同步辐射光源的原理、构造和特征

1 同步辐射光源的原理和发展历史

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Ivanenko，Arzimovitch和Pomeranchuk等直至1946年才完成，Blewett 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Blewett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Brokhaven国家实验室（BNL）两位加速器物理学家Chasman和Green[1]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Chasman2Green 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 Devices），即扭摆磁体（Wiggler）和波荡磁体（Undulator）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。

表1 三代同步辐射光源主要性能指标的比较

Tab.1 Comparison of main properties of the three generation

synchrotron radiation sources

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Brookhaven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VUV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Fig.1 Planar map of structure for shanghai synchrotron radiation 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1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW)-1，目前第四代光源的亮度达1020ph·S-1·mrad·mm-2·(0.1BW)-1；②相干性。要求空间全相干，即横向全相干；③光脉冲长度要求到皮秒级，甚至小于皮秒级；

④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，Booste）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1.3×10-3～6.7×10-5 Pa。

（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2π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