同步光源

同步辐射光源

1. 序言

相对论性带电粒子作曲线运动放出的电磁辐射就是同步辐射。那为什么不叫电磁辐射，而叫同步辐射? 这反映一个人类认识自然的过程。

1898年, A. Lienard [1] 就由理论上预言,沿半径为R 作圆周运动的相对论性带电粒子放出电磁辐射，并给出瞬时辐射功率P 表示式：

4

224

2

)/)(/(32mc E c e P ρβ

=

(1.1)

其中e ，m ，β，E 分别为带电粒子的电荷、静止质量和相对论速度、能量；c 为光速。该式是在粒子的能量变化率远远小于动量的变化率时成立。圆形加速器，如同步加速器（Synchrotron ）和电子回旋加速器（Betatron ）是满足该条件的。

从这以后不断的有理论上的预言，1907年 G. A. Schott [2,3] 推出了在均匀磁场中作园周运动的相对论电子的电磁辐射的角分布的表示式。到四十年代，在粒子加速器的建造中，每一次加速器能量的提高都重新激起对这个问题的注意。1944年苏联科学家 D. Ivanenko 和 I. Pomeranchuk [4]亦预言了在圆形加速器中电子存在重大的能量辐射损失。1946年 Julian Schwinger [5] 发展了这个经典的辐射理论，使适应任意的电子轨道。且得到了园周运动情况下辐射频率分布与轨道频率的谐波关系。他还得到了两个重要的结果：(a) 辐射的空间分布在电子的瞬时运动方向上（即沿着轨道的切线方向）形成尖锐的峰；(b) 随着电子能量的增加，电磁辐射扩展到轨道频率的更高次的谐波。1947年我国的朱洪元[6]先生给出了高速带电粒子在磁场中的辐射谱和角分布。1948年苏联科学家D.Ivanenko 和A.A.Sokolov [7] 亦提出了电子辐射的经典理论。

实验上探测该种辐射始于1946年，J.P.blewett [8] 和G.C.Baldwin 在美国纽约Schenectady 的通用电气实验室 (the General Electric Research Labs) 100MeV 电子回旋加速器 (betatron) 上进行电磁辐射的探测。J.P.Blewett 坚信电子的电磁辐射有一个很宽的频谱，故 G.C.Baldwin 与同事用镀银的面包圈形 (doughnut) 天线在电子回旋加速器的真空盒外部和内部均作了接受基波和高次谐波的实验，结果什么也没有测到。这是由于不透辐射的天线镀层完全屏蔽了辐射。这样使同步辐射的发现推迟了一年。

1947年4月，F.R.Elder [9] 等人在美国通用电气实验室的70MeV 电子同步加速器上首次观察到了电子的电磁辐射，因此命名为同步辐射。

这加速器是由Herbert C. Pollock 领导建造的。当时在建造过程中加速器没有用辐射屏蔽完全包住，由于H.C.Pollock 担心发生电击穿，采用了透明的真空盒，且在辐射屏蔽的角上安装了一个镜子，以观察是否发生电火花。实验时，技术员Floy Haber 冒险的瞥了一下镜子，发现了强烈的弧光。经研究即相对论电子产生的电磁辐射，该辐射高次谐波的强度是轨道频率的107倍。

G.C.Baldwin [10] 1975年在Phys. Today 上发表一篇文章，说到其与同步辐射的发现失之交臂的情况。认为如果当年他作某些细致的设计和自觉的违反辐射安全规则，他将是发现者，同步辐射将以电子回旋辐射命名（betatron radiation ）。

1954年 J.Schwinger [11]又计算出以上经典理论适用的范围：当辐射的光子的动量与电

子动量可比较时，才需进行量子力学修正。即电子的能量需达到2

1

2)

/( mcR mc ~104Gev 。

这远远超出了目前任何实验室可以达到的能量。1953年苏联科学家A.A.Sokolov ， N.P.Klepikov 和I.M.Ternov [12]亦计算了量子理论的修正，结论与J.Schwinger 相似。

在同步辐射发现后约十年，1956年D.H.Tomboulian 和 P.L.Hartman [13]在Cornell 320Mev 同步加速器上经过两周的测量，给出了80 300Å范围内的同步辐射的空间分布和角分布，并指出同步辐射光源的软X 光谱有其独特的优点。他们用掠入射摄谱仪拍照了Be 箔和Al 箔在K 和L 吸收边附近的透射谱。该同步辐射的先驱工作引起了进一步开展同步辐射应用研究的极大兴趣。

1961年 美国国家标准局(the National Bureau of Standards)在180MeV 的电子同步加速器上建造了第一个用于紫外辐射的同步辐射装置，其是附加在加速器真空盒切线方向的一个真空装置。在该装置上R.P.Madden 和 K.Coding [14,15]测量了惰性气体波长在80至600Å之间的吸收谱，在光致电离的连续区发现了许多以前没有观察到的共振结构。该工作的成功进一步在世界范围内引起了将同步加速器作为紫外和软X 光源的兴趣。接作欧洲、美国、苏联和日本都相继建立同步辐射的研究机构。这些同步辐射装置都是寄生在已有的加速器上，与高能物理研究处于共生状态。直到1969年 Wisconsin 的Tantalus 同步加速器才专门用于同步辐射研究。七十年代后专用的同步辐射光源渐渐多起来。目前已发展到约有22个国家,50个实验室,79台储存环和同步加速器用于同步辐射研究（参见一览表）。

参考文献

1．A. Liénard, Ĺéclairage Électr. 16(1898) 5. 2．G.A. Schott, Ann. Phys. (Leipzig) 24(1907) 635.

3．G.A. Schott, Electromagnetic Radiation, Cambridge University Press, London, 1912, Chaps. 7

and 8.

4．D. Ivanenko and I. Pomeranchuk, Dokl. Akad. Nauk. (USSR) (in Russian) 44(1944) 315; Phys. Rev. 65(1944) 343.

5．J. Schwinger, Phys. Rev. 70(1946) 798; Phys. Rev. 75(1949) 1912. 6．H.Y. Tzu, Proceeding of the Royal Society, A192(1948), pp.231-246. 7．D. Ivanenko and A.A. Sokolov, Dokl. Akad. Nauk. (USSR) 59(1948) 1551. 8．J.P.Blewett, Phys. Rev. 69(1946) 87.

9．F.R. Elder, A.M. Gurewisch, R.V. Langmuir and H.C. Pollock, Phys. Rev. 71(1947) 829. 10．G.C. Baldwin, Phys. Today, January (1975) 9.

11．J. Schwinger, Proc. Nat. Acad. Sci. (Washington) 40(1954) 132.

12．A.A. Sokolov, N.P. Klepikov, and I.M. Ternov, Dokl. Akad. Nauk. (USSR) 89(1953) 665. 13．D.H. Tomboulian and P.L.Hartman, Phys. Rev. 102(1956) 1423. 14．R.P.Madden and K.Coding, Phys. Rev. Lett. 10(1963) 516.

15．R.P. Madden, In X – ray Spectroscopy, ed. L.V. Azaroff, McGraw Hill, New York,

1974, p.338-378.