上降哀通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 探索微观物质世界 第八讲同步辐射 饶群力 漏 上海交通大学 分析测试中心 SHANG 1日
探索微观物质世界 第八讲 同步辐射 饶群力 上海交通大学 分析测试中心
上游充大学 本堂课主要内容 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 什么是同步辐射光源 ©X射线激光原理 ©X射线的应用成果
本堂课主要内容 什么是同步辐射光源 X射线激光原理 X射线的应用成果
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 人工光源的四次革命 人类历史上的第四个革命性光源 ()电光源：使人类战胜了黑暗，延长了白昼 (2)X光源：使人类看到了物体内部及微观领域 (3)激光源：波长单一、准直、相干、高亮度，核聚 变用的万亿瓦的激光、电脑中的光驱、图书馆中 识别条形码用的激光扫描器、激光笔 (4)同步光源：高强度的综合光源
人类历史上的第四个革命性光源 (1)电光源：使人类战胜了黑暗，延长了白昼 (2) X光源： 使人类看到了物体内部及微观领域 (3)激光源：波长单一、准直、相干、高亮度，核聚 变用的l万亿瓦的激光、电脑中的光驱、图书馆中 识别条形码用的激光扫描器、激光笔 (4)同步光源：高强度的综合光源 人工光源的四次革命
上游充通大兽 什么是同步辐射 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 高能电子束团在环形加速器或正负电子对撞机的 环形轨道上，接近光速运动着的电子或正电子在 作曲线运动时沿切线方向飞出来的连续电磁辐射 波。 e05 Magnet Synchrotron Light
什么是同步辐射 高能电子束团在环形加速器或正负电子对撞机的 环形轨道上，接近光速运动着的电子或正电子在 作曲线运动时沿切线方向飞出来的连续电磁辐射 波
上游充通大兽 发展历史 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1947年4月，F.R.Elder等人在美国通用电器公司 的一台70MeV的同步加速器中首次看到电子的电 磁辐射 但是，对它的最早认识可以追溯到. 1898年，法国的A.Lienard发表的论文预言：沿半径 为R做圆周运动的带电粒子因原子的不稳定性将发出 电磁辐射。 建立的基础：麦克斯韦尔的理论和赫兹的实验。1873 年麦克斯韦尔论证电荷密度和电路发中变化都会导致 向外辐射电磁场，1887年赫兹证明了这种波的存在 奠定了现代同步辐射理论基础：带电相对论性粒子做 曲线运动时将发出电磁辐射
发展历史 1947年4月，F.R.Elder等人在美国通用电器公司 的一台70MeV的同步加速器中首次看到电子的电 磁辐射 但是，对它的最早认识可以追溯到…… • 1898年，法国的A. Lienard发表的论文预言：沿半径 为R做圆周运动的带电粒子因原子的不稳定性将发出 电磁辐射。 • 建立的基础：麦克斯韦尔的理论和赫兹的实验。1873 年麦克斯韦尔论证电荷密度和电路发中变化都会导致 向外辐射电磁场，1887年赫兹证明了这种波的存在 • 奠定了现代同步辐射理论基础：带电相对论性粒子做 曲线运动时将发出电磁辐射
上游充通大兽 发展历史 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1898年~1947年理论发展 二十世纪两位科学巨匠爱因斯坦和玻尔，他们分别提 出了相对论和量子论，奠定了同步辐射两大支柱。 ·1908年剑桥大学三一学院的Gorge A.Schott发表的 一篇论文中系统阐述对同步辐射理论，并将其用于所 有单电子的运动或多种电子集团的运动。 ·1939年前苏联列宁格勒大学物理研究所的 I.Pomeranchuk在研究宇宙线时注意到宇宙线的电 子在进入地球磁场后会因产生辐射而失去能量。 ·1943年，他和Arzimovich推导出能量的损失和辐射的 角度分布，处理了所发射辐射的光谱问题，建立了它 的一般的特性
发展历史 1898年~1947年理论发展 • 二十世纪两位科学巨匠爱因斯坦和玻尔，他们分别提 出了相对论和量子论，奠定了同步辐射两大支柱。 • 1908年剑桥大学三一学院的Gorge A．Schott发表的 一篇论文中系统阐述对同步辐射理论，并将其用于所 有单电子的运动或多种电子集团的运动。 • 1939年前苏联列宁格勒大学物理研究所的 I．Pomeranchuk在研究宇宙线时注意到宇宙线的电 子在进入地球磁场后会因产生辐射而失去能量。 • 1943年，他和Arzimovich推导出能量的损失和辐射的 角度分布，处理了所发射辐射的光谱问题，建立了它 的一般的特性
上游充通大学 发展历史 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1945年，J.Schwinger发表论文，关于在任意 轨道上运动的电子所发射辐射的性质，用优美的 数学来作说明，推导了所有前人已推导过的辐射 的性质。 1947年，我国已故学者朱洪元院士在题为《论高 速粒子在磁场中的辐射》的论文中，讨论了宇宙 线中的不同能量的高能电子进人地球磁场后发射 出的辐射的强度
发展历史 1945年，J．Schwinger发表论文，关于在任意 轨道上运动的电子所发射辐射的性质，用优美的 数学来作说明，推导了所有前人已推导过的辐射 的性质。 1947年，我国已故学者朱洪元院士在题为《论高 速粒子在磁场中的辐射》的论文中，讨论了宇宙 线中的不同能量的高能电子进人地球磁场后发射 出的辐射的强度
上游充通大兽 发展历史 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 其产生的必要条件：高能电子，能量需达到Mev~Gev。 在50多年后，实现这一条件。 自从卢瑟福α粒子散射实验以后，粒子加速器持续成 为科学家的研究热点，20世纪40年代在高能物理研究 过程中，各种高能加速器被科学家搭建起来。 1944年布鲁埃特试图利用100MeV电子感应加速器寻 找电磁辐射，这些电子加速器最终成为获得同步辐射 的技术基础。 从理论上讲，可以发射同步辐射的不仅是电子或正电 子，其他的荷电粒子也可以，但它们都较电子重得多， 加速它们的能量也要大得多，故目前实用上都是采用 电子或正电子来产生同步辐射的，它们在原理上并无 太大的区别
发展历史 其产生的必要条件：高能电子，能量需达到Mev~Gev。 在50多年后，实现这一条件。 • 自从卢瑟福α粒子散射实验以后，粒子加速器持续成 为科学家的研究热点，20世纪40年代在高能物理研究 过程中，各种高能加速器被科学家搭建起来。 • 1944年布鲁埃特试图利用100MeV电子感应加速器寻 找电磁辐射，这些电子加速器最终成为获得同步辐射 的技术基础。 • 从理论上讲，可以发射同步辐射的不仅是电子或正电 子，其他的荷电粒子也可以，但它们都较电子重得多， 加速它们的能量也要大得多，故目前实用上都是采用 电子或正电子来产生同步辐射的，它们在原理上并无 太大的区别
上游充通大兽 对同步辐射认识的转变 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 刚出现时，被看作电子同步加速器的有害产物 高能物理学家建造回旋加速器，希望得到高能量的电 子，而回旋加速器中的电子在获得能量的同时，以同 步辐射的形式丢失能量，限制了电子能量的提高。 1967年以后逐渐为人们认识到其巨大的应用潜力， 才成为一种从红外到硬X射线范围内有着广泛应 用的高性能光源。 同步辐射光源是开展凝聚态物理、材料科学、生 命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前 沿研究的重要平台
对同步辐射认识的转变 刚出现时，被看作电子同步加速器的有害产物 • 高能物理学家建造回旋加速器，希望得到高能量的电 子，而回旋加速器中的电子在获得能量的同时，以同 步辐射的形式丢失能量，限制了电子能量的提高。 1967年以后逐渐为人们认识到其巨大的应用潜力， 才成为一种从红外到硬X射线范围内有着广泛应 用的高性能光源。 同步辐射光源是开展凝聚态物理、材料科学、生 命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前 沿研究的重要平台
上游充通大学 加速器的发展 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY (1)直线加速器 ·加速电子（或其他带电粒子）被施加电压高就能使粒子 加速到高的速度或能量。这种加速需要在高真空或超 高真空条件中进行。如要将电子加速到几十kV的能 量.就用几十kV的电压。 (2)回旋加速器和电子感应加速器 ·为克服直线加速器要做得很长才能得到高能量的电子 缺点，20世纪20年代，回旋加速器和电子感应加速器 相继发明。回旋加速器的原理是在利用高频电压将电 子加速增能和用磁场使带电粒子作绕圈运动这两种作 用的基础上建立起来的
加速器的发展 (1)直线加速器 • 加速电子(或其他带电粒子)被施加电压高就能使粒子 加速到高的速度或能量。这种加速需要在高真空或超 高真空条件中进行。如要将电子加速到几十keV的能 量．就用几十kV的电压。 (2)回旋加速器和电子感应加速器 • 为克服直线加速器要做得很长才能得到高能量的电子 缺点，20世纪20年代，回旋加速器和电子感应加速器 相继发明。回旋加速器的原理是在利用高频电压将电 子加速增能和用磁场使带电粒子作绕圈运动这两种作 用的基础上建立起来的