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1、同步辐射在高压研究中的应用,王 霖,课 程 内 容,同步辐射基础知识。 a. 同步辐射产生的机理 b. 同步辐射光源 c. 同步辐射光源的重要参数 d. 同步辐射的优点 同步辐射科学实验技术及其在高压科学中的应用、实验技术要素及数据处理。 a. X-ray衍射技术（白光，单色光；高能x-ray，纳米光束的应用 etc.） b. X-ray吸收光谱（NEXAFS ，EXAFS） c. X-ray三维成像技术（透射，相干成像 etc.） d. X-ray非弹性散射技术（x-ray Raman, XMCD etc.） 几个知名的国际同步辐射光源以及机时申请 APS，ESRF，Spring-8 etc
2、 ,同步辐射基础知识,0. 同步辐射的发展史 同步辐射产生的机理 b. 同步辐射光源 c. 同步辐射光源的重要参数 d. 同步辐射的优点,同步辐射的发展史,同步辐射是1947年在美国通用电气公司的同步加速器中被观测到的，刚开始被视为同步加速器加速电子的不利副产物。 同步辐射光源是指产生同步辐射的物理装置。 第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机； 第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机； 第三代同步辐射光源为性能更高且储存环之直线段可加装插件磁铁组件之同步辐射专用储存环的专用机； 现在正在研究的自由电子激光器（free electron laser）则为新一
3、代的高强度光源设施。 目前世界上共有近70个同步辐射光源，我国有五个： 北京BEPC (G1)，合肥的HLS(G2)， 上海的SSRF(G3)，台湾的NSRRC(G3)和TPS(G3)。,SSRF （China）,Spring-8 （Japan）,APS （USA）,ESRF （France）,同步辐射的组成部分： 电子发射器，电子加速器，电子储能环, 同步辐射光的产生装置，同步辐射实验站,电子加速器,直线加速器加速电子（或其它带电粒子）到高速度、高能量的简单且直接的方法是高压型加速，增大加速电压就能使电子加速到很高的速度或能量，这种加速过程需要在高真空或超高真空条件中进行。对于电子，其带电量
4、为一个电子电菏e，如要将电子加速到几十Kev的能量就要用几十KV的电压，以此类推，在更高的电压条件下，为避免高压击穿须采用强烈的电感应来加速，而且必须在合适的相位范围内使相位相同，否则不仅不能加速还会减速。这种用高频高电压加速的粒子流在时间上是一段一段的，脉冲式的，是很窄的粒子流，成为一个个束团。为了利用高电压来加速，人们把多个中空的金属筒有间隙的排列在一条直线上，并将高压高频交流电源间隔的耦合到各个圆筒上，各个圆筒之间存在高电压，相位轮流相反，电子在圆筒之间被加速。,电子加速器,回旋加速器和电子感应加速器如果要用直线加速器得到很高的电子能量，整个加速器要做的很长，很不经济。到了20世纪20年
5、代，回旋加速器（cyclotron）和电子感应（betatron）相继发明，有了把电子加速到极高能量的可能。回旋加速器是利用高频感应电压给电子加速增能和用磁场使带电粒子做绕圈运动这两种作用建立起来的。电子在圆形环中运动，在加速间隙得到加速，所运行的轨道半径也一步一步增加，以达到加速增能的目的。电子感应加速器是利用电子绕圈内的磁通变化所感应出的电场来加速电子。电子手约束磁场的作用基本以不变的半径绕圆圈，每绕一圈就加速一回，由于电子的速度很快，在不长的时间内绕的圈数很多，故能够得到很高的能量。,Spring-8 ?,同步加速器1945年 McMillan和Veksler发明了同步加速装置。同步加速
6、器由许多C型磁铁环状排列而成，在磁铁中部安装了环型真空盒，在环的某一段安装了高频高压加速器，电子就在真空盒内，在磁铁的作用下做环状运动，经过高频时得到加速。为使加速后的电子仍以相同的半径作环形运动，就要改变同步C形磁铁造成的约束磁场，这就是同步加速器的由来。到了20世纪70年代中期，人们进一步认识到在高能物理中用于对撞实验的电子存储环来发生同步辐射更合适，因为电子在存储环中以一定的能量作稳定的回环运动，这与同步加速器中的电子的能量不断改变的情况不同，因而能长时间的稳定的发出同步辐射光。随着电子存储环能量的提高，所得同步辐射的波长不断缩短，从紫外线或软X射线一直扩展到硬X射线。,电子加速器,电子
7、储能环-,r,厚铅皮包裹的高真空管,r的大小决定了电子的能量，同时也和最后发出的同步辐射x光的能量范围有关。,运行轨道中电子的能量、电流通量、电子束发射度等 BEPC: 2.2GeV 100 mA 76 nm.rad SSRF： 3.5 GeV 200 mA? 3 nm.rad APS: 7GeV 100 mA 2.5 nm.rad NSLS II: 3GeV 300 mA 0.5 nm.rad -,同步辐射参数,影响同步辐射光的：能量（分布），亮度，相干性等,同步辐射光的产生 弯转磁铁 （bending magnet） 扭摆器（wiggler） 波荡器（undulator）,A bendin
8、g magnet of ADONE,弯转磁铁 （bending magnet）,扭摆器（wiggler）和波荡器（undulator）,The brightest synchrotron light at the ALS comes from undulators (located in the straight sections of the storage ring) that contain over one hundred magnetic poles lined up in rows above and below the electron beam. The magnets for
9、ce the electrons into a snake-like path, so that the light from all the curves adds together. Although they are about 4.5 meters long and weigh about 40,000 pounds, the undulators have to be built to extreme precision. Many of the design tolerances are approximately 50 microns, less than the width o
10、f a human hair. Wigglers are similar to undulators but have fewer magnetic poles.,The photo shows one undulator installed in a straight section of the storage ring (lower left), and another undulator being moved above the storage ring shielding to its final location in another part of the ring. The
11、booster synchrotron to storage ring transfer line is visible in the lower right.,扭摆器（wiggler）,波荡器（undulator）,同步辐射光的特点,高强度如用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十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。 宽波谱同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），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
12、波长，进行单色光的实验。 高准直性利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。 脉冲性同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。 偏振性与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。,同步辐射光的特点,高强度如用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十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮
13、度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。 宽波谱同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），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。 高准直性利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。 脉冲性同步辐射光是由与储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。 偏振性与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。,同步辐射的应用,同步辐射实验站 单色器，聚焦镜，样品台，探测器 等等,单色器(x-ray 的能量)： Si, Diamond, Ge et 聚焦镜（光斑大小）: K-B mirror, Zone plate, optical lens etc 样品台: x,y,z etc 探测器（信号/噪声）: CCD, image plate etc,