同步辐射光源简介

第20卷第2期2006年3月

常熟理工学院学报

Journal of Changshu Institute of Technology

Vol.20No.2

Mar.2006同步辐射光源简介

谭伟石1,蔡宏灵2,吴小山2

(1.南京理工大学理学院应用物理系,江苏南京　210094;

2.南京大学固体微结构实验室,江苏南京　210093)

摘　要:简要介绍了同步辐射概念、同步辐射光源的特点及我国同步辐射光源发展的现状。

关键词:同步辐射光源;同步辐射特点;发展现状

中图分类号:TL8O43 文献标识码:A 文章编号:1008-2794(2006)02-0097-05

著名的物理学家杨福家先生概括了人类文明史上影响人类生活的光源的进展,分为四类[1]:第一类光源是1879年美国发明家爱迪生发明的电光源。不言而喻,人类现在的生活与文明离不开电光源,它使人类战胜了黑暗。

第二类光源是1895年德国科学家伦琴发现的X射线源。“X”是“未知”的符号,但是这种神秘莫测的、肉眼看不见的X光从被发现的时候就展现了它的魅力和对人类的巨大影响。

第三类光源是20世纪60年代美国与前苏联一批科学家创造的激光光源。目前激光的应用已经进入千家万户。如我们家庭中的激光唱片,超市的收款机所用的激光扫描器等,当然也有用于激光核聚变的大功率激光设备等,对人类的生活带来了巨大变化。

第四类光源就是同步辐射光源。1947年在美国纽约州Schenectady市通用电气公司实验室的一台能量为70Me V的同步加速器上,首次观察到一种强烈的辐射,这种辐射便被称为“同步辐射”。同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。由于同步辐射消耗了能量,妨碍了高能粒子能量的提高,所以当时一直被认为是个祸害,没有得到重视。但是,人们很快便了解到同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可用于其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。而现在同步辐射已经成为一个重要的科学研究平台,它的应用领域已经覆盖了物理、化学、生物、材料、医药、地质等众多领域,已经成为衡量一个国家科研水平的重要标准。

1　同步辐射特点

同步辐射的主要设备,包括储存环、光束线和实验站。储存环使高能电子在其中持续运转,是产生同步辐射的光源;光束线利用各种光学元件将同步辐射引出到实验大厅,并“裁剪”成所需的状态,如单色、聚焦,等;实验站则是各种同步辐射实验开展的场所。同步辐射光源是人类发现的第四代光源。与前三种光源相比,它具有诸多优点:

1.1　频谱分布宽广

　收稿日期:2005-10-15

作者简介:谭伟石(1970—),男,湖南安化人,副教授。

DOI:10.16101/ 32-1749/z.2006.02.020

图1　同步辐射光源光谱分布。图中对比给出了实验室X 射线光源的亮度和国际上不同不同同步辐射装置的能谱分布、亮度分布等。同步辐射的波长分布是连续的,覆盖了红外、

可见、紫外和X 光波段,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。

同步辐射光谱范围是由加速器中的电子的能量和

弯转半径决定的。电子的能量越高,同步辐射的特

征波长越短。北京同步辐射的电子能量为2.5GeV ,

弯转半径为10.345m ,特征能量为3.31ke V ;合肥同

步辐射的电子能量为0.8Ge V ,弯转半径2.222m ,特

征能量为0.517keV 。

1.2　高亮度

同步辐射与实验室转靶X 光源相比,同步辐射

光源的亮度比实验室X 射线光源连续谱部分强106

-1011倍;比X 射线光源的特征谱强度强103-10

8

倍。自20世纪60年代中期以来,同步辐射光源的

亮度已经增加了10多个数量级。目前我国上海同

步辐射光源设计的亮度位于世界先进行列。在以

往的研究中,如用实验室X 射线光源获得一幅晶体

缺陷结构的形貌照片,通常需要几十小时的暴光时

间,但利用同步辐射光源拍摄同样一幅晶体缺陷结

构的照片仅需几秒至几十秒,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

做许多常规光源所无法进行的工作。

1.3　高准直性

同步辐射基本上是在电子轨道平面中沿轨道

的切线方向引出的,当北京同步辐射装置在2.

2Ge V 运行时,其垂直张角仅为0.5秒(通常实验室

X 射线光源的发散角为0.1°或更高,而高分辨X 射线衍射仪的发散角为10秒。利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光具有高度的准直性,经过聚焦,可大大提高同步辐射光的亮度,可进行极小样品和材料中微量元素的研究。

1.4　高偏振度

在电子轨道平面发出的同步辐射是完全线偏振的,偏振向量在轨道平面中。电子轨道平面上下发出的同步辐射则具有椭圆偏振,可用来研究样品中特定参数的取向问题,如利用同步辐射的偏振特性研究磁性材料中的磁矩或与磁相关的问题。

1.5　时间结构

电子在储存环中是以束团的形式运动的,因此发出的同步辐射不是连续的,而是包含电子运动的时间结构或特定的脉冲结构。脉冲宽度(对应着电子束团的长度)约为ps 量级,脉冲间隔(对应电子束团之间的距离)约为ms 量级。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。

1.6　洁净的光源

同步辐射是在10-11托的超高真空环境中产生的,没有灯丝、隔离物质等带来的污染。这一性质对于从事表面科学、计量学研究与应用特别重要。从1947年第一次发现同步辐射到现在,同步辐射装置的建造及其研究、应用,经历了三代的发展。98常熟理工学院学报 2006年