其电源与稳定调 节系统，以提供电子束所需的横向聚焦（7）水冷与恒温系统 电子行波直线加速器对温度的稳定度和温度梯度要求都 很严格8）束流检测系统 对电子束的强度、剖面、发散度、能量、能谱、束团相宽 和相位能等进行测量9）控制系统 负责管理和控制加速器系统的运行、保护和调整等。
10）束流输出系统 把已加速的电子束输运到增强器继续加速2.2 电子同步加速器和电子回旋加速器同步加速器的作用是把直线加速器出来的电子束继续加速到所需的能量，同时 使束流强度和束流品质得到改善一般采用强聚焦电子同步加速器，由下列几部分 组成：（1）主导磁铁（即二极磁铁）引导电子束弯曲作近似圆周运动，很多块二极磁铁安放在电子束的理想轨道 上，使电子回转2n角度2）聚焦磁铁在组合作用的同步加速器中设有独立的聚焦磁铁，是靠二极磁铁极面形状来实 现聚焦的；对于分离作用的加速器，聚焦作用由四极磁铁来承担无论是那种加速 器，聚焦和散焦磁铁都是交替排列在电子的封闭轨道上，用F, D和0分别表示聚 焦磁铁、散焦磁铁和自由空间同步加速器的磁铁结构可写为FOFDOD，有时用 B表示弯曲磁铁，故可写成FOBOD等形式3）校正磁铁二极磁铁和四极磁铁制造和安装都会偏离设计要求，故引起理想封闭电子轨道 的畸变，所以必须对电子轨道进行测量和校正校正是采用小型二极磁铁或附加在 四极磁铁上的二极场绕组进行的4）真空室对磁场变化速率较快的加速器，其真空室选用高纯氧化铝陶瓷管，内壁镀一层 金属镍，真空度一般要求 10-5Pa。
5）高频加速腔电子加速是通过高频加速腔来实现的，并在固定频率下工作电子回旋加速器 （Microtro n,又称微加速器，是用改变倍频系数的方法保证电子谐频加速的回旋式 谐振加速器它分普通电子回旋加速器、跑道式和超导跑道式电子回旋加速器电子 回旋加速器的加速系统主要由高频功率源、传输波导和谐振腔组成跑道式电子回 旋加速器，是把多腔结构的直线电子加速器中加速电子的部件加以组合，于是在圆 形轨道的基础上增加了直线段，形状像跑道，故称跑道式电子回旋加速器当采用 超导电子直线加速器作加速设备时称超导跑道式电子回旋加速器2.3 电子储存环电子储存环是同步辐射光源的核心设备，它不仅主要用于积累电子，即不断地 让具有所需能量电子注入并进行积累，使储存的电子流到达要求值并较长时间在储 存环里循环运动，还要使储存环的能量及磁铁、聚焦结构布局符合同步辐射光源用 户的需要储存环的特征波长久C同步辐射的亮度和用户的可容纳度是三个重要 参数一般分为X射线环和VUV环两种储存环中的主要部件如下：（1）真空室真空度要求在10-7Pa左右（2）弯曲磁铁使电子在圆弧中运动3）四极磁铁因储存环往往可被设计成多种方式运行，即可在不同工作点上工作，因此四极 磁铁的磁场梯度在较大范围内变化时都应使四极磁铁有足够好的场区。
4插入元件是指在储存环的直线段上插入的扭摆磁铁（Wiggler多极多周期的 扭摆器（multipole wiggler和波荡磁体（Undulator等，它们的作用是在不提高储存环 的能量和束流强度的条件下能得到更短波长和更高通量的同步辐射光，以扩大应用 范围射频腔和有关供电系统以补充电子束到同步辐射过程的能量损失4 同步辐射光源的主要特征与一般X射线光源相比较，同步辐射光源有如下特征：（1） 高强度，更确切讲是高亮度同步辐射X射线亮度比60kW旋转阳极X射线源所出的特征辐射的亮度分别 高出3~6个数量级描述高亮度的另一参量是光子通量，即光子 /s・mm2.mrad2・10-3BW前面提到，第二代同步辐射光源的光通量达1015 ~ 1016, 第三代光源达1017 ~ 1020，到了第四代，光子能量可＞1022，已大大超过高功率的 激光器从这个意义上讲，一台同步辐射光源相当于无数台激光器2） 宽而连续分布的谱范围图3给出日本光子工厂（PF同步辐射光源的光谱分布图可见其波谱的分布跨 越了从红外f可见光f紫外f软X射线-硬X射线整个范围Wiggler和 Undulator的作用也显然可见试验所用的波长能方便地使用光栅单色或晶体单色 器从连续谱中选出。
谱分布的一个重要特点是临界波长九C (又称特征波长)，所 谓特征波长是指这个波长具有表征同步辐射谱的特征，即大于九C和小于九C的光子 总辐射能量相等，0.2 ~ 10加占总辐射功率的95%左右，故选0.2 ~ 10加为同步辐 射装置的可用波长是有充分理由的 3 )高度偏振同步辐射在运动电子方向的瞬时轨道平面内电场矢量具有100%偏振，遍及所 有角度和波长积分约75 %偏振，在中平面以外呈椭圆偏振图4概括了不同波长 的单个电子的平行偏振分量、垂直偏振分量强度与发射角的关系，由图 4可知，当 肚九c时，即曲线1张角近似为r-1；在较短波时，张角变得较小；较长时，张角 变得大得多，当九=100九c时，张角达4r-14) 脉冲时间结构由储存环的机构引起，即由辐射阻尼现象引起，当电子从增强器注入储存环， 且当注入的束团几乎充满储存环真空不能再注入电子时，由于自由振荡和同步辐射 以及不断地由高频腔给电子提供能量补充，使其自由振荡的振幅越来越小，这种现 象。