同步辐射应用概论-光源和光束线-1
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同步辐射应用概论 光源和光束线（1）
董宇辉 BSRF，IHEP，CAS
讲述要点
• • • • • • 什么是同步辐射？ 同步辐射发展历程 同步辐射发光元件 同步辐射波谱 同步辐射束线 同步辐射的应用简介
光源部分
• • • • 什么是同步辐射？ 同步辐射发展历程 同步辐射发光元件 同步辐射波谱
什么是同步辐射？
世界上代表性的同步辐射装置
欧洲ESRF
美国APS
日本SPring-8
美国NSLS-II
美国LCLS
同步辐射装置示意图
Booster
储存环
部分图片来自SSRL
实验站
光束线
发光元件
同步辐射发光元件
弯转磁铁
y
q
弯转磁铁发出的同步辐射 功率密度分布
d FB dqdy
2
1.32710 ( EGev ) I Amp H 2 ( y)
• 2009年，LCLS获得了自由电子激光，之前 Cornell的ERL样机也获得成功，2012年美 国PEP-X和日本SPring-8提出衍射极限储存 环的设计概念。
• 第四代光源？
三代同步辐射光源
• 第一代是寄生在高能物理装置上的兼用装 置； • 第二代是大量放置插入件的专用光源； • 第三代是优化的低发射度的专用光源； • 第四代则是以自由电子激光、能量回收型 直线加速器、衍射极限储存环为发展方向 的新一代光源，将进一步提高发射度和亮 度，并实现光源的相干性。
弯铁发出的同步辐射两个方向偏振的归 一化强度随角度的变化
插入件
• 弯转磁铁产生的同步辐射具有一定的局限 性：于弯转磁铁在加速器中用作维持电子 束在封闭轨道上循环，其需满足一定的物 理条件，如磁场强度和弯转半径等均受到 约束，致使辐射性能受到限制。 • 单靠它来提高同步辐射的亮度，或将辐射 光谱区扩展到很宽是很困难的。
• 可精确预知：同步辐射光的光子通量、角 分布和能谱等均可精确计算，因此它可以 作为辐射计量—特别是真空紫外到 X射线 波段计量—的标准光源。 • 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高 通量、微束径、准相干等独特而优异的性 能。
同步辐射光源的缺点
• 一个字：贵！ • 造价在几亿到几十亿元RMB，只有国家投 资才能支持。
• 1980年代以后，出现了专门用于同步辐射 研究的加速器，立刻成为引人注目的大科 学装置，多学科的研究平台。 • 英国的SRS、美国的NSLS/Aladin、日本的 PF/UVSOR、德国的BESSY、法国的Super ACO、中国的NSRL。 • 这些是第二代同步辐射光源。
• 1990年代，第三代光源开始建设，一直到 现在还在继续有新的光源在建造。
图片来自SSRL
真实的情况是在储存环中电子 高速运动，其速度接近光速， 经过一个磁场，运动方向产生 偏转，发出电磁辐射，这就是 同步辐射。
电磁波的波谱：不同波长（能量）的电磁波适合于不同尺度上 的探测，也有不同的产生方式。
图片来自SSRL
常规的X射线源
利用高压（几十kV）加速电子， 然后加速后的电子轰击金属靶材 （如Cu，Mo，Cr等），产生X射 线。X射线有两部分：韧致辐射 （连续 谱）和特征谱线（分立 谱）。 这些X射线分散在2p立体角中。
美国通用电气公司的 70MeV同步电子加速器， 在这台机器上人们第一 次见到了同步辐射。 当时为了达到更高的电 子能量（回旋加速器的 设计由于电子速度增加 后相对论效应导致电子 质量的增大而不能达到 很高的能量，因此1945 年美国的E. McMillian 和前苏联的V. Veksler分 别提出了同步加速器的 原理），于是通用电气 公司在纽约州 Schennectady的实验室 建造了一台同步加速器。
同步辐射——世界上运行数目最多的大科学装置
ESRF Spring-8
APS
欧洲：18； 美洲：11； 亚洲：22（日本13）；澳洲：1 三大高能光源是“旗舰”装置，科技产出最大，支撑能力最强。
同步辐射的发现
• 上个世纪四五十年代，随着粒子物理、核物理研 究的发展和需要，粒子加速器出现了：二战后， 美国的Ernest O. Lawrence在加州大学伯克利分校 建设了世界上第一台电子回旋加速器；美国物理 学家Gerard Kitchen O‘Neill在1956年提出了储存 环（storage ring）的概念，把带电粒子“储存” 起来以供实验所用。 • 在这些粒子加速器上，人们发现了同步辐射的存 在，虽然很早以前，不少理论物理学家就已经预 测过带电粒子在偏转时能够发出电磁辐射。
2
2
wcmax 0.665(EGev ) B(T)
中心部位特征能量最高（越硬的X射线），越偏离中 心，特征能量越低（越软）。
Wiggler插入件的用途
• 在第一代和第二代机器上，用于提高强度， 因为这些机器电子发射度很大，使用 undulator不是很现实。 • 提升特征能量，得到超硬X射线。 • 在加速器设计上用于降低储存环的电子发 射度（damping wiggler）。 • 弯铁和Wiggler的波谱是连续的，这个特性 对于某些谱学实验（特别是那些需要连续 变动入射光能量的实验）是很方便的。
lator
• Undulator的K值接近1，电子的最大偏转角 度和辐射圆锥的张角相当，因此各个周期 的电子发出的同步辐射能够相干叠加，而 不仅仅是强度相加，因此最后出来的同步 辐射强度就非常强了。 • 但是波谱也因此变得不是连续的，而是一 系列分立的谐波。 • 只有奇数次谐波才能出来，即1，3，5，7， 9，……次谐波。
• Wiggler由于K值很大（一般大于10），因 此不同位置电子发出的同步辐射是非相干 的，最后得到的强度仅仅是个部分强度的 简单相加，也就是说，Wiggler的发光强度 等于相应的弯铁强度的2N倍，其中N是磁 铁的周期数（一个周期有2次发光）。
Wiggler的特征能量
c (q ) cmax 1 (q / )
两个函数的定义，其中K为修正贝塞尔 函数（modified Bessal function）。
H2 (y) y K (y / 2)
2 2 3/ 2
G1 ( y) y K 5 / 3 ( y)dy
y
特征能量
wc 0.665( EGev ) B(T)
2
偏振性
在电子运动的平 面上观察到的同 步辐射是完全线 偏振的，偏振方 向就在电子运动 的平面上。
• 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在 电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外， 可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状 态的光。 • 高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生 的，不存在任何由杂质带来的污染，是非 常纯净的光。
• 高亮度：同步辐射光源是高强度光源，有 很高的辐射功率和功率密度，第三代同步 辐射光源的 X射线亮度是 X光机的上千亿 倍。 • 窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的 脉冲时间结构，其宽度在10-11~10-8秒(几十 皮秒至几十纳秒)之间可调，脉冲之间的间 隔为几十纳秒至微秒量级，这种特性对 “变化过程”的研究非常有用，如化学反 应过程、生命过程、材料结构变化过程和 环境污染微观过程等。
• 在加速器的直线段，加上周期性排列的， 极性交替变化的多极磁铁，使电子在这磁 场内作周期性的曲线运动，而在磁场外仍 保持原来的直线运动。这就可得到不同频 率的更强的辐射功率源。 • 可以分为两类：扭摆磁铁（Wiggler）和波 荡器（Undulator）。
插入件的K值（偏转参数）
B 0, B,0
图片来自瑞典MAX IV设计报告
同步辐射和常规光源的比较
同步辐射覆盖 了一个很宽的 频谱范围，从 远红外到硬X 光。而X光机 只能提供几个 分立的光子能 量。
图片来自SSRL
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具 有从远红外、可见光、紫外直到 X射线范 围内的连续光谱，并且能根据使用者的需 要获得特定波长的光。 • 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子 运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张 角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲 美。
第一台专用的同步辐射装置
• 美国NIST（国家标准局）在1960年代利用一台电 子同步加速器SURF I开展了双电子激发实验，随 后日本东京大学INS-SOR 、意大利Frascati-LNF、 德国DESY-DORIS、英国Daresbury-NINA也在同 期也开展了类似的工作。 • 发现同步辐射将近20年后，从1970年代起，一批 电子同步加速器用于同步辐射研究：美国的 Tantalus、法国的ACO、日本的SOR-RING，还 有从高能物理转入同步辐射研究的，如美国的 SPEAR和CHESS，德国的DORIS，前苏联的 VEPP-3，法国的DCI。 • 这些就是第一代光源：从高能物理用的加速器转 为同步辐射应用。
同步辐射是储存环中电子偏转时发出的电磁辐射，由于电子 速度很快，接近光速，所以g很大，因此同步辐射的发射度 很小，也就是说，辐射的能量集中在一个很小的角度内。
同步辐射的亮度（单位时间， 单位面积，单位立体角，一定 光子能量范围内的光子数）和 转靶X光机的比较。 通量（flux）：phs/s 0.1%BW 亮度（brilliance）：phs/s mm2 mrad2 0.1%BW 耀度/通量密度：phs/s mrad2 0.1%BW
• 同步辐射是由接近光速运动的电子在磁场 中作曲线运动时沿切线方向产生的电磁波， 具有强度高、准直性好、能量范围广（从 深紫外到硬X光）等优异特性，是研究物质 结构和电子结构的高性能光源，具有宽波 段、高准直、高偏振、高纯净、高亮度、 窄脉冲、高稳定性、高通量、微束径、准 相干等独特而优异的性能。
一个形象但不准确的描述：电 子好像雨伞一样进行高速圆周 运动，同步辐射像雨点一样从 圆周的切线方向发射出来。
横向磁场的插入件，即磁场方向 垂直于轨道平面，在该磁场作用 下，电子在轨道平面中沿正弦曲 线运动。 其中u为磁场的周期长度，B0为 峰值磁场。
B( z) B0 sin2pz u
表征电子运动的重要的参数是偏转参数 K
K 0.934u [cm]B0[T ]
在插入件中，电子轨道的最大偏转角为
Undulator的光强
d 2 n (w ) 2 2 w I N g Fn ( K ) dqdy 0 w e
d 2 n (w ) 1.7441014 N 2 E 2 [Gev]I [ A]Fn ( K ) dqdy 0
Undulator一次谐波的波长和能量
1 (A) 13.056 u
E 2 [Gev] (1 K 2 / 2)
E 2 [Gev] 1[ Kev] 0.950 2 (1 K / 2)u [cm]
u 2 n (1 K / 2) 2 n 2ng 1
在undulator的轴线上，谐波的波长和能量。
Kg
当K≤1时，插入件各周期的辐射表现强烈的相干现 象，因为电子的角偏转通常在1/g的辐射圆锥内， 这是波荡器（undulator）的结构模式。 当K>>1时，各周期的辐射不表现相干现象，这是 扭摆磁铁（wiggler）的结构模式。
扭摆器(Wiggler)
波荡器(undulator)
Wiggler的同步辐射光谱
13 2
y 0
各个变量的含义： FB：光子通量（phs/s） q：垂直方向的角度 y：水平方向的角度 E：电子能量（以GeV为单位） I：电子流强（以安培为单位） y=w/wc w：光子能量 wc：特征能量
由于同步辐射垂直方向的发射度远远小于水平方向，大多是情 况下垂直方向是全部接收的。
dFB 13 2.457 10 ( EGev ) I Amp G1 ( y) dq
n 次谐波的带宽
1 n w n nN w
Undulator发射第n次谐波的辐射是集中在一很窄 的圆锥角内，其半宽度为：
r
n
1 1 K 2 L g 2 Nn
2
L为undulator的长度：L=Nu
Undulator的1次谐波在空间中的强度分布：在轴线附近有很强 的中心锥束，周围还围绕着一些比较弱的“边瓣”。
董宇辉 BSRF，IHEP，CAS
讲述要点
• • • • • • 什么是同步辐射？ 同步辐射发展历程 同步辐射发光元件 同步辐射波谱 同步辐射束线 同步辐射的应用简介
光源部分
• • • • 什么是同步辐射？ 同步辐射发展历程 同步辐射发光元件 同步辐射波谱
什么是同步辐射？
世界上代表性的同步辐射装置
欧洲ESRF
美国APS
日本SPring-8
美国NSLS-II
美国LCLS
同步辐射装置示意图
Booster
储存环
部分图片来自SSRL
实验站
光束线
发光元件
同步辐射发光元件
弯转磁铁
y
q
弯转磁铁发出的同步辐射 功率密度分布
d FB dqdy
2
1.32710 ( EGev ) I Amp H 2 ( y)
• 2009年，LCLS获得了自由电子激光，之前 Cornell的ERL样机也获得成功，2012年美 国PEP-X和日本SPring-8提出衍射极限储存 环的设计概念。
• 第四代光源？
三代同步辐射光源
• 第一代是寄生在高能物理装置上的兼用装 置； • 第二代是大量放置插入件的专用光源； • 第三代是优化的低发射度的专用光源； • 第四代则是以自由电子激光、能量回收型 直线加速器、衍射极限储存环为发展方向 的新一代光源，将进一步提高发射度和亮 度，并实现光源的相干性。
弯铁发出的同步辐射两个方向偏振的归 一化强度随角度的变化
插入件
• 弯转磁铁产生的同步辐射具有一定的局限 性：于弯转磁铁在加速器中用作维持电子 束在封闭轨道上循环，其需满足一定的物 理条件，如磁场强度和弯转半径等均受到 约束，致使辐射性能受到限制。 • 单靠它来提高同步辐射的亮度，或将辐射 光谱区扩展到很宽是很困难的。
• 可精确预知：同步辐射光的光子通量、角 分布和能谱等均可精确计算，因此它可以 作为辐射计量—特别是真空紫外到 X射线 波段计量—的标准光源。 • 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、高 通量、微束径、准相干等独特而优异的性 能。
同步辐射光源的缺点
• 一个字：贵！ • 造价在几亿到几十亿元RMB，只有国家投 资才能支持。
• 1980年代以后，出现了专门用于同步辐射 研究的加速器，立刻成为引人注目的大科 学装置，多学科的研究平台。 • 英国的SRS、美国的NSLS/Aladin、日本的 PF/UVSOR、德国的BESSY、法国的Super ACO、中国的NSRL。 • 这些是第二代同步辐射光源。
• 1990年代，第三代光源开始建设，一直到 现在还在继续有新的光源在建造。
图片来自SSRL
真实的情况是在储存环中电子 高速运动，其速度接近光速， 经过一个磁场，运动方向产生 偏转，发出电磁辐射，这就是 同步辐射。
电磁波的波谱：不同波长（能量）的电磁波适合于不同尺度上 的探测，也有不同的产生方式。
图片来自SSRL
常规的X射线源
利用高压（几十kV）加速电子， 然后加速后的电子轰击金属靶材 （如Cu，Mo，Cr等），产生X射 线。X射线有两部分：韧致辐射 （连续 谱）和特征谱线（分立 谱）。 这些X射线分散在2p立体角中。
美国通用电气公司的 70MeV同步电子加速器， 在这台机器上人们第一 次见到了同步辐射。 当时为了达到更高的电 子能量（回旋加速器的 设计由于电子速度增加 后相对论效应导致电子 质量的增大而不能达到 很高的能量，因此1945 年美国的E. McMillian 和前苏联的V. Veksler分 别提出了同步加速器的 原理），于是通用电气 公司在纽约州 Schennectady的实验室 建造了一台同步加速器。
同步辐射——世界上运行数目最多的大科学装置
ESRF Spring-8
APS
欧洲：18； 美洲：11； 亚洲：22（日本13）；澳洲：1 三大高能光源是“旗舰”装置，科技产出最大，支撑能力最强。
同步辐射的发现
• 上个世纪四五十年代，随着粒子物理、核物理研 究的发展和需要，粒子加速器出现了：二战后， 美国的Ernest O. Lawrence在加州大学伯克利分校 建设了世界上第一台电子回旋加速器；美国物理 学家Gerard Kitchen O‘Neill在1956年提出了储存 环（storage ring）的概念，把带电粒子“储存” 起来以供实验所用。 • 在这些粒子加速器上，人们发现了同步辐射的存 在，虽然很早以前，不少理论物理学家就已经预 测过带电粒子在偏转时能够发出电磁辐射。
2
2
wcmax 0.665(EGev ) B(T)
中心部位特征能量最高（越硬的X射线），越偏离中 心，特征能量越低（越软）。
Wiggler插入件的用途
• 在第一代和第二代机器上，用于提高强度， 因为这些机器电子发射度很大，使用 undulator不是很现实。 • 提升特征能量，得到超硬X射线。 • 在加速器设计上用于降低储存环的电子发 射度（damping wiggler）。 • 弯铁和Wiggler的波谱是连续的，这个特性 对于某些谱学实验（特别是那些需要连续 变动入射光能量的实验）是很方便的。
lator
• Undulator的K值接近1，电子的最大偏转角 度和辐射圆锥的张角相当，因此各个周期 的电子发出的同步辐射能够相干叠加，而 不仅仅是强度相加，因此最后出来的同步 辐射强度就非常强了。 • 但是波谱也因此变得不是连续的，而是一 系列分立的谐波。 • 只有奇数次谐波才能出来，即1，3，5，7， 9，……次谐波。
• Wiggler由于K值很大（一般大于10），因 此不同位置电子发出的同步辐射是非相干 的，最后得到的强度仅仅是个部分强度的 简单相加，也就是说，Wiggler的发光强度 等于相应的弯铁强度的2N倍，其中N是磁 铁的周期数（一个周期有2次发光）。
Wiggler的特征能量
c (q ) cmax 1 (q / )
两个函数的定义，其中K为修正贝塞尔 函数（modified Bessal function）。
H2 (y) y K (y / 2)
2 2 3/ 2
G1 ( y) y K 5 / 3 ( y)dy
y
特征能量
wc 0.665( EGev ) B(T)
2
偏振性
在电子运动的平 面上观察到的同 步辐射是完全线 偏振的，偏振方 向就在电子运动 的平面上。
• 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在 电子轨道平面上是完全的线偏振光，此外， 可以从特殊设计的插入件得到任意偏振状 态的光。 • 高纯净：同步辐射光是在超高真空中产生 的，不存在任何由杂质带来的污染，是非 常纯净的光。
• 高亮度：同步辐射光源是高强度光源，有 很高的辐射功率和功率密度，第三代同步 辐射光源的 X射线亮度是 X光机的上千亿 倍。 • 窄脉冲：同步辐射光是脉冲光，有优良的 脉冲时间结构，其宽度在10-11~10-8秒(几十 皮秒至几十纳秒)之间可调，脉冲之间的间 隔为几十纳秒至微秒量级，这种特性对 “变化过程”的研究非常有用，如化学反 应过程、生命过程、材料结构变化过程和 环境污染微观过程等。
• 在加速器的直线段，加上周期性排列的， 极性交替变化的多极磁铁，使电子在这磁 场内作周期性的曲线运动，而在磁场外仍 保持原来的直线运动。这就可得到不同频 率的更强的辐射功率源。 • 可以分为两类：扭摆磁铁（Wiggler）和波 荡器（Undulator）。
插入件的K值（偏转参数）
B 0, B,0
图片来自瑞典MAX IV设计报告
同步辐射和常规光源的比较
同步辐射覆盖 了一个很宽的 频谱范围，从 远红外到硬X 光。而X光机 只能提供几个 分立的光子能 量。
图片来自SSRL
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具 有从远红外、可见光、紫外直到 X射线范 围内的连续光谱，并且能根据使用者的需 要获得特定波长的光。 • 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子 运动方向为中心的一个很窄的圆锥内，张 角非常小，几乎是平行光束，堪与激光媲 美。
第一台专用的同步辐射装置
• 美国NIST（国家标准局）在1960年代利用一台电 子同步加速器SURF I开展了双电子激发实验，随 后日本东京大学INS-SOR 、意大利Frascati-LNF、 德国DESY-DORIS、英国Daresbury-NINA也在同 期也开展了类似的工作。 • 发现同步辐射将近20年后，从1970年代起，一批 电子同步加速器用于同步辐射研究：美国的 Tantalus、法国的ACO、日本的SOR-RING，还 有从高能物理转入同步辐射研究的，如美国的 SPEAR和CHESS，德国的DORIS，前苏联的 VEPP-3，法国的DCI。 • 这些就是第一代光源：从高能物理用的加速器转 为同步辐射应用。
同步辐射是储存环中电子偏转时发出的电磁辐射，由于电子 速度很快，接近光速，所以g很大，因此同步辐射的发射度 很小，也就是说，辐射的能量集中在一个很小的角度内。
同步辐射的亮度（单位时间， 单位面积，单位立体角，一定 光子能量范围内的光子数）和 转靶X光机的比较。 通量（flux）：phs/s 0.1%BW 亮度（brilliance）：phs/s mm2 mrad2 0.1%BW 耀度/通量密度：phs/s mrad2 0.1%BW
• 同步辐射是由接近光速运动的电子在磁场 中作曲线运动时沿切线方向产生的电磁波， 具有强度高、准直性好、能量范围广（从 深紫外到硬X光）等优异特性，是研究物质 结构和电子结构的高性能光源，具有宽波 段、高准直、高偏振、高纯净、高亮度、 窄脉冲、高稳定性、高通量、微束径、准 相干等独特而优异的性能。
一个形象但不准确的描述：电 子好像雨伞一样进行高速圆周 运动，同步辐射像雨点一样从 圆周的切线方向发射出来。
横向磁场的插入件，即磁场方向 垂直于轨道平面，在该磁场作用 下，电子在轨道平面中沿正弦曲 线运动。 其中u为磁场的周期长度，B0为 峰值磁场。
B( z) B0 sin2pz u
表征电子运动的重要的参数是偏转参数 K
K 0.934u [cm]B0[T ]
在插入件中，电子轨道的最大偏转角为
Undulator的光强
d 2 n (w ) 2 2 w I N g Fn ( K ) dqdy 0 w e
d 2 n (w ) 1.7441014 N 2 E 2 [Gev]I [ A]Fn ( K ) dqdy 0
Undulator一次谐波的波长和能量
1 (A) 13.056 u
E 2 [Gev] (1 K 2 / 2)
E 2 [Gev] 1[ Kev] 0.950 2 (1 K / 2)u [cm]
u 2 n (1 K / 2) 2 n 2ng 1
在undulator的轴线上，谐波的波长和能量。
Kg
当K≤1时，插入件各周期的辐射表现强烈的相干现 象，因为电子的角偏转通常在1/g的辐射圆锥内， 这是波荡器（undulator）的结构模式。 当K>>1时，各周期的辐射不表现相干现象，这是 扭摆磁铁（wiggler）的结构模式。
扭摆器(Wiggler)
波荡器(undulator)
Wiggler的同步辐射光谱
13 2
y 0
各个变量的含义： FB：光子通量（phs/s） q：垂直方向的角度 y：水平方向的角度 E：电子能量（以GeV为单位） I：电子流强（以安培为单位） y=w/wc w：光子能量 wc：特征能量
由于同步辐射垂直方向的发射度远远小于水平方向，大多是情 况下垂直方向是全部接收的。
dFB 13 2.457 10 ( EGev ) I Amp G1 ( y) dq
n 次谐波的带宽
1 n w n nN w
Undulator发射第n次谐波的辐射是集中在一很窄 的圆锥角内，其半宽度为：
r
n
1 1 K 2 L g 2 Nn
2
L为undulator的长度：L=Nu
Undulator的1次谐波在空间中的强度分布：在轴线附近有很强 的中心锥束，周围还围绕着一些比较弱的“边瓣”。