第口章同步辐射原理与应用简介 周映雪张新夷 目录 前言 2.同步辐射原理 2.1同步辐射基本原理 2.2同步辐射装置:电子储存环 2.3同步辐射装置:光束线、实验站 2.4第四代同步辐射光源 2.4.1自由电子激光(FEL) 2.4.2能量回收直线加速器(ERL)同步光源 3.同步辐射应用研究 3.1概述 3.2真空紫外(VUV)光谱 3.3X射线吸收精细结构(XAFS) 3.4在生命科学中的应用 3.5同步辐射的工业应用 3.6第四代同步辐射光源的应用 4.结束语 参考文献
1 第□章 同步辐射原理与应用简介 周映雪 张新夷 目 录 1. 前言 2．同步辐射原理 2.1 同步辐射基本原理 2.2 同步辐射装置：电子储存环 2.3 同步辐射装置：光束线、实验站 2.4 第四代同步辐射光源 2.4.1 自由电子激光（FEL） 2.4.2 能量回收直线加速器（ERL）同步光源 3. 同步辐射应用研究 3.1 概述 3.2 真空紫外（VUV）光谱 3.3 X 射线吸收精细结构（XAFS） 3.4 在生命科学中的应用 3.5 同步辐射的工业应用 3.6 第四代同步辐射光源的应用 4．结束语 参考文献
1.前 同步辐射因具有髙亮度、光谱连续、频谱范围宽、髙度偏振性、准直性好、 有时间结构等一系列优异特性,已成为自X光和激光诞生以来的又一种对科学 技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源,它的应用可追溯到上世 纪六十年代。1947年,美国通用电器公司的一个研究小组在70MeV的同步加速 器上做实验时,在环形加速管的管壁,首次迎着电流方向,用一片镜子观测到 在电子東轨道面上的亮点,而且发现,随加速管中电子能量的变化,该亮点的 发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时, 在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图1是当时看到亮点的电子 同步加速器的照片,图中的箭头指出亮点所在位置。那时,科学家还没有意识 到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源,高能物理学家抱怨,因为存 在电磁辐射,同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫 长时间,科学家(非高能物理学家)才真正认识到它的用处,但当时还只是少 数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调,且亮度极高等特性,对固 体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发 展,越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来,同步辐射的优异 特性得到了充分的展示,尤其是在红外、真空紫外和X射线波段的性能,非其 他光源可比,很多以往用普通X光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研 究工作,有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在 物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领 域,当然也包括发光学的基础和应用基础研究,得到了极为广泛的应用。目前, 无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上,对生命科学和材料科学的研究都具
2 1. 前言 同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好、 有时间结构等一系列优异特性，已成为自 X 光和激光诞生以来的又一种对科学 技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源，它的应用可追溯到上世 纪六十年代。1947 年，美国通用电器公司的一个研究小组在 70MeV 的同步加速 器上做实验时，在环形加速管的管壁，首次迎着电流方向，用一片镜子观测到 在电子束轨道面上的亮点，而且发现，随加速管中电子能量的变化，该亮点的 发光颜色也不同。后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时， 在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。图 1 是当时看到亮点的电子 同步加速器的照片，图中的箭头指出亮点所在位置。那时，科学家还没有意识 到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源，高能物理学家抱怨，因为存 在电磁辐射，同步加速器中电子能量的增加受到了限制。大约过了二十年的漫 长时间，科学家（非高能物理学家）才真正认识到它的用处，但当时还只是少 数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调，且亮度极高等特性，对固 体材料的表面开展光电子能谱的研究。随着同步辐射光源和实验技术的不断发 展，越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来，同步辐射的优异 特性得到了充分的展示，尤其是在红外、真空紫外和 X 射线波段的性能，非其 他光源可比，很多以往用普通 X 光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研 究工作，有了同步辐射光源后才得以实现。到上世纪九十年代,同步辐射已经在 物理学、化学、生命科学、医学、药学、材料科学、信息科学和环境科学等领 域，当然也包括发光学的基础和应用基础研究，得到了极为广泛的应用。目前， 无论在世界各国的哪一个同步辐射装置上，对生命科学和材料科学的研究都具
有最重要的地位。另外,利用同步辐射在微电子机械系统( Micro electronic Mechanical systems,缩写为MEMS)、功能材料、计算机和信息技术等高新技 术领域,开展研究工作的份量也明显加重,这类工作常常被统称为同步辐射的 工业应用。 本章将简要介绍同步辐射的基本原理,装置的构造及其在与发光学密切相 关的一些领域中的应用 图11947年发现同步辐射的电子同步加速器照片 2.同步辐射原理 2.1同步辐射基本原理3 1968年,世界上第一台电子储存环能量为240兆电子伏(240MeV)的专用 同步辐射装置,在美国威斯康星大学建造。据统计,全世界相继已有二十多个 国家和地区,建成同步辐射装置50余台,都已投入使用,有十几台正在建设 另外,还有15台左右处于不同的设计阶段,正等待批准。北京正负电子对撞机 国家实验室的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)
3 有最重要的地位。另外，利用同步辐射在微电子机械系统（Micro Electronic Mechanical Systems, 缩写为 MEMS）、功能材料、计算机和信息技术等高新技 术领域，开展研究工作的份量也明显加重，这类工作常常被统称为同步辐射的 工业应用。 本章将简要介绍同步辐射的基本原理，装置的构造及其在与发光学密切相 关的一些领域中的应用。 图 1 1947 年发现同步辐射的电子同步加速器照片 2. 同步辐射原理 2.1 同步辐射基本原理[1-3] 1968 年，世界上第一台电子储存环能量为 240 兆电子伏（240MeV）的专用 同步辐射装置，在美国威斯康星大学建造。据统计，全世界相继已有二十多个 国家和地区，建成同步辐射装置 50 余台，都已投入使用，有十几台正在建设， 另外，还有 15 台左右处于不同的设计阶段，正等待批准。北京正负电子对撞机 国家实验室的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)
的合肥光源(HLS)分别于1989年和1991年建成并投入使用,台湾新竹同步辐射 光源于1994年起对用户开放,上海光源(SSRF)也即将在上海浦东张江高科技 园区建造 几乎同于1947年,在英国曼彻斯特大学物理系,师从布莱克特教授(诺贝 尔奖获得者)的中国青年物理学者朱洪元,在宇宙线研究中写成题为“论高速 的带电粒子在磁场中的辐射”的论文,并在英国皇家学会会刊上发表。这也是 关于同步辐射的最早期论文。其实,据《宋会要》记载,早在公元1054年7 月,我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象:“昼见如太白, 芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆 发。这颗超新星爆发后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云(图2)。现代天文学家 确认该星云的辐射,包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱,正是超 新星爆炸产生的高能电子在星云磁场作用下产生的电磁辐射,也即同步辐射。 图2超新星爆炸后遗迹形成的蟹状星云
4 的合肥光源(HLS)分别于 1989 年和 1991 年建成并投入使用，台湾新竹同步辐射 光源于 1994 年起对用户开放，上海光源（SSRF）也即将在上海浦东张江高科技 园区建造。 几乎同于 1947 年，在英国曼彻斯特大学物理系，师从布莱克特教授（诺贝 尔奖获得者）的中国青年物理学者朱洪元，在宇宙线研究中写成题为“论高速 的带电粒子在磁场中的辐射”的论文，并在英国皇家学会会刊上发表。这也是 关于同步辐射的最早期论文。其实，据《宋会要》记载，早在公元 1054 年 7 月，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白， 芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆 发。这颗超新星爆发后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云（图 2）。现代天文学家 确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和 X 射线的宽频谱，正是超 新星爆炸产生的高能电子在星云磁场作用下产生的电磁辐射，也即同步辐射。 图 2 超新星爆炸后遗迹形成的蟹状星云
当高能电子在磁场中以接近光速运动时,如运动方向与磁场垂直,电子将 受到与其运动方向垂直的洛仑兹力的作用而发生偏转。按照电动力学的理论, 带电粒子作加速运动时都会产生电磁辐射,因此这些高能电子会在其运行轨道 的切线方向产生电磁辐射。这种电磁辐射最早是在同步加速器上观测到的,因 此就称作同步加速器辐射,简称同步辐射,或同步光 同步辐射作为光源,其主要特点可归结为:1)亮度高,譬如X光强度可以 是实验室最好的转靶Ⅹ光机的一万倍甚至一百万倍以上;2)光谱连续且范围宽, 可从远红外到硬X射线;3)有时间结构,一般同步辐射光脉冲的脉宽为几十皮 秒量级;4)具有偏振性,在储存环轨道(即电子运行轨道)平面上同步辐射是 100%线偏振的,而在储存环轨道平面的上方或下方取出的同步光则是左圆偏振 或右圆偏振的:5)同步光集中在弯曲轨道的切线方向一个极小的立体角内,具 有准直性;6)同步辐射的光谱可精确计算,故可用作标准去校正其它光源。图 3是世界上最大的同步辐射装置,日本的 SPring-8的同步辐射光谱亮度曲线, 图中也给出了太阳辐射,转靶Ⅹ光管以及医用Ⅹ光管的光谱亮度曲线,以作比
5 当高能电子在磁场中以接近光速运动时，如运动方向与磁场垂直，电子将 受到与其运动方向垂直的洛仑兹力的作用而发生偏转。按照电动力学的理论， 带电粒子作加速运动时都会产生电磁辐射，因此这些高能电子会在其运行轨道 的切线方向产生电磁辐射。这种电磁辐射最早是在同步加速器上观测到的，因 此就称作同步加速器辐射，简称同步辐射，或同步光。 同步辐射作为光源，其主要特点可归结为：1）亮度高，譬如 X 光强度可以 是实验室最好的转靶 X 光机的一万倍甚至一百万倍以上；2）光谱连续且范围宽， 可从远红外到硬 X 射线；3)有时间结构，一般同步辐射光脉冲的脉宽为几十皮 秒量级；4)具有偏振性，在储存环轨道（即电子运行轨道）平面上同步辐射是 100％线偏振的，而在储存环轨道平面的上方或下方取出的同步光则是左圆偏振 或右圆偏振的；5）同步光集中在弯曲轨道的切线方向一个极小的立体角内，具 有准直性；6）同步辐射的光谱可精确计算，故可用作标准去校正其它光源。图 3 是世界上最大的同步辐射装置，日本的 SPring-8 的同步辐射光谱亮度曲线， 图中也给出了太阳辐射，转靶 X 光管以及医用 X 光管的光谱亮度曲线，以作比 较
25m-Jong Undulator SPring-8 Standard Undulator 韦8%巴EEE Soft X-ray Undulator 图3 SPring-8同步辐射光谱亮度曲 22同步辐射装置:电子储存环 以电子枪,如光阴极微波电子枪作电子束源,使电子束进入直线加速器和 增能器( Booster)中被加速,再通过输运线把它注入到电子储存环中。储存环是 一种超高真空的环形管道,环内安装有一系列磁铁:二极磁铁使电子束团偏转, 改变运动方向(因此也被称作弯转磁铁);四极磁铁和六极磁铁使电子束聚焦。 电子束在经过弯转磁铁时,在弯曲轨道的切线方向产生同步辐射。另外,安装 在储存环中的高频腔用以补充电子能量。图4给出了一个电子储存环的示意图
6 图 3 SPring-8 同步辐射光谱亮度曲[4] 2.2 同步辐射装置：电子储存环 以电子枪，如光阴极微波电子枪作电子束源，使电子束进入直线加速器和 增能器(Booster)中被加速，再通过输运线把它注入到电子储存环中。储存环是 一种超高真空的环形管道，环内安装有一系列磁铁：二极磁铁使电子束团偏转， 改变运动方向（因此也被称作弯转磁铁）；四极磁铁和六极磁铁使电子束聚焦。 电子束在经过弯转磁铁时，在弯曲轨道的切线方向产生同步辐射。另外，安装 在储存环中的高频腔用以补充电子能量。图 4 给出了一个电子储存环的示意图
Bendin Magnet Insertion evice Bendin agne g gnet Insertion Device Insertion Device Bending Magnet 图4电子储存环示意图,图中未标出四极磁铁、六极磁铁和注入系统 个同步辐射光源可选用的最短波长(最高光子能量)取决于储存环的能量和 弯转磁铁的磁场强度,如合肥同步辐射光源的储存环电子能量为800MeV,最短 可用波长为0.5mm;而日本的高辉度同步辐射装置 SPring-8的储存环电子能 量是8GeV,是目前世界上能量最高的同步辐射装置,其最短可用波长可达0.0l m(即能量高达100keV以上,参见图3)阿 高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时,发现电子因辐射 而损失能量,对高能物理实验起负面的作用。但是,非高能物理学家却发现同 步加速器产生的电磁辐射是一种性能优良的光源。于是,开始了人类历史上第 次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。这种在做
7 图 4 电子储存环示意图，图中未标出四极磁铁、六极磁铁和注入系统 一个同步辐射光源可选用的最短波长（最高光子能量）取决于储存环的能量和 弯转磁铁的磁场强度，如合肥同步辐射光源的储存环电子能量为 800MeV, 最短 可用波长为 0.5 nm；而日本的高辉度同步辐射装置 SPring-8 的储存环电子能 量是 8GeV, 是目前世界上能量最高的同步辐射装置，其最短可用波长可达 0.01 nm（即能量高达 100keV 以上，参见图 3）[5] 。 高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时，发现电子因辐射 而损失能量，对高能物理实验起负面的作用。但是，非高能物理学家却发现同 步加速器产生的电磁辐射是一种性能优良的光源。于是，开始了人类历史上第 一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。这种在做
高能物理硏究的加速器上,同时开展同步辐射研究的工作模式,称为寄生模式 或兼用模式,这就是第一代同步辐射光源。在中国科学院高能物理所正负电子 对撞机上,电子通过长为204米的直线加速器,能量达到2.2GeV,也可以在进 行高能物理实验的同时,以寄生模式开展同步辐射研究。美国威斯康星大学 1968年建造的能量为240MeV的电子储存环,是世界上第一台专用同步辐射装 置,也称为第二代光源。我国建在合肥中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL 的同步辐射光源(也称作合肥光源,HS),则是我国第一台专用的同步辐射光源。 专用同步辐射光源在20世纪70年代得到了极大的发展。作为第三代光源,其主 要标志之一是高亮度或低的电子束发射度( electron beam emittance,电子束 团截面尺寸与其发散度的乘积)。电子束发射度越低,亮度就越高,通常认为电 子束发射度在20纳米·弧度以下,即为第三代光源。表1列出的是一些同步辐 射装置的电子束发射度,小于20纳米·弧度的为第三代光源。第三代光源的另 重要标志是在电子储存环的直线节上装有多个插入件,如扭摆器( Wiggle), 它由正、负极周期磁铁组成,目的是局部加大磁场,使电子通过它作扭摆运动 而发出的同步辐射具有更高的特征能量;波荡器( undulator),它与扭摆器的 区别是磁场较弱,但周期数多,使从不同周期得到的同步辐射,可部分相干地 迭加,亮度与周期数平方成正比,使同步辐射的亮度大大提高。因此,通过插 入件获得性能更优良(如相干或部分相干的准单色光,可与激光媲美)、亮度更 高的辐射,它是同步辐射装置的发展方向。在图3中我们也可以看到扭摆器和波 荡器辐射的光谱亮度曲线
8 高能物理研究的加速器上，同时开展同步辐射研究的工作模式，称为寄生模式 或兼用模式，这就是第一代同步辐射光源。在中国科学院高能物理所正负电子 对撞机上，电子通过长为 204 米的直线加速器，能量达到 2.2GeV，也可以在进 行高能物理实验的同时,以寄生模式开展同步辐射研究。美国威斯康星大学 1968 年建造的能量为 240MeV 的电子储存环，是世界上第一台专用同步辐射装 置，也称为第二代光源。我国建在合肥中国科技大学国家同步辐射实验室（NSRL） 的同步辐射光源(也称作合肥光源，HLS)，则是我国第一台专用的同步辐射光源。 专用同步辐射光源在 20 世纪 70 年代得到了极大的发展。作为第三代光源,其主 要标志之一是高亮度或低的电子束发射度（electron beam emittance，电子束 团截面尺寸与其发散度的乘积）。电子束发射度越低，亮度就越高，通常认为电 子束发射度在 20 纳米·弧度以下，即为第三代光源。表 1 列出的是一些同步辐 射装置的电子束发射度，小于 20 纳米·弧度的为第三代光源。第三代光源的另 一重要标志是在电子储存环的直线节上装有多个插入件，如扭摆器（Wiggle）， 它由正、负极周期磁铁组成，目的是局部加大磁场，使电子通过它作扭摆运动 而发出的同步辐射具有更高的特征能量；波荡器（undulator）,它与扭摆器的 区别是磁场较弱，但周期数多，使从不同周期得到的同步辐射，可部分相干地 迭加，亮度与周期数平方成正比，使同步辐射的亮度大大提高。因此，通过插 入件获得性能更优良（如相干或部分相干的准单色光，可与激光媲美）、亮度更 高的辐射,它是同步辐射装置的发展方向。在图 3 中我们也可以看到扭摆器和波 荡器辐射的光谱亮度曲线
表1一些同步辐射装置的电子束发射度 同步辐射装置及所在地 电子束发射度(纳米·弧度) BSRF(北京) 390(寄生模式)76(专用模式) NSRL(合肥) 166(高亮度模式运行时为27) SRRC(台湾新竹) 19 PLS(韩国浦项) 12.1 ESRF(法国, Grenoble)3.89(1.7@100mA) APS(美国) 8.2 SPring-8(日本) SRRF(上海,即将建造)2.95(设计指标) 依据电子储存环中电子能量的高低,储存环同步辐射装置又可分为低能、 中能和高能三类。低能同步辐射光源的电子能量在2GeV以下,储存环周长约 为10-200米,得到的同步辐射主要是真空紫外和软X射线辐射。如HS的电 子能量在直线加速器中被加速到200MeV后,通过输运线注入到电子储存环中, 其电子储存环中共有45个电子束团(在储存环中由于自稳相作用,电子自动聚 集而形成电子束团,每个电子束团包含几十亿个电子),所有电子都在周长为 66米的储存环中被慢加速到800MeV,在电子储存环的弯转磁铁处产生同步辐 射,在真空紫外和软X射线区都有很强的辐射,特征波长为24A。而中能机器, 储存环的电子能量选择在2.5-4.0GeV左右,储存环周长在200-400米左右, 同步辐射在Ⅹ射线能区有很好的性能。BSRF的电子储存环周长240米,能量在 2GeⅤ左右,就是这类中能同步辐射光源,其同步辐射以软X射线和部分硬Ⅹ 射线为主,在真空紫外区也有很强的辐射。中能光源的造价和运行费用都比高 能同步加速器低得多,而性能也可以很好,所以现在世界各国正在建造的都是
9 表 1 一些同步辐射装置的电子束发射度 同步辐射装置及所在地 电子束发射度（纳米·弧度） BSRF（北京） 390 (寄生模式) 76 (专用模式) NSRL（合肥） 166 (高亮度模式运行时为 27) SRRC（台湾新竹） 19 PLS（韩国浦项） 12.1 ESRF（法国，Grenoble） 3.89 (1.7@100mA) APS（美国） 8.2 SPring-8（日本） 5 SRRF（上海，即将建造） 2.95（设计指标） 依据电子储存环中电子能量的高低，储存环同步辐射装置又可分为低能、 中能和高能三类。低能同步辐射光源的电子能量在 2 GeV 以下，储存环周长约 为 100-200 米，得到的同步辐射主要是真空紫外和软 X 射线辐射。如 HLS 的电 子能量在直线加速器中被加速到 200 MeV 后，通过输运线注入到电子储存环中， 其电子储存环中共有 45 个电子束团（在储存环中由于自稳相作用，电子自动聚 集而形成电子束团，每个电子束团包含几十亿个电子），所有电子都在周长为 66 米的储存环中被慢加速到 800 MeV，在电子储存环的弯转磁铁处产生同步辐 射，在真空紫外和软 X 射线区都有很强的辐射，特征波长为 24 Å。而中能机器， 储存环的电子能量选择在 2.5-4.0 GeV 左右，储存环周长在 200-400 米左右， 同步辐射在 X 射线能区有很好的性能。BSRF 的电子储存环周长 240 米，能量在 2 GeV 左右，就是这类中能同步辐射光源，其同步辐射以软 X 射线和部分硬 X 射线为主，在真空紫外区也有很强的辐射。中能光源的造价和运行费用都比高 能同步加速器低得多，而性能也可以很好，所以现在世界各国正在建造的都是
中能同步辐射加速器。将要建造的上海光源也是一台中能光源,储存环电子能 量优化为3.5GeV,设计周长为432米。高能区的同步加速器,储存环周长可达1 公里以上。电子能量达6-8GeV,可以获得能量很高的硬Ⅹ射线,目前世界上 只有三台:法国 Grenoble电子能量为6GeV的欧洲同步辐射装置(ESRF);美 国 Argonne国家实验室电子能量为7GeV的先进光子源(APS),;以及日本原子 能研究所和理化研究所共同筹建的电子能量为8GeV的超级光子源( SPring-8)。 这三台装置都已启用,装置的几个主要参数列于表2 表2世界上三个最大的高能同步辐射装置的几个主要参数 装置名称欧洲同步辐射装置先进光子源高辉度同步辐射装置 (ESRF) (APS) (SPring-8) 建造国家 法国等16个欧洲美国 日本 国家 电子能量(GeV)6 7 储存环周长(米)84.4 1104 1436 特征能量(keV)19.2 19.5 28.9 投入运行年代1994 1996 1997
10 中能同步辐射加速器。将要建造的上海光源也是一台中能光源，储存环电子能 量优化为 3.5GeV,设计周长为 432 米。高能区的同步加速器，储存环周长可达 1 公里以上。电子能量达 6-8 GeV，可以获得能量很高的硬 X 射线，目前世界上 只有三台：法国 Grenoble 电子能量为 6 GeV 的欧洲同步辐射装置（ESRF）；美 国 Argonne 国家实验室电子能量为 7 GeV 的先进光子源（APS），；以及日本原子 能研究所和理化研究所共同筹建的电子能量为 8 GeV的超级光子源（SPring-8）。 这三台装置都已启用，装置的几个主要参数列于表 2。 表 2 世界上三个最大的高能同步辐射装置的几个主要参数 装置名称 欧洲同步辐射装置 （ESRF） 先进光子源 （APS） 高辉度同步辐射装置 （SPring-8） 建造国家 法国等 16 个欧洲 国家 美国 日本 电子能量（GeV） 6 7 8 储存环周长（米） 844.4 1104 1436 特征能量（keV） 19.2 19.5 28.9 投入运行年代 1994 1996 1997
