同步辐射的基本知识第一讲同步辐射光源的原理_构造和特征

专题综述
同步辐射的基本知识
第一讲同步辐射光源的原理、构造和特征
杨传铮1,程国峰2,黄月鸿2
(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050; 2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)
BASIC K NOWLEDGE OF SYNCHROT RON RADIAT ION )))LECT U RE No.1PRINCIPLE,CONST RU CT ION AND CH ARACTERS
OF SYNCHROT RON RADIAT ION SOU RCE
YANG Chuan-zheng1,C HENG Guo-feng2,HUANG Yue-hong2
(1.Shang hai Institute of M icro-Sy stem and Info rmation T echnolog y,Chinese A cademy o f Science,Shanghai200050,China;
2.Shanghai Institute of Ceram ics Chinese A cademy of Sciences,Shanghai200050,China)
中图分类号:O434.11文献标识码:A文章编号:1001-4012(2008)01-0028-05
1同步辐射光源的原理和发展简史
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Iv anenko,Arzim ovitch和Pomeranchuk 等直至1946年才完成,Blew ett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Blew ett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Br okhaven国家实验室(BNL)两位加速器物理学家Chasman和Green[1]
收稿日期:2007-09-17
作者简介:杨传铮(1939-),男,教授。

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Chasman-Green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(Inserction Dev ices),即扭摆磁体(W ig gler)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。

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Br ookhaven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
# 28 #
表1 三代同步辐射光源主要性能指标的比较
T ab.1 Co mpar ison of main pro per ties of the three g ener ation synchrot ron radiation sources
代数
电子储存环工作模式电子能量/GeV 电子束发散度/nm #rad 同步辐射亮度
发光元件
光的干涉性
开发年代
第一代兼用
1~30(由高能物理决定)<1000
1013~1014二极弯曲磁铁
无20世纪60年代
第二代专用约为1,产生真空紫外
及软X 射线40~1501015~1016二极弯曲磁铁为主,少量插入件
Wiggler 和Undu lator 少数20世纪70年代
第三代专用低能约为1,中能1~3.5,高能6~8
5~201017~1020Undulator 为主
部分空间相干20世纪90年代
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VU V 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。

图1 上海同步辐射装置(SSRF )结构的平面示意图F ig.1 Planar map o f st ructur e for shanghai
sy nchtro n radiatio n 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10
20
ph #S
-1
#mr ad #
mm -2#(0.1BW )-1,目前第四代光源的亮度达
1022ph #S
-1
#m rad #mm
-2
#(0.1BW)
-1
;º相
干性。

要求空间全相干,即横向全相干;»光脉冲长度要求到皮秒级,甚至小于皮秒级;¼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,Booster )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
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29#
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1.3@10-3~6.7@10-5Pa。

(6)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2P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O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(Microtron)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K 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(Wigg ler)多极多周期的扭摆器(mult-i po le w igg ler)和波荡磁体(U ndulato r)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。

(5)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。

3同步辐射光束线(Beam line)和线束设备
3.1同步辐射光的引出和前段区
从储存环引出同步辐射光,可从一般弯曲磁铁处、超导磁体处、Wig gler处、多重Wigg ler处或U n-dulator处引出,也就是说,从储存环光束引出口到光束线最前段的屏蔽墙称为前端区,其作用主要是
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对储存环真空的保护、对实验站工作人员的安全保护以及对光束位置的初步确定与监控。

由于这些功能对任何一种应用是必要的,因此不同光束线前的前端区设计没有原则上的区别,故前端区均采用标准化和模块式设计和布置,其部件包括前后端光束挡板和快门、真空阀、光栏、准直器、滤光器和光束位置监控器等。

目前常用的光束位置监控器(BPM)有两种,一种叫碳素丝探针,另一种叫金刚石探测板,前者用于光束的精确定位及光束截面上光强度的预测定,后者用于光束位置的快速测定和反馈控制,这些都是由同步辐射光源控制大厅控制。

为了有效合理地使用同步辐射光,必须从前端区束的防护墙到实验站小屋(H utch)之间的光束线内安装线束设备,由于各实验站对光源的要求不同,故光束线有各种不同的设计和功能,但也有共性,其典型线束设备包括透光元件、各种镜子、各种单色器、各种光束阀门以及与光束线相联的真空、惰性气流管和各种冷却系统。

3.2各种镜子
3.2.1分束镜
其作用是使光束偏转而分裂光束,它位于光束线最前端,把前端区出口的一束光分为几束光。

3.2.2反射镜
利用全反射原理制成反射镜,满足折射定律:
n1sin A1=n2sin A2(1)式中n1,n2)))物质对入射线的折射率;
A1)))第一种物质的入射角;
A2)))第二种物质的折射角。

当A2=90b时,光线被第二种物质全部反射而不进入第二种物质,这时A1称为临界角A c,有:
A c=arcsin(n2
n1
)(2)当A1>A c都出现全反射。

由于同步辐射光是在真空中运行,所以n1=1故临界角简化为:
A c=arcsin n2(3)
在X射线波段,n略小于1,故当n=0.9999, 0.999和0.99时,则A c=98.2b,87.4b和81.90b,那么入射线对反射镜的掠射角分别为0.8b,2.6b和8.10b。

反射镜作用的优劣与它的反射能力R(A2)有关,而反射能力又取决于光子能量、入射角、镜表面材料和表面平滑度等因素有关。

作为反射镜的衬底材料有铜,SiC,熔凝石英和浮玻璃等,最常用的覆盖物是金、铂和钌,也有不用覆盖物的镜子。

在接近正入射时,一种介质界面的反射率固然低,但若有许多个平行反射面反射,且让它们实现干涉相长,则也可以得到较高的反射率,这就是多层膜反射镜。

多层膜反射镜除了能改变光束方向以外,还有滤光作用。

利用多层膜反射镜作能量过滤器,可以比金属反射镜的效率更高。

3.2.3聚焦镜
把反射镜的衬底制成球曲面、椭球面或抛物面等,反射镜就变成反射聚焦镜。

由于X射线的折射率略小于1,同步辐射束以极小的入射角入射到介质表面时,发生全反射,其临界角大小与X射线光子能量成反比,鉴于工作波长很短,光子能量高,入射角很小,因此反射镜表面的粗糙度引起的散射会造成很大的能量损失,所以表面粗糙度一般为0.1~0.5nm(RMS),比工作在可见光波段要求提高1~2量级。

反射镜的面形有平面、大半径球面、柱面、抛物面、椭球面和超环面,面形误差常用倾斜误差(Slope Erro r)来表示,要求为1~10L rad,换算成波像差来表示,面形精度要求在K~K/100。

常用材料有熔凝石英、SiC、无氧铜、单晶硅和铝合金,日本常选用SiC作衬底,因其硬度高,易加工成光滑表面,耐高温,不易变形,但价格贵,美国常选用GLID(一种掺杂铜),其导热性很好。

3.3光栅分光计
为了从波长(能量)连续分布的同步辐射光取出单色或一定范围的辐射,必须使用分光计或单色器。

在VU V和软X射线波段一般使用光栅分光计,其工作原理根据的是光栅方程,即:
d(sin A+sin B)=K K(4)式中d)))光栅的周期长;
A,B)))入射线、反射线与反射面法线的夹角。

由式(4)可知,当入射线的光程差d sin A与反射光的光程差d sin B之和为入射波长的整数倍时,给出干涉极大,才能获得单色光。

光栅单色器有一个从平面光栅到球面光栅的发展过程。

3.3.1平面光栅
把同步辐射近似看成平行光,在平面光栅单色前应用一个既能转动又能平行放置的平面前置镜,使光栅在出射方向保持最大的衍射效应,且能有效抑制高级谐波,用一个后置抛物镜将光束聚焦于出
#
31
#
射狭缝。

3.3.2球面光栅
较早设计是符合Row land图的光栅单色仪,从原理上讲,该仪器有较好的分辨率,但长波长扫描运动复杂。

1984年陈连德(C.T.Chen)等设计了环面光栅单色仪,它的波长扫描简单,有高光子通量和中等分辨率。

1987年陈连德提出Drag on软X射线光束线设计方案。

在单色仪入缝和出缝之间,光学元件仅用球面光栅,为了在各波长处都消除散焦,除了要求光栅转动,同时还要求移动,具有高的分辨率和高通量的性能。

后来又有一系列的改进。

3.4晶体单色器
在硬X射线波段都使用晶体单色器,其原理是根据公式2d sin H=K,当d固定后,连续波长的入射线,取不同的Bragg角就能获得不同波长能量的X 射线。

同步辐射X射线晶体单色器,就晶体而言,多为完整锗、硅单晶,由于它们的峰反射率近100%,因此是理想的单色器晶体,也有用GaAs,InSb,热解石墨和石英晶体,特别是弯曲晶体单色器多用石墨或石英。

就晶体单色仪的构造而言,有单块弯晶单色器和双晶单色器,双晶单色器又有(n,-n)和(n,+m)排列的,前者是无色散的槽形双晶单色器,后者是色散的两晶分离的单色器,分辨率较高。

从实际应用中发现,当使用单块弯晶、槽形双晶和(n,m)双晶单色器时,试验中改变波长虽然方便,但改变或不改变出射方向(弯晶时),都会改变出射位置,使得在同一样品同一位置上进行试验发生困难。

因此出现了Sagg ttle双晶单色仪,其双晶机构如图2所示。

单色器为两块晶片,有公共的H M驱动,其旋转中心在第一晶体表面,第二块晶体有平行和垂直于第一晶序表面的平移运动,使光束到达固定出射方向和位置,H M驱动能对第二晶体提供反馈系统,以保持两块晶体的平行排列,V调节供第二晶片安装使用。

例如,Si31114,H M=41.2b~5.6b,能量可在3.0 ~21keV(K=0.4130~0.0612nm)范围变化,为了扩展能量范围,可用Si33334,H M=30b~15b,能量可在11.85~22.98keV(0.1045~0.054nm)。

图2示出Sagg ttle双晶单色器的衍射几何示意图,当第一晶体处在1位置时,双晶出射线从第二晶体的B处发出,且平行于第一晶体的入射线I O;当第一晶体旋转到1c位置时,如果是槽形双晶,
则两
图2Sag gt tle双晶单色仪的衍射几何示意图
F ig.2Diffr act ion geo met ry of Sagg ttle double-
cry stal mo no chr ometer
晶片间的距离不变,第二晶片绕O旋至2d位置,双晶出射线从B d处发出,也平行I O,显然入射到试样上的位置发生了平移。

按照新设计的双晶机构,为
使双晶出射线仍为BE,第二晶片必须沿垂直方向和平行于第一晶片平移,在$A OB和$A c O c B c中: OA
A B
=tan H M
OA c
A c
B c
=tan H c M
则沿垂直方向的平移量OA c-OA=$Y,沿平行方向的平移量A c B c-AB=-$X,为此晶片的尺度,具体为:¹弯铁引出:第一晶体宽60mm,长44mm,厚10mm;第二晶体宽60mm,长165mm,厚10m m。

º插入件引出:第一晶体宽4m m,长10mm,厚0.6mm;第二晶体宽4mm,长20mm,厚0.6m m。

分析晶体单色器的特性需用DuM ond图来解释,一个完整晶体的出射谱的分辨率$K/K为:
$K
K=
4d2
P(
e2
mc2
)|P||F h|=
$E
E
(5)式中|P|)))偏振修正因子;
|F h|)))结构因子的振幅。

对于硅晶片的本征分辨为:Si(111)的
$E
E
=1.2
@10-4;Si(333)的$E
E
=5.6@10-5。

按照三维动力学DuM ond图分析计算,其分辨率表达式为:
$E
E
=$<cot H+4e
2d2
mc2P V c
|P||F h|#
(
r0
|r h|
)1/2+(1+cos
$<
2
)(6)式中V c)))晶胞体积;
r0
|r h|
)))非对称因子。

对于对称Bragg衍射
r0
|r h|
=1;对于非对称反射有:(下转第47页)
# 32 #
郭全英等:
离合器拨叉失效分析
图9裂纹源上的缺陷
F ig.9Defect in cr ack sour ce
从旧断口区微观形貌(图6)可以看到,拨叉加强筋上端部是最早的失稳区[5],加上拨叉加强筋上端部材料内存在很多铸造时产生的显微裂纹和微空隙,裂纹从裂纹源处起裂后,拨叉加强筋上端部就以快速、失稳的方式断开。

这样拨叉加强筋上端部承载面积变小,承受应力增大。

当加强筋以快速、失稳的方式断开后,又受到环境的腐蚀(图10是断口受腐蚀后,腐蚀产物脱落的形貌),加速了拨叉在工作应力作用下裂纹不断向前扩展的态势,当拨叉所受应力大于承载能力时,整个零件就会瞬间断开,造成失效。

3结论
拨叉发生疲劳断裂的原因是铸造缺陷、夹杂物和杂质元素偏聚,在工作应力作用下,
首先在承载面
图10裂纹源区腐蚀产物脱落后的断口形貌
F ig.10Rupture appearance o f source area after
brushing off ero ded offspring
积小的拨叉加强筋处开裂并不断向内扩展,当工作应力超过拨叉许用应力时发生瞬间断裂而失效。

参考文献:
[1]张峰.失效分析思路[J].理化检验-物理分册,2005,
41(3):158-161.
[2]徐益,程里.集装箱旋转锁轴失效分析[J].理化检验-
物理分册,2006,42(8):413-415.
[3]刘建勋,李壮,徐佩笔.铆螺钢冷镦中的裂纹分析[J].
热加工工艺,2006,35(10):69-70.
[4]孙银林.15-5P H铸钢螺栓失效分析[J].金属热处理,
2006,31(6):78-79.
[5]钟群鹏,田永江.失效分析基础知识[M].北京:机械工
业出版社,1990.
(上接第32页)
r0 |r h|=
cos A0
cos A h
=
sin(H-V)
sin(H+V)
(7)
式中V表示衍射面与晶片表面的夹角。

对于掠出射排列,n R,V为正,对于掠入射排列, n V,V为负,$U和$<分别为入射光束的垂直和水平发散度,例如K= 1.54@10-10m(0.154nm), Si(111)反射的V为1.32b时,$U为3.5m rad,$<为
2.9m rad,$E
E
为 4.5@10-5;V为零时,$U为
5.2mrad,$<为5.8mrad,$E
E
为2.3@10-4。

可见
非对称反射时,较小的发散度对应于较高的分辨率,掠出射排列可窄化光束,掠入射排列可扩展光束。

参考文献:
[1]Chasman R,G reen K.In Pr oposal for National Syn-
chro tron Radiatio n[R].P leww et Ed.,Bro okhaven National L ab Repo rt N o.50595,1977.
[2]Philip J Duke.Synchro tron Radiatio n Pr oduction and
Pr operties,272P P[M].O xfo rd:Ox for d U niver sity
Pr ess,2000.
[3]马礼敦,杨福家.同步辐射应用概论第二版[M].上
海:复旦大学出版社,2005.
[4]姜晓明,修立松.同步辐射及其应用[M].北京:科学出
版社,1996.
(未完待续)
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47
#。