第二部分 同步辐射光源及其应用

同步辐射光源及其应用 概述 同步辐射特性 同步辐射光源 同步辐射应用 同步辐射光源及新光源的发展趋势 合肥同步辐射光源(HLS)

概述 §1.1 何谓同步辐射？ 同步辐射是高速带电粒子（vc）在近似圆形轨道上运动时，沿轨道切线方向发射的一种电磁辐射，这是因为1947年首先在一台电子同步加速器上观察到所致。其实最早观察到这一现象的是我国宋代科学家（如图一、图二所示的记载和蟹状星云照片 ）。图三是同步辐射产生的原理图。

Crab Nebula - the first Synchrotron source observed 图二、蟹状星云照片

同步辐射产生示意图

z Spatial distribution of radiation from a charge accelerated along the z axis x y

Relativistic focusing of Synchrotron Radiation acceleration Electron frame acceleration q Lab frame velocity b Transformation between frames:- tan q = g-1 sin f (1+b cos f )-1 If f = 900 then q = g-1

电子在二级铁中产生同步辐射示意图

同步辐射光源及其应用的发展简史 ◎1947年在一台70MeV电子同步辐射加速器上首次观察到（Floyd Haber），但带电粒子辐射的理论研究要回朔到1989年Lienard的研究以及Schott、Jassinsky、Kerst、Ivaniko的研究。Ivaniko指出电子感应加速器的最高能量将受到这种辐射的限制。 ◎1954年Schwinger完成了这种辐射的综合性理论研究（光的强度、光谱、角分布和偏振等）。 ◎上世纪五十年代在已有的电子同步辐射加速器上开展SR光源性能的实验研究。如在Berkeley, Cornell 的300 MeV电子同步加速器上开展SR辐射功率的研究， 继后在NBS的180MeV开展角分布、辐射谱等研究以及1.1GeV(Cornell)开展偏振性等研究。这些研究结果与Schwinger的理论一致。 ◎ 六十年代中期， 在意大利法拉斯卡蒂、日本东大、德国汉堡DESY以及美国国家标准局NBS等开展了同步辐射的应用研究。 ◎ 七十年代在其他高能机器上（如波恩大学、格拉斯哥、莫斯科、埃里温等电子同步加速器上开始实施同步辐射研究计划。

◎ 1968年在美国Wisconsion大学开始同步辐射光源的建造计划（240MeV，Tantales）。 ◎ 上世纪七十年代初开始建造专用同步辐射装置（SOR-Ring), 部分研究所将对撞机改为专用光源（SPEAR, DOURIS, VEPP-3) ◎ 七十年代末，在先进国家纷纷提出专用同步辐射装置建造计划。 ◎ 八十年代，专用同步辐射装置相继建成并提供使用。同步辐射加速器犹如雨后春笋一般在世界各地建立。 现在， 同步辐射已不再是人们生疏的了，而是众多领域科学家熟悉并追求的研究手段了。利用同步辐射光源开展研究所取得的成果之多已远超出人们所预料。

世界同步辐射装置发展现状 同步辐射研究的历史仅四十年左右，但发展之迅速是科学史上罕见的。现已有六十台左右的同步辐射装置在运行。 就光源的能量来说，光源可分为：  VUV-Ring  X-ray Ring 从光源性能来说，光源可分为：  第一代同步辐射光源  第二代同步辐射光源  第三代同步辐射光源  第四代同步辐射光源

世界同步辐射装置分布图

同步辐射光源一览表 United States Ring (Institution) Location Energy(GeV) Note* ALS (Lawrence Berkeley Laboratory) Berkeley 1.5 - 1.9 DE APS (Argonne National Laboratory) Argonne, IL 7 DE CAMD (Louisiana State Univ.) Baton Rouge 1.4 DE CHESS (Cornell University) Ithaca, NY 5.5 PD DFELL (Duke University) Durham, NC 1 -1.3 DE / FE NSLS I (Brookhaven National Lab.) Upton, NY 0.75 DE NSLS II 2.5-2.8 SRC (Univ. of Wisconsin -Madison) Stoughton, WI 0.8-1 DE SSRL (Stanford University) Stanford, CA 3-3.5 DE SURF II (Natl Inst. for Standards and Technology) Gaithersburg, 0.28 DE

Ring (Institution) Location Energy(GeV) Note* British DIAMOND Oxfordshire 3.0 DE SINBAD (Daresbury Laboratory) 3.0 DS/DE SRS (Daresbury Laboratory) 0.6 DS/DE Canada CLS (Canadian Light Source) Saskatoon, Saskatchewan 2.5 DE China BSRF(Institute of High Energy Physics) Beijing 1.6 - 2.8 DE/PD NSRL(Univ. of Science & Technology) Hefei 0.8 DE SSRF(Institute of Nuclear Research) Shanghai 2-2.5 DE SRRC (Synchr. Rad. Research Center) Hsinchu(Taiwan) 1.3-1.5 DE TPS Hsinchu(Taiwan) 3.0 DE/ Ct Denmark ASTRID(University of Aarhus) Aarhus 0.6 PD France ESRF Grenoble 6 DE DCI (LURE) Orsay 1.8 DE SOLEIL(LURE) Orsay 2.75 DE

Ring (Institution) Location Energy(GeV) Note* Germany ANKA (Research Center Karlsruhe FZK) Karlsruhe 2.5 DE BESSY I Berlin 0.8 DE BESSY II Berlin 1.7 DE DELTA (Dortmund University) Dortmund 1.5 DE/FE DORIS III (HASYLAB/DESY) Hamburg 4.5-5.3 DE ELSA (Bonn University) Bonn 1.5-3.5 PD PETRA II (HASYLAB/DESY) Hamburg 7-14 PD ROSY(Research Center of Rossendorf) Dresden 3 DS/DE India INDUS-I(Center for Advanced Techn.) Indore 0.45 DE INDUS-II(Center for Advanced Techn.) Indore 2.0 DS/DE Italy DAFNE Frascati 0.51 DE ELETTRA Trieste 1.5-2.0 DE

Ring (Institution) Location Energy(GeV) Note* Japan Accumulator Ring(KEK) Tsukuba 2.5 DE AURORA(Ritsumaiken University) Kusatsu 0.6 DS/DE HBLS(University of Tokyo-ISSP) Kashiwa 2-2.5 DS/DE HISOR(Hiroshima University) Hiroshima 0.7 DE Kansai SR Osaka 1.8 DS/DE KSR(Kyoto University) Kyoto 0.3 DS/DE Nano-hana(Japan SOR Inc.) Ichihara 1.5-2 DS/DE NIJI II (ElectroTech. Lab.) Tsukuba 0.6 DE NIJI III 0.6 DE NIJI IV 0.5 DE/FE Photon Factory(KEK) Tsukuba 2.5 DE SPring-8 Nishi Harima 8 DE SOR-Ring(University of Tokyo-ISSP) Tokyo 0.5 DE Subaru(Himeji Institute of Technology) Nishi Harima 1-1.5 DS/DE TLS(Tohoku University) Sendai 1.5 DS/DE UVSOR(Institute for Molecular Science) Okasaki 0.75 DE

Ring (Institution) Location Energy(GeV) Note* Korea Pohang Light Source Pohang 2.0 DE Middle East SESAME (UNESCO) Jordan 2.0 DE Netherlands AmPS(Natl. Institute for Nucl. Phy.) Amsterdam 0.9 PL EUTERPE(Eindhoven Univ. of Techn.) Eindhoven 0.4 PL Russia Siberia I (Kurchatov Institute) Moscow 0.45 DE Siberia II (Kurchatov Institute) Moscow 2.5 DE Siberia-SM(BINP) Novosibirsk 0.8 DE TNK(F.V. Lukin Institute) Zelenograd 1.2-1.6 DE VEPP-2M / 3 /4 (BINP) Novosibirsk 0.7 / 2.2 / 5-7 PD Spain Catalonia SR Lab (ALBA) Barcelona 2.5 DS/DE

Ring (Institution) Location Energy(GeV) Note* Sweden MAX I / MAX II (Univ. of Lund) Lund 0.55 / 1.5 DE Switzerland SLS (Paul Scherrer Institute) Villigen 2.1 DS/DE Brazil LNLS-1 Natil. Council for Sci. & Techn. Development Campinas 1.15 DE LNLS-2 2.0 DS/DE Armenia CANDLE Yerevan 3.0 DE * DE = Dedicated, PD = Partly Dedicated, DS =Design, PL = Planned Use, FE = FEL Use

Singapore Singapore Synch. Rad. Light Source Research Link 0.7 DE (SSLS or Helios II) Australia ASRP(Australia Synchrotron Research Program) Victoria 3.0 DE * DE = Dedicated, PD = Partly Dedicated, DS =Design, PL = Planned Use, FE = FEL Use

同步辐射光源特性 这里仅限于讨论非相干的同步辐射特性即带电粒子在二极磁铁的磁场中作曲线运动时所产生的电磁辐射特性。至于在插入元件中形成的相干辐射特性，我们将在以后加以讨论。

同步辐射损失 带电粒子作曲线运动时的辐射的电磁场由下式给出（对电子而言）： n  R

由此得辐射功率 当 时，辐射功率为 对电子 对质子

经推导得电子一圈内的辐射能量为： 对质子有： 不难计算得 TRISTAN,HLS, LEP的辐射能量分别为 290MeV/turn, 16.3keV/turn, 261.6MeV/turn

同步辐射特性  辐射频谱宽广且平滑连续 上式单位为光子数/秒/mrad2/0.1%带宽

光源亮度由下式给出 上式单位为光子数/秒/mrad2/mm2/0.1%带宽 在水平面上，x=0，则 HLS的亮度曲线如下一页图所示

HLS II亮度曲线

辐射强度高

 辐射强度、谱线等参数可以准确计算，如前  准直性好  辐射强度、谱线等参数可以准确计算，如前 面的公式。 辐射谱的特征波长 c 为

在轨道平面为线偏振； 光脉冲长度为： nss  偏振性 其他平面为椭圆偏振  脉冲时间结构 几十ps几百ps 光脉冲间隔为：  洁净、稳定 不同能量不同观察角度时，水平、垂直分量规一化偏振强度

同步辐射特性 归纳起来，同步辐射光源具有以下其他光源不具备的特性（优点）：  高通量、高亮度  频谱宽广且连续  高偏振性  准直性  高通量、高亮度  频谱宽广且连续  高偏振性  准直性  脉冲时间结构  超高真空洁净环境  光源稳定

同步辐射光源 同步辐射光源实际上是一台专用同步辐射加速器以及光束线和实验站组成的大型科学试验装置。同步辐射加速器主要由电子（正电子）储存环及其注入器组成。为使大家在概念上能建立较清晰的物理图象，我们将在 下面就其工作原理及其组成作一简单论述。 同步辐射加速器的工作原理 前面已指出，同步辐射是电子（或正电子）沿曲线轨道运动时，在切线方向所发出的电磁辐射，如图3.1所示。

1  >>1 图3.1 高能电子作圆周运动时的辐射原理示意图

从上图可知， 这一辐射现象意味着作为一个稳定的同步辐射光源至少要具备以下两点： ⑴ 电子（或正电子）具有很高的能量； ⑵ 电子必须沿曲线轨道运动。 显然，满足上述要求的必是一台圆形电子加速器，如电子同步加速器、电子储存环。该加速器的能量和轨道曲率半径可根据下式来确定：SR-02.AVI

表3.1满足 λc 要求的磁场强度B及电子能量E的参数表 εc(keV) 1 3 24 12.4 4.13 0.51 B(Tesla) 0.8 1.0 1.2 1.5 E(GeV) 4.83 4.32 3.94 2.787 2.49 2.275 0.985 0.72 ρ (m) 20.12 14.4 10.94 11.61 8.3 6.32 4.10 2.22 1.6   从上表数据可知，电子的能量至少为720MeV。显然，产生这样高的电子能量只有加速器才能信任，而且电子储存环为最佳。为此，下面我们将对同步辐射加速器作一简单的介绍。

同步辐射加速器的组成 作为同步辐射光源的加速器，即同步辐射加速器是由多台加速器组成。归纳起来它将由注入器、电子储存环以及束流输运线等组成，而注入器可由以下的方式构成： ① LINAC（电子直线加速器），如我国国家同步辐射实验室的HLS、日本的PF、意大利的等；右图是日本光子工厂的平面布局图。

① LINAC + Synchrotron，如美国的APS, 日本的Spring-8, 西欧的ESRF等；下图是ESRF的平面图和照片。

 LINAC＋ Microtron 如日本AURORA等；下图是的平面图和装置照片

Microtron, 如美国的SRC,瑞典的MAXⅠ/Ⅱ等。如下图示所示

电子储存环的组成  二极磁铁  高频加速系统  四極磁铁  超高真空系统  束流诊断極及控制系统  注入系统  轨道校正、色品校正等  插入元件  剂量防护及剂量监测系统  其它辅助系统（供水、供电、采暖空调等）

同步辐射光源举例 1、APS (Advanced Photon Source) Main parameters: Energy 7 GeV x 35.22 Current 100 mA y 14.3 C 1104 m x 7.5 nm.rad frf 351.927 MHz y 7.5 nm.rad k 1296 x 325 m UradT 9.6 MeV/turn y 86 m  175.7 m s 34.6 ps B 0.599 T  76 Hrs

2、Spring-8 (Synchrotron Photon Ring) Main parameters: Energy 8 GeV Current 100 mA C 1436 m B 0.679 T  175.7 m frf 508.6 MHz k 2436 x 5.6 nm.rad y 0.5 nm.rad x 53.22 y 20.16 UradT 21.63 MeV/turn s 3.63 mm

爱美尼亚 （台湾）

约旦 西班牙

(Oxfordshire) 法国 澳大利亚

上海光源

插入元件及其辐射特性 所谓插入元件（insertion devices）是指在电子储存中的直线段插入Wiggler(扭摆磁铁)或Undulator(波荡器)等，其目的是在不改变储存环的能量条件下，使同步辐射的光谱和亮度等得以拓宽和提高，以适应更多用户的需求。 在第二章我们已介绍了同步辐射的特性，那里是指从储存环中二级铁处产生的辐射特性。在储存环设计中（Lattice Design）必然有直线节以便安放注入元件、高频加速腔等，而且在Lattice设计中是选用对称式结构，如下图所示。

典型的光源平面布局图

插入元件简史 第一个在加速器上安装插入元件是K.W.Robision(1956年)在CEA(6GeV)上，其目的是用来抑制电子发射度，使用后观察到较好的同步辐射特性。70年代不少学者提出安装插入元件，特别是H.Winick教授对Wiggler 等磁铁作了详细地论述。在美国SPEAR、法国ACO以及前苏联新西伯利亚VEPP-4等加速器上开始安装插入元件并开始实验。 现在不少同步辐射机器上已安装了Wiggler 和Undulator。下面我们对插入元件及其特性作一讨论。

Wiggler 所谓Wiggler（扭摆磁铁）是指磁 场强度较高（比二极磁铁中的磁场 高），其磁场周期数N不很大的一种 多极磁铁，如下图所示。 HLS 6T超导Wiggler剖面图

Wiggler or Wavelength Shifter Placed in a straight section Net deflection zero High magnetic field 5-10T Large horizontal fan ~200 mr

Multi Pole Wiggler Multiple alternating poles High magnetic field 2-5T Small horizontal fan ~20 mr Superposition of source points

SRS Daresbury 2.4 Tesla Permanent Magnet MPW

HLS 6T超导Wiggler剖面图

这种插入元件插入环中会影响电子轨道的稳定性，为减少或消除这种影响，要求： 1、 ； 2、高级场的积分值尽可能的小。 这种插入元件插入环中会影响电子轨道的稳定性，为减少或消除这种影响，要求： 1、 ； 2、高级场的积分值尽可能的小。

由于Wiggler的周期数不大，而周期又较长，因此从Ｗiggler产生的同步辐射特性基本上同从二极磁铁出来的辐射特性相同，仅辐射波长向短的方向移动，其辐射强度同磁铁的周期数N成比例。其谱的特征波长同前面给出的公式：

不同磁场条件下的特征波长值 E(GeV) B(T) λc（Å） εc (keV） 0.8 1.2 24 0.517 6.0 4.8 2.55 0.8 1.2 24 0.517 6.0 4.8 2.55 10.0 2.9 4.26 2.5 0.962 3.1 4.0 6.0 0.5 24.9

UNDULATOR（波荡器）

Undulator Multiple alternating poles Period lu = 10s of mm Beam deflection < 1/g Interference makes line spectrum Very high brightness

ESRF Undulator

In vacuum Undulators – for small gap / period SRC

SRC Wisconsin 6 EM Undulator

Elettra – SLS Helical Wiggler/Undulator

辐射特性 1、单色性 在undulator中的辐射波长可由下式表示： 其中

2、方向性 在插入元件的一周期磁场 中电子的轨迹如右图所示。 在Wiggler中的较大，使其 SR辐射角较大，即》1； 在Undulator中的较小，使 其SR辐射角也较小， 即 1。 N次谐波辐射的半张角为： 由此可知k的大小是wiggler 和undulator的判据之一。

3、可调谐性 从波长表达式可知， 只要调节γ，k（调节磁间隙来改变磁场或切换 不同k值的Undulator等），就可得到不同波长 λi的辐射。

4、高亮度 在实用单位制下（Nph/s.mm2.mrad2.0.1%BW) 的亮度公式为： 其中N－Undulator的磁铁周期数，n－谐波数，Fn为：

5、辐射功率 在wiggler,Undulator中的总辐射功率由下式 给出： 其它特性，如偏振性、脉冲时间结构、洁净等 同从二极铁处的辐射相同。

光束线和实验站 同步光是一个全新的光源，其波长范围又十分宽广，各个用户只局限于一定的波长范围，因此必需从连续的同步辐射光谱中取出所需的光到实验样品(sample)，以进行试验研究。承担此任的就是所谓“光束线、实验站”。如以下诸图所示: