同步辐射

同步辐射装置
日本Spring – 8 :第三代 法国ESRF:第三代
合肥NSLS: 第二代
美国NSLS:第二代
同步辐射实验站
同步辐射应用
• 同步辐射与物质的相互作用： 吸收，散射，二次粒子发射 • 空间分辨实验 - X光显微术： 物质的形态研究，结构研究，成分研究 • 时间分辨实验： 分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋 白相互作用，质子/电子迁移效应 • 在应用领域的研究： 石油，塑料，金属，建筑，微电子，化妆品，制药， 食品等 • 下面着重举两个领域的例子
- 用LIGA技术生产出可植入人体的微型电机，其直径只约为1mm，厚度为 1.9mm，重量为0.1g，转速为10万转，直径细如发丝的齿轮的精度达微米的 量级。
同步辐射的原理
• 实验物理和电动力学的基本结论:
自由电子在作加速度运动时, 将产生电磁辐射 - 电子的速率发生变化: 在前向产生轫致辐射 (bremssthahlung) - 电子的方向发生变化: 在切线方向产生同步辐射 (synchrotron radiation )
同步辐射的特点
• 同步辐射是”超级显微镜”
同步辐射的由来
• 1947年, GE在70MeV同步加速器 (synchrotron )上首次观察到理论物 理学家预言的一种辐射, 起名为 synchrotron radiation 即“同步加速 器辐射” 。 • 最初，同步加速器辐射因损耗加速 器能量和损害加速器部件,被科学家 看作一种需要消除的副作用.直到20 年后人们才发现它有重要的用途. • 中文翻译把同步加速器辐射简化为 同步辐射。
同步辐射的亮度
同步辐射装置的基本构造
合肥同步辐射装置：800MeV
同步辐射装置的基本构造
• • • • • • 电子枪 – 电子的源泉 直线加速器 – 预加速 增强器 -- 加速到满能量 储存环 光束线 实验站 美国 APS 7GeV
组成同步辐射装置的设备
插入件
• 插入在储存环两个弯转磁铁组件 之间的直线段。电子经过插入件 时，在磁场的作用下，电子将沿 一条近似为正弦曲线的轨道运动， 这样，就可以从插入件引出同步 光。 • 采用永磁体磁铁可将插入件磁铁 周期缩短到几厘米，大大增加了 插入件中磁铁的周期数。在低磁 场大周期数的情况下，电子穿过 插入件时，其轨道只作轻微起伏， 因而被称为“波荡器” （undulator）。
同步辐射的特点
• 高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特征线亮度强万倍以上。 用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而 利用同步辐射光源只需要几秒。 • 宽波谱：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。 • 高准直：同步辐射的发射度极小,准直性可以与激光相媲美。 • 脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子 束作回旋运动，也即，同步辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮 秒量级，脉冲间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有时间结构。 • 偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用 来研究样品中特 定参数的取向问题。
同步辐射应用: 生命科学
• 探索生物大分子(蛋白质)的结构 • 了解生命过程,从结构研究进入到 功能研究的领域。 蛋白质动力学的不少领域的时间 尺度是落在第三代同步辐射光源的 时间分辨领域中的，如：分子间振 动（fs-us）、有序-无序转变（nsms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋 白质相互作用（ps-ms）、质子/电 子迁移反应（ps-ms）、金属-配 合基（ligand）结合（ps-ms）
插入件
•
电子在波荡器中运动轨道的曲率半径很大，一般地， 波荡器是不能使同步光谱向高能方向移动的，但由于 电子的偏转角小，从波荡器中不同的磁极上发射出来 的光子在很大的程度上相干地叠加，干涉效应使得同 步光谱中出现一系列尖峰。也就是说，波荡器给出一 系列近乎单色的同步光，而且在这些波长上的同步光 的亮度要增强N2倍以上。在波荡器中产生的同步光的 发射角是很小的，近似地只有弯转磁铁上产生的同步 光的发射角的1/N。
同步辐射的由来
• 其实早在1054年,中国科学家就 观察到了超新星爆发,中国古代 天文学家称呼它为”客星” 这 颗星出现在在金牛座的南角上, 出现後的一个月之内一直相当 明亮。在这段期间，耀眼的光 辉约有太阳的40亿倍，它的遗 迹在往後的一年多都还能够看 的见，中国天文学家描述这颗 星在四方都有尖尖的光辉而且 还带着微红白的颜色 • 超新星爆发的遗迹 - 蟹状星云 就是一种自然界的同步辐射源.
在欧洲同步辐射中心 （ESRF），有45％ 的实验申请来自生命 科学家。
同步辐射应用: 生命科学
• 例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤
同步辐射应用: LIGA
LIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、 Galvanoformung（电铸成型）和 Abformung（塑铸成型）三个字的字 头，它由深层同步辐射光刻、电铸成 型及塑铸成型这三个工艺过程组成。 LIGA技术原理与全息记录的大规模 复制（例如，激光唱片生产）相仿， (1)用光刻的方法在光刻胶上刻出微机械或微器件的三维结构， (2)是通过电铸从光刻胶三维结构上产生金属母模， (3)是用母模通过电铸或塑铸方法复制许多金属的或其它材料 的生产用模， (4) 是用生产用模作大规模复制。
同步辐射应用: LIGA
• 同步辐射提供立体的光刻。
- 要增加刻蚀深度，必须使用波长比紫外光短得多的X光。如果要做几十到 几百微米深度的光刻，所使用的光应是波长在2-10埃之间的X光。
- 除了波长之外，还有两个重要的因素，就是光的功率密度和准直性。
• 微马达和微照明灯具已被应用于非剖开性的人体 内部外科手术.
同步辐射装置及其应用
刘松强 2004.4.29
什么是同步辐射
什么是同步辐射
• • • • • • • • 微波: 用来观察飞机、航母和飓风 红外线: 用于夜视系统和飞弹追踪热源 可见光 紫外线: 观察气体分子及凝聚态物理电子结构 X光是研究晶体结构极佳的工具 波长最短的伽玛射线: 核物理研究 同步辐射: 覆盖了红外、可见、紫外和X光波段 广义的说，所有的电磁波都可以叫做光. 同步辐射又可以 称为同步光.
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同步辐射的发射度
• 在储存环中运动的电子，并不是都沿同一的轨 道运动的，事实上，它们的运动轨道大都偏离理 想的轨道，这就使得电子束团有一定的横截面和 发散角。在加速器物理学中，在每一方向上这二 者的乘积称为在这个方向的“发射度”，它的单 位是［纳米· 弧度］（［nm· rad］）。在相同的 电子能量和电子电流的条件下，储存环的发射度 越小，放射出的同步辐射的亮度也就越高。在同 步辐射的应用中，许多尖端的实验要求高的亮度。
同步辐射的发展
• 第一代同步辐射光源. 在核物理/粒子物理研究的空挡，利 用同步加速器所发射的同步光进行科学研究,称为寄生方 式。北京高能所同步辐射装置(BSRF) 。 • 第二代同步辐射光源. 第一代同步辐射光源已不能满足研 究需求，建立了用专门的装置产生同步光,例如合肥同步 辐射装置。 • 第三代同步辐射光源. 科学家发现在储存环中加入插入件 可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上，得到的同步辐射 主要来自插入件。台湾新竹建有一台第三代同步辐射光源 (SSRL)。 高亮度,高时间分辨力和空间分辨力.