同步辐射和FEL

S
N
S
N
S
N
半透反射镜
电子在磁场中作摇摆运动辐射出电磁波，
主要在Z方向，半角宽为 1 / g
g=
1
mc 2
1 - b 2 = m0c2
35
原理
A’ B’
1, 相干 x
q
A
B
z
z
y
lW
AB两点相距lW (磁场周期), 辐射波长为 lS
电子沿Z方向的速度为 vZ
A，B两点发光要相干即要B点刚发的光和B’的光
1- b2
b
q0 = 1 - b 2 = mec2 / E = 1/g E = 510MeV，g = 1000，q0 = 0.001rad BEPC：E = 2.8GeV，2q 0 = 1 15
离光源几十米也可得高强度的小光斑11
C.高功率高亮度
( ) P
=
2 3

q2a2
4pe 0c3
v
同步辐射——
环形轨道上加速电子，转圈，有向心加速
度，放出辐射。
19 世纪末林纳德等人就提出这将是一种很
强的辐射源。
1947 年 Floyd Haber 首次在 70MeV 的同步
加速器上观察到这种辐射。
7
电子能量很高考虑相对论，在 ar^vr时
( ) P
=
2 3

q2a2
4pe 0c3
光刻微加工示意图
23
美国IBM公司光刻线宽为0.25微米的芯片
24
超微加工：
• 80年代中发展了一 种叫做LIGA的技术， •它可以制作微齿轮、 微马达、微泵、微照 微型齿轮 明灯具、微传感器等。高度: 150μm • 这种微机械加工可直径: 260μm 得到线条宽度为几个 或几十个微米、高度 为几十到几百微米的 机件。
生物： 生物蛋白大分子结构分析，
生物细胞三维成象， ……
医学： 断层扫描分析，
心血管造影，
……
微电子学: 光刻，微机械加工，
……
…………
22
来自百度文库
光刻：
• 同步辐射光的准 直性好 •强度高 •衍射极小 •大大缩小光刻线的 线宽。
• 同步辐射已经可 以制造0.07mm的芯 片。
辐射线
掩膜 抗蚀剂
基底 显影 抗蚀结构
1
1- b2
2
E
=
mec2
(1- b2)1/2

E4
环形电流
I
=
vq
2pR
，
a = v2 = c2b2
RR
a2
=
v4 R2
=
vc 3 b
R2
3

I R
(b 1)
12
可得: P = 88.47 E 4 I / R 单位： P - kw，E - GeV，I - A， R- m，
若 E=1GeV ，R=3.33m ，I=0.5A , P =13.3 kw

1
1- b2
2
p
=
dE dt
=
2 3

q2a2
4pe0c3

在轨道平面内，取q 为相对于vr 的夹角
dp dW
=
P0
(cosq - b )2 (1 - b cosq )5
a
b 0 时，过渡到非相对论情况
q
dp dW
=
q2a2
16p 2e 0c3
Sin2q
=
P0Sin2q
v
8
dp dW
4
这种由同步加速器中的电子辐射的电磁波称 为“同步加速器辐射”，简称“同步辐射”。
1, 原理
带电粒子有加速度时就会放出电磁辐射
带电粒子(流)以恒定速度 运动, 相当于稳恒电流, 产 生恒定的磁场
若有加速度 产生变化 的磁场感应出变化的电 场 产生电磁辐射
qv
5
电荷 q，加速度a ,在与
r a
x射线波段的开发 透视、探伤、集成电路光刻， 促进了晶体学、医学、计算机科学的发展。
激光技术 开发了红外—紫外的强电磁波源 激光手术，激光加工，激光通讯……。
2
同步辐射和自由电子激光则是下一代的激 光，
它们大大促进了表面物理，光化学，光生 物学，形貌术，血管造影等的发展并开辟出新 的科学研究领域，
§7.2 同步辐射和自由电子激光
人们对物质结构每一层次的探索都创造出 巨大的生产力，
对电磁波谱每一波段的开发都把科学技术 推进一大步:
l ＞10cm 波段的开发
现代无线电技术，广播、电视、 远程通讯。
1
微波波段的开发 雷达、导航、射频加速器技术迅速发展 促进了波谱学、核物理、航天科学的发展。
弯转磁铁： 产生同步辐射
真空槽：10-10托以下 减少碰撞损失光束线能量
四极磁铁：以透镜 机制聚焦光束线
储存环示意图
20
光电子能谱 软X射线显微术
光化学 时间分辨光谱
光声光热 辐射标准与计量
光刻
红外与远红外 扩展X光吸收精细结构
同步辐射实验站
21
4, 应用
材料科学：晶体缺陷研究,表面界面研究，
极端条件下物质结构研究， ……
38
单位时间内电场对电子作的功为:
-
e rv
.
r E
=
dmc 2
dt
m = m0g =
m0
1- b 2
若
rr vE
的积分效果大于零，则电子束能量减少辐射场受激
lW
v
v
z
lS
r v

r E＞0
r v

r E＞0
r 当电子沿Z方向穿过半个lW 距离使 v x 反向时 E 也要反向。
即要辐射场多走半个 lS 或lS / 2 的奇数倍
=
P0
(cosq - b )2 (1 - b cosq )5
q
=
0o 时，
dp dW
=
P0
(1- b)3
b1
cosq = b，q = ±cos-1 b =q0 时，
dp dW
=
0
辐射向前方发射
2q 0
原因：动量守恒，
加速的能量动量为光子带走
9
2, 特点
A. 能谱范围宽
可从红外到 x 射 N
微型齿轮与蚂蚁
25
5, 进展 第一代光源 17 台 与高能物理兼用
第二代光源 23 台 专用
o
BSRL(北京) 2.8 GeV
l c
=
2.6 A
NSRL(合肥)
0.8 GeV
o
l c
=
24 A
第三代光源 ～20台
在存储环中加入插入件: 扭摆磁铁 波荡器 . . . .
大大提高同步辐射光的亮度并产生部分相干光 26
成
q
角方向上的单位
立体角内的辐射功率为
dq
q
q
v,a
dp dW
=
q2a2
16p 2e 0c3
Sin2q
=
P0Sin2q
(1)
对4p 空间积分得辐射的总功率为：
p
=
dE dt
=
2 q2a2
3 4pe 0c3
(2)
6
通常遇到的有三种典型情况:
偶极辐射—— 无线电天线
a
轫致辐射—— X射线的连续谱
由电子在扭摆磁场中的运动轨迹和上述条件可得:
lS = lW (1 aW2 ) / 2g 2
aW = e lW BW / 2pm0c = 0.93BW lW
BW ：扭摆磁场强度，单位为T，lW 单位为 m
40
通常 lW ～3cm， aw ～1.0
当电子束能量为100MeV时 lS ～1mm
3, 群聚
o
台湾 1.3GeV
l c
=
8.89 A
上海 3.5GeV 能量世界第四
产生0.1-70KeV 高性能同步辐射光 Ec=10KeV
投资14.34亿，2009.4建成，包括： • 150MeV的电子直线加速器， • 周长为180米、能量为3.5GeV的增强器， • 周长达432米、能量为3.5GeV的电子储存环， • 沿电子储存环外侧分布的多条光束线，可建60条
lc
2.5
线产生连续谱，峰
Gev 1
值和电子能量有关，
0.7
特征波长 l
c
(
o
A)
：
0.4
l
c
(
Ao )
=
5.
R
59 E
3
1
10 102 103 104
λo ( A)
R ：电子轨道半径(m)，E：电子能量(GeV) 10
B.方向性好
轨道平面内的半张角 q0 ，cosq 0 = b
1
2q 0
q0
例如T=0.8微秒，则在8微秒中可拍10张照片， 因为τ 很小，所以可以观察到活体的瞬间动态 变化。
E. 高度偏振 在电子轨道平面内是线偏振光， 有利于研究各向异性的物质结构。
F. 高稳定度 强度稳定，发光点位置稳定，重复性好。
16
3. 同步辐射总体装置
•直线加速器 •增强器 •储存环 •光束线 •实验站
如果不同的电子(团)在 z方向的间距等于 lS
则它们在 z方向发光的光程差为 nlS , 即为相干光
产生相长干涉。
37
2, 受激—— 电子动能转化为光能
光辐射是偏振的，电矢量沿x方向振动
r E
=
E0
cos
2p lS
Z
-

S
t


0

r ix

x z
y
v
v
z
lS
扭摆电子有x方向的分速度，若光的电场正好使电子 减速，则电子能量减少，光辐射能量增加——受激。
42
2, 光束质量好，谱线窄，具有ps级的短脉冲， 脉冲的时间结构可以改变。
3, 激活介质无热效应问题，功率很高 4, 相干，偏振，被称为第四代同步辐射
在国防、医学、固体物理、材料科学、分子生物 学及工业等方面有广泛应用
进展
十多个国家建成FEL 40多台，在建40多台，日本 12家公司联合成立FEL研究所，发展小型专用装置
43
中国: BFEL，1993.5.26首次出光，
lS =10.65 mm
较自发辐射功率高103倍 工程物理研究院， 曙光1号， 1993年底出光。
同步辐射加速器总体组成
17
200MeV电子直线加速器
速调管走廊
800MeV电子储存环
核物理实验大厅 束流输运线
合肥中国科技大学电子同步辐射加速器的总体布局图
18
储存环 (Storage Ring) 合肥中国科技大学800MeV电子储存环 19
插入装置：产生各类 不同特征的同步辐射
同步加速腔：加速 电子，补充能量
同相位，即 AB = nlS n =1, 2, 3, . .
AB
=
AA－AB
=
lW
vZ
C
- lW
cos q
=
nlS
前方 q = 0,
lW = nlS lW
vZ
c
36
x z
y
A’ B’
q
A
B
z
lW
lW = nlS lW
vZ
c
这是同一个电子(团)在不同位置处发光(z方向)的相干条件
电子在一个波长范围内聚集成团, 各团在z方向的 间距为一个波长
v
v
z
ba
a: E向下，Vx减小； B向内，F = -eVx B 向左 b：E向上, Vx增大；B向外，F = -eVx B 向右
电子向 a b中部聚集, 两电子团中心间距为lS 41
特点
1, 单色，频率可调，调谐范围宽（普通激光器大都 工作在固定波长）可从远红外到硬 x 射线
谁掌握了新的电磁波资源谁就掌握了新的 科学技术手段，并开辟出新的科学技术领域。
3
一.同步辐射 (Synchrotron Radiation)
1947年4月16日，美国通用电气公司的实验室 在调试能量为70MeV的电子同步加速器时， 偶然看到加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，
光的颜色随电子的能量变化而变化： 当电子能量降到40兆电子伏时，光变为黄色； 降到30兆电子伏时，变为红色且强度变弱； 降到20兆电子伏时，就什么也看不见了。
14
北京同步辐射装置： 周长=240.4米， 假设只有一个束团运 行，束团长S=3厘米 脉冲周期T=0.8微秒 脉冲宽度τ =0.1纳秒
T=0.8ms
t=100ps
利用特定的时间结构可以研究物质的动态和 瞬态过程。
如在生命科学中为对细胞进行活体动态研究，
可利用脉冲光把动态变化的照片一幅幅拍下
来。
15
• 普通激光：原子或分子产生的受激相干辐射 • 自由电子激光：自由电子产生的受激相干辐
射 • 1971年John Maday从理论上提出
76— 77建成了第一台红外波长(10.6 mm) 的
FEL E = 24 MeV I = 74 mA
34
装置：
电子加速器
反射镜
扭摆磁铁
y x z
S
N
S
N
39
lW / 2 = lW / 2 (2k 1)lS / 2
vZ
c
k=0, 1, 2,..
lW = lW nlS
vZ
c
n=1, 3, 5, . .
通常取 n=1
lW = lW lS
vZ
c
相干: lW = nlS lW
vZ
c
如果不同的电子(团)在
z方向的间距都等于 lS
则所有的电子都把能量传给辐射场使其受激
27
首批开放的7条光束线与实验站： • 生物大分子晶体学线站 • XAFS（x射线吸收精细结构）线站 • 硬X射线微聚焦及应用线站 • X射线成像与生物医学应用线站 • 软X射线谱学显微线站 • 衍射线站和X射线小角散射线站
参考：“现代物理知识” 2010.3
28
29
30
31
32
33
二.自由电子激光(Free Electron Laser)
超大功率X光管 P 10 w
合肥的同步辐射装置的辐射功率为6千瓦 北京同步辐射装置的辐射功率可达6万瓦 同步辐射发光点小(mm2),功率大,亮度高
13
D. 脉冲光源，有特定的时间结构
在加速器储存环中电子以束团形式运动。 电子束团长度决定了光脉冲的宽度。 环形加速器的周长则决定了脉冲的周期， 对于1个周长为L的加速器，由于能量为GeV量 级，电子的速度已十分接近光速，所以脉冲周 期为T=L/c 如果电子束团长度为S，则脉冲的持续时间，即 脉冲宽度为 t=S/c。