第二讲同步辐射;横 向运动(上)
同步辐射原理 ○带电粒子在作加速运动时会辐射电磁波,并损失其能 量。高能电子在磁场中作圆周运动时,由于是在作向 心加速运动,所以会以光的形势辐射能量 o因为这种辐射首先在电子同步加速器中观察到,所以 人们称它为“同步加速器辐射”,简称为“同步辐 射”,或“同步光” Magnetic Electrons circulating Field in a storage ring Beam Collimator Synchrotron Radiation
同步辐射原理► 带电粒子在作加速运动时会辐射电磁波，并损失其能 量。高能电子在磁场中作圆周运动时，由于是在作向 心加速运动，所以会以光的形势辐射能量 因为这种辐射首先在电子同步加速器中观察到，所以 人们称它为“同步加速器辐射” ，简称为“同步辐 射” ，或“同步光
o辐射能量 当一个相对论电子作圆周运动时,它每圈辐射的能 量为: U0=8.85×103 式中E是电子的能量(单位eV);ρ是电子轨道的曲率半径(单位米)。 例如:E:0.4GeV,ρ:1.33米辐射能量U。=1.7KeV E:4.0GeV,Q:12.7米辐射能量UG=1.785MeV 总辐射功率 如果有№个电子在储存环中作回旋运动,回旋频率为f,则 总辐射功率为P=fMU 在《同步辐射光源物理引论》中,用的公式(单位不同)等效: Uo(ke v)=26.54E B, PSRS(W)=26.541E3B
辐射能量 ➢ 当一个相对论电子作圆周运动时，它每圈辐射的能 量为： ➢ 总辐射功率 • 如果有N0个电子在储存环中作回旋运动,回旋频率为f c，则 总辐射功率为Pr =f cN0U0 ➢ 在《同步辐射光源物理引论》中，用的公式（单位不同）等效： • 𝑈0 keV = 26.54𝐸 3𝐵，𝑃𝑆𝑅𝑆 W = 26.54𝐼𝐸 3𝐵 4 32 0 8.85 10 E eV E U − = 式中 是电子的能量(单位 )； 是电子轨道的曲率半径(单位米)。 例如：E：0.4GeV，ρ ：1.33米 辐射能量U0=1.7KeV E：4.0GeV，ρ ：12.7米 辐射能量U0=1.785MeV
O特征波长 4丌 入=Py 式中y是电子的相对能量y=E(me2),E为总能量,mc为电子的静止能量。 E′2 N()=786×10Jx 5(m) 式中的N(4)为光通量(即,沿电子轨道的切线方向毫弧度的水平角中 在1埃(=0.1nm)的范围内每秒发射的波长为的光子数;J为储存环中的 循环电流(单位mA);E为电子的总能量(单位Gev);p为发射点的电子 轨道的曲率半径(单位m);为特征波长;K53(m)为第二类分数阶的 修正贝塞耳函数
特征波长 ( ) ( ) ( ) ( ) 3 7 11 2 5/3 5/3 7.86 10 ( 1 1 (=0.1nm) ) mA) E ( GeV) m c c c E N J K d N J K = 式中的 为光通量 即，沿电子轨道的切线方向 毫弧度的水平角中 在 埃 的范围内每秒发射的波长为 的光子数 ； 为储存环中的 循环电流(单位 ； 为电子的总能量 单位 ； 为发射点的电子 轨道的曲率半径(单位 )； 为特征波长； 为第二类分数阶的 修正贝塞耳函数。 ( ) 3 c 2 2 0 0 4 3 E/ m c E m c − = = 式中 是电子的相对能量 ， 为总能量, 为电子的静止能量
1.3.2同步辐射特征 o超级显微镜 The Electromagnetic Spectrum Size House Cell Protein Atom 10 10 10 10 10 10 wavelength(m) Visble g Radio Waves Mcrwsaves Infrared Ute-idlet Soft X-rays Hard X-rays Gamma Rays rgy(e\ 10 10 10 10 10 103t Source Radio Microwave Light Synchrotron Radioactive Tubes Bulbs Radiation Elements
1.3.2 同步辐射特征 超级显微镜
o高亮度:比最强的Ⅹ光管特征线亮度强万倍以上≯ 的感 ALS Undulator 10 8- LS Bend Magnet The als 100kW, 101l X Ray tube 60-W Light Bulb Candle
高亮度：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。 ➢ 1-10埃，软X射线，0.1-1埃，硬X射线 辐射光强度大 ➢ 几个GeV，几百毫安流强的SR平均辐射功率可达100kW， X光机最大也就是10W左右。相差4个量级 ➢ 北京同步辐射装置的辐射功率可达6万瓦 ➢ 合肥的同步辐射装置的辐射功率为6千瓦
O宽波谱 覆盖了红外至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 O高准直 同步辐射的发射度极小,准直性可以与激光相媲美 o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 o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
宽波谱 ➢ 覆盖了红外至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
高真空性 同步辐射是在超高真空(或高真空)中获得,是十分清洁的光 源,没有普通光源的电极溅射问题。例如Ⅹ光管,管内有残 余气体,而残余气体,受电子轰击也会发光。利用这种“干 净”的光,可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模 集成电路的光刻等。 o可准确计算和高度稳定 〉利用先进的加速技术可以使电子束流在加速器中稳定循环运 行数小时以上,保持电子能量与磁场强度不变,流强缓慢下 降,从而使辐射光强有高度的稳定性(top-of更高)。这对 于要求高精度、高分辨率的重复性的实验是必要的 谱分布和谱光度可以使用光谱计算公式精确计算,别的光源 很难做到。利用这个性质,可把它作为标准来校准其它光源
高真空性 ➢ 同步辐射是在超高真空(或高真空)中获得，是十分清洁的光 源，没有普通光源的电极溅射问题。例如X光管，管内有残 余气体，而残余气体，受电子轰击也会发光。利用这种“干 净”的光，可作微量元素的分析、表面物理研究、超大规模 集成电路的光刻等。 可准确计算和高度稳定 ➢ 利用先进的加速技术可以使电子束流在加速器中稳定循环运 行数小时以上，保持电子能量与磁场强度不变，流强缓慢下 降，从而使辐射光强有高度的稳定性（top-off更高）。这对 于要求高精度、高分辨率的重复性的实验是必要的。 ➢ 谱分布和谱光度可以使用光谱计算公式精确计算，别的光源 很难做到。利用这个性质，可把它作为标准来校准其它光源
同步辐射应用 o同步辐射与物质的相互作用: 吸收,散射,二次粒子发射 o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 o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 o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
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
同步辐射应用:生命科学 O探索生物大分子(蛋白质)的结构 β-t o了解生命过程,从结构研究进入到功 B-sheet 能研究的领域 o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: extended cOl a-helix 〉分子间振动(fs-us)、有序-无序转变 在欧洲同步辐射中心 (nsms)、酶作用(ms)、蛋白质蛋白(ESRF),有45% 质相互作用(pms)、质子/电子迁移反的实验申请来自生 应(psms)、金属-配合基(ignd)结合科学家。 S-ms
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 （ns-ms）、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） 在欧洲同步辐射中心 （ESRF），有45％ 的实验申请来自生命 科学家